煙氣脫硫工程中脫硫率、煙氣溫度穩定性控制的分析及解決方法
摘要: 介紹了回流式循環流化床煙氣脫硫技術的原理;闡述了控制系統的實現過程;細致分析了煙氣脫硫工程中出現的煙氣溫度、脫硫率調節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.
關鍵詞: 循環流化床,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“回流式煙氣循環流化床干法脫硫(RCFB - FGD) ”技術, 6#爐采用北京清華同方公司自主開發的“煙氣循環流化床干法脫硫”技術. 4#、5#爐脫硫系統已通過驗收并交付使用, 6# 爐脫硫系統尚存在煙氣溫度、脫硫率調節控制跟蹤滯后的問題,對此公司的技術人員與調試單位技術人員共同分析、探討、調整,對上述問題進行了解決.
1 回流式循環流化床煙氣脫硫技術(RCFB - FGD)原理
從鍋爐出來的煙氣預除塵,除下約80%粉煤灰綜合利用. 預除塵后的煙氣從循環流化床的底部經過一個文丘里管進入循環流化床反應器, 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生快速化學反應,生成CaCO3、CaSO4 等物質,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系統返回吸收塔,繼續參加反應;部分脫硫灰渣排出,經一個倉泵輸入到脫硫灰庫中,由汽車運出處置. 凈化后的煙氣由引風機排入煙囪排放.
其化學反應原理是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 顆粒的液相表面發生反應. 在回流式煙氣循環流化床內,煙氣、Ca (OH) 2 顆粒及噴入的水分在流化狀態下充分混合,并通過含Ca (OH) 2 脫硫灰渣的多次再循環實現高效脫硫.
以下是吸收塔內發生的反應:
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
回流式循環流化床煙氣脫硫系統主要由吸收劑制備、吸收塔、吸收劑再循環系統、后除塵器、工藝水系統、物料輸送系統、控制系統等幾部分組成,其工藝流程見圖1.
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回流式循環流化床脫硫技術的控制系統較簡單, 它的控制主要通過3個部分來實現.
1)通過控制噴入吸收塔吸收劑的旋轉閥的轉速來控制脫硫效率. 用來吸收SO2 的硝石灰量通過調節硝石灰倉旋轉給料系統的速度進行調節,通過測量出口SO2 含量以及系統運行設定的脫硫率,相應地對旋轉給料系統進行調節.
2)通過對吸收塔出口煙溫的監測來調節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 技術通過向吸收塔內噴入霧化水來降低煙溫,同時增加煙氣中的水分含量,并進一步優化反應條件. 控制吸收反應溫度在70 ～90 ℃,既能保證較高的脫硫效率,又不會產生固體物料粘結現象,同時也在很大程度上降低了硝石灰的消耗量.
噴水量的調節通過RCFB - 吸收塔頂部煙氣的溫度測量裝置來進行,設定溫度的設定值應高于RCFB 出口煙氣的露點溫度(70 ℃以上) ,通過回水調節閥的調節來對噴水量進行負反饋正作用調節.
3)通過對吸收塔進出口煙氣壓力降的監測來控制再循環灰量. 從除塵器灰斗加到RCFB - 吸收塔的物料量,通過吸收塔內循環流化床的差壓和處于一定比率范圍內的煙氣流量進行持續調節,以達到煙氣洗滌的最佳反應條件. 吸收塔差壓是通過置于RCFB - 吸收塔前部和下游的2個負壓測量變壓器測量值來確定的,此值作PID調節器的被調量,設定值是用將差壓按比例分配給煙氣流量的值,進行負反饋反作用調節的.
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#爐脫硫系統開始運行,為快速建立循環流化床,變頻器控制的硝石灰旋轉給料閥以50 Hz/S (最大轉速)噴入硝石灰12 h,達到袋除塵器中料位后,再以15 Hz/ s控制旋轉給料閥36 h. 經過36 h后,排8 h 灰,灰層更新后旋轉給料閥以50 Hz/ s (最大轉速)噴入硝石灰12 h. 再次快速建立循環流化床后,旋轉給料閥以15 Hz/ s運行36 h,每48 h為1個運行周期,達到系統連續運行脫硫率要求.
上述控制方式投入運行后,脫硫率圍繞著設定值上、下波動,波動范圍為±20%,不準確也不穩定.
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確與不穩定的主要原因.
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,利用P ID來控制硝石灰噴粉量的微調 △M ( cao). 利用實測煙氣流量、入口煙氣SO2 含量及出口SO2 設定值,根據系統設計的鈣硫比(Ca /S)及鈣基吸收的主要量(Ccao) ,來計算噴入吸收塔內的鈣基吸收劑主要量M ( cao).
因此,根據上述結果,可得噴入吸收塔內鈣基吸收劑的質量流量應為
M cao. q =M ( cao) + △M ( cao)
在上述計算結果基礎上,通過事先校正的關系,即硝石灰旋轉閥門轉速與鈣基吸收劑質量流量之間關系,采用變頻器來轉換控制旋轉門的轉速,從而達到控制進入吸收塔內吸收劑的量. 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, 設定在90%.
△M ( cao) = ( P IDout - 5) ×Nmax ×60 ×m
其中, P IDout為P ID 輸出; Nmax為旋轉給料閥最大轉速 ( rpm) ; 5為經驗值控制在95%以內; m 為旋轉給料閥每轉給料量kg/轉,作為微調,該差值的大小直接反應調節速率,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、鈣硫比指標下,一定煙氣量的SO2 所需要的硝石灰量,通過P ID調節器中合適的比例、積分、微分參數設置,不僅保證了調節系統要求的脫硫率的穩定性,而且提高了調節速度.
2. 2 吸收塔溫度控制不穩定
原控制系統采用吸收塔頂部的煙氣溫度直接作為被調量,手動設定值作為給定值,調節回水調節閥來調節回流水壓,控制進入回流式調節噴嘴的噴水量. 控制原理如圖3所示.
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2. 2. 1 存在問題
調節過程振蕩幅度大,上下偏差與設定值相差 ±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量,噴入吸收塔內的霧化水將一定流量的高溫煙氣進行降溫有一個過程;溫度的變化反映到測溫元件有個滯后時間,直接調節肯定造成調節對象跟蹤不及時,調節振蕩且調節偏差大. 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
通過反復計算、試驗,結合現場設備情況,采用以下控制方式.
控制噴入吸收反應塔內水量是通過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(或屏幕設置溫度Tscre )與吸收反應塔頂部溫度( T2 ) ,來進行水量ΔQ 的微量控制(ΔQ 值可正可負). 通過上面介紹可知,在噴水霧化系統中,有2 個P ID控制回路, 1個是用來控制噴水系統中水的微量調節( △Q) ,另1個是用來調節回水管路中水調節閥門開度來控制進入吸收反應塔中的主要噴水量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塔溫度相結合,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主要噴水量Q1 中,首先根據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.
根據上面的計算量,可以得出噴入吸收塔內的水量理論為
Qwater. col = Q1 + △Q
通過上面噴入吸收塔內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節閥的開度大小來最終控制進入吸收塔水量的大小, 從而控制吸收塔內的反應溫度. 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節閥的開度,而且消除了調節過程中滯后與調節偏差大等問題. 經過調節P ID 參數,現在實際運行過程中,能控制吸收塔頂部溫度與設定值偏差不超過±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,滿足了環保指標要求.
3 結束語
隨著環保的要求,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是整個脫硫系統的關鍵,控制的好壞直接關鍵到系統的穩定和環保指標的保證.
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