石灰石湿法烟气脱硫控制系统设计.docx

1、石灰石湿法烟气脱硫控制系统设计摘 要石灰石湿法烟气脱硫是目前工艺较为成熟、应用最广泛的脱硫工艺，其脱硫过程是气液反应，反应速度快、脱硫效率高，综合经济性能较好，在国内电厂脱硫工艺中被广泛应用。在烟气脱硫系统中，控制系统的设计非常重要，控制系统设计是否恰当直接影响脱硫系统的运行，甚至影响主机系统的长期安全稳定运行。本文设计的脱硫控制系统有完善的热工模拟量控制，并且各项功能在DCS系统中统一实现。 首先简要介绍了石灰石-石膏湿法烟气脱硫技术及其控制系统的现状、发展趋势、主要工艺设备、工艺流程及原理。接着对脱硫控制系统的控制方案进行了详细设计和研究，主要包括自动调节系统设计、联锁保护条件设计等。最后

2、，对脱硫重要仪表进行了选型和设计。本文对烟气脱硫工程的自动化控制给出完整、详细的分析和方案。通过国产的HOLLiAS-MACS系统以达到烟气脱硫项目的自动化控制。关键词：石灰石-石膏；湿法脱硫；控制系统；和利时ABSTRACTFGD is a mature technology and the most widely used desulphurization process. This desulphurization process with gas-liquid reaction has the high speed, high desulfurization efficiency an

3、d the better comprehensive economic performance. It is widely used in the domestic power plant desulfurization process. The design of control system is a more important segment in the flue gas desulfurization system. Whether the control system design is reasonable or not, it influences the desulfuri

4、zation system and the host of the safe and stable peration of the system for a long time. In the design process, we consider the control mode, so as to realize the control of the selection of the system.First of all, present situation, Development trend, the main process equipment, Process and princ

5、iple were introduced briefly. Then, control scheme of desulfurization control system were designed and researched, mainly including Automatic control system design and Interlock protection design and so on . Finally, desulfurization of important instrument were selected and designed.This paper gives

6、 a full analysis and program control, detailed on the automation of flue gas desulfurization project. Through the HOLLiAS-MACS system to achieve the project control automation of domestic flue gas desulfurization .Key words: Limestone-gypsum; FGD; Control system; HOLLiAS第1章 绪 论1.1 选题背景及意义近年来，人民物质生活水

7、平逐步提高，环境问题越来越引起人们的关注。它不但关系着人民群众的生活环境、身体健康，而且还影响国家的形象，甚至制约国家和企业的可持续发展。二氧化硫是众多大气污染源中最主要的污染源。我国是燃煤大国，一直以来，煤炭占据一次能源的消费总量很高，而且呈不断增长趋势。随着煤炭消费的不断增长，燃煤所排放的污染物二氧化硫也不断增加，导致我国酸雨和二氧化硫污染日益严重1。据统计，2007年我国原煤总产量为25.23亿吨，其中用于火力发电的燃煤高达12.82亿吨，电煤占据当年原煤总产量的近51%2。因此，控制火电厂二氧化硫的排放，对改善大气环境质量，保障人民群众身体健康，促进火电厂可持续发展显得特别重要。对于二

8、氧化硫的排放控制，我国环保部门先后出台了各种的措施和办法，要求新建的电厂随同主机组同步安装脱硫设施，已建电厂须对现有设备进行改造,增设脱硫装置，从而保证二氧化硫排放量达到国家规定的最高允许排放限值，以减少其对环境造成的严重污染。另外，国家对燃煤电厂脱硫减排情况定期进行环保核查，并据此执行脱硫电价政策。针对在核查中发现的脱硫系统停运、脱硫效率不达标的企业，将严格执行脱硫电价扣减以及处罚规定，并且足额征收二氧化硫排污费3,4。国家环保减排规定和环保核查要求越来越严格，脱硫设施数据监测是否准确、脱硫设备控制情况是否稳定，将决定着环境控制的质量管理以及总量控制。国家环保部规定，所有脱硫设施必须安装分散

