电厂烟气脱硫浆液管道设计总结

电厂烟气脱硫浆液管道设计总结[摘要]石灰石-石膏湿法烟气脱硫工艺在国内外已经非常成熟，同时国内也涌现了很多脱硫总包公司及专业脱硫设计公司。浆液（石灰石浆液和石膏浆液）管道设计工作量在湿法烟气脱硫工艺设计中至少占60%的比例，重要性不言而喻。浆液管道与火电厂一般汽水管道的设计有很大的区别。浆液管道具有易磨损、易腐蚀及易堵塞等特点，在管道选材及布置设计时既要满足一般流体管道设计的各种规范及通用要求，同时更要考虑到浆液管道在流程设计、布置设计、选材、流速计算、坡度设计、阀门及管件选型、支吊架选型等方面的特殊性。[关键词]浆液管道；介质特点；设计；技巧1前言目前国内使用十分成熟的石灰石-石膏湿法烟气脱硫具有脱硫效率高、适应煤种广、脱硫剂价格便宜且采购方便、技术成熟可靠及装置运行稳定等特点，该湿法工艺适用于不同类型、不同规格的火电厂锅炉及其它燃煤锅炉，也是目前国内外应用最广泛的脱硫工艺（占所有脱硫工艺的80%左右）。湿法工艺涉及到的管道主要分为以下几类：烟道、浆液管道、汽水管道、空气管道。其中的浆液管道是以往电力工程设计中所没有的，它是水和固体颗粒物两种介质流的管道，它具有普通流体管道几乎所有特性，同时又具有易磨损、易腐蚀及易堵塞等普通流体管道所没有的特点，特别是在管道启动、运行、停止等状态时，如果设计得不合理，就会造成沉积甚至堵塞。正是由于后面的几个特征决定了浆液管道在设计时与普通流体管道的巨大区别。2浆液管道介质特点湿法烟气脱硫浆液管道，具有普通流体管道几乎所有特性，同时由于浆液管道内介质为石灰石粉或石膏粉等细小颗粒同水的混合物，并夹杂着部分氯离子（20000ppm以内）和重金属离子，使得浆液管道具有易磨损、易腐蚀及易堵塞等特点。2.1磨损性浆液的磨损性是指浆液中固体颗粒（特别是硅酸盐类）对被磨损材料的撞击及破坏。湿法烟气脱硫浆液介质主要由石灰石（CaCO3）颗粒（含有少量SiO2）、石膏（CaSO4•2H2O）颗粒和水组成，表3-1为北高峰电力工程设计公司设计的某电厂2×300MW机组烟气脱硫工程中部分浆液的成分：从表2-1可以看出，浆液的含固量一般为4.0%~50%。石灰石浆液颗粒直径取决于石灰石粉的目数，按照低标准250目的要求衡量，则石灰石浆液颗粒的直径一般小于60μm，而石膏颗粒粒径也大多小于100μm。在较高的流速(3m/s以上)时，这些颗粒会对管道内壁产生严重的磨损或冲蚀。2.2腐蚀性因浆液具有弱酸性，并且还夹杂着部分氯离子和氟离子，这些物质会与碳钢管壁发生化学反应而使钢管腐蚀，直至烂穿，影响脱硫装置的使用寿命。主要反应式为：4Fe＋SO42-＋4H2O=FeS＋3Fe(OH)2＋2OH-另外，Cl-比氧更容易吸附在金属表面，并把氧排挤掉，从而使金属的钝化状态遭到局部破坏而发生孔蚀，某些不锈钢材料也难以避免。浆液对金属管的腐蚀形式有：点蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀、疲劳腐蚀、电化腐蚀等等。防止腐蚀的最佳方法是阻止浆液与金属面接触，如衬胶（目前应用较广泛的为丁基橡胶）或衬塑。2.3易堵塞性湿法烟气脱硫浆液管道为两相流。两相流的特点是流速一定要控制在合适的范围之内。流速高了易产生磨损并大大增加管道阻力，而流速低了则会产生沉积，缩小管道的流通面，直至堵塞整根管道。浆液管道的易堵塞还表现在沉积物长期不清理会导致硬化结块，最终整根管道报废。对于含有弱碱性（含Ca2-）的管道还有容易结垢的特点，不管流速如何，长期运行均会导致管道结垢堵塞。这也是湿法烟气脱硫吸收塔浆液PH保持5~6（弱酸性）的重要因素之一。3浆液管道的设计针对湿法烟气脱硫浆液管道的介质特点，在设计浆液管道时既要满足普通低压流体管道设计的规定及要求，同时又要考虑到浆液管道的特殊性。