关于兴建新型环保循环硫化床锅炉房的实施措施解析.docx
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关于兴建新型环保循环硫化床锅炉房的实施措施解析
关于兴建新型环保循环硫化床锅炉房的实施措施
所在单位：
巴彦淖尔西部铜业有限公司
所在部门：
机械动力部
姓名：
乔国英
摘要
目前，环境问题越来越受到人们的重视，环境污染越来越严重，特别是二氧化硫的污染是最大的污染源。
煤燃烧生成的硫化物几乎都转化成二氧化硫。
就目前的技术和现实水平而言，降低二氧化硫的排放量是比较有效的除硫手段之一。
本设计采用的是目前应用最多的双碱法除硫技术为理论基础，并利用可编程控制器来进行系统控制的设计。
在本文的电气控制电路设计中，提出了采用手动和自动两种控制方式。
利用西门子S7-300系列PLC为控制核心，完成对脱硫塔PH值、碱罐液位、循环泵压力等检测参数的控制。
设计中的控制方式采用PID控制，通过组态画面对PH值、碱罐液位、循环泵压力等现场信号进行在线监测与控制，在本课题中重点对脱硫塔出口PH值以及循环池PH值进行监测与控制，从而达到最佳的除硫效果。
通过PLC对双碱法除硫系统进行设计实现了自动控制，人们依靠这些参数对烟气排放流程进行监督和控制，这对降低烟气含硫量，保障环境安全将有着重要意义。
同时，可以产生副产品石膏，是一种既环保又经济的技术手段，这将具有十分重要的实际意义。
关键词：
双碱法除硫；PLC；PID；
1绪论
大气是人类赖以生存的最基本环境要素，他不仅通过自身运动进行热量、动量和水资源分布的调节过程，给人类创造了一个适宜的生活环境。
但是，，随着人类生产和社会活动的增加，由于大量燃料的燃烧、工业废气和汽车尾气的排放，使大气环境质量日趋恶化，已到非治不可的地步了。
在各类大气污染物中，最重要的是燃烧煤引起的污染。
燃煤二氧化硫污染控制是目前我国大气污染控制领域最紧迫的任务。
烟气除硫是目前国际上广泛采用的控制二氧化硫的成熟技术。
因地制宜，采用不同烟气除硫工艺可有效控制火电厂二氧化硫的排放，满足国家环境质量标准的要求。
除硫法种类较多，有钠钙双碱法、钙钙双碱法、碱性硫酸铝法等，其中最常用的是钠钙双碱法。
采用石灰石和石灰两种钙碱，可以减少30%石灰的用量；阻氧剂的加入避免了循环液中亚硫酸钠溶液的氧化，大大减少了需要补充的钠碱用量；除硫渣回流使用，延长了石灰的反应时间，提高了石灰的利用率；运行费用是常规双碱法的50%；除硫效率高达99%，吸收塔内不会结垢和堵塞，设备运行率高达98%，应用较为广泛。
因此双碱法脱硫工艺在中小型燃煤锅炉的除尘脱硫上有推广价值，符合国家目前大力提倡的循环经济，具有显著的环境效益和社会效益。
2双碱法除硫技术
双碱法是一种利用锅炉外部湿法烟气除硫技术，其中反应过程分为除硫过程、再生过程和氧化过程三部分。
在除硫过程中采用可溶性烧碱（NaOH）或纯碱（NaCO）的碱性溶液与烟气中的二氧化硫充分接触反应，再用石灰乳对除硫液进行反应再生，使其恢复除硫功能，再生后的除硫液送回到吸收塔循环利用。
由于在烟气除硫中运用烧碱（NaOH），除硫液再生中处理中使用了熟石灰，他们在不同的过程中使用不同类型的碱，所以称作双碱法除硫。
在双碱法除硫工艺过程中除硫系统包括除硫剂的制备和补充，以及进入脱硫塔能恰到喷淋和气液的充分混合反应：
再生系统中双碱法脱硫工艺中吸收系统包括吸收剂的制备和补充、除硫塔内吸收浆液喷淋以及液气的充分混合；再生系统中包括Ca（OH）浆液配制、吸收浆液还原为钠基碱、含固液压滤脱水处理。
