脫硫自動(dòng)控制在煙氣脫硫脫硝系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

0 引言

脫硫脫硝系統(tǒng)是一種高效的環(huán)保技術(shù)裝備，主要用于減少生產(chǎn)環(huán)節(jié)燃燒過程中產(chǎn)生的硫氧化物mathrm ，主要是 和氮氧化物 排放。這些氣體是造成大氣污染、酸雨和光化學(xué)煙霧等環(huán)境問題的主要原因。通過脫硫脫硝系統(tǒng)的處理，可以顯著減少這些有害氣體的排放，有效保護(hù)環(huán)境和人類健康不受侵害[1]。

某大型鋼鐵企業(yè)增設(shè)了一條新的燒結(jié)機(jī)生產(chǎn)線，并為其配備了兩臺(tái)雙室四電場(chǎng)的靜電除塵器，以確保燒結(jié)過程中產(chǎn)生的煙氣得到有效凈化。經(jīng)過這一步驟處理后，煙氣會(huì)被送入脫硫脫硝系統(tǒng)中進(jìn)行進(jìn)一步的處理。本文所述的脫硫脫硝系統(tǒng)結(jié)合了循環(huán)流化床半干法脫硫、低壓旋轉(zhuǎn)反吹式布袋除塵以及SCR脫硝等工藝，雙機(jī)（主抽風(fēng)機(jī)）單塔布置，以實(shí)現(xiàn)燒結(jié)機(jī)外排煙氣二氧化硫、氮氧化物、顆粒物、氨逃逸達(dá)標(biāo)排放，且無(wú)廢水排放。

系統(tǒng)的脫硫效率受多個(gè)因素影響，其中關(guān)鍵因素有2：1）脫硫劑投加量；2）脫硫塔床層壓差和物料循環(huán)；3）脫硫塔出口溫度。目前正在運(yùn)行的大多數(shù)半干法脫硫系統(tǒng)均為人為手動(dòng)控制，通過操作員手動(dòng)控制給料機(jī)的頻率來(lái)調(diào)整投藥量，手控返料閥門的開度來(lái)調(diào)整床層壓差，手控變頻水泵的頻率來(lái)調(diào)整噴水量進(jìn)而影響溫度，最終綜合監(jiān)控系統(tǒng)中的各個(gè)因素以使排放達(dá)標(biāo)。本文探討在以上脫硫工藝關(guān)鍵環(huán)節(jié)引入自動(dòng)控制的思想，以減輕操作員工作強(qiáng)度，提高系統(tǒng)運(yùn)行效率。系統(tǒng)的控制界面總貌如圖1所示。

1脫硫劑制備系統(tǒng)和投加系統(tǒng)自動(dòng)控制

1.1 脫硫劑制備系統(tǒng)

脫硫塔配置一套三級(jí)石灰干式消化系統(tǒng)，吸收劑消化系統(tǒng)采用臥式雙軸三級(jí)攪拌式干式消化器。系統(tǒng)的主要設(shè)備有生石灰倉(cāng)、秤入口給料機(jī)、輸送秤給料機(jī)、秤出口給料機(jī)、一/二/三級(jí)消化器、消化器后給料機(jī)和輸送風(fēng)機(jī)。主要生產(chǎn)流程：生石灰由粉罐車運(yùn)至廠內(nèi)，通過氣力輸灰進(jìn)入生石灰倉(cāng)，經(jīng)過輸送秤給料機(jī)送至三級(jí)干式消化器，反應(yīng)完成的消石灰通過氣力輸送風(fēng)機(jī)輸送至消石灰倉(cāng)。系統(tǒng)的自動(dòng)控制分為兩個(gè)方面：一是整個(gè)系統(tǒng)的順控流程及保護(hù)聯(lián)鎖自控，二是消化器的水料配比。

