赵筱衡
[摘 要]火力发电厂烟气脱硝工程主要利用氨与烟气混合，达到脱除烟气中NOx的目的。液氨作为最常用的脱硝还原剂，其理化性能决定了脱硝工程氨区应具备极高的消防安全等级，其中水喷雾灭火系统是氨区消防设计中的重点。水喷雾灭火系统通过极细的雾滴隔绝包裹泄露的氨气，防止氨气扩散；同时对氨罐表面进行冷却并吸收氨气，防止氨罐爆炸。本文针对氨区消防设计的特点，论述水喷雾灭火系统中应注意的设计要点，并结合工程案例，通过对该系统进行合理的选型布置，使其达到最佳的喷雾效果，保证氨区的安全运行。
[关键词]氨区 消防喷雾 液氨储罐 高速水雾喷头
中图分类号：TM621.8 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）02-0092-02
1 火力发电厂烟气脱硝工艺简介及氨区的消防设计要求
1.1 火力发电厂烟气脱硝工艺简介
2013年以来，“雾霾”已成为环保领域的关键词。有报告显示，中国最大的500个城市中，只有不到1%的城市达到世界卫生组织推荐的空气质量标准，与此同时，世界上污染最严重的10个城市有7个在中国。雾霾，顾名思义是雾和霾。但是雾和霾的区别很大。空气中的灰尘、硫酸、硝酸等颗粒物组成的气溶胶系统造成视觉障碍的叫霾。
火力发电厂作为环保领域的领头军，肩负着“防霾治霾”的重要使命——火力发电厂烟气脱硝技术既是空气污染治理环节中的重要一项。选择性催化还原SCR脱硝系统是向催化剂上游的烟气中喷入NH3或其它合适的还原剂，利用催化剂将烟气中的NOx转化为N2和H2O。无论以何种形式使用氨，首先都是使氨蒸发，然后氨和稀释空气或烟气混合，最后利用喷氨格栅将其喷入SCR反应器上游的烟气中，达到脱除烟气中NOx的目的。
1.2 氨区常用脱硝还原剂及消防设计的基本要求
目前，最普遍使用的脱硝还原剂为液氨和尿素。本文主要探讨以液氨作为还原剂的烟气脱硝工程氨区消防喷雾系统设计。
液氨，是一种有刺激臭味的无色有毒气体，爆炸极限为15.7～27.4%，极易溶于水，水溶液呈碱性，易液化。液氨为液化状态的氨气，是在适当压力下由氨气液化成液氨，一般储存于钢瓶或储罐中。氨气与空气或氧气混和会形成爆炸性混合物，储存容器受热时也极有可能发生爆炸。氨气能侵袭湿皮肤、粘膜和眼睛，可引起严重咳嗽、支气管痉挛、急性肺水肿，甚至会造成失明和窒息死亡。根据《建筑设计防火规范》（GB50016-2014）中的有关规定：物品的火灾特性根据其性质和可燃数量等因素划分，一般可分为甲、乙、丙、丁、戊类。结合以上液氨的主要理化性能，将液氨的火灾危险性定为乙A类可燃液体火灾。
液氨被广泛使用于化工、制冷等行业，但因电厂的重要性和特殊性，电厂脱硝工程在使用液氨时必须采取比其它行业更加严格的消防和安全控制措施。氨区布置不仅要满足《石油化工企业设计防火规范》、《建筑设计防火规范》等对安全距离的要求，还需设置消防喷雾系统、夏季降温喷淋系统以及事故紧急泄氨系统；液氨储罐上方应设置遮阳顶棚；氨区还需设置数量足够的氨泄漏检测仪，并与自动控制系统联锁。
2 氨区消防喷雾设计探讨
2.1 雨淋阀的选型与布置
《水喷雾灭火系统技术规范》（GB50219-2014）中对雨淋阀的选型与布置以及消防喷雾系统管网的设计都做出了明确要求。根据脱硝工程消防设计的经验，设计人员所选用的雨淋阀一般为成套阀组，包含水力警铃、进出口压力表等，并且具备自动控制、手动控制和应急操作三种控制方式。
雨淋报警阀组设置在温度不低于4℃并有排水设施的雨淋阀室内，雨淋报警阀宜距地面1.2m，兩侧与墙的距离不应小于0.5m，正面与墙的距离不应小于1.2m，雨淋报警阀凸出部位之间的距离不应小于0.5m。设计人员在施工图前期设计阶段应重视与工艺专业的配合，根据液氨储罐区及氨气缓冲罐、液氨蒸发器区的设备布置确定雨淋阀的数量，核算出雨淋阀室的建筑尺寸。当雨淋阀开启时，短时水量较大，雨淋阀室必须考虑排水。
2.2 氨区消防喷雾系统设计
水喷雾灭火系统是在较高压力（喷头压力0.35MPa）下利用水喷雾喷头将水雾化成0.2mm～2mm左右的雾滴，喷向保护对象实现灭火和防护冷却作用，主要灭火机理为表面冷却、室息、冲击乳化和稀释。从水雾喷头喷出的雾状水滴，粒径细小，表面积很大，遇火后迅速汽化，带走大量的热量，使燃烧表面温度迅速降到燃点以下，使燃烧体达到冷却目的；当雾状水喷射到燃烧区遇热汽化后，形成比原体积大1700倍的水蒸汽，包围和覆盖在火焰周围，因燃烧体周围的氧浓度降低，使燃烧因缺氧而熄灭；对于不溶于水的可燃液体，雾状水冲击到液体表面并与其混合，形成不燃性的乳状液体层，从而使燃烧中断；对于水溶性液体火灾，由于雾状水能与水溶性液体很好溶合，使可燃烧性浓度降低，降低燃烧速度而熄灭。
