煙氣脫硫工程中脫硫率、煙氣溫度穩(wěn)定性控制的分析及解決方法
摘要: 介紹了回流式循環(huán)流化床煙氣脫硫技術(shù)的原理;闡述了控制系統(tǒng)的實現(xiàn)過程;細(xì)致分析了煙氣脫硫工程中出現(xiàn)的煙氣溫度、脫硫率調(diào)節(jié)控制跟蹤滯后問題的原因,并有針對性地提出了解決辦法. 從運行的實際效果來看,方法行之有效,對同類問題的解決提供了有益的借鑒.
關(guān)鍵詞: 循環(huán)流化床,煙氣脫硫,脫硫效率,煙氣溫度
銀川熱電二期工程為2 ×25 MW 汽輪發(fā)電機組、 3 ×150 t/h高溫高壓煤粉爐,其中4#、5#爐采用武漢凱迪公司引進的德國WULFF公司的“回流式煙氣循環(huán)流化床干法脫硫(RCFB - FGD) ”技術(shù), 6#爐采用北京清華同方公司自主開發(fā)的“煙氣循環(huán)流化床干法脫硫”技術(shù). 4#、5#爐脫硫系統(tǒng)已通過驗收并交付使用, 6# 爐脫硫系統(tǒng)尚存在煙氣溫度、脫硫率調(diào)節(jié)控制跟蹤滯后的問題,對此公司的技術(shù)人員與調(diào)試單位技術(shù)人員共同分析、探討、調(diào)整,對上述問題進行了解決.
1 回流式循環(huán)流化床煙氣脫硫技術(shù)(RCFB - FGD)原理
從鍋爐出來的煙氣預(yù)除塵,除下約80%粉煤灰綜合利用. 預(yù)除塵后的煙氣從循環(huán)流化床的底部經(jīng)過一個文丘里管進入循環(huán)流化床反應(yīng)器, Ca (OH) 2 通過一套噴射裝置從吸收塔底部噴入. 在文丘里管的喉部設(shè)噴水裝置,噴入的霧化水增濕了煙氣和吸收劑,形成氣、液、固三相流態(tài)化接觸,煙氣中的SO2 等酸性氣體與溶解在液相中的堿性脫硫劑發(fā)生快速化學(xué)反應(yīng),生成CaCO3、CaSO4 等物質(zhì),除去煙氣中的大部分SO2.
帶有大量固體顆粒的煙氣從吸收塔頂部排出,進入后部的布袋除塵器. 部分固體顆粒被除塵器除下后通過再循環(huán)系統(tǒng)返回吸收塔,繼續(xù)參加反應(yīng);部分脫硫灰渣排出,經(jīng)一個倉泵輸入到脫硫灰?guī)熘?由汽車運出處置. 凈化后的煙氣由引風(fēng)機排入煙囪排放.
其化學(xué)反應(yīng)原理是Ca (OH) 2 粉末和煙氣中的 SO2、SO3、HCl、HF等酸性氣體在水分存在的情況下, 在Ca (OH) 2 顆粒的液相表面發(fā)生反應(yīng). 在回流式煙氣循環(huán)流化床內(nèi),煙氣、Ca (OH) 2 顆粒及噴入的水分在流化狀態(tài)下充分混合,并通過含Ca (OH) 2 脫硫灰渣的多次再循環(huán)實現(xiàn)高效脫硫.
以下是吸收塔內(nèi)發(fā)生的反應(yīng):
Ca (OH) 2 + SO2 = CaSO3 +H2O Ca (OH) 2 + SO3 = CaSO4 +H2O CaSO3 + 1 /2O2 = CaSO4 Ca (OH) 2 + CO2 =CaCO3 +H2O Ca (OH) 2 + 2HCl =CaCl2 + 2H2O Ca (OH) 2 + 2HF =CaF2 + 2H2O
回流式循環(huán)流化床煙氣脫硫系統(tǒng)主要由吸收劑制備、吸收塔、吸收劑再循環(huán)系統(tǒng)、后除塵器、工藝水系統(tǒng)、物料輸送系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等幾部分組成,其工藝流程見圖1.
