电厂烟气脱硫浆液管道设计总结
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90 m/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)0.5
di——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＋ΔPh
ΔP——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=Σξρu2/2000
ΔPh=ρgh/1000
λ——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）则可设置挑架以减少跨距；管廊最底层管道在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；管廊的坡度要求一般选为2~3‰，特殊情况可不设坡度，但浆液管道必须设置冲洗水；对于双层管廊，上下层之间的距离一般为500~1200mm，上下层高差主要取决于管道直径、支架形式（如直接用抱箍固定在横梁上并统一坡向则可以大大缩小两层间的高差）及管道坡度；管架可以就地利用现有建构筑物，如建筑物的立柱、横梁、烟道支架等。
对于多层管廊，通常气体管道、热的管道布置在上层，浆液管道、粗重的管道布置在下层，电缆一般布置在最上层，尽量做到条理清楚并且增加管廊的稳定性；管廊在T形交叉处或设备进出处通常布置有较多的阀门，应设置操作平台，平台宜位于管道的上方；当泵布置在管廊下方时，管廊的下层应留有供管道穿越所需的空隙。
3.6 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。
北高峰电力设计公司在给洛阳伊川龙泉坑口自备发电有限公司2×300MW机组烟气脱硫工程及安徽安庆皖江发电有限责任公司2×300MW机组烟气脱硫项目设计中所有接触浆液的管道基本上选用隔膜阀和蝶阀两种阀门。
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电动或气动执行机构；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。
3.7 支吊架布置
一般认为，一次应力的大小是衡量管系能否稳定安全运行的标准之一。一次应力是由管道内压和持续外载（包括自重）作
用产生的应力，一次应力过大，则管系可能会被破坏。管道应力和支架承受荷载的大小可以通过设置支架加以调整，支吊架的设置对管系一次应力的大小有着直接的关系。二次应力是由管系热变形和其它位移受约束而引起的，也就是二次应力是由固定支架及限位支架引起的，由于浆液管道均为常温（40℃~50℃）管道，浆液管道二次应力一般不予考虑。浆液管道中常用的支架形式有：固定支架、滑动支架、导向支架、刚性吊架及限位支架五种。
浆液管道支吊架选用原则：按照支承点所承受的荷载大小和方向、管道的位移情况、是否保温、管道的材质等条件选用合适的支吊架；为便于成批生产，设计时应尽量选用标准管卡、管托和管吊；浆液管道因禁止焊接的要求，与管道直接接触面一般使用卡箍（焊接型支架必须先焊接再返厂内衬胶）；当管道底部与支撑面有高差时一般用钢管加钢板垫高；当管道在支承点处不得有位移时，应选用固定支架；当2根以上管道并排布置时，推荐共用横旦并各自用卡箍固定。
综合管架在管道有坡度时，一般土建支架仍就统一标高，以利于土建设计及土建施工，在管道安装时利用钢管加钢板垫高的方法设置坡度；也可以采用在土建立柱侧予埋钢板，在管道安装时现场设置槽钢横旦，所有管道直接搁在横旦上并用卡箍固定。北高峰电力设计公司在安徽安庆皖江发电有限责任公司2×300MW机组烟气脱硫项目设计中的管廊就是采用后面的方法，它的好处是管廊整齐美观、节省支吊架材料、管道层与层之间的高差小，缺点是管道有很多液袋，需增设很多导淋。
浆液管道支吊架布点原则：首先要满足管道最大允许跨距的要求；在有集中载荷时，支点要尽量靠近集中载荷，以减少偏心荷载和弯曲应力；在敏感设备（泵、膨胀节等）附近，应设置支架以防止管道荷载作用于设备；尽可能利用现有建构筑物的梁柱作为生根点。 支架跨距应根据管径大小及流体密度按照有关规范或手册查取，也可以按照下面的公式计算： L1=0.22(Et?I/q)1/4 ；按刚度条件
L2=([σ]?W/q)1/2 ；按强度条件