2.2.1 氨区消防喷雾系统水量计算
《水喷雾灭火系统技术规范》（GB50219-2014）中对氨气缓冲罐、液氨蒸发器区，液氨储罐区的保护面积的计算给出了明确规定：氨气缓冲罐、液氨蒸发器区保护面积应按相应设备的投影面积确定，且水喷雾应包络密封面和其他关键部位；液氨储罐区内着火罐的保护面积应按罐壁外表面积计算，相邻罐的保护面积可按实际需要冷却部位的外表面积计算，但不得小于罐壁外表面积的1/2。实际计算时，若液氨储罐区的消防水量（包括室外消火栓水量与消防喷雾水量之和）在主体工程消防水池容量范围之内，则可按所有罐体外表面积之和考虑保护面积，从而达到更好的消防喷雾效果。
现以某脱硝工程为例，介绍氨区消防喷雾系统水量计算方法。图2-1与图2-2为液氨储罐区以及氨气缓冲罐、液氨蒸发器区的平面布置图。
氨气缓冲罐、液氨蒸发器区的投影面积以工艺的相关管道布置为计算依据，确保此区域内的重要阀门等有可能存在氨气泄露的位置在喷雾保护范围内。
根据以上规范要求可得此区域的保护面积为：
S=（6.15m+3.75m）×6.18m=61.18m2
根据以上规范要求可得此区域在持续供给时间内的消防喷雾水量为：
Q=6h（q×S）=6h[9L/（min·m2）×61.18m2]=198230L=198.2m3
根据以上规范要求可得单只液氨储罐的外表面积如下：
根据以上规范要求可得单只液氨储罐在持续供给时间内的消防喷雾水量为：
2.2.2 氨区消防喷雾系统喷头的选型计算与布置
《水喷雾灭火系统技术规范》（GB50219-2014）中要求水雾喷头用于灭火时不应小于0.35MPa，喷头的布置应使水雾直接喷向并覆盖保护对象，当不能满足要求时，应增设水雾喷头。为保证消防喷雾能完全覆盖液氨储罐等设备，且起到更好的隔绝空气阻燃效果，设计时可在重要阀门等氨气易泄露的位置在增设1～2个喷头。水雾喷头与保护对象之间的距离不得大于水雾喷头的有效射程，且水雾喷头与保护储罐外壁之间的距离不大于0.7m。
设计时应将所选喷头的特性曲线与消防喷雾管道、喷头布置间距等相关要素结合，画出喷雾效果图，保证设备外表面完全覆盖，且各喷头间距兼顾喷雾效果与经济性。水雾喷头特性曲线所在抛物线的最高点必须能保护至储罐的最大直径处，且罐体侧面并排布置的各喷头喷雾圆锥间应有交叉，才能充分隔绝空气、稀释液氨，达到最佳喷雾效果。喷头实际安装时应采用可调节角度的连接方式，当消防喷雾系统安装完成后应试喷，将喷头调至能获得最佳喷雾效果的角度。
规范要求氨区消防喷雾所用的水雾喷头压力不应小于0.35MPa，而电厂主体工程消防给水管网工作压力一般在0.9MPa～1.1MPa左右，因此水雾喷头之前必需设置减压孔板。现以某工程单只液氨储罐为例，介绍氨区消防喷雾管道从主体工程消防母管接口至水雾喷头前的管网损失及减压孔板的计算方法。
管网损失主要考虑管网各管件的局部损失（包含弯头、三通、阀门、过滤器等）以及管道的沿程损失。《水喷雾灭火系统技术规范》（GB50219-2014）中明确了雨淋报警阀的局部水头损失应按0.08MPa计算。
a、各管件的局部损失应按以下公式计算：
式中：H——各管件的局部损失（10-2MPa）；
v——管道内水的平均流速（m/s）；
ξ——各管件的局部损失系数之和。
b、管道沿程損失计算：
《水喷雾灭火系统技术规范》（GB50219-2014）中明确了当系统管道采用普通钢管或镀锌钢管时，其沿程水头损失应按以下公式计算：
式中：i——管道的单位长度水头损失（MPa/m）；
V——管道内水的平均流速（m/s）；
dj——管道的计算内径（m）。
现以某烟气脱硝工程为例，根据以上管网损失计算可得单只液氨储罐区喷头前管网损失（详见表2-2）
综上可得减压孔板需减压力为0.77MPa-0.35MPa=0.42MPa
减压孔板孔径为37mm。
（3）水雾喷头布置应遵循以上所提及规范要求，计算所需喷头个数。根据水雾喷头样本选用额定流量为50L/min、雾化角度为120°的高速水雾喷头。
以某烟气脱硝工程单只液氨储罐为例，所需喷头个数为：
3 结论
本文根据最新相关规范阐述了火力发电厂烟气脱硝工程氨区消防喷雾设计的要点及相关计算方法。消防设计必须严格按照最新的相关规程规范执行，同时需重视与其他专业的配合提资工作，从设计阶段开始将消防安全工作落到实处。
参考文献
[1] 《建筑设计防火规范》（GB50016-2014）.
[2] 《石油化工企业设计防火规范》（GB50160-2008）.
[3] 《水喷雾灭火系统技术规范》（GB50219-2014）.