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回流式循環(huán)流化床脫硫技術(shù)的控制系統(tǒng)較簡單, 它的控制主要通過3個部分來實現(xiàn).
1)通過控制噴入吸收塔吸收劑的旋轉(zhuǎn)閥的轉(zhuǎn)速來控制脫硫效率. 用來吸收SO2 的硝石灰量通過調(diào)節(jié)硝石灰倉旋轉(zhuǎn)給料系統(tǒng)的速度進行調(diào)節(jié),通過測量出口SO2 含量以及系統(tǒng)運行設(shè)定的脫硫率,相應(yīng)地對旋轉(zhuǎn)給料系統(tǒng)進行調(diào)節(jié).
2)通過對吸收塔出口煙溫的監(jiān)測來調(diào)節(jié)RCFB吸收塔下部的噴水量. 煙氣溫度的高低很大程度上影響著污染物的分離效率, RCFB 技術(shù)通過向吸收塔內(nèi)噴入霧化水來降低煙溫,同時增加煙氣中的水分含量,并進一步優(yōu)化反應(yīng)條件. 控制吸收反應(yīng)溫度在70 ～90 ℃,既能保證較高的脫硫效率,又不會產(chǎn)生固體物料粘結(jié)現(xiàn)象,同時也在很大程度上降低了硝石灰的消耗量.
噴水量的調(diào)節(jié)通過RCFB - 吸收塔頂部煙氣的溫度測量裝置來進行,設(shè)定溫度的設(shè)定值應(yīng)高于RCFB 出口煙氣的露點溫度(70 ℃以上) ,通過回水調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)來對噴水量進行負(fù)反饋正作用調(diào)節(jié).
3)通過對吸收塔進出口煙氣壓力降的監(jiān)測來控制再循環(huán)灰量. 從除塵器灰斗加到RCFB - 吸收塔的物料量,通過吸收塔內(nèi)循環(huán)流化床的差壓和處于一定比率范圍內(nèi)的煙氣流量進行持續(xù)調(diào)節(jié),以達到煙氣洗滌的最佳反應(yīng)條件. 吸收塔差壓是通過置于RCFB - 吸收塔前部和下游的2個負(fù)壓測量變壓器測量值來確定的,此值作PID調(diào)節(jié)器的被調(diào)量,設(shè)定值是用將差壓按比例分配給煙氣流量的值,進行負(fù)反饋反作用調(diào)節(jié)的.
2 運行中存在的問題
2. 1 脫硫效率滯后
脫硫效率控制原理見圖2.
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公司6#爐脫硫系統(tǒng)開始運行,為快速建立循環(huán)流化床,變頻器控制的硝石灰旋轉(zhuǎn)給料閥以50 Hz/S (最大轉(zhuǎn)速)噴入硝石灰12 h,達到袋除塵器中料位后,再以15 Hz/ s控制旋轉(zhuǎn)給料閥36 h. 經(jīng)過36 h后,排8 h 灰,灰層更新后旋轉(zhuǎn)給料閥以50 Hz/ s (最大轉(zhuǎn)速)噴入硝石灰12 h. 再次快速建立循環(huán)流化床后,旋轉(zhuǎn)給料閥以15 Hz/ s運行36 h,每48 h為1個運行周期,達到系統(tǒng)連續(xù)運行脫硫率要求.
上述控制方式投入運行后,脫硫率圍繞著設(shè)定值上、下波動,波動范圍為±20%,不準(zhǔn)確也不穩(wěn)定.
2. 1. 1 原因分析
未考慮在實際運行中燃燒煤種的變化和煙氣流量隨運行工況的變化,上述原因直接影響煙氣中SO2 總的含量. 另外,吸收劑沒有針對煙氣中的實際SO2 定量加入,也是造成脫硫率控制不準(zhǔn)確與不穩(wěn)定的主要原因.
