呂棟騰,雷濤鋒
(1.陜西國防工業(yè)職業(yè)技術學院,西安 710300;2.大唐西安第二熱電廠,西安 710065)
減少并控制SO2的排放與污染,提高環(huán)境與空氣質量,是我國社會經濟可持續(xù)發(fā)展和公民健康的基本保證。對煤燃燒后的煙氣進行脫硫控制,可以有效地降低SO2的排放,減少酸雨形成,保證空氣質量。脫硫工藝技術和脫硫控制技術20世紀60年代在歐美發(fā)達國家展開始研究,我國在19世紀70年代就開始了火電廠脫硫技術的研究。隨著SO2排量的增大,煙氣脫硫技術的研究被提上議程,國家在“六五”到“九五”期間投入了大量的人力、物力和財力,取得了一些成果。為了推動國內脫硫控制裝置的研究,我國引進國外技術,同時頒布了相關法律政策,明確了火電廠污染控制的目標。
脫硫工藝和控制技術現階段還有較大的發(fā)展空間,其軟件、硬件和子系統(tǒng)需要優(yōu)化改進的地方也很多。煙氣脫硫的效率受諸多因素影響,其中包括煙氣流量流速、SO2濃度、液氣比、漿液PH、煙氣溫度,同時也受脫硫系統(tǒng)的穩(wěn)定性影響。脫硫系統(tǒng)的穩(wěn)定性由脫硫工藝、檢測手段及自動控制模塊決定[1]。自動控制系統(tǒng)的研究和子系統(tǒng)的優(yōu)化,可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性,有效提高控制系統(tǒng)的脫硫效率。
各國從脫硫技術的要求出發(fā),已經開發(fā)了很多燃煤鍋爐控制SO2排量技術,并應用于工程中。這些技術總結起來分為3種:燃燒前脫硫、燃燒中脫硫和燃燒后脫硫[2]。
利用化學、物理或生物方法脫去煤中硫被稱為燃燒前脫硫,但因其工藝成本高,尚未得到廣泛應用。目前工業(yè)上多采用洗煤技術,洗煤技術僅能部分去除煤炭中的無機硫,目前無有效的經濟技術可用來去除煤中的無機硫。我國大多使用物理選煤法,利用灰分、清潔煤和黃鐵礦的比例,去除黃鐵礦硫和灰分[3]。
在燃燒過程中進行對煤進行脫硫稱為燃燒中脫硫,主要有循環(huán)流化床鍋爐燃燒脫硫技術和爐內噴鈣技術。循環(huán)流化床鍋爐是在燃燒爐內加入與煤粉同樣細度的石灰石等廉價原料,石灰石受熱分解為多孔的CaO,CaO與SO2反應生成硫酸鹽,從而脫去煤中硫[4]。
燃燒后脫硫(Flue Gas Desulfurization,簡稱FGD),是對燃燒后的煙氣進行脫硫,是目前世界應用最廣泛、規(guī)模最大的脫硫技術。按照脫硫產物的干濕形態(tài)和脫硫過程中是否加水,煙氣脫硫分為干式法、半干式發(fā)和濕法。干式法和半干式法的脫硫產物為干粉狀,投入低,工業(yè)簡單,但其Ca∕S比低,脫硫效率低。濕法脫硫處理較難,工藝復雜,占地面積和投入大,但其Ca∕S高,脫硫效率高,運行可靠,操作簡單。濕法煙氣脫硫技術主要有海水法、石灰石-石膏法、氨吸收法和雙堿法[5]。
(1)石灰石-石膏法煙氣脫硫法。石灰石-石膏法煙氣脫硫是使用價格低廉的石灰石作為脫硫劑,工藝上將其研磨成細粉與水混合制成吸收漿,吸收漿與煙氣在吸收塔內混合接觸,漿液中的碳酸鈣與煙氣中二氧化硫、空氣混合接觸并發(fā)生氧化反應,最終生成二水石膏。脫硫后的煙氣經換熱器加熱升溫后排入空氣,余下的石膏漿經脫水處理后回收并循環(huán)利用。目前石灰-石膏法煙氣脫硫法的脫硫效率可達到95%。
(2)海水煙氣脫硫法。海水煙氣脫硫法是利用海水中的堿度脫去煙氣中的二氧化硫,凈化后的煙氣經除霧劑除霧、煙氣換熱器加熱后排放到空氣中。吸收的海水經曝氣池處理,并使海水的PH值調整達到標準后排入大海中[6]。
(3)氨吸收煙氣脫硫法。氨吸收煙氣脫硫技術是以氨水為脫硫劑,在煙氣洗滌器中,氨水從塔頂噴灑吸收煙氣中的SO2,煙氣經液滴分離器后進入脫硫洗滌器,進一步脫去煙氣中的SO2。洗滌中得到的硫酸鹽溶液可以進一步處理作為液體氮肥處理,也可以濃縮蒸發(fā)干燥加工成顆粒。