2.1双碱法除硫原理
双碱法除硫是利用氢氧化钠溶液作为启动除硫剂，然后采用钠基除硫剂进行脱硫塔内除硫，由于氢氧化钠做除硫剂碱性较强，吸收二氧化硫后反应产物溶解度大，不会造成过饱和结垢堵塞的问题。
当除硫产物被排入再生池内用Ca（OH）进行还原再生，再生出来的钠基除硫剂进入循环池中用循环泵再被打回脱硫塔中循环使用。
当然，一小部分的钠基除硫剂会随着沉淀物流失，所以，我们需要根据PH值的监测来实时是补充。
双碱法除硫工艺不仅降低了投资同时也降低了运行费用，比较适用于中小型锅炉进行除硫改造。
双碱法除硫工艺同石灰石—石灰等其他湿法除硫反应机理基本类似，主要反应为烟气中的二氧化硫先溶解于吸收液中，然后离解成H+和HSO
；使用Na
CO
或NaOH液吸收烟气中的SO
，生成HSO
、SO
与SO
，化学反应方程式如下：
（2-1）
（2-2）
1）除硫过程：
H
与溶液中的OH
中和反应，生成盐和水，促进SO
不断吸收溶解。
具体反应方程式如下：
（2-3）
（2-4）
以上3式视吸收液酸碱度的不同而异：
碱性较高时（PH＞9），碱性为中性甚至酸性时（5＜pH＜9），式（2-4）为主要反应。
2）再生过程
脱硫后的反应产物进入再生池内用另一种碱，一般是Ca（OH）
进行再生，再生反应过程如下：
（2-5）
（2-6）
（2-7）
式（2-5）是再生池内加石灰乳时的反应方程式；式（2-6）是再生反应的主要反应方程式；式（2-7）是再生液pH较高时的再生反应方程式；式（2-8）是再生池内亚硫酸钙被空气中的氧气氧化生成石膏的反应方程式。
3）氧化过程（副反应）
-（2-8）
当除硫塔内除硫反应达到平衡后，主要发挥作用的除硫剂为Na
SO
，主要发生反应（2-4），为了维持较高的除硫效率，需要向系统内补入适量的Na
CO
或NaOH来维持整个系统的PH值，将反应后得到的无除硫活性的NaHSO
或Na
SO
送入再生反应系统中，使用氢氧化钙进行再生，主要进行反应（2-5），使没有除硫活性的NaHSO
或Na
SO
再生成Na
SO
或NaOH重新回到除硫系统内进行除硫反应。
再生反应产物CaSO
进入氧化系统进行氧化反应，得到石膏，利用石膏来制砖等回收利用。
整个钠-钙双碱法只消耗了石灰，使得具有除硫活性的钠碱得以循环利用，在达到较高的除硫效率的条件下，消耗廉价的石灰。
因此，双碱法湿式除硫是一种成本低廉,效率相对较高的除硫方法。
2.2双碱法除硫工艺的流程
目前己经投运或正计划建设的除硫系统中，双碱法除脱硫技术约占90%左右。
在双碱法除硫技术中，双碱法除硫技术是最主要的技术，它采用氢氧化钠吸收二氧化硫，石灰乳还原再生，再生后除硫剂再次循环使用，基本上没有废水排放；系统运行比较稳定；副产品可以充分的利用，是很好的建筑材料；技术较成熟，除硫效率高达98%；双碱法除硫工艺图如附录A所示。
利用双碱法在塔内除硫的过程是锅炉中的烟气进入除尘器与循环泵打上来的雾化状除硫液充分接触反应。
其中烟气里有很多粉尘和颗粒物，需要用除尘器过滤掉废弃杂物，防止进入脱硫塔影响除硫效率，也更好的避免烟尘进入脱硫塔内引起结垢堵塞问题的发生。
除尘净化过的烟气经过引风机送到脱硫塔，烟气从脱硫塔下部进入向上流动，烟气中残余下的小部分的微粒烟渣被进入脱硫塔内喷淋经喷嘴喷出雾状液滴以逆流方式洗涤侵湿，经相互碰撞后根据离心力的作用被甩到塔壁上，此时的烟气经旋流板与雾状的除硫液高速碰撞，这是气体、液体、固体接触。