下面从浆液管道设计时的一般要求、管道选材、管径计算、坡度要求、管廊布置、阀门选型及布置、支吊架布置等几个方面介绍：3.1一般要求浆液管道流程设计时的一般要求：应充分注意采用先进技术，合理利用装置内的能量，妥善地处理废气和废液（由于脱硫废水中可溶性盐类和氯离子含量非常高，对再利用用户的系统材质和产品会造成不良影响，所以脱硫废水最好用作锅炉捞渣、冲灰、冲渣的补充水或煤场洒水等）；必须满足正常生产、开停工、安全和事故处理的要求，并应考虑维修要求和一定的操作灵活性；管道进出装置处应设置切断阀；装置因事故或定期停工要进行大修时，应有将装置内物料全部排出至事故浆罐的措施。浆液管道布置设计时的一般要求：应符合工艺设计要求；尽量布置成“步步高”或“步步低”，以避免液袋或“盲肠”，否则需要设置导淋点，或至少通过人工清除；先难后易，如先布置重要的、大管径的、浆液的管道，后布置细小的、次要的、轻的管道；管道布置应整齐有序，横平竖直，成组成排，便于支撑；纵向与横向的标高应错开，一般在改变方向的同时改变标高；管道最好架空或地上敷设，浆液管一般不允许地沟敷设或直埋；不妨碍设备、机泵、仪表和阀门的操作及维修；满足流量计、密度计及PH计等对管道的特殊要求；变径管件应紧靠需要变径的位置，以节约管材；管道应妥善支撑；人通行处管底标高不宜小于2.2m，车通行处管底标高不宜小于4.5m；并排布置管道法兰外缘之间的净距不宜小于25mm（无法兰管道为50mm），或保温层之间的净距不宜小于50mm；穿楼板时予留孔应设挡水沿，孔径应满足法兰进出；无压流管道孔板应布置在立管上，以利于排净；法兰的位置设置要满足安装螺栓的操作空间；管道一般应设坡度（坡度要求后面会详细展开说明）；浆液管道应远离电气设备及电缆桥架，无法避免的则管道尽量在下面走，以防止滴液腐蚀电气设备；泵吸入段应留有有效的气蚀余量，一般至少为泵所需气蚀余量的1.2倍，泵吸入段应尽量短而直，泵入口的大小头应尽量靠近浆液泵。3.2管道选材目前，国内浆液管道一般采用的材料有：衬胶碳钢管（RL）、衬塑碳钢管（PL）、玻璃钢管（FRP）、聚丙烯（PPR、PPH）管、不锈钢（304、316）管等。衬胶碳钢管（RL）以普通碳钢管（Q235-A）或优质钢管（20#）作为钢架材料，以橡胶（一般是丁基橡胶）作为衬里层，将金属特性和橡胶特性合二为一。衬胶碳钢管具有耐磨、抗渗防腐、耐热（120℃）等性能，管与管之间采用法兰连接。碳钢衬胶管是目前应用最广泛的烟气脱硫浆液管道。碳钢衬胶要彻底，不仅要对所有管道内壁进行衬胶，还要对所有可能接触浆液的部件如法兰面（衬胶要覆盖法兰面而无需垫片）、管内件、阀门、浆液泵等进行衬胶。否则，只要有一处被腐蚀，烂点就会蔓延，直至影响整个部件。目前，我国国内的衬胶管道厂家也比较多，如：济南长虹、靖江王子、郑州力威、杭州顺豪等。衬塑钢管（PL）是普通碳钢管或优质钢管内衬塑料而成的管材。衬塑钢管（PL）分钢衬聚丙烯（PP）、钢衬聚乙烯（PE）、钢衬聚氯乙烯（PVC）、钢衬聚四氟乙烯（PTFE）等几种，管与管之间也采用法兰连接。由于价格比衬胶钢管贵，在烟气脱硫工程中衬塑钢管（PL）一般只用在细小口径的浆液管中。玻璃钢管（FRP）是一种由基体材料和增强材料两个基本组分并添加各种辅助剂而制成的复合材料。常用的基体为各种树脂，常用的增强材料主要有碳纤维、玻璃纤维、有机纤维等。玻璃钢管（FRP）具有耐腐蚀性、耐热性、耐磨性、重量轻等特点。玻璃钢管道的接头方式有多种，主要包括：承插胶接、平端对接、法兰连接等，公称压力从常压至4.0MPa不等，温度范围为-40～l00℃。缺点是相比金属管强度低、刚性差，长期受紫外线照射易老化，在湿法烟气脱硫工程少部分会采用，如喷淋管、氧化空气管等。聚丙烯（PPR、PPH）管是采用无规共聚聚丙烯经挤出而成的管材（注塑成为管件），是欧洲90年代初开发应用的新型塑料管道产品。PPR（PPH）管除了具有一般塑料管重量轻、耐腐蚀、不易结垢等特性外，还有较好的耐热性，PPR（PPH）管的最高工作温度可达95℃。PPR（PPH）管材、管件可采用热熔和电熔连接，安装方便。