(4)雙堿煙氣脫硫法。雙堿煙氣脫硫法是先用堿金屬溶液吸收SO2,然后在其他反應器中用石灰將吸收SO2后的溶液再生,將吸收液循環(huán)使用,最終產物為亞硫酸鈣和石膏。該法克服了石灰-石膏法容易結垢的缺點,但其反應過程中需要不斷加入金屬鹽,而且石灰置換速率慢,石膏質量低[7]。
現階段控制火電廠煙氣脫硫裝置的系統(tǒng)主要有3種:可編程邏輯控制(Programmable Logic Controller,PLC)、現場總線控制系統(tǒng)(Fieldbus Control System,FCS)、分布式控制系統(tǒng)(Distributed Control System,DCS)[8]。
其中,PLC被廣泛應用在過程控制中,是過程中的關鍵控制設備。工程師可根據工程需要在PLC中完成相應的編程,從而實現所需要的邏輯運算、控制順序、數據的存儲顯示功能,PLC同時還可實現DA輸出及AD采集,以實現對現場儀表的檢測及機械設備的控制。PLC具有多項優(yōu)點,如可靠性高、易編程、擴展性好等,因此在一些順序控制及開關量控制中得到青睞[9]。
FCS是將現場全部的儀表設備和控制器通過現場總線聯結組成的系統(tǒng)[10]。FCS系統(tǒng)中的現場各部分是完成分散的,同時可實現互相操作,它是一種開放式的分布式系統(tǒng);DCS系統(tǒng)是指分散控制,集中管理,在每個現場子站都有控制器和采集器,系統(tǒng)運行的信息再通過現場總線送入操作站和工程師站,以完成對系統(tǒng)運行的總體管理和顯示。由于DCS系統(tǒng)的優(yōu)點,多被用于大型工業(yè)生產過程中。PLC、FCS及DCS都分別有各自的優(yōu)勢,并隨著工業(yè)的發(fā)展及社會的需求,三者趨向于相互融合、滲透。在脫硫系統(tǒng)中運用三者的優(yōu)點勢必會更加完善其功能、提高可靠性和實用性。
石膏濕法工藝中需要用吸收劑對煙氣中的二氧化硫進行吸取,一般將石灰石用作吸收劑。該工藝的工作流程為:首先將石灰石制備成顆粒狀,通過研磨機制成細粉,并混入水攪拌為漿液狀,形成吸收劑;然后通過運輸設備將吸收劑送入吸收塔內,在吸收塔中吸收劑與原煙氣充分混合發(fā)生化學反應,化學反應的產物為硫酸鈣,硫酸鈣不斷積累直到飽和,會變?yōu)槎?;最后,使用設備將二水石膏取出,并通過濃縮、脫水工序將其制備成含水量小于一成的石膏,并將石膏產物運輸到石膏倉庫中儲存,以便回收利用[11]。使用除霧器將吸收塔內通過脫硫后的煙氣除去霧滴,再經煙囪排入到大氣中。
首先使用設備把石灰石破碎為顆粒狀,并使用篩選機過濾出直徑過大的石灰石顆粒,再用工藝水沖洗篩選后的石灰石,通過工藝水的沖洗可除去多數氟化物、可溶性氯化物和一些水溶性雜質,之后使用烘干機烘干后運輸到石灰石料倉。將經過初次處理后的石灰石碎料稱重并輸送至球磨機中進行研磨,研磨后的石灰石粉末被輸送到選粉機中,選粉機可實現石灰石粉的篩選,并通過氣箱脈沖袋式收塵器將合格的粉末送入石灰石粉倉,同時將不合格的粉末送入到粉磨機進行再次研磨。石灰石粉倉的粉會被送入到石灰石漿液池,通過注入的工藝水來調節(jié)石灰石漿液的密度。達到標準密度的石灰石漿液通過輸送泵被運至吸收塔下部的漿液槽。脫硫塔中的系統(tǒng)會根據煙氣負荷、煙氣入口的二氧化硫濃度及混合液的PH值,綜合控制從漿液槽吸入的石灰石漿液量。
燃燒煤后煙氣中的二氧化硫通過吸收系統(tǒng)來實現吸收。吸收系統(tǒng)中包含吸收劑制備系統(tǒng)、吸收塔、石膏漿液系統(tǒng)及煙氣系統(tǒng)。其中的吸收劑制備系統(tǒng)將石灰石漿液制成符合標準的吸收劑,并送入吸收塔的噴淋層,同時吸收塔內部的循環(huán)系統(tǒng)會將可重復利用的漿液送至噴淋層。噴淋層分組設置在吸收塔的上流區(qū),由漿液分布管道和噴嘴組成,每層噴淋組件都均勻布置在吸收塔上部的橫截面中。二氧化硫的吸收劑以極小的霧滴從噴嘴中噴出,與從塔中部進入的煙氣逆流混合,煙氣中的二氧化硫與吸收劑發(fā)生化學反應生成結晶后沉降在吸收塔的底部。在化學反應中需要的氧氣由鼓風機吹入的空氣中獲得,噴管式空氣管道被按次序布置,帶有氧氣的空氣從管道中輸入到帶有壓力側的攪拌槳葉,攪拌機攪動會將空氣分散成較細小的氣泡。經過脫硫后的煙氣通過除霧器除去殘余的漿液霧滴,依次經過煙道、擋板及煙囪排放到大氣中[12]。