9、式控制系统(DCS系统)，用以实时监控脱硫系统设备运行情况。要求DCS系统能随机调阅脱硫设备运行参数及历史趋势，相关数据必须至少保存六个月以上4。分散控制系统是当前控制技术领域的重要控制方式，它的最大优点是信息处理快速，计算和逻辑处理准确性和可靠性比较高，信息存储方式灵活多样，存储容量较大，而且存储的信息易于传递。随着计算机技术的飞速发展，分散控制系统也越来越完善。关于脱硫设备的分散控制系统选型，应该遵循成熟、可靠的原则，控制系统必须具备数据来集与处理、自动控制、保护、联锁等多项功能5。1.2 国内外研究现状1.2.1 烟气脱硫技术研究动态从20世纪初开始，人们就对脱硫技术进行了研究，至今已有

10、90多年的历史。到了20世纪70年代，日本、美国率先进行二氧化硫排放控制，随后许多国家陆续制定了二氧化硫排放标准和控制策略，使得控制二氧化硫排放的速度大大提高，从而在很大程度上加快了烟气脱硫技术的发展6,7。目前，世界上在工业上应用的FGD技术大约有10多种，其中按脱硫方式和产物处理形式可以分为干法、半干法和湿法三类。这些脱硫技术主要有:(1)湿法脱硫技术，约占总量的85%左右，其中石灰石-石膏湿法脱硫技术约占36.7%，其他湿法脱硫技术约占48.3%； (2)喷雾干燥脱硫技术，约占总量的8.4%; (3)炉内喷射吸收剂增温活化脱硫法，约占总量的1.9%； (4)海水脱硫技术；(5)电子束脱硫

11、技术；(6)烟气循环流化床脱硫技术。世界上，主要是日本、美国和德国等国家应用湿法脱硫技术较多，应用比例分别为98%、92%和90%8-11。湿法脱硫工艺应用最多，而其中以石灰石-石膏法占主导地位，此技术的优点是：适用煤种广、钙的利用率高、脱硫效率高、脱硫剂来源广泛。石灰石-石膏湿法脱硫技术是最成熟、应用业绩最多、运行状况最稳定的脱硫技术，到现在已经有近30年的运行经验，它的脱硫效率一般都在90%以上,副产品石膏可以回收利用，也可以抛弃处置12,13。 截至目前，发达国家大多数燃煤电厂都安装了烟气脱硫设施。日本是世界上最早安装脱硫设施的国家，它的应用规模较大，开发的脱硫工艺也最多，它主要以石灰石

12、-石膏法为主，大约占总量的75%以上。其中火力发电厂几乎全部采用石灰石-石膏工艺。因为日本资源较匮乏，FI本国内工业用的石膏基本上全部来自于烟气脱硫的回收产物。20世纪60年代末，日本火电厂开始大规模安装烟气脱硫设施，二氧化硫污染的控制基本上得到了很好的控制。20世纪80年代以来，F1本又加强了对外出口，分别对美国、德国和一些发展中国家出口脱硫技术设备。另外，日本在控制好二氧化硫污染物排放的基础上，对烟气同时脱硫脱硝技术进行研发，并逐步在工业上得以应用14,15。20世纪70年代初，美国也开始了对烟气脱硫技术的研究，相比较于日本略迟一些。美国1978年重新修改了大气清洁法后，高烟囱排放不再被允

13、许，烟气脱硫技术相应地快速发展了起来。在众多脱硫技术中，湿法烟气脱硫技术也在美国占据主导地位。上世纪70、80年代，美国90%以上的脱硫装置都采用湿法脱硫技术。新建的电厂大多都安装了烟气脱硫设施，早期建造的燃煤电厂，基本上没有脱硫装置。鉴于此情况，美国环保局(EPA)组织人力开发了价格低廉、运行方便、脱硫效率适中、占地面积少的适合现有电厂改造的脱硫技术，比如多级喷射燃烧法、烟道喷射法以及等离子体脱硫法等技术，这些技术都取得了预期效果15。在欧洲，烟气脱硫技术的发展以德国最为迅速。西德的发展历经了近30年，烟气脱硫技术逐渐趋于实用化。它一方面引进日本、美国先进技术，另一方面十分注重本国技术的开发