这时，烟气向上经除雾器与叶片撞击，受重力作用在叶片上形成水膜，分子高速运动气液分离，净化好的烟气通过除雾器除水后，经过引风机从烟筒排放到大气中。
反应后的亚硫酸钠、亚硫酸氢钠溶液流到脱硫塔底部管道进入再生池。
生石灰石CaO经螺旋给料机送到提升泵上，再用螺旋输送机送到石灰乳罐中。
开启工艺水阀门与生石灰搅拌成石灰乳液，根据石灰乳浓度的比例调节阀门和输送机。
石灰乳液通过石灰乳液泵打到再生池中，与Na
SO
、NaHSO
溶液反应再生出氢氧化钠来。
再将氢氧化钠送入循环池中，根据PH值检测不断补充钠剂除硫剂。
反应生成的CaSO
、CaSO
不易溶于水，这些沉淀物打入泥浆池中用压滤机除水后处理，压滤后上清液再送回再生池中再利用，而石膏则用于建筑材料中。
双碱法除硫工艺流程图如图2.2所示：
图2.2双碱法除硫方框流程图
双碱法的一大优点是除硫剂的再生和除硫渣滓是在脱硫塔外完成的，他不从在堵塞和结垢问题，这样会大大的降低设备成本费用，在目前来看，也是不错的除硫技术。
2.3双碱法运行中操作要点
1）氢氧化钠浓度的控制
控制系统启动前要根据循环池、再生池、沉淀池、石灰乳罐中的工艺水量加入启动除硫剂强碱NaOH或Na
CO
，加入NaOH碱量要使钠离子浓度达到8.0g/l，这是在运行生产过程中关键性指标，如果浓度过高会产生浪费；如果浓度过低不跟充分反应，会发生结垢堵塞现象，同时，除硫效率也就降下来了，因此，需要保持一定的浓度，可是直接检测钠离子的浓度是比较困难的，通常采取的办法是根据沉淀物和除硫液的外排带走的钠离子来计算需要加多大浓度的钠离子。
如果再生产过程中脱硫塔出现结垢堵塞的问题，那是由于钠碱的浓度太低没有充分反应。
2）PH值的控制
除硫前和除硫后溶液的PH值都要受到严格的控制，如果PH值大于8时，除硫效率会随着PH值的上升，除硫效率几乎不会增加，所以除硫液中也有一定浓度的Ca
存在，会有CaCO
生成，所以在脱硫塔中还会出现；如果PH值低于5.7后除硫效率会有明显的下降趋势。
所以，除硫操作中关键的一步是及时的检测和均匀放入足量的石灰石，石灰也不能放入太多，这样石灰的利用率将会下降，从而浪费石灰。
同时，要注意钠碱的影响，需要内饰加入钠碱之前要测定ph值。
表2.1是NaOH吸收SO
过程中的PH值与吸收效果的试验数据
表2.1PH值与吸收效果试验数据:
PH值137.67.3—6.45.63.93.8
SO
吸收率100100>99.46.542.913.8
3）吸收速度的控制
在二氧化硫吸收过程中，二氧化硫被吸收的快慢是控制过程中关键的一部分。
要加快反应速度就必须增大气液的接触面积，因此有很好的雾化效果是相当重要的，在保证气液比平衡的同时，溶液液滴越小越好，相应地溶解度也就加快了。
4）减少消耗碱量
再生和氧化需要在两个设备中进行，如果要是这两步不分开进行，苛化与氧化分步进行亚硫酸盐和硫酸盐在一个池子中，给再生氢氧化钠造成很大困难，强碱钠消耗量也增大，不利于反应的顺利进行，所以，只有亚硫酸盐含量高，硫酸盐含量低才能降低耗碱量。
2.4除硫工艺控制原理
脱硫塔PH值控制：
脱硫塔PH值控制分为脱硫塔内除硫液除硫后的PH值，循环池中PH值的控制。
脱硫塔除硫液除硫后的PH值中只加一个显示PH测定值的一个显示仪表，主要进行在线检测的是循环池中PH值，因为加入多少碱，主要取决与循环池中PH值的检测。
为了使得除硫效果达到最佳，循环池中的PH值应维持在12左右，那么如何使循环池中PH值控制在这个范围内。
