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      工業爐窯脫硫脫硝設備自動化控制系統

      工業爐窯脫硫脫硝設備自動化控制系統

      介紹


      1、概述:

      NOX的危害:各種污染源產生的氮氧貨物中,絕大部分為NO,其毒性不是很大,但是NO在大氣中可以氧化生成NO2,NO2比較穩定,其毒性是NO的4?5倍??諝庵蠳O2的含量在3.5×10-8(體積分數)持續1h,就開始對人體有影響;含量為(20?50)×10-8時,對人眼有剌激作用;當含量達到150×10-8時,對人體器官產生強烈剌激作用。此外,NOX還參與光化學煙霧和酸雨的形成。

      DCS集散控制系統具有可靠性高、系統開放、功能強大、維護簡單等眾多優點,能夠對SCR脫硝提供高效優質的監控,提高控制的穩定性和協調性,提高脫硝的效率,更好的滿足國家對氣體排放的要求。

      2、系統原理

      脫硝原理采用選擇性催化還原方法,該反應發生在裝有催化劑的反應器里,煙氣與噴入的氨在催化劑的作用下反應,實現脫出氮氧化合物。煙氣中的氮氧化合物通常由95%的NO和5%的NO2組成,它們通過以下反應轉化成水和氮氣。

      4NO+4NH3+ O2->4N2+6 H2O

      4NH3+2NO2+O2->3N2+6H2O

      NO2+NO+2NH3->2N2 +3 H2O

      NOX的轉化率由如下公式表示:

      ηNox —— 脫硝效率%

      NOxin —— 反應器進口NOx濃度

      NOxout —— 反應器出口NOx濃度

      3、工藝簡介

      脫銷裝置主要由兩個系統組成,一個是SCR系統,另一個是還原劑供應系統,即氨供應系統。SCR子系統的主要設備位于SCR區域,即工業窯爐尾部區域。氨供應系統制備的氣態氨經沿廠區管架的氣態氨管道送入位于SCR區域的氨/空氣混合器與稀釋空氣混合后,由AIG系統注入到SCR入口煙道中。

      3.1 SCR系統

      煙氣在工業窯爐出口煙氣并行進入一個垂直布置的SCR反應器里,在反應器里煙氣向下流過均流器、催化劑層,隨后進入回轉式空氣預熱器、靜電除塵器、引風機和FGD,最后通過煙囪排入大氣。

      SCR 系統包括:煙氣系統、觸媒吹掃系統。煙氣系統主要包括稀釋風機、氨/空氣混合器,氨流量控制閥,噴氨關斷閥,噴氨格柵等。氣態氨來自公用系統氨制備區,與稀釋風機提供的空氣按照一定的體積比例通過氨/空氣混合器混合后經過噴氨格柵注入反應器,為脫硝工藝系統提供還原劑。噴氨格柵包括噴氨母管、噴氨支管,每根支管上裝有手動流量調節裝置,其作用為粗調進口煙道截面上的噴氨濃度分布。噴氨檢測裝置為每個反應器一套,主要有1個噴氨流量控制閥和1個噴氨關斷閥組成,用于控制系統的噴氨量。觸媒吹掃系統主要包括觸媒、蒸汽吹灰器。觸媒采用蜂窩式催化劑,主要活性成分為TiO2和V2O5,少量的WO3。本工程催化劑層按2+1層,即2層催化劑設計層加1層催化劑預留層,每層設置3臺吹灰器。

      耙式吹灰器裝在每個催化劑層的上方,采用過熱蒸汽吹灰,吹掉催化劑上的積灰。吹灰器的啟動根據反應器催化劑層的阻力由脫銷DCS進行控制。

      氣態氨與被加熱后的稀釋空氣在混合器AIG系統稀釋后,經氨注射柵格注入SCR反應器入口前的煙道中。完整的氨噴射系統,保證氨氣和煙氣混合均勻,噴射系統設置手動閥和孔板流量系統用于在調試運行期間進行調節,使每個噴嘴的氨流量達到運行要求,一旦調好則固定不變。