(1)石灰石品質調整。如果石灰中含水量超過10%,需要立刻調節(jié)脫水機的轉速和供給漿液量,以確保石膏厚度及脫水機真空度在標準內。當石膏中的粉塵含量超過標準,則當減少原煙氣中粉塵含量。若石灰石漿液粒徑過粗,應調整該細度在合格范圍。如果石膏中硫酸鈣的含量超過標準,應立刻調節(jié)漿液的供給量,同時調整氧化空氣量和PH值,來確保硫酸鈣在氧化池中被充分氧化。若石灰石原料中的雜質含量超過標準,則應確保石灰石原料的質量[13]。
(2)制漿系統(tǒng)的調整。在制備石灰石漿液時,需要制漿系統(tǒng)的調整,來確保石灰石漿液的質量達標,使脫硫裝置在高效制漿下安全、經濟運行。影響制漿系統(tǒng)效率的因素主要為石灰石給料量、原料半徑、球磨機的供水量、鋼球大小與數量配比、運行的旋流器數量、原料磨性系數及分離機效率[14]。
制漿系統(tǒng)運行過程中要求嚴格控制進入球磨機濾液量比例及石灰石供給量,若石灰石細度低于標準,應該減小細度調節(jié)閥門開度,反之增大細度調節(jié)閥門開度。制漿系統(tǒng)在運行時要調節(jié)的項目為:當球磨機電流太小,說明負載過低,需要立刻補充鋼球;稱重皮帶給料機轉速,以確保球磨機內連續(xù)、均勻、適量地供給原料;為了防止?jié){液箱溢流,需要實時地控制漿液箱液位;保證石灰石漿液在合格范圍內,若漿液濃度小,則不能保證脫硫要求,若漿液濃度太大,則會降低石膏純度,影響石膏的循環(huán)使用。系統(tǒng)工作正常時,可通過石灰石漿液濃度、漿液PH值、煙道出口的二氧化硫濃度來綜合控制石灰石漿液的供給量。若石灰石漿液濃度低、漿液PH值低及二氧化硫濃度高時,都可加大石灰石漿液的供給量。
(3)吸收塔漿液濃度調整。脫硫裝置的正常工作離不開吸收塔漿液濃度的調節(jié),若漿液的濃度調節(jié)不適當,則會加快泵與管道的磨損、堵塞及結垢,嚴重時會造成轉動設施的過負荷運轉。若吸收塔漿液濃度低于標準值,可依據實際狀況降低除霧器沖水量、吸收塔入水量,并降低石膏漿液的出流,如果漿液濃度持續(xù)減小,則需要將石膏漿液泵和脫水機停止轉動,并將石膏排出泵出口門關閉,同時增加漿液的循環(huán)次數。如果吸收塔的漿液濃度高于標準,則將石膏漿液的出流量加大,同時視實際狀況加大吸收塔的補水量。
(4)吸收塔的液位調整。系統(tǒng)工作正常時,除霧器沖洗程序自動實現吸收塔液位的調整。若吸收塔漿液的液位偏高,需要檢查排漿管路閥門是否正常打開,并將除霧器沖洗水門關閉,視情況提高石膏漿液的出流量,如果需要,則打開吸收塔底部的排漿閥,直到漿液的液位回到正常位置。若漿液的液位偏低,需要檢查濾液返回水和除霧器沖洗水的管路正常,并降低石膏排出泵轉速[15]。
以火電廠煙氣脫硫控制系統(tǒng)為研究對象,通過對石灰石-石膏濕法煙氣脫硫的工藝及分布式控制系統(tǒng)的原理結構分析,研究了煙氣脫硫的控制系統(tǒng)。對煙氣脫硫系統(tǒng)運行時可調整的相關技術指標如石灰石品質、制漿系統(tǒng)、吸收塔漿液濃度、吸收塔液位進行了分析和優(yōu)化處理,提高了脫硫效率和系統(tǒng)穩(wěn)定性,并降低了能耗。石灰石-石膏濕法脫硫控制技術在我國研究時間較短,脫硫工藝和控制技術還有很大的發(fā)展空間。優(yōu)化并改進傳統(tǒng)脫硫控制系統(tǒng),能提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和脫硫效率,有效提高火電廠的環(huán)保技術指標,減少企業(yè)的生產成本,具有重要的經濟意義和社會意義。