14、，并于20世纪70年代末开始在燃煤锅炉上安装烟气脱硫设施。截止目前，德国90%以上的烟气脱硫设施均采用石灰石-石膏湿法脱硫技术，大约有75%的工业用石膏来源于脱硫的副产物石膏16。此外，丹麦、芬兰、挪威等国家也对烟气脱硫技术进行了大规模的研究，并相继开发出一些先进工艺，比如丹麦的SDA法、芬兰的LIFAC法、挪威的NID法以及海水脱硫工等。这些国家不但在本国安装了许多烟气脱硫设施，而且还向境外出口部分技术和装备。而英国和法国对脱硫技术的研究和应用不多，英国主张燃用低硫燃料以及高烟硫稀释排放，而法国以核电发电为主17,18。与国外情况相同，在众多脱硫技术中，石灰石-石膏湿法脱硫技术也是我国的主流

15、技术，是我国控制火电厂二氧化硫排放的最主要途径19。据不完全统计，截至到2011年底，已经投运电厂和在建电厂烟气脱硫技术中，石灰石-石膏湿法技术约占90%以上，以前，这些技术基本上均依赖国外进口，相当大的一部分利润也就拱手相让给了国外厂商。这些年来，我国在引进、消化吸收的基础上开始了自主研发，并且进行了相应地创新，我国燃煤电厂烟气脱硫技术国产化能力已经大幅提高，基本上满足了国家对二氧化硫减排的要求。另外，部分实力雄厚的科研单位，以及大学院校在消化吸收国外引进技术的同时，开始了自主创业的道路，陆续开发出一批具有自主知识产权的脱硫技术，有些技术已经应用在部分电厂了20。1.2.2 脱硫控制系统研究

16、动态 根据对脱硫工艺及控制系统功能的要求，目前，世界上通常釆用的脱硫控制系统有以下三种：（1）采用模拟仪表和工控机的控制系统，此种系统适用于中、小型电厂，它的优点是配置简单、造价比较低。（2）采用DCS的控制系统，此种系统充分利用了DCS的软、硬件资源，系统可靠性较高。（1）采用PLC和工控机的控制系统，此种系统以PLC为控制核心，将工控机和PLC结合在一起，以便实现通讯。根据实际应用可知，当脱硫系统以模拟量控制为主，且函数运算较多的话，采用DCS控制是最合理的。DCS的控制功能主要有：数据采集(DAS)、模拟量控制(MCS)以及顺序控制(SCS)等。另外，若考虑到烟气脱硫工艺特点这个因素，得

17、出的结论也是：采用DCS比PLC更好实现对脱硫系统的控制21。20世纪90年代后期，我国火电机组开始同步建设和安装湿法烟气脱硫设施，随后，脱硫主系统经历了引进、消化和国产化三个过程，脱硫DCS系统也随之经历了一个变化的过程。一开始，脱硫DCS控制系统随脱硫工艺系统同步引进国外技术和产品，包括DCS系统以及烟气分析仪表等，均是完全进口。比如，在我国较早投产的脱硫系统中，均釆用进口DCS：艾默生的OVATION、上海的福克斯波罗、北京的Aro、西门子等，均随脱硫主系统一起招标，基本釆用与主机DCS 一致的选型方式。在对引进设备进行消化吸收之后，我国几个主要的脱硫系统总承包价格逐步降低，另外，国内的

18、仪控设备技术水平也得到了一定的发展。近5年来，我国新建和改造的脱硫项目，均采用国产DCS控制系统，这也是目前脱硫控制系统的发展方向。在控制系统国产化的进程中，五大发电集团情况也不尽相同，其中华电集团和中电投较多地釆用国产DCS，华电集团甚至在2009年发文规定，所有新建以及改造的脱硫项目必须釆用国产DCS作为控制系统。在国产DCS品牌中，和利时以及国电智深使用率最高22。1.3 本文的主要研究工作本论文课题是在研究石灰石-石膏湿法烟气脱硫技术和工艺的基础上，通过设计合理适用的脱硫控制系统，达到稳定、可靠监视和控制设备运行的目的，实现脱硫系统的正常工作和异常工况的系统安全，从而保证锅炉及机组的安