PPR（PPH）管的缺点是相比金属管强度低、刚性差，5℃以下存在一定低温脆性，PPR（PPH）管长期受紫外线照射易老化降解；另外，PPR（PPH）管的线膨胀系数较大(0.15mm/m℃)，在布置设计时要有吸收热膨胀的措施。少数湿法脱硫工程采用PPR（PPH）管作浆液管道，主要还是看中它的价格便宜、安装方便。如北高峰电力设计公司设计的某电厂1×320MW燃煤机组烟气脱硫工程就采用了PPH管作室内浆液管道。不锈钢（304、316）管具有防腐、耐热、强度高及美观等性能，缺点是价格高，并且碰到氯离子时也会生锈。不锈钢（304、316）管一般用在细小而无法衬胶的浆液管道中，如DN10~DN40等。3.3管径计算管道的设计应满足工艺对管道的要求，其流通能力应按正常生产条件下介质的最大流量考虑，其最大压力降应不超过工艺允许值，其流速应位于根据介质的特性所确定的安全流速范围内。在以往普通流体管道（碳钢管）设计中，介质流速一般是0.6~4.0m/s，蒸汽流速最高可达90m/s。而浆液两相流管道的流速有特殊的要求（防磨、防沉积、防振动）：带压浆液管道流速宜选择在1.2-3.0m/s范围内，自流管道流速宜不超过1.2m/s。这样，初选管径可由下式求得：di=18.8(qv/u)0.5di——管内径，mm；qv——体积流量，m3/h；u——浆液流速，m/s。由计算所得的di并按照典规或其它规范来选定公称直径DN。因为是低压流体，公称压力一般选为PN1.0或PN0.6（仅针对大管径，如DN≥400mm）。根据选定的DN再来计算管道压力降是否满足工艺要求，见下式：ΔP=ΔPm＋ΔPj＋ΔPhΔP——管道总压降，KPa；ΔPm——管道摩擦阻力，KPa；ΔPj——管道局部阻力，KPa；ΔPh——浆液水平高差阻力降，KPa其中ΔPm、ΔPj和ΔPh的计算公式如下：ΔPm=λLρu2/（2di）ΔPj=Σξρu2/2000ΔPh=ρgh/1000λ——管道摩擦系数，无量纲；L——直管长度，m；ρ——浆液密度，Kg/m3；Σξ——局部阻力系数（包括弯头、三通、阀门、孔板、膨胀节及设备进出口等）之和，无量纲；h——浆液水平高差，m；g——重力加速度，9.8m/s2；如计算所得的管道压力降ΔP太大，超过了工艺系统所能承受的范围，则必须增大管径或缩小抬升高度以降低阻力（有些场合，管道浆液落差是作为势能处理的，则落差越高越有利）。3.4坡度要求泵管线（带压）系统中管线坡度推荐按以下规定执行：对于小于30％含固量的浆液管，坡度为50mm/m；对于30～50％含固量的浆液管，坡度为100mm/m；对于大于50％含固量的浆液管，坡度为200mm/m。重力流（无压）管线坡度推荐按以下规定执行：对于小于10％含固量的浆液管，坡度为50mm/m；对于10～30％含固量的浆液管，坡度为100mm/m；对于30～50％含固量的浆液管，坡度为200mm/m；对于大于50％含固量的浆液管，坡度为300mm/m。一般管道坡度均由高处一路向下坡至最底点，以利于浆液排空。对于较长距离管线输送（如综合管廊等），考虑到布置困难，在设置管道冲洗和人工清理（如导淋）的条件下可以降低坡度要求，如2~3‰等。3.5管廊布置确定管廊基本方案的因素很多：首先是吸收塔及公用系统所处的位置，一般情况下管廊由公用系统出发，到吸收塔结束；其次是管廊周围的地形地貌，如厂区道路、周围建构筑物的位置、厂区地平面的坡向及电厂原有管廊的布置等等。管廊的布置原则以能联系尽量多的设备（或箱罐）为宜，并且布置时管廊尽量地短而直。一般情况下，管廊平行或垂直于马路，管廊土建立柱的外缘离道路边至少1米。管廊一般由L形、T形、U形和π形等组成。管廊的宽度主要由管道的数量及管径大小确定，并考虑一定的予留宽度（20~25%），管廊布置还要给电缆桥架予留位置，管廊的宽度一般不超过3m；场地不够时，管廊可以考虑多层布置，如双层或3层布置；管廊一般在首尾段管道密度减少，必要时可以减少首尾段管廊的宽度或层数；管廊的柱距是由敷设在其上的管道因垂直荷载所产生的弯曲应力和挠度决定的，通常为5~7m，特殊情况（如跨马路）则可设置挑架以减