柳永剛，馬瑞

（1.河北省石油化工設(shè)計(jì)院有限公司，石家莊050061；2.河北省電力研究院，石家莊050021）

中國是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國和消費(fèi)國，煤炭在國內(nèi)的能源結(jié)構(gòu)仍占很大比例。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，在能源消費(fèi)中帶來的環(huán)境污染也越來越嚴(yán)重。燃煤煙氣所含的煙塵、氮氧化物、SO2等有害物質(zhì)是造成大氣污染、酸雨和溫室效應(yīng)的主要根源。因此，對(duì)燃煤煙氣進(jìn)行脫硫是刻不容緩的任務(wù)。

1 工藝概述

石灰石（CaCO3）－石膏（CaSO4·2H2O）濕法脫硫工藝采用價(jià)廉易得的CaCO3作脫硫吸收劑，CaCO3經(jīng)破碎磨細(xì)成粉狀與水混合攪拌制成吸收劑漿。在吸收塔內(nèi)，吸收劑漿液與煙氣接觸混合，煙氣中的SO2與漿液中的Ca（HSO3）2以及氧化風(fēng)機(jī)吹入的氧化空氣進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，最終反應(yīng)產(chǎn)物為CaSO4·2H2O。脫硫后的煙氣經(jīng)過除霧器除去隨其帶出的細(xì)小液滴，然后排入煙囪。脫硫石膏漿液經(jīng)脫水裝置脫水后回收。由于吸收劑漿的循環(huán)利用，脫硫吸收劑的利用率很高。該工藝適用于任何含硫量煤種的煙氣脫硫，脫硫效率可達(dá)95%以上。

濕法煙氣脫硫裝置（FGD）內(nèi)反應(yīng)原理如圖1所示［1］：用于去除SO2和SO3的漿液收集在吸收塔漿池內(nèi)。吸收塔漿池分為氧化區(qū)和結(jié)晶區(qū)，在塔上部氧化區(qū)內(nèi)，氧化空氣通過一個(gè)分配系統(tǒng)吹入，在pH值為4～5的漿液中生成石膏；在結(jié)晶區(qū)，石膏晶種逐漸增大，并生成為易于脫水的較大的晶體，新的石灰石漿液也被加入這個(gè)區(qū)域。

圖1 FGD內(nèi)反應(yīng)原理

1.1 化學(xué)反應(yīng)過程

石灰石的溶解：

與SO2反應(yīng)：

氧化反應(yīng)：

石膏生成：

去除SO2總反應(yīng)方程式：

1.2 rCa／r（S＋N）的定義及脫硫效率的計(jì)算方法

對(duì)于煙氣脫硫，定義rCa／r（S＋N）是衡量吸收劑脫除SO2時(shí)的利用率，其計(jì)算公式為

固體顆粒物質(zhì)量濃度和鈣硫摩爾數(shù)比對(duì)脫硫的影響結(jié)果如圖2所示（實(shí)驗(yàn)條件：煙氣溫度為55℃；SO2質(zhì)量濃度為2.46kg／m3；煙氣濕度為6%；煙氣體積流量為60m3／h）。

結(jié)果表明固體顆粒物質(zhì)量濃度逐漸增大，脫硫效率也隨著增高。顆粒之間的碰撞使得吸收劑表面的反應(yīng)產(chǎn)物不斷地磨損剝落，新的石灰及添加劑表面連續(xù)暴露在煙氣中，初始狀態(tài)下脫硫效率會(huì)隨rCa／r（S＋N）增加而增高，但到一定水平，將不再變化（rCa／r（S＋N）≈1.03）。

圖2 顆粒物質(zhì)量濃度和鈣硫摩爾數(shù)比對(duì)脫硫效率的影響

脫硫效率定義為進(jìn)出反應(yīng)器的煙氣中SO2質(zhì)量濃度差與反應(yīng)器進(jìn)口煙氣中SO2質(zhì)量濃度之比：

式中：ES——脫硫效率，%；ρSO2in——反應(yīng)器進(jìn)口SO2質(zhì)量濃度，kg／m3；ρSO2out——反應(yīng)器出口SO2質(zhì)量濃度，kg／m3。

2 控制方案的選擇

2.1 主控制回路

石灰石漿液閉環(huán)控制回路按照脫硫塔入口的SO2質(zhì)量控制脫硫塔的漿液供應(yīng)量。進(jìn)入脫硫塔的SO2質(zhì)量乘以SO2脫除系數(shù)K0以及ES后，再乘以副控制回路輸出值——脫硫塔內(nèi)漿液pH值調(diào)節(jié)回路的輸出值（一定范圍），得到脫硫塔所需的CaCO3質(zhì)量，即主調(diào)節(jié)回路的設(shè)定點(diǎn)。比較實(shí)際需要CaCO3的質(zhì)量與實(shí)際加入CaCO3的質(zhì)量，如果實(shí)際需要CaCO3的質(zhì)量大于實(shí)際加入CaCO3的質(zhì)量，則開大閥門；如果實(shí)際需要CaCO3的質(zhì)量小于實(shí)際加入CaCO3的質(zhì)量，則關(guān)小閥門。同時(shí)pH值可以校核調(diào)整CaCO3的加入質(zhì)量，系數(shù)K0可由操作員進(jìn)行設(shè)定（注：K0一般在首次調(diào)試后設(shè)置為固定值，一般不改變，除非是改變了鍋爐的燃煤煤種或改變了脫硫劑的品質(zhì)）。