19、全运行。本论文的具体研究内容主要包括以下几方面：第1章 绪论，阐述了本课题的选题背景与意义，研究现状。第2章 分析研究了火电厂烟气脱硫系统的工艺流程原理。 第3章 介绍了和利时系统的软、硬件的构成及特点第4章 设计湿法烟气脱硫的各个系统的DCS设计第2章 火电厂脱硫系统的工艺原理2.1 烟气脱硫工艺的简介近年来，西方发达国家在火电厂脱硫技术方面取得了大量的研究成果，开发了多种脱硫技术，根据美国 EPRI 统计，己经开发的脱硫技术大约有近 200 种，但真正实现工业应用的仅 10 多种23。已经进行工业示范和应用的主要技术类型有（1） 燃烧前脱硫技术。采用化学、物理、或生物方法对煤炭进行脱硫处理

20、的技术。物理法一般可脱除20-40%的硫；化学方法投资比较大；生物法目前处于研究阶段，预计脱硫效率可达到80-90%。（2） 燃烧中脱硫技术。燃烧过程中的脱硫方法。如：炉内喷钙，循环硫化床(CFB，PCFB)，脱硫效率一般可达到 50-70%。（3） 燃烧后烟气脱硫技术(简称 FGD)燃烧后对烟气进行脱硫的方法。如湿法、简易湿法、干法、半干法、氨法、电子束法、海水脱硫等。2.1.1 海水脱硫海水烟气脱硫技术是近年发展起来的一项新技术，它利用海水吸收、中和烟气中的 SO2，经反应生成可溶性的硫酸盐排回大海。海水 PH 值为 7.8-8.3，所含碳酸盐对酸性物资有缓冲作用，海水吸收 SO2生成的产

21、物是海洋中的天然成分，不会对环境造成严重污染。海水脱硫系统主要由烟气系统、再热系统、供排海水系统、海水恢复系统组成。主要特点：一是脱硫工艺依靠现场的自然碱度；二是脱硫产生的硫酸盐完全溶解后才返回大海，无固体生成物；三是所需设备少，运行简单。虽具上述优点，但由于该项技术必须在沿海地区使用，因此局限较大。我国的深圳西部电力有限公司#2*300MW 机组引进海水脱硫技术，于 1998 年 7 月建成运行，此系统在设计工况条件下的脱硫率大于 9024。2.1.2喷雾干燥烟气脱硫喷雾干燥烟气脱硫采用石灰乳液喷雾干燥工艺脱除二氧化硫。把石灰制备成石灰乳液，经过气流喷雾器雾化后喷入脱硫塔同进入塔中的烟气充分

22、混合接触，进行传质传热过程，石灰乳雾滴吸收 SO2后生成 CaSO3和 CaSO4。烟气中热量将雾滴水份逐渐蒸发后呈干灰状，部分经脱硫塔下部排出，部分经高效除尘器排出。基本原理为：Ca(OH)2+SO2CaSO3 1/2H2O+1/2H2O （1）Ca(OH)2+SO2+1/2O2+H2O CaSO42H2O （2）生成的亚硫酸钙经干燥得到粉末状亚硫酸钙，可利用除尘设备捕集。本法消除了设备结垢问题，工艺流程也比较简单，投资和运行费用以及耗电方面也比湿法有所降低25。该技术的主要问题是：一是锅炉燃烧状态不稳定，起伏较大，给设计、操作、运行带来困难，同时影响脱硫效率；二是反应生成物的固体粉末太细小

23、，给除尘带来一定的难度；三是材料的腐蚀问题仍然是一个突出的技术关键，即使装置的内衬处理得好，但只要一些零部件或细小得地方处理得不太理想，腐蚀也会很严重26。2.1.3氨水洗涤法脱硫工艺该脱硫工艺以氨水为吸收剂，副产品为硫酸铵化肥。锅炉排出的烟气经烟气换热器冷却至 90-100，进入预洗涤器经洗涤后除去HCI和HF，洗涤后的烟气经过液滴分离器除去水滴进入前置洗涤器中。在前置洗涤器中，氨水自塔顶喷淋洗涤烟气，烟气中的SO2被洗涤吸收除去，洗涤的烟气排出后经液滴分离器除去携带的水滴，进入脱硫洗涤器。在该洗涤器中烟气进一步被洗涤，经洗涤塔顶的除雾器除去雾滴，再经烟气换热器加热后经烟囱排放。洗涤工艺中产