通过测定循环池PH值下降溶液呈酸性趋势时，而且由于Ca（OH）
乳液流量的调节影响着脱硫塔循环池中浆液的pH值，为了使化学反应更加充分，应该将PH设定一个参数值，通过实际测量到的PH值与设定值进行比较，通过PH值控制器产生一个修正系数，然后通过PID控制器控制石灰乳浆液调节阀的开度来控制PH值。
由于石灰乳液的碱性不强，当加入石灰乳无法使循环池的PH到达12时，再通过PLC控制打开NaOH溶液罐紧急补入纯碱使得循环池PH值上升至12左右。
循环泵压力控制：
根据除硫工艺的设计要求除硫循环泵为防腐耐磨专用除硫泵，其中流量和扬程能确保喷淋系统所需要的流量和压力适当，雾化能使除硫液与烟气中的二氧化硫充分接触，而且；喷淋恰好跟塔壁接触，防止浪费除硫液，从而保证适当的液气比下达到所要求的除硫效果。
当脱硫塔中喷淋没有恰好与壁接触时，改变循环泵的频率，该控制算法为PID控制。
搅拌控制:
搅拌控制分为再生池搅拌控制,石灰乳罐搅拌控制,NaOH乳搅拌控制,搅拌控制电机工频运行,系统运行时起动,系统停止时停止。
停炉反冲洗控制:
停炉反冲洗是在锅炉停止运行的情况下对脱硫塔进行清洗的过程,每台脱硫塔反冲洗都通过电磁阀通断来控制,当反冲洗泵运行时,在上位机上控制电磁阀的通断来选择需要反冲洗的脱硫塔。
石灰乳罐液位控制：
石灰乳罐液位是一个通过电磁阀通断的不连续控制，当液位传感器检测液位到达低液位设定值时，通过PLC控制打开电磁阀，当液位传感器检测液位加到高液位设定值时，通过PLC控制关闭电磁阀，该算法为P控制。
2.5除硫系统电气部分
电气控制部分主要是对脱硫液制备系统，脱硫除尘系统的反冲洗系统，钠碱的制备装置等设备的控制，在一个条件下进行高可靠性，可操作性的状况下来执行。
电气控制设备主要脱硫液制备系统，反冲洗控制，钠碱制备罐等，实现集中控制室脱硫控制面板控制，也可以实现手动操作。
2.6电气设备选型
电气设备选择是发电厂和变电所设计的主要内容之一，在选择时应根据实际工作特点，按照有关设计规范的规定，在保证供配电安全可靠的前提下，力争做到技术先进，经济合理。
1电动机选型
为了保证设备安全可靠的运行，我们根据工艺的要求，进行对电动机的选取，由于Y系列的电动机具有高效节能、噪声低、振动小、运行可靠、使用安装维修方便等优点，所以我们选用Y系列的电动机。
2其他电气元件选型
1）低压断路器
低压断路器俗称自动开关、空气开关，它是一种手动操作电器。
在正常的工作条件下，可以通过人工操作接通或切断电路；在电路发生故障时，它又能自动分断电路，起到保护作用。
它内部没有熔丝，使用方便，所以应用极为广泛。
目前常用的低压断路器有DZ、DW，新型号有C系列、S系列、K系列等。
断路器应按电气线路额定电压、计算电流、使用场所、动作选择性等因素进行选择。
具体选择应满足以下条件。
（1）额定电压
断路器的额定电压应大于或等于配电线路的额定电压。
（2）额定电流
断路器的额定电流IN应大于或等于配电线路的计算电流IJS。
2）交流接触器
交流接触器用来接通和断开主电路。
它具有控制容量大，可以频繁操作，工作可靠，寿命长的特点，在控制电路中广泛应用。
交流接触器由电磁机构、触头系统和灭弧装置三部分构成。
电磁机构由励磁线圈、铁心、衔铁组成。
触头根据通过电流大小的不同分为主触头和辅助触头；主触头接在主电路中，用来通断大电流电路；辅助触头接在控制电路中，用来控制小电流电路。
触头根据自身特点的不同还可以分为常开触头和常闭触头。