Lmax=min(L1, L2) ；允许跨距
Lmax——允许跨距，m；
L1——由刚度条件决定的跨距，m；
L2——由强度条件决定的跨距，m；
Et——管材在设计温度下的弹性模数，MPa；
I——管道扣除腐蚀裕度及负偏差后的断面惯性距，cm4；
q——每米管道的质量（包括裸管、保温层及介质），Kg/m；
W——管道扣除腐蚀裕度及负偏差后的断面抗弯模数，cm3；
[σ]——管材在设计温度下的许用应力，MPa；
对于末端直管的允许跨距应为计算值的0.7~0.8倍；对于水平管道的弯管部分，其两支架间的管道展开长度应为水平直管跨距计算值的0.6~0.7倍。
3.8 浆液管道设计易错点
石灰石-石膏湿法烟气脱硫在国内已经非常成熟，也涌现了很多大的脱硫公司，如武汉凯迪、中国华电、北京博奇、浙江天地、浙大网新、国电龙源等等，北高峰电力设计公司参与了上述很多公司的脱硫设计，积累了丰富的设计经验。根据以往的脱硫工程设计，接下来总结几条新手容易在浆液管道设计中犯的错误：
——旋流器溢流是无压自流管道，新手往往为了节约管道材料，在满足流速的情况下，溢流口加大小头缩小管径让其溢流至吸收塔，造成溢流不畅；
——旋流器溢流去吸收塔是无压自流，没有动力，布管时一定要“步步低”，否则旋流器会溢出；
——密度计是一个比较“娇贵”的元件，要单独设置一路冲洗水，新手往往会遗漏；另外，浆液密度计宜布置在垂直管道上，以防堵；
——吸收塔喷淋管进口不是吸收塔本身的予留口，而是从予留口中伸出的双法兰FRP口（喷淋管自带），有些新手往往接错接口；同样问题的还有除雾器冲洗水接口、氧化空气管接口等；
—— 一般浆液管道公称压力选为PN1.0MPa，但是循环泵进口管与大蝶阀相配的法兰一般为PN0.6 MPa，一定要引起注意，否则该大衬胶管作废，还要影响工期；
——循环浆液立管限位支架在吸收塔壁予埋拉杆耳件时要注意相邻两循环浆液立管的拉杆不要打架，最好两相邻限位点上下错位；
——在布置吸收塔液侧管道时，不要将吸收塔楼梯挡住，否则修改起来很麻烦；
——小浆液泵出口大小头最好用不锈钢或加大一级尺寸，否则大小头小口去掉衬胶厚度后尺寸很小，造成浆液流速很大，容易造成磨损； ——箱罐及管道的排净口要45°顺流斜入地沟，以防止浆液冲刷地沟鳞片；
——真空皮带机底盘排水管至少DN200，并设坡度，以防堵塞；
——管道穿楼板处一定要予留开孔，开孔大小要满足管道法兰进出，否则给施工带来麻烦；
——真空泵排汽管在墙外排汽口要向上开，并加雨帽，否则将来凝结水会滴到马路上或墙上，影响美观和路人通行； ——真空皮带脱水机汽液分离器的疏水管进入滤液水箱的深度必须低于滤液箱的最低液位，否则，真空将被破坏；
——吸收塔高－高液位位于烟气入口烟道底部下300mm，溢流管的高点（即最高管道内底部）必须与吸收塔高－高液位持平。另外，溢流管的高点还应设置排空管以防止倒虹吸现象。
——所有的浆液管道、浆液泵在停运或切换后，应执行如下操作：先打开排空阀，然后再打开冲洗阀门进行冲洗。为保证冲洗效果，排空阀应尽量靠近箱体，离冲洗阀门尽量远。避免管段成为死区无法冲洗到，形成堆积。
4 浆液管道设计规范及手册
浆液管道设计时所要应用到的规范如下：
《火电厂烟气脱硫工程技术规范?石灰石/石灰-石膏法》HJ/T179
《火力发电厂烟气脱硫设计技术规程》DL/T5196
《火力发电厂汽水管道设计技术规定》DL/T5054
《火力发电厂保温油漆设计规程》DL/T5072
《工业金属管道设计规范》GB50316
《钢制对焊无缝钢管》GB12459
《电力工程制图标准》DL5028
浆液管道设计时所要应用到的手册如下：
《火力发电厂汽水管道零件及部件典型设计》
《石油化工装置工艺管道安装设计手册》
《简明管道支架计算及构造手册》
《火力发电厂汽水管道支吊架设计手册》
5 结论
总之，烟气脱硫浆液管道具有易磨损、易腐蚀及易堵塞等特点（在寒冷地区浆液管道还要设置保温或伴热措施，在此不作详细讨论），在管道选材及布置设计时既要考虑到普通流体管道的各种规范及通用要求，又要考虑到浆液管道的特殊性，以合理的布置来保证烟气脱硫系统的正常运行。
另外，浆液管道及其管件在详细施工图设计之初要有基本正确的数量统计，而浆液阀门更要有精确的规格及数量统计，以供招标之用。又因为浆液管道在工厂制作需要较长的施工周期（制造厂家的施工图分解、管道的采购、分段及防腐加工等），所以，浆液管道图一定要提前设计、提前供图，以满足施工工期要求。