24、生的浓度约30的硫酸铵溶液排出洗涤塔，可以送到化肥厂进一步处理或直接作为液体氨肥出售，也可以把这种溶液进一步浓缩蒸发干燥加工成颗粒、晶体或块状化肥出售27。2.1.4石灰石石膏湿法脱硫据统计，目前己经投运或正在计划建设的脱硫系统中，湿法烟气脱硫技术占80%左右。在湿法烟气脱硫技术中，石灰石-石膏湿法烟气脱硫技术是最主要的技术，其优点是：(1)技术成熟，脱硫效率高，可达 95%以上(2)原料来源广泛、易取得、价格低廉(3)大型化技术成熟，容量可大可小，应用范围广(4)系统运行稳定，变负荷运行特性优良(5)副产品可充分利用，是良好的建筑材料(6)只有少量的废物排放，并且可实现无废物排放(7)技术进

25、步快其主要缺点相对其他方法无投资优势和系统简化优势，即初期投资较大，系统复杂，但有大幅度降低投资的空间。它是以石灰石作为脱硫剂，含尘的烟气进入后，通过喷淋进行一级净化；喷淋后的烟气下行至储液池，脱去烟尘中有害气体，然后上行经百叶导风板形成的旋转气流，沿旋风筒下行进行二次净化；净化过程中，储液池液体表面形成的悬浮物随时由溢流管排出，为了提高对 SO2的吸收能力，再喷淋液中加入适量的石灰石，使其经常处于吸收 SO2的最佳状态。烟尘被引风机送入该装置后，充分吸收烟气中烟尘、SO2。被吸收液捕集的烟尘及石膏等下沉到集尘箱内，定期与炉渣一起排出。石灰石-石膏湿法烟气脱硫技术及其简化技术最适合我国国情。权

26、威部门指出：“石灰石-石膏湿法烟气脱硫技术是世界上应用最多、最为成熟的技术，应用范围宽，并有较大幅度降低工程造价的可能性，为了适应大机组脱硫的需要，我国应重点发展这一技术”。对石灰石-石膏湿法烟气脱硫技术在我国的应用给予了充分的肯定和支持。目前，我国已经投入运行的火力发电系统配套的脱硫装置以石灰石-石膏湿法烟气脱硫技术及其简化技术采用的最多，容量最大，重庆洛磺电厂、广西合山电厂、浙江半山电厂、江苏扬州电厂、大唐石门电厂等均采用了此项技术29,30。2.2石灰石石膏湿法脱硫工艺流程石灰石-石膏法脱硫装置的工艺图如图2-1，其主要包括烟气系统、吸收系统、石膏脱水系统、制浆系统、工艺水系统、排放系统

27、等。石灰石浆液通过喷嘴雾化喷入吸收塔，分散成细小的液滴并覆盖吸收塔的整个断面。这些液滴与塔内烟气逆流接触，发生传质与吸收反应，烟气中的SO2、SO3及HCl、HF 被吸收。SO2吸收产物的氧化和中和反应在吸收塔底部的氧化区完成并最终形成石膏。为了维持石灰石浆液的pH值恒定并减少石灰石耗量，石灰石被连续加入吸收塔，同时吸收塔内搅拌器、氧化空气和吸收塔循环泵不停地搅动，以加快石灰石在浆液中的均布和溶解。图2-1 石灰石-石膏湿法烟气脱硫工艺流程图2.2.1 烟气系统从锅炉引风机出来的烟气，经过电除尘设备除去灰尘后，到达烟道，在烟道内设置有两路通道：其一是经过原烟气挡板进入烟气脱硫系统，除去S02，

28、再通过除雾器消除雾滴，到达净烟气挡板处，最后从烟囱排出。其二是在某些特殊情况下经旁路烟道直接从烟肉排出。该系统的主要设备包括:a、烟气挡板烟气挡板是连接 FGD 系统和锅炉的主要部件，有 FGD 入口挡板门、出口挡板门、旁路挡板门三个重要设备，用于 FGD 的隔离、投入。通常有单百叶窗式、双百叶窗式挡板和闸板门三种。原、净烟气挡板的作用：在正常情况下,使烟气通过脱硫系统。旁路挡板作用：当烟气脱硫装置发生故障或者周期性检修时,可选择从旁路挡板直排；还有一种情况就是当锅炉刚点火时，由于使用了油枪助燃，此时，烟气中含有许多油滴以及炭墨等，如果它们进入脱硫系统,会降低脱硫系统的使用寿命。b、增压风机增