3）热继电器
热继电器是一种利用电流的热效应工作的过载保护电器，可以用来保护电动机，以免电动机因过载而损坏。
加热元件串接在电动机主电路的电路中，当电动机在额定电流下运行时，加热元件虽有电流通过，但因电流不大，动断触头仍处于闭合状态。
当电动机过载后，热继电器的电流增大，经过一定时间后，发热元件产生的热量使双金属片遇热膨胀并弯曲，推动导板移动，导板又推动温度补偿双金属片与推杆，使动触头与静触头分开，使电动机的控制回路断电，将电动机的电源切断，起到保护作用。
4）熔断器
熔断器是一种最简单的保护电器，它可以实现短路保护。
熔断器由熔体和安装装置组成，熔体由熔点较低的金属如铅、锡、锌、铜、银、铝等制成。
具体选择应满足以下条件：
（1）额定电压
熔断器的额定电压应大于或等于配电线路的额定电压。
（2）额定电流
熔断器熔体的额定电流Ir应大于或等于配电线路的计算电流。
5）按钮开关
按钮开关一般由按钮帽、恢复弹簧、桥式动触头、静触头和外壳等组成。
按钮开关根据静态时触头的分合状况，分为三种：
常开按钮（启动按钮）、常闭按钮（停止按钮）以及复合按钮（常开、常闭组合为一体的按钮）
表2.4元件列表：
序号
元件名称
元件代号
型号
1
热继电器
FR
JR16-20
JR16-150
2
交流接触器
KM
CJ20-25
CJ20-100
3
熔断器
FU
RT14-20
RT19-125
4
断路器
QF
DZ15-40
DZ15-63
3系统硬件设计
3.1系统功能总设计
本系统根据烟气除硫控制系统的技术要求和设计要求与德国西门子S7-300系列PLC作为主要控值单元。
用PLC作为控制系统现场层，主要利用的是集中管理和维护方便，运行速度快，可靠性高，容易扩展，灵活性和分散性高。
该系统功能齐全，可靠性高，易于扩展，因为系统控制层采用PLC控制系统，并采用安全可靠的网络通信技术，使系统具有很多其他的功能，如人机对话功能强，有较强的管理能力等。
可以完成模拟到数字的转换，数据处理，通信和网络，如实时监控的基本功能。
控制网络是由现场控制站和中控站组成，通过光纤以太网连接。
主控制室分别管理，监控工作站，和其他设备。
两个工作站都可以显示整个工艺流程，工艺参数和设备状态的变化。
3.2PLC设备的选型
3.2.1PLC机的选择
西门子S7-300系列之中的标准型CPU312型PLC非常适用。
该系列的PLC是一种小型的PLC。
标准型CPU无集成I/O点，最大I/O点数为256点；PLC最大I/O点数为1024点。
用户程序存储容量为16KB，此系统之,最大的数字量量输入输出端口（I/O）点数是256，最大的模拟量输入输出端口（I/O）点数是64。
处理器处理每条二进制指令的时间可达100ns。
扩展存储器;与执行相关的程序段的32KB高速RAM（相当于约10K指令）可以为用户程序提供足够的空间；SIMATIC微型存储卡（最大4MB）作为程序的装载存储器，还允许将项目（包括符号和注释）存储在CPU中。
灵活的扩展能力;多达8个模块，（1排结构）。
MPI多点接口;集成的MPI接口最多可以同时建立与S7-300、PC、OP的6条连接。
在这些连接中，始终为编程器和OP分别预留一个连接。
通过“全局数据通讯”，MPI可以用来建立最多16个CPU组成的简单网络。
3.3变送器的选择
3.3.1pH变送器
选用武汉中核CN113在线PH计，它能精确测量溶液的PH值和温度，环境适应性强、清晰地显示、简易的操作和优良的测试性能使其具有很高的性价比。