2. 1. 2 處理方法
首先通過測量入口煙氣流量、SO2、O2 含量,煙氣出口SO2、O2 含量,通過對SO2 出口設(shè)定值與煙道出口SO2 的實測值進行比較,同時以煙氣流速和O2 含量作為修正因數(shù),利用P ID來控制硝石灰噴粉量的微調(diào) △M ( cao). 利用實測煙氣流量、入口煙氣SO2 含量及出口SO2 設(shè)定值,根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計的鈣硫比(Ca /S)及鈣基吸收的主要量(Ccao) ,來計算噴入吸收塔內(nèi)的鈣基吸收劑主要量M ( cao).
因此,根據(jù)上述結(jié)果,可得噴入吸收塔內(nèi)鈣基吸收劑的質(zhì)量流量應(yīng)為
M cao. q =M ( cao) + △M ( cao)
在上述計算結(jié)果基礎(chǔ)上,通過事先校正的關(guān)系,即硝石灰旋轉(zhuǎn)閥門轉(zhuǎn)速與鈣基吸收劑質(zhì)量流量之間關(guān)系,采用變頻器來轉(zhuǎn)換控制旋轉(zhuǎn)門的轉(zhuǎn)速,從而達到控制進入吸收塔內(nèi)吸收劑的量. M ( cao)與△M cao的計算公式如下:
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1 000、106 為單位換算, Qgas式中為煙氣流量, km3 /h; CSO2in為入口SO2 含量, km3 /h; CSO2out為出口SO2 含量, km3 /h; Ccao為氧化鈣的含量,此量作為正反饋為粗調(diào), 設(shè)定在90%.
△M ( cao) = ( P IDout - 5) ×Nmax ×60 ×m
其中, P IDout為P ID 輸出; Nmax為旋轉(zhuǎn)給料閥最大轉(zhuǎn)速 ( rpm) ; 5為經(jīng)驗值控制在95%以內(nèi); m 為旋轉(zhuǎn)給料閥每轉(zhuǎn)給料量kg/轉(zhuǎn),作為微調(diào),該差值的大小直接反應(yīng)調(diào)節(jié)速率,控制在10%.
2. 1. 3 運行效果
通過上面精確計算出在保證脫硫率、鈣硫比指標(biāo)下,一定煙氣量的SO2 所需要的硝石灰量,通過P ID調(diào)節(jié)器中合適的比例、積分、微分參數(shù)設(shè)置,不僅保證了調(diào)節(jié)系統(tǒng)要求的脫硫率的穩(wěn)定性,而且提高了調(diào)節(jié)速度.
2. 2 吸收塔溫度控制不穩(wěn)定
原控制系統(tǒng)采用吸收塔頂部的煙氣溫度直接作為被調(diào)量,手動設(shè)定值作為給定值,調(diào)節(jié)回水調(diào)節(jié)閥來調(diào)節(jié)回流水壓,控制進入回流式調(diào)節(jié)噴嘴的噴水量. 控制原理如圖3所示.
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2. 2. 1 存在問題
調(diào)節(jié)過程振蕩幅度大,上下偏差與設(shè)定值相差 ±15℃,脫硫率跟隨波動.
2. 2. 2 原因分析
由于用塔頂溫度作為被調(diào)量,噴入吸收塔內(nèi)的霧化水將一定流量的高溫?zé)煔膺M行降溫有一個過程;溫度的變化反映到測溫元件有個滯后時間,直接調(diào)節(jié)肯定造成調(diào)節(jié)對象跟蹤不及時,調(diào)節(jié)振蕩且調(diào)節(jié)偏差大. 未考慮入口煙氣流量,塔入口、出口溫度,噴水溫度變化的影響,這些因素都是影響吸收塔煙氣溫度的直接因素.