      3.2 氨供應系統

      液氨用罐車運到現場,通過氨卸載裝置卸載到液氨貯罐中。貯罐中的液氨送到蒸發器中蒸發產生氣態氨。氨卸載壓縮機抽取氨貯罐中的氨氣,經壓縮后將槽車的液氨推擠入液氨貯罐中。氨罐設計有防太陽輻射措施,四周安裝有工業水噴淋管線及噴嘴,當貯罐罐體溫度過高時自動淋水裝置啟動,對罐體自動噴淋減溫;當有微量氨氣泄露時也可啟動自動淋水裝置,對氨氣進行吸收,控制氨氣污染。

      蒸發器出口氨氣管道上裝有壓力控制閥和流量調節閥,使進入煙道的氨氣壓力控制在一定范圍內。蒸發器上裝有壓力和溫度測量裝置,并將測量信號反饋到控制系統以控制電加熱器,使加熱介質的溫度維持在一定范圍,確保液氨轉變為氣態。當蒸發器內被加熱的液氨超過最高液位時,系統報警并切斷液氨進料。蒸發器裝有通風閥。液氨儲存及供應系統周邊設有氨氣檢測器,以檢測氨氣的泄漏,并顯示大氣中氨的濃度。當檢測器測得大氣中氨濃度過高時,在機組控制室會發出警報,操作人員采取必要的措施,以防止氨氣泄漏的異常情況發生。在氨供應區的儲罐區域、蒸發區域和卸載區域均布置有氨氣泄漏檢測器。


      4、控制策略

      脫硝控制系統的硬件和軟件與單元機組DCS系統的硬件和軟件均采用優穩DCS系列,脫硝工藝系統即SCR系統作為單元機組DCS系統的一個子站分別納入到單元機組DCS系統進行控制,還原劑存儲、制備、供應系統則作為公用DCS系統的一個遠程I/O站納入到公用DCS系統進行控制。公用DCS和單元機組DCS之間通過冗余的光纖通訊連接。運行人員直接通過集控室中單元機組DCS操作員站完成對脫硝系統參數和設備的監控,氨制備區的監控在公用DCS上實現。

      脫銷控制系統主要實現兩部分功能,一部分為氨系統的控制,由公用DCS中的一對用于氨制備區的CP負責實現,這部分主要實現氨的卸載,貯罐的轉運,提供反應器所需氨蒸汽以及貯罐各工藝參數的監視及事故狀況下的應急處理。其主要的控制對象為氨壓縮機系統、貯罐、污水坑泵、氨蒸發器、氨卸載控制盤。另一部分為反應器區的控制,由SCR_DCS負責,每臺爐兩個反應器設一對CP,由這部分主要實現NOX脫出濃度的控制及反應器各工況的監視、吹灰控制,其主要控制對象包括稀釋空氣風機、吹灰器、氨流量控制閥等。

      4.1 氨供應系統儀表和控制邏輯

      液氨貯罐區域安裝有氨泄漏檢測儀以探測空氣中的氨系統所泄漏的氨。若檢測儀控測到游離氨,將發送DI信號給DCS系統并觸發聲光報警并自動打開貯罐水噴淋系統。氨濃度為超高位報警時,DCS將關閉整個氨系統,停止貯罐向蒸發器供應液氨。

      系統運行中當安裝在貯罐上的測溫熱電阻檢測到貯罐溫度達到38℃時,DCS將自動打開貯罐水噴淋系統,打開水噴淋關斷閥以冷卻貯罐,當DCS監視到貯罐溫度降到35℃時,操作人員應關閉貯罐水噴淋系統。當貯罐溫度達到40℃時,DCS終端屏上將顯示報警。當安裝在貯罐上的壓力變送器檢測到貯罐壓力達到1.8MPa時,DCS終端屏上將顯示報警,貯罐壓力達到2MPa時,DCS終端屏上將顯示報警,操作人員應打開貯罐水噴淋系統,打開水噴淋關斷閥以冷卻貯罐,降低貯罐壓力。