2.2 副控制回路

如主控回路所述，脫硫塔漿液的pH值閉環(huán)控制回路——副控制回路，可以影響一定范圍內(nèi)的漿液供應(yīng)量。比較測量pH值（吸收塔系統(tǒng)共安裝2臺(tái)pH計(jì)，測量pH值取2臺(tái)pH測量值的平均值）和吸收塔設(shè)定pH值（pH值由操作人員設(shè)定與調(diào)整，初始參考值為5.5，列在5.4～5.6內(nèi)調(diào)節(jié)）。如果測量pH值小于設(shè)定pH值，則適當(dāng)加大調(diào)節(jié)閥流量，即實(shí)際需要CaCO3的質(zhì)量應(yīng)適當(dāng)加大；如果測量pH值大于設(shè)定pH值，則適當(dāng)減小調(diào)節(jié)閥流量，即實(shí)際需要CaCO3的質(zhì)量應(yīng)適當(dāng)減小。

2.3 小流量控制

由于漿液管道具有防沉淀、防堵塞的特點(diǎn)，石灰石漿液管線的介質(zhì)需要一個(gè)最低流速；當(dāng)進(jìn)入脫硫塔的SO2質(zhì)量小于一定值時(shí)，所需的石灰石管道的流速也將小于最低要求流速。

為了不出現(xiàn)上述情況，在小流量的情況下不采用前面所述的控制回路而是采用簡單的兩位控制，即：

a）當(dāng)脫硫塔的pH值大于pH值設(shè)定點(diǎn)加上0.1時(shí)，將完全停止供漿，漿液供應(yīng)量調(diào)節(jié)器設(shè)為手動(dòng)，閥門全關(guān)并且對(duì)供漿管線進(jìn)行沖洗。

b）當(dāng)脫硫塔的pH值小于pH值設(shè)定點(diǎn)減去0.1時(shí)，將按照一個(gè)手動(dòng)設(shè)置的最小流量設(shè)定值進(jìn)行供漿，漿液供應(yīng)量調(diào)節(jié)器設(shè)為自動(dòng)。

3 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制效果

FGD－DCS采用新華TiSNet－P600＋系統(tǒng)，此系統(tǒng)包括控制柜、端子柜、通信網(wǎng)絡(luò)、歷史站、OPC站、操作員站、工程師站以及打印機(jī)等設(shè)備，如圖3所示，控制器1∶1冗余設(shè)置確保系統(tǒng)在關(guān)鍵控制場合使用的可靠性。系統(tǒng)以其高可靠性的硬件設(shè)計(jì)和內(nèi)嵌專業(yè)化的控制算法，開放式的結(jié)構(gòu)，冗余的以太網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成一個(gè)面向整個(gè)生產(chǎn)過程的過程控制系統(tǒng)［3］。FGD－DCS包括數(shù)據(jù)采集（DAS）、模擬量控制（MCS）、順序控制（SCS）等控制功能，以滿足各種運(yùn)行工況的要求，確保FGD裝置安全、高效運(yùn)行。運(yùn)行人員在控制室通過FGDDCS的操作員站實(shí)現(xiàn)對(duì)脫硫吸收系統(tǒng)全廠脫硫公用部分進(jìn)行啟動(dòng)控制、正常運(yùn)行的監(jiān)視和調(diào)整，停機(jī)及事故工況的處理，無需現(xiàn)場人員的操作配合［4］。

圖3 FGD－DCS配置示意

FGD－DCS是一套各項(xiàng)控制功能完善的軟硬件一體化控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)在鍋爐總的最低負(fù)荷（30%BMCR，其中BMCR為鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量，即在滿足蒸汽參數(shù)、爐膛安全情況下的鍋爐最大出力）到鍋爐滿負(fù)荷（100%BMCR）范圍內(nèi)的脫硫效率－時(shí)間調(diào)整曲線如圖4所示。

圖4 不同負(fù)荷時(shí)脫硫效率－時(shí)間調(diào)整曲線

從圖4中可以看出在鍋爐負(fù)荷等于100% BMCR，負(fù)荷不小于50%BMCR，負(fù)荷小于50% BMCR三種工況下，F(xiàn)GD均能夠處于穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)，并達(dá)到了脫硫效率不小于95%的設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)束語

基于DCS的煙氣脫硫自動(dòng)控制系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，系統(tǒng)中任何一個(gè)儀表設(shè)備的失靈或誤動(dòng)作都將會(huì)影響調(diào)節(jié)質(zhì)量與脫硫效率，甚至?xí)＜鞍l(fā)電主機(jī)的安全運(yùn)行，引起不可預(yù)見的巨大損失。在該系統(tǒng)中采用雙閉環(huán)串級(jí)控制，經(jīng)過不斷地調(diào)試和診斷，并通過長時(shí)間運(yùn)行測試，在發(fā)電主機(jī)負(fù)荷波動(dòng)時(shí)，F(xiàn)GD能夠處于穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)，并達(dá)到SO2脫除效率的設(shè)計(jì)要求。

［1］ 楊敏.LurgiLentjesBischoff大氣污染控制及環(huán)境保護(hù)技術(shù)介紹［C］／／中國二氧化硫污染治理技術(shù)國際會(huì)議大會(huì)發(fā)言匯編.1999：22－24.

［2］ 胡壽松.自動(dòng)控制原理［M］.5版.北京：科學(xué)出版社，2007.

［3］ 國家發(fā)展和改革委員會(huì).DL／T 5227—2005火力發(fā)電廠輔助系統(tǒng)（車間）熱工自動(dòng)化設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定［S］.北京：中國電力出版社，2005.

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［5］ 國家發(fā)展和改革委員會(huì).DL／T 744—2001火力發(fā)電廠分散控制系統(tǒng)運(yùn)行檢修導(dǎo)則［S］.北京：中國電力出版社，2001.

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