CN113在线PH计采用高精度A/D转换和单片机微机处理技术，能完成PH值测量、温度测量、温度自动补偿、仪表自检等多种功能，而且扰能力强。
测量范围PH值0—14.00PH；测量精度PH：
0.01PH；RS485通讯功能。
隔离式直流4—20mA输出。
3.3.2液位计
ABGS-D储罐专用宽视面双色石英管液位计（大中心距）由于受石英管长度的限制，一般石英管液位计不可能做得很长，因此测储罐液位时往往用一个连通管做成树枝状，重量大而且观测不便。
本产品用数段液位计巧妙连接而成。
结构紧凑、重量轻、视面宽、显示清晰。
在测低密度介质时，经特殊设计后决不会产生汽化现象。
不足之处是两段中间有约40mm盲区，但由于是双色显示，该盲区影响甚小。
适用于储罐中包括液化气等低密度介质在内的多种介质。
3.3.3压力变送器
选用智能型压力变送器。
它用于在高工作压力环境下测量液体、气体或蒸汽的液位、流量和压力，然后转变成4～20mADC信号输出。
智能型压力变送器可与HART手操器相互通讯，通过它进行设定，监控或与上位机组成现场监控系统。
测量范围：
差压：
0-1.3～6890KPa，静压：
25、32MPa，可用本机量程和零点按钮调整，或用HART手操器调整。
量程和零点连续可调。
零点负迁移时，量程下限必须大于或等于-URL；零点正迁移时，量程上限必须小于或等于+URL。
校验量程大于或等于最小量程。
输出：
4～20mADC，用户可选择线性或平方根输出,数字过程变量叠加在4～20mADC信号上，可供采用HART协议的上位机使用。
3.3.4变频器
采用ABB变频器节能主要表现在风机、水泵的应用上。
为了保证生产的可靠性，各种生产机械在设计配用动力驱动时，都留有一定的富余量。
当电机不能在满负荷下运行时，除达到动力驱动要求外，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成电能的浪费。
风机、泵类等设备传统的调速方法是通过调节入口或出口的挡板、阀门开度来调节给风量和给水量，其输入功率大，且大量的能源消耗在挡板、阀门的截流过程中。
当使用变频调速时，如果流量要求减小，通过降低泵或风机的转速即可满足要求。
通过将380V交流电压整流滤波成为平滑的510V直流电压，再通过逆变器件将510V直流电压变成频率与电压均可调的交流电压，电压调节范围在0V--380之间；频率可调范围在0HZ--600HZ之间。
以达到控制电动机无极调速的目的。
4结束语
双碱烟气除硫过程是一个复杂的物理化学过程，整个过程控制的对象多，因为任何一个因素都会对除硫系统除硫率有很大的影响。
根据实际工程的需要，我们需要设计不同的控制对象为满足工程对除硫率的要求。
在整个控制系统如石灰石制备系统，应急补碱系统，循环水系统，烟气系统，吸收系统，采用PID控制，下位机程序，利用PLC程序模块来实现控制功能，并作为主要控制部分。
控制电路，有手动和自动两种控制方式。
当然，根据实际需求和人为干预的情况下，手动控制在这个项目中只需要压力控制，对PH值,碱罐液位,循环泵压力等现场信号进行在线监测与控制。
到目前为止，对除硫系统的工作已成功投入到实际的生产中，效果明显，达到了预期的设计目标。
随着PLC技术的发展，将越来越多的PLC控制系统应用于烟气除硫工程。
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