焦?fàn)t煙氣加熱及脫硝脫硫一體化工藝技術(shù)及控制的應(yīng)用

于海洋,孔祥翠

(西安航天源動力工程有限公司,陜西 西安 710100)

焦?fàn)t煙氣是焦?fàn)t生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的燃燒廢氣，經(jīng)初步處理之后的粉塵、二氧化硫、氮氧化物等污染物尚不能達(dá)標(biāo)排放，是形成酸雨和霧霾的主要污染物，對焦?fàn)t煙氣脫硝脫硫凈化處理已成為各焦化企業(yè)的當(dāng)務(wù)之急。

根據(jù)焦?fàn)t廢氣的特點(diǎn)，采用焦?fàn)t煙氣“加熱+SCR脫硝+半干法脫硫”一體化工藝技術(shù)，并采用分散控制系統(tǒng)(DCS)，實現(xiàn)了工藝系統(tǒng)的全自動化控制，發(fā)揮了該工藝技術(shù)的良好適用性和凈化處理的高效性。該工藝技術(shù)已經(jīng)在焦化企業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，保證了焦?fàn)t煙氣的達(dá)標(biāo)排放，成為焦化行業(yè)實現(xiàn)環(huán)保清潔生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)。

1 工藝流程

焦化廠生產(chǎn)的焦?fàn)t廢氣，二氧化硫和粉塵含量遠(yuǎn)高于國家要求的排放標(biāo)準(zhǔn)，直接排放會導(dǎo)致嚴(yán)重的污染。為處理焦?fàn)t廢氣采用了脫硝脫硫一體化工藝技術(shù)，包括： 焦?fàn)t廢氣加熱系統(tǒng)、SCR脫硝系統(tǒng)、余熱回收系統(tǒng)、半干法脫硫系統(tǒng)、布袋除塵系統(tǒng)、引風(fēng)機(jī)、煙氣再熱系統(tǒng)及排放系統(tǒng)，脫硝脫硫一體化工藝流程如圖1所示。

圖1 脫硝脫硫一體化工藝流程示意

焦?fàn)t廢氣為粗煙氣與通過加熱燃燒器燃燒焦?fàn)t氣產(chǎn)生的高溫?zé)煔獬浞只旌虾?，進(jìn)入SCR反應(yīng)器，經(jīng)過選擇性催化還原反應(yīng)后，將煙氣中的NOx還原成N2和H2O，提高NOx的轉(zhuǎn)化率，達(dá)到脫硝的效果。脫硝后的煙氣進(jìn)入余熱鍋爐回收熱量，燃燒器可以同時燃燒消除掉煙氣中的氯、氟等污染組分，余熱鍋爐的副產(chǎn)低壓蒸汽可以很好地為煙氣再熱器以及其他設(shè)備的伴熱提供熱源。

降溫后的煙氣由脫硫塔底部進(jìn)入，煙氣中的酸性成分SO2與投加的消石灰粉末(Ca(OH)2)充分混合發(fā)生反應(yīng),在塔內(nèi)以湍動、環(huán)流的運(yùn)動方式存在，塔的結(jié)構(gòu)保證了煙氣的滯留時間，通過噴入霧化水的蒸發(fā)量調(diào)節(jié)煙氣溫度，進(jìn)一步優(yōu)化了反應(yīng)條件。脫硫塔內(nèi)半干法脫硫工藝的化學(xué)反應(yīng)如式(1)～式(6)所示：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

通過上述化學(xué)反應(yīng)，達(dá)到煙氣脫硫的目的，反應(yīng)產(chǎn)物為干態(tài)，便于排放、收集以及利用。

基于控制排放粉塵的要求，將脫硫后的煙氣引入布袋除塵器，進(jìn)一步除塵，控制煙塵排放濃度。經(jīng)脫硝、脫硫處理的凈煙氣通過引風(fēng)機(jī)送至煙囪排入大氣。

2 技術(shù)參數(shù)及特點(diǎn)

來自界區(qū)的焦?fàn)t廢氣溫度為220～250 ℃，溫度較低不能直接進(jìn)入SCR反應(yīng)器，與通過加熱燃燒器產(chǎn)生的高溫?zé)煔饣旌?，將煙氣溫度升高?20 ℃左右進(jìn)入SCR反應(yīng)器。

氨水由霧化噴槍均勻噴入煙道中，在大于200 ℃的煙氣中迅速汽化，可實現(xiàn)氨與煙氣的充分混合、均勻分布，在SCR催化劑的作用下，將NOx還原成N2。

在脫硫塔中，煙氣與消石灰成流化狀態(tài)混合，為了促進(jìn)脫硫反應(yīng)，向脫硫塔內(nèi)噴入了適量的霧化水，調(diào)節(jié)塔內(nèi)煙氣溫度為85～100 ℃，反應(yīng)產(chǎn)物是干態(tài)的，沒有廢水產(chǎn)生。并設(shè)置噴水保護(hù)功能，當(dāng)脫硫塔入口煙氣溫度低于120 ℃時，噴水系統(tǒng)停止。

脫硫后的煙氣進(jìn)入布袋除塵器，除塵器效率為99.99%，使煙塵排放質(zhì)量濃度ρ(煙塵)<15 mg/m3。 有利于SO2質(zhì)量濃度的進(jìn)一步降低。

考慮到上游工段窯爐燃燒的切換頻率，廢氣流量不穩(wěn)定的情況，在引風(fēng)機(jī)出口至脫硫塔入口之間設(shè)置了煙氣再循環(huán)管道及煙氣控制閥，以保證脫硫塔床層在煙氣流量大范圍波動時進(jìn)入脫硫塔的煙氣流量穩(wěn)定，使得脫硫塔處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。