      蒸發器配有檢測熱媒(乙二醇水溶液)液位計,當液位低于300mm(頂部為0液位)時,DCS控制終端屏上將報警,并自動關閉蒸發器,關閉相應的電加熱器;當液位高于100mm(頂部為0液位)時,DCS控制終端屏上將報警,需要操作人員手動處理,排出多余的熱媒溶液。每個蒸發器出口裝有液氨液位計,當液位低于50mm時,DCS控制終端屏上將報警;當液位高于500mm時,DCS控制終端屏上將報警,并自動關閉蒸發器。蒸發器配有檢測熱媒(乙二醇水溶液)熱電阻用于溫度的控制,DCS通過PID調節自動控制熱媒溫度為60℃。蒸發器配有熱媒(乙二醇水溶液)溫度開關,用于蒸發器熱媒的超溫度保護,當溫度高于65℃時,DCS控制終端屏上將報警,并自動關閉蒸發器,關閉相應的電加熱器。蒸發器出口氨管道上安裝有檢測氨氣溫度的熱電阻,當溫度低于0℃或高于48℃,DCS控制終端屏上將報警。操作人員需要檢查蒸發器熱媒液位和溫度是否正常,并排除故障。蒸發器出口氨管道上安裝有檢測氨氣壓力的壓力變送器,當壓力分別低于低位(0.3MPaG)、超低位(0.25MPaG)或高于高位(1.4MPaG),DCS 控制終端屏上將報警。每個蒸發器出口安裝有自力式壓力調節閥,以確保供應SCR的氣態氨具有恒定的壓力。當蒸發器投入運行,準備好向SCR供應氣態氨后,壓力調節管線同時亦準備好向SCR供應氨氣。自力式壓力調節閥出口設有壓力表就地顯示蒸發器蒸發壓力;壓力調節閥出口亦設有壓力開關,當檢測到壓力分別低于低位(0.09MPaG)、或高于高位(0.12MPaG),DCS控制終端屏上將報警,并自動關閉蒸發器的氣態氨供應即關閉出口閥。

      蒸發器區域安裝有兩個氨泄漏檢測儀以探測空氣中的氨系統所泄漏的氨。若檢測儀控測到游離氨,氨濃度為高位(25ppmv)時,將發送DI信號給DCS系統并觸發聲光報警并可自動打開貯罐水噴淋系統,打開水噴淋關斷閥。氨濃度為超高位(35ppmv)報警時,DCS將關閉所在蒸發器,停止向SCR供應氨蒸汽和關閉整個氨系統,關閉貯罐出口閥門。

      稀釋空氣風機向氨/空氣混合器供給空氣,使氣態氨的濃度低于LEL值,由于氨氣流量較小,經稀釋后也有利于氨注入后在煙道中的均勻分布。本項目氨氣的濃度設定為5%(V/V)進行控制。當氨與空氣的比列上升到8%時,控制室DCS HMI顯示屏發出警報,達到10%時,DCS 自動關閉氨流量調節閥入口的關斷閥。氨/空氣混合器入口稀釋空氣管道上的流量計檢測到的空氣流量低于設定的低值,DCS終端控制屏上報警,三分種后啟動備用風機,如果釋空氣流量降到了設定的超低值,則關閉氨供應閥門,停止向SCR 供應氣態氨。DCS比較稀釋空氣流量和氨的流量,如果氨的濃度超過8%就報警,如果氨的濃度超過10%,則關閉氨供應閥門,停止向SCR供應氣態氨。

      從蒸發器出口壓力調節閥流出的氣態氨經管線分別進入氨流量監測段,入口氨氣壓力由分別由壓力表就地指示,流量、溫度和壓力分別由孔板流量計、熱電阻、壓力變送器檢測,這些數據由AI信號輸入DCS。壓力變送器測得的壓力低于70KPaG時,在DCS HMI終端的脫硝供氨公用系統屏上產生氨低壓報警,提醒操作人員供氨壓力過低,DCS亦通過計算模塊對流量計測得的流量提供壓力補償。熱電阻測得的溫度低于-10℃時,在DCS HMI終端的脫硝供氨公用系統屏上產生氨低溫報警,提醒操作人員需要啟動液氨泵,DCS亦通過計算模塊對流量計測得的流量提供溫度補償。

      進入氨注射柵格氨/空氣混合物中氨濃度設計為不超過5%。氨氣流量由閉環控制系統控制,流量計測得的流量經溫度和壓力修正。作為工藝控制數據進入DCS的氨氣PI流量控制器。DCS根據SCR反應器出口的NOX檢測值和設定值間的差值計算需要增加的氣氨流量,再加上流量計測得的流量與稀釋空氣流量比較和計算氨的濃度,確保沒有超過準許最大氨的濃度設計值。