2. 2. 3 解決方法
通過反復(fù)計算、試驗,結(jié)合現(xiàn)場設(shè)備情況,采用以下控制方式.
控制噴入吸收反應(yīng)塔內(nèi)水量是通過2個P ID來進行的. 首先通過測量煙氣入口的壓力P1、濕度Cw ,然后按照經(jīng)驗公式來計算出煙氣的露點溫度Tdcw ,再通過比較露點溫度(或屏幕設(shè)置溫度Tscre )與吸收反應(yīng)塔頂部溫度( T2 ) ,來進行水量ΔQ 的微量控制(ΔQ 值可正可負(fù)). 通過上面介紹可知,在噴水霧化系統(tǒng)中,有2 個P ID控制回路, 1個是用來控制噴水系統(tǒng)中水的微量調(diào)節(jié)( △Q) ,另1個是用來調(diào)節(jié)回水管路中水調(diào)節(jié)閥門開度來控制進入吸收反應(yīng)塔中的主要噴水量Q1.
通過實際測量和計算可知,計算得出的露點溫度為40 ℃左右,用來控制塔內(nèi)溫度太低. 為此,在編制控制圖中,把計算露點溫度加上30 ℃作為Tdew ,并且與屏幕輸入控制反應(yīng)塔溫度相結(jié)合,取最大值作為最終的露點溫度進行控制噴入水量.
其計算煙氣露點的經(jīng)驗公式為
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其中, Cw 為煙氣入口濕度(% ) , P1 為煙氣入口的絕對壓力(百帕).
在進行控制噴入吸收塔內(nèi)主要噴水量Q1 中,首先根據(jù)實測入口煙氣的煙氣流量(Qgas ) 、入口煙氣溫度 ( T1 ) 、水箱中水的溫度( Twater )以及上面計算的煙氣露點溫度( Tdcw ) ,通過下面的公式來計算噴入吸收塔內(nèi)的主要噴水量Q1.
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其中,ρgas和Cp. gas (ρgas = 11312 ( kg/m3 ) , Cp. gas = 11009 (J /kg3 ) ,分別為煙氣的密度和比熱, Cp. H2O和J (Cp. H2O = 41187 ( J /kg) , J = 2256127 ( J /kg) )分別為水的比熱和氣化潛熱.
根據(jù)上面的計算量,可以得出噴入吸收塔內(nèi)的水量理論為
Qwater. col = Q1 + △Q
通過上面噴入吸收塔內(nèi)的水量計算值與水量實測值的比較,再通過另一個P ID來控制回水路的水量調(diào)節(jié)閥的開度大小來最終控制進入吸收塔水量的大小, 從而控制吸收塔內(nèi)的反應(yīng)溫度. 吸收塔溫度P ID控制原理如圖4所示.
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2. 2. 4 運行效果
經(jīng)過上面吸收塔煙氣溫度降至給定值需要噴水量的計算,精確地控制了回水調(diào)節(jié)閥的開度,而且消除了調(diào)節(jié)過程中滯后與調(diào)節(jié)偏差大等問題. 經(jīng)過調(diào)節(jié)P ID 參數(shù),現(xiàn)在實際運行過程中,能控制吸收塔頂部溫度與設(shè)定值偏差不超過±3℃,對于脫硫率的提高與電除塵的除塵效果起到了決定性的作用. 通過上面2種控制方式的改進,脫硫率達到85%以上, 出口塵含量為 150 mg/Nm3以下,滿足了環(huán)保指標(biāo)要求.
3 結(jié)束語
隨著環(huán)保的要求,煙氣脫硫工程近幾年紛紛上馬, 煙氣溫度、脫硫塔差壓、脫硫率的控制這三大控制系統(tǒng)是整個脫硫系統(tǒng)的關(guān)鍵,控制的好壞直接關(guān)鍵到系統(tǒng)的穩(wěn)定和環(huán)保指標(biāo)的保證.
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