利用余熱鍋爐副產(chǎn)的低壓蒸汽通過煙氣加熱器將煙氣加熱至120 ℃以上，使尾氣排出煙囪不產(chǎn)生白霧。

3 控制系統(tǒng)及要點(diǎn)

3.1 控制系統(tǒng)

脫硝脫硫一體化工藝系統(tǒng)設(shè)置獨(dú)立控制室，采用DCS，操作人員通過DCS操作員站完成整個脫硝脫硫裝置的監(jiān)視、控制、調(diào)整、異常工況的報警及緊急事故的處理。DCS由1個工程師站、2個操作員站和1個控制站組成。DCS控制站的電源、主控制卡件、通信卡件、以及模擬輸出信號卡件均采用冗余配置，以保證整個控制系統(tǒng)具有較高的可靠性和穩(wěn)定性，完成數(shù)據(jù)巡檢、控制算法、控制輸出和網(wǎng)絡(luò)通信等功能，提供了一套完整、可靠、安全、高效的自動化系統(tǒng)。

DCS實現(xiàn)自動掃描有關(guān)參數(shù)和數(shù)據(jù)處理，定時制表，參數(shù)越限時自動報警和打印，根據(jù)人工指令自動完成各局部工藝系統(tǒng)或輔機(jī)的程序啟停。當(dāng)DCS發(fā)生異?；蚴鹿蕰r，通過保護(hù)、聯(lián)鎖或人工干預(yù)，使裝置在安全工況下運(yùn)行或停機(jī)。

該系統(tǒng)提供1路市電電源、1路UPS電源，電源柜內(nèi)設(shè)置自動切換裝置(ATS)。DCS機(jī)柜的照明、風(fēng)扇和儀表檢修插座，由市電電源供電；UPS電源為系統(tǒng)柜、現(xiàn)場儀表和閥門及24 V(DC)電源供電，并為每個操作臺提供1路UPS電源、1路市電電源。

網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議采用Modbus-RTU，通信電纜采用冗余設(shè)置。對于需要重點(diǎn)保護(hù)、聯(lián)鎖的信號采用硬接線方式，所有不同系統(tǒng)之間的硬接線信號輸入輸出點(diǎn)設(shè)置了隔離器。

3.2 控制要點(diǎn)

3.2.1脫硝工段控制要點(diǎn)

加熱燃燒器作為燃燒設(shè)備，設(shè)定了火焰檢測、超溫、超壓等檢測點(diǎn)，并通過DCS實現(xiàn)緊急停車聯(lián)鎖系統(tǒng)。

為了保證進(jìn)入SCR反應(yīng)器的煙氣溫度，在預(yù)混合煙道出口設(shè)置溫度監(jiān)測點(diǎn)，該溫度點(diǎn)作為給定值(SP)與進(jìn)入加熱燃燒器的焦?fàn)t氣流量調(diào)節(jié)回路組成串級調(diào)節(jié)回路，穩(wěn)定控制進(jìn)入SCR反應(yīng)器的煙氣溫度。

SCR反應(yīng)器入口前的氨水噴霧系統(tǒng)可自動調(diào)節(jié)，通過煙氣連續(xù)排放監(jiān)測系統(tǒng)(CEMS)提供的NOx，NH3濃度值，調(diào)節(jié)控制氨水噴射量，在保證脫硝效率前提下控制氨水噴入量、減少系統(tǒng)運(yùn)行成本，同時避免造成的二次污染。

SCR反應(yīng)器設(shè)置了聲波吹灰裝置，通過催化劑的床層壓差或者定時器計時作為程序控制啟動信號，可以有效地清理積灰，保護(hù)催化劑的活性。

3.2.2脫硫工段控制要點(diǎn)

脫硫塔內(nèi)的固/氣比是保證其良好運(yùn)行的重要參數(shù)，可以通過脫硫塔的底部和頂部的差壓Δp來表示。固/氣比越大，表示固體顆粒的濃度越大，因而塔的Δp越大。Δp的最大值由引風(fēng)機(jī)所能克服的最大阻力所決定，而Δp的最小值則由為保證全部噴水量均能蒸發(fā)所需的最小固/氣比所決定。使用Δp控制脫硫塔的再循環(huán)灰量，從而保證了塔內(nèi)必需的固/氣比，控制再循環(huán)灰量也是控制的核心。

為獲得Δp真實值，分別在脫硫塔的進(jìn)、出口設(shè)置3個壓力檢測點(diǎn)，通過合理布置取壓點(diǎn)的位置和導(dǎo)壓管的角度，準(zhǔn)確測得煙氣的有效壓力值再計算Δp，保證了脫硫塔Δp的真實性和準(zhǔn)確性。

為了保證脫硫塔噴嘴的霧化效果，不是直接控制噴嘴的給水量，而是通過控制在回水管路上的控制閥來調(diào)節(jié)回水的流量，達(dá)到控制霧化水的流量目的?；厮刂崎y完全打開時，噴槍用水量最小，而控制閥關(guān)閉時噴槍用水量最大。調(diào)節(jié)回路的設(shè)定值為煙氣流量和煙氣溫度。

4 結(jié)束語

某焦化廠自采用焦?fàn)t廢氣“加熱+SCR脫硝+半干法脫硫”一體化工藝技術(shù)以來，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，煙氣脫硝脫硫效果良好。凈煙氣中粉塵顆粒物、二氧化硫、氮氧化物、氨逃逸等污染物能夠達(dá)到DB 13/2863—2018《煉焦化學(xué)工業(yè)大氣污染物超低排放標(biāo)準(zhǔn)》的要求，實現(xiàn)了焦?fàn)t廢煙氣的環(huán)保排放要求。工藝技術(shù)得到推廣的同時也為同行業(yè)的污染物治理提供了數(shù)據(jù)和實踐經(jīng)驗。