      如果比較結果合格,PI控制器計算閥門控制變量并控制流量調節閥的開度。

      出現以下條件,氨流量關斷閥將自動聯鎖關閉:

      反應器入口溫度>430°C或<310°C。

      反應器出口溫度>430°C或<310°C。

      注入煙道的氨/空氣混合物中的氨濃度超過10%的時間達到5秒鐘。

      /空氣混合器入口的稀釋空氣流量小于設定值超過5秒鐘

      SCR 反應器入口擋板未開啟。

      氨系統未準備好供應氣態氨。

      任何氨系統事故報警發生。

      如果氨流量關斷閥自動聯鎖關閉,DCS將關閉信號傳給氨流量開斷閥,維持關閉狀。

      4.2 SCR 反應器儀表和控制邏輯

      煙道上設置必要測點用于SCR反應的監測和控制,主要如下:

      SCR入口NOX:每個反應器入口煙道設置一個NOX測點,用于監測SCR入口NOX濃度。

      反應器入口溫度:每個反應器入口煙道設有溫度測點,用于監測SCR入口溫煙氣溫度。

      反應器出口溫度:每個反應器出口煙道設有溫度測點,用于監測SCR出口溫煙氣溫度。

      SCR出口NOX:每個反應器出口煙道設置一個NOX測點,用于監測SCR出口NOX濃度。

      反應器進出口(催化劑)差壓:每個反應器安裝有催化劑進出口的差壓計。

      反應器出口O2濃度:每個反應器出口設置一個O2測點以測量煙氣中的O2濃度,用于NOX測量值的修正。

      SCR入口煙氣溫度大于400℃或小于315℃時,DCS將在終端屏發出警報信息;當入口煙氣溫度大于430℃或小于310℃時,DCS將在終端屏發出警報信息的同時,自動關閉SCR的氨供應,即關閉相應的氣氨關斷閥。反應器出口NOX濃度<130 ppm超過15分鐘的時間,DCS將在終端屏發出警報信息;當NOX濃度< 100 ppm超過30秒,DCS將在終端屏發出警報信息的同時,自動關閉SCR的氨供應,即關閉相應的氣氨關斷閥。當催化劑進出口差壓達到設定值,DCS將在終端屏發出警報信息,提醒操作員催化劑需要及時吹灰。每臺機組兩個反應器催化劑吹灰器共用一套蒸汽管道系統,吹灰蒸汽汽源引自從鍋爐吹灰蒸汽管道減壓站出口。每一吹灰器帶有一個入口控制閥用于控制蒸汽壓力。每臺機組SCR吹灰系統有一個用于低壓報警的壓力開關和一個用于高壓報警的壓力開關,用于監視到吹灰器的蒸汽壓力,持續(10秒)低壓條件將導致當前運行的吹灰器停車和縮回;每臺機組SCR包括一個溫度計和一個溫度傳感器用于監視到吹灰器的蒸汽溫度,低溫條件將導致當前運行的吹灰器停車和縮回;脫硝吹灰系統由SCR DCS直接進行控制??刂剖也僮鲉T可以通過DCS 的脫硝輔助系。統控制屏啟動和停止吹灰系統或由DCS自動控制吹灰器的啟停。每天對脫硝催化劑進行3 次吹灰或根據催化劑進出口差壓的設定值聯鎖自動啟動吹灰器進行吹灰。

      5、控制工程

      DCS集散控制系統在SCR脫硝控制系統的應用,硬件配置、網絡架構及工藝流程圖。

       

      6、小結

      選擇性催化還原法脫硝(SCR)在使用了DCS集散控制系統之后,能夠改善工人的工作強度,提高脫硝的效率,利用DCS強大集散控制能力,對現場儀表進行協調運行。DCS特有的聯鎖控制也提高了脫硝工段的安全性,DCS集散控制系統的穩定性也使得生產過程穩定易控。

      中威環保(鄭州中威環保設備有限公司 、鄭州德斯特自動化設備有限公司)承接國內外:大型工業窯爐 、窯爐自動化控制工程系統 、脫硫脫硝設備及自動化控制系統“總包”工程。




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