脱硫系统管道介绍及阀门的设计选型

瓦尔特

    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，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。石灰浆调节阀选型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。

    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。

    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阀门选型及布置

    阀门的主要功能是接通或截断流体通路、调节和节流、调节压力及释放过剩压力和防止倒流等。

    蝶阀具有尺寸小、重量轻及开闭迅速的特点，并有一定的调节功能。由于蝶阀阀板的运动带有擦拭性，故大多数蝶阀可用于带悬浮固体颗粒的介质，用在浆液管道中的蝶阀有衬胶蝶阀和合金钢蝶阀等。蝶阀的结构长度和总体高度较小，开启和关闭速度快，在完全开启时，具有较小的流体阻力，比较适用脱硫浆液(低压流体)系统。按连接型式蝶阀可分为法兰连接和对夹式连接。另外，蝶阀密封性较差，使用压力和工作温度范围小，有些要求严格的场合不推荐使用蝶阀。

    隔膜阀(在浆液系统中最好使用直通型阀门)是阀体内装有能产生挠性的橡胶或塑料制成的隔膜作为关闭件，并把阀体内腔与阀盖内膜隔开的一种阀门。隔膜阀具有密封性好、流阻小及价格比较低等优点，但隔膜阀机械寿命较短。隔膜阀能使用于有腐蚀性的、含硬质悬浮物的介质，且可以安装在浆液管道的任何位置。

    球阀是近年来被广泛采用的阀门，它具有流体阻力小、结构简单、密封可靠、适用范围广、操作灵活等优点。同时，球阀在全开全闭时，球体和密封圈的密封面与介质隔离，高速通过阀门的介质不会浸蚀密封面，增加了球阀的使用寿命。球阀可以使用在浆液管道中。在石膏排出去一级旋流器进料管道上及石灰石浆液进吸收塔管道上还要用到电动调节阀，该调节阀必须有防腐功能。

    止回阀仅用在水和空气管道中，止回阀不应使用在浆液系统中。

    冲洗和排放的阀门和浆液环路的给料/隔离的阀门应尽可能靠近主管道以避免堵塞;一般情况下，在人难以操作到的地方或经常要使用的阀门最好采用气动执行机构;所有阀门的安装位置均应便于操作、维护和检修，安装位置过高的阀门应设置操作平台;阀门相邻布置时，手轮间的净距不宜小于100mm;对于水平布置的阀门，执行机构及阀杆不应低于水平管道，阀门的阀杆不应朝下;立管上阀门手轮的安装高度宜为1.2~1.5m;蝶阀在安装时，阀瓣要停在关闭的位置上，并应注意使阀板下部在阀门在开启时朝介质流动方向旋转。