29、压风机的作用：从锅炉引风机出来的烟气中含有大量的粉尘，首先经过电除尘装置的除尘(粉尘可以作为水泥的辅料)，再到脱硫吸收塔除去二氧化硫，在此过程中受到各种阻力的影响，烟气的压力会降低，到达吸收塔后，不能逆流而上与石灰石装液充分反应，导致脱硫效率的降低，所以必须通过增压风机对其进行增压，以补偿烟气在系统中(主要是吸收塔与烟道)的压力损失。c、烟气-烟气换热器(GGH)吸收塔出口烟气被冷却到45-59，达到饱和含水量，是否对脱硫烟气再加热，取决于各国环保要求。烟气-烟气加热器是蓄热加热工艺的一种，用它将未脱硫的烟气（一般为130-150）去加热已脱硫的烟气，一般加热到80左右然后排放，其主要功能是：

30、增强污染物的扩散；降低烟羽的可见度；避免烟囱降落液滴；避免洗涤器下游设备的腐蚀。其工作原理与电厂中使用的回转式空气预热器原理相同。2.2.2 吸收系统如图2-2，吸收系统是FGD的核心装置，烟气中的SO2在吸收塔内与石灰石浆液进行接触，SO2被吸收生成CaSO3，在氧化空气和搅拌器的作用下最终生成石膏，产生的石膏浆液通过石膏浆液排出泵抽出，送至石膏水力旋流器浓缩，浓缩后的石膏浆液再送至二级脱水系统。主要设备是：图2-2 吸收系统1、吸收塔（以喷淋吸收塔为例）喷淋吸收塔又称空塔或喷淋塔，塔内不减少、结垢可能性小，阻力低，是湿法脱硫FGD装置的主流塔形，通常采用烟气与浆液逆流接触方式布置。浆液喷淋

31、系统包括喷淋组件及喷嘴。一个喷淋层由带连接支管的母管制浆液分布管道和喷嘴组成，喷淋组件及喷嘴的布置设计对称、均匀，覆盖吸收塔的横截面，并达到要求的喷淋浆液覆盖率，使吸收浆液与烟气充分接触，从而保证在适当的液气比下可靠地实现95%的脱硫效率，且在吸收塔的内表面不产生结垢。喷嘴是喷淋吸收塔的关键设备之一。一般脱硫浆液的入口压力为0.05-0.2MPa，流量为30-170m3/h，喷嘴喷雾角为90左右，大部分液滴直径为500-3000m，并要求尽量均匀。喷嘴喷出的液滴的直径小、比表面积大、传质效果好、在喷雾区停留时间长，均有利于提高脱硫接的利用率。吸收塔顶部布置有放空阀，正常运行时该阀是关闭的。当F

32、GD装置走旁路或停运时，放空阀开启以排除塔内的湿气，消除吸收塔氧化风机还在运行时或停运后冷却下来时产生的与大气的压差。2、吸收塔浆液循环泵 浆液循环系统采用单元制设计，每个喷淋层配一台浆液循环泵，每台吸收塔配三或四台浆液循环泵，由于浆液循环泵的运行介质为低pH值浆液，且含有固体颗粒，因此必须进行防腐耐磨设计。一般在循环泵前装设有不锈钢滤网，可以防止塔内沉淀物吸入泵体而造成泵的堵塞和损坏。3、除雾器 除雾器是FGD的关键设备，其性能直接影响到湿法FGD系统能否连续可靠运行。当带有液滴的烟气进入除雾器通道时，由于流线的偏折，在惯性的作用下烟气实现液气分离，部分液滴撞击在除雾器叶片上被捕集下来。除雾器故障会造成脱硫系统停运，因此，科学合理的设计和使用除雾器对保证FGD系统的正常运行有着非常重要的意义。4、氧化空气系统 氧化空气系统包括氧化风机，氧化装置（氧化空气分布网、氧化喷枪）等。在湿法脱硫工艺中自然氧化和强制氧化，二者主要区别在于是否向吸收塔注