消化器控制系統(tǒng)程序能夠?qū)崿F(xiàn)整個(gè)流程的一鍵啟停，無(wú)須人為干預(yù)。根據(jù)實(shí)際工藝情況提前設(shè)好的各設(shè)備之間的延時(shí)時(shí)間，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)由下游設(shè)備至上游設(shè)備一鍵啟動(dòng)，具體步序?yàn)椋簡(jiǎn)?dòng)氫氧化鈣輸送風(fēng)機(jī) → 啟動(dòng)消化器后給料機(jī) → 啟動(dòng)倉(cāng)頂排氣閥 → 啟動(dòng)倉(cāng)頂除塵器 → 啟動(dòng)三級(jí)消化器 → 啟動(dòng)二級(jí)消化器 → 啟動(dòng)一級(jí)消化器 → 啟動(dòng)消化器入口給料機(jī) → 啟動(dòng)皮帶秤 → 啟動(dòng)秤入口給料機(jī) → 啟動(dòng)消化水泵。一鍵停止功能為由上游設(shè)備至下游設(shè)備依次停止，也需提前設(shè)定好各設(shè)備之間的延時(shí)時(shí)間，以保證設(shè)備內(nèi)無(wú)存料。同時(shí)，各上下游設(shè)備之間的保護(hù)聯(lián)鎖齊全，下游設(shè)備故障可自動(dòng)跳停上游設(shè)備，輸送系統(tǒng)故障（包含各級(jí)消化器、消化器后給料機(jī)、輸送風(fēng)機(jī)的設(shè)備故障和電流超限）能夠自動(dòng)觸發(fā)給料系統(tǒng)（包含消化器前給料機(jī)、皮帶秤和消化水泵）聯(lián)鎖保護(hù)停機(jī)，防止發(fā)生堵料事故。因此，系統(tǒng)在運(yùn)行過程中無(wú)須操作員實(shí)時(shí)監(jiān)控，大幅降低了操作員的工作強(qiáng)度。

消化器的加水量采用PID控制，首先根據(jù)進(jìn)料生石灰的品質(zhì)設(shè)置合適的水料比，根據(jù)生石灰皮帶秤的實(shí)時(shí)反饋計(jì)算出加水量，再對(duì)變頻泵采用PID控制，加水量計(jì)算值為設(shè)定值，現(xiàn)場(chǎng)流量計(jì)瞬時(shí)值為反饋量，輸出值控制頻率。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)加水量的實(shí)時(shí)控制與水料比的實(shí)時(shí)跟蹤，PID流程如圖2所示。由此保證消化器中加水和加料的配比穩(wěn)定，保證消石灰成品的質(zhì)量和系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定。控制界面和控制效果如圖3所示，頻率及流量跟蹤效果良好。

1.2 脫硫劑投加系統(tǒng)

脫硫塔配備3T和6T兩套消石灰投加系統(tǒng)，主要設(shè)備包括消石灰倉(cāng)、稱前變頻給料機(jī)、消石灰螺旋稱重給料機(jī)、稱后工頻給料機(jī)和氣力輸送風(fēng)機(jī)。系統(tǒng)的自動(dòng)控制主要包含系統(tǒng)順控和加藥量自控兩個(gè)方面。

消石灰投加系統(tǒng)設(shè)備由上游到下游順序依次為：消石灰變頻給料機(jī) → 螺旋稱重給料機(jī) → 工頻給料機(jī) → 輸送羅茨風(fēng)機(jī)?？刂葡到y(tǒng)程序能夠?qū)崿F(xiàn)由下游至上游的一鍵啟動(dòng)和由上游至下游的一鍵停止，各設(shè)備間延時(shí)時(shí)間可根據(jù)實(shí)際情況提前設(shè)好，無(wú)須人為操作。各上下游設(shè)備之間的保護(hù)聯(lián)鎖齊全，下游設(shè)備故障觸發(fā)上游設(shè)備聯(lián)鎖保護(hù)停機(jī)，無(wú)須操作員實(shí)時(shí)監(jiān)控。

投藥量控制除了手動(dòng)輸入投加量控制外，還可以根據(jù)設(shè)定的出口 濃度標(biāo)準(zhǔn)自動(dòng)控制消石灰的投加量?？刂颇Ｐ蜑楣接?jì)算和PID結(jié)合的串級(jí)PID模型[3]。

首先根據(jù)系統(tǒng)的于標(biāo)煙氣量、消石灰純度、鈣硫比、出口 控制濃度和測(cè)量濃度計(jì)算出消石灰的理論消耗量，計(jì)算公式為：

式中： m 為消石灰計(jì)算耗量 ， Q 為干標(biāo)煙氣量，16% 基準(zhǔn)氧 ； 為煙肉出口 控制濃度 （標(biāo)準(zhǔn)：干基， 16% 氧含量）； 為煙肉出口 測(cè)量濃度 （標(biāo)準(zhǔn)：干基， 16% 氧含量）；b 為鈣硫比； 為消石灰純度。

在此基礎(chǔ)上引入PID控制，以出口 控制濃度為設(shè)定值，出口 測(cè)量濃度為反饋值，輸出范圍 ，以達(dá)到增減調(diào)節(jié)的目的。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，通過調(diào)整PID調(diào)節(jié)值系數(shù) 和理論值權(quán)重系數(shù) ，以達(dá)到最佳的控制效果。消石灰總量計(jì)算公式為：

式中： M 為消石灰消耗總量 為消石灰計(jì)算耗 量 . 為PID調(diào)節(jié)值權(quán)重系數(shù)； 為理論值權(quán)重系 數(shù)； 為PID調(diào)節(jié)輸出，范圍 o

將消石灰總量作為投加系統(tǒng)的設(shè)定值，通過稱重皮帶給料秤控制消石灰的實(shí)時(shí)投加量。實(shí)際運(yùn)行已能夠?qū)⒊隹? 濃度自動(dòng)控制到設(shè)定值附近，控制

范圍波動(dòng)在 左右，滿足用戶要求。實(shí)際控制界面和控制效果如圖4所示。

2 床壓自動(dòng)控制與灰斗自平衡

2.1 床壓自動(dòng)控制

脫硫塔床壓是系統(tǒng)運(yùn)行過程中的重要指標(biāo)，可以有效反映脫硫塔內(nèi)的固體顆粒量。合理控制床壓有助于維持脫硫塔內(nèi)適當(dāng)?shù)墓腆w顆粒濃度，這對(duì)于提高脫硫效率至關(guān)重要4。本系統(tǒng)通過控制返料閥門的開度來(lái)控制脫硫塔壓差的變化。

返料閥門的控制方式分為三種：手動(dòng)控制、同操控制和自動(dòng)控制。

1）手動(dòng)控制：在此種條件下可以人工設(shè)置六個(gè)返料閥門各自的開度。

2）同操控制：在此種條件下參與同操返料閥門開度為統(tǒng)一人工設(shè)定的同操值。可以通過偏差值的設(shè)定來(lái)微調(diào)各個(gè)返料閥門的開度。

3）自動(dòng)控制：在此種情況下參與同操返料閥門將接受床壓控制自動(dòng)調(diào)節(jié)程序的設(shè)定。

床壓自控的控制邏輯如下：首先，床層壓差 總壓差-基礎(chǔ)床壓?；A(chǔ)床壓根據(jù)煙氣量Q作對(duì)應(yīng)，由40% 至 110% 標(biāo)量，每 5% 做一級(jí)。由于返料閥門的頻繁調(diào)節(jié)會(huì)造成床壓的跳動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)可能造成塌床或退床，因此在自動(dòng)控制條件下，閥門開度設(shè)定受床層壓差的柔性階梯控制。輸入床壓控制設(shè)定值，高限、上上限、上限、下限、下下限和低限六個(gè)偏差值，對(duì)應(yīng)區(qū)間的開度變化值，對(duì)應(yīng)動(dòng)作的等待時(shí)間。每次閥門同操值輸出變化后，計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)，同時(shí)實(shí)時(shí)掃描床壓，當(dāng)床壓處于相應(yīng)區(qū)間且計(jì)時(shí)器大于對(duì)應(yīng)的等待時(shí)間時(shí)，閥門同操值進(jìn)行相應(yīng)幅度的變化，并進(jìn)入下一個(gè)掃描周期，邏輯如圖5所示。

在此種控制模式下，既可以通過設(shè)置不同的床壓控制限定值來(lái)劃分不同的控制區(qū)間，又可以通過設(shè)置閥門動(dòng)作幅值來(lái)控制床壓的變化速率，同時(shí)還可以通過設(shè)置等待時(shí)間來(lái)避免短時(shí)間內(nèi)閥門多次動(dòng)作，維持床壓的穩(wěn)定，防止床壓發(fā)生驟變。從生產(chǎn)運(yùn)行的實(shí)際效果看，在工況穩(wěn)定的情況下，可將脫硫塔床壓偏差控制在 ±100Pa 以內(nèi)。控制界面及效果如圖6所示。

2.2 灰斗自平衡控制

脫硫塔后布袋除塵裝置布置的前后位置和連通關(guān)系，必然導(dǎo)致各個(gè)灰斗積灰速率的不同，靠近脫硫塔的灰斗積灰更快，遠(yuǎn)離的更慢。為了保證各個(gè)灰斗返料過程更加均勻、無(wú)突變，并防止灰斗長(zhǎng)期料多造成板結(jié)，引入灰斗自平衡控制是很有必要的。

在自動(dòng)調(diào)節(jié)條件下需要設(shè)定一個(gè)偏差系數(shù)，根據(jù)六個(gè)灰斗的總重進(jìn)行調(diào)節(jié)，重量大的多開一點(diǎn)，重量小的少開一點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)各灰斗內(nèi)灰量相對(duì)平衡。平衡系數(shù)為：

由于脫硫塔內(nèi)物料濕度及煙氣流速等工況因素影響，有時(shí)僅憑自平衡系數(shù)仍然無(wú)法平衡各灰斗重量，此時(shí)需要引入一個(gè)調(diào)整系數(shù)，即當(dāng)灰斗重量大于平均值1.1倍（可調(diào)整）時(shí)，在當(dāng)前開度基礎(chǔ)上再乘以1.08（調(diào)整系數(shù)，可調(diào)）；當(dāng)灰斗重量小于平均值時(shí)，取消調(diào)整系數(shù)，以此達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡的效果。

因此，灰斗開度輸出值的表達(dá)式為：

灰斗開度 同操值 × 平衡系數(shù) ×100%

3 工藝水系統(tǒng)自動(dòng)控制

脫硫塔內(nèi)部溫度是脫硫效率的重要影響因素。溫度過低，脫硫劑的活性降低，反應(yīng)速率減慢，從而影響脫硫效果；溫度過高，則可能導(dǎo)致脫硫劑的分解和氧化，同樣會(huì)降低脫硫效率5。因此，合理控制脫硫塔內(nèi)部溫度，可以確保脫硫劑在最佳活性狀態(tài)下工作，是脫硫控制的關(guān)鍵。工藝水系統(tǒng)包括工藝水箱、工藝水泵、霧化噴槍、噴水量調(diào)節(jié)裝置等。本系統(tǒng)配備三臺(tái)工藝水泵（二用一備），為上下兩層霧化噴槍供水，通過調(diào)整變頻水泵頻率控制霧化噴槍的噴水量，從而達(dá)到控制脫硫塔出口溫度的目的]。

工藝水系統(tǒng)同樣采用類似于床壓控制的柔性階梯控制，設(shè)置脫硫塔出口溫度設(shè)定值，上上限、上限、下限和下下限四個(gè)偏差值，對(duì)應(yīng)區(qū)間的開度變化值，對(duì)應(yīng)動(dòng)作的等待時(shí)間。每次頻率輸出變化后，計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)，同時(shí)實(shí)時(shí)檢測(cè)出口溫度，當(dāng)溫度處于相應(yīng)區(qū)間且計(jì)時(shí)器大于對(duì)應(yīng)的等待時(shí)間時(shí)頻率進(jìn)行相應(yīng)幅度的變化，并進(jìn)入下一個(gè)掃描周期。從生產(chǎn)運(yùn)行的實(shí)際效果看，在工況穩(wěn)定的情況下，可將脫硫塔出口溫度偏差控制在 以內(nèi)?？刂平缑婕翱刂菩Ч鐖D7所示。

4控制系統(tǒng)構(gòu)成

5 結(jié)論

本套系統(tǒng)選用了西門子S7-416H穴余PLC控制系統(tǒng)，每套PLC系統(tǒng)均采用控制主站 + 分布式I/0的形式，主站與遠(yuǎn)程站采用PROFINET通信方式，具有高速網(wǎng)絡(luò)傳輸、硬件熱插拔功能和完善的穴余結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)編程軟件為STEP7V5.7，系統(tǒng)上位機(jī)組態(tài)軟件采用西門子當(dāng)前主流版本W(wǎng)INCCV8.0。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用西門子X200系列管理型交換機(jī)組成環(huán)網(wǎng)，保證了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的冗余穩(wěn)定。

某大型鋼鐵企業(yè)新建燒結(jié)機(jī)配套煙氣脫硫脫硝系統(tǒng)，在脫硫工藝的脫硫劑制備系統(tǒng)和投加系統(tǒng)、床壓自動(dòng)控制與灰斗自平衡、工藝水溫控系統(tǒng)等關(guān)鍵環(huán)節(jié)引入自動(dòng)控制，降低了現(xiàn)場(chǎng)操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了脫硫效率，節(jié)約了物料消耗，為脫硫脫硝的精益化生產(chǎn)、生產(chǎn)能耗的降低及設(shè)備的智能控制都提供了強(qiáng)有力的保證，具有廣泛的應(yīng)用前景和深遠(yuǎn)的現(xiàn)實(shí)意義。

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