烟气脱硫工艺设计

null毕业答辩毕业论文答辩学院 :福建交通职业技术学院 专业:环境监测与治理技术 学号：090729109 作者：官发沛 导师：陈健 烟气脱硫工艺过程控制系统设计烟气脱硫工艺过程控制系统设计摘 要 随着国家对环境保护的日益重视，有效地控制二氧化硫的污染已成为国家规划的一部分。本文在众多烟气脱硫方法中，选择了常用的湿式石灰石烟气脱硫技术，并对烟气脱硫系统的结构组成和原理进行介绍。根据湿式石灰石烟气脱硫工艺及，文中给出以参与采集数据与过程控制的可编程控制器（PLC）为现场控制级，通过以太网技术搭建集散式控制系统，并以MCGS组态软件实时监控系统的设计方案。其中，针对湿式石灰石-石膏烟气脱硫过程具有的大惯性、时滞，非线性等特点，利用PLC的PID算法实现烟气脱硫中的吸收塔ph控制与流量控制。MCGS作为上位机软件提供友好的用户界面，实现了运行流程与列表数据显示。 关键词：集散控制系统 可编程控制器 组态软件 PID控制。 烟气脱硫控制的意义： 烟气脱硫控制的意义： 硫污染问最早是发达国家面临的突出问题。工业革命以后，以煤炭火力发电厂为主，给空气环境带来严重的污染。如上世纪50年代英国的伦敦烟雾事件，北欧和美国酸雨对于森林和湖泊的破坏，纷纷引起了发达国家对于能源结构的改进的环境污染的治理[1]。我国能源消费结构以煤为主，是世界第一大煤炭生产和消费国。2005年，我国煤炭消费量为21.4亿吨，占一次能源消费总量的68.7%，大量燃烧煤炭造成了严重的环境问题。据统计，全国二氧化硫排放总量的90%是由燃煤造成的，二氧化硫污染已成为主要的大气污染源，有三分之一的国土面积受到酸雨污染，生态环境、大气质量问题突出，已严重影响我国经济社会发展和人民生命健康[1]。 随着城市化、现代化以及工业的发展，国民经济的持续快速发展 ,我国生产生活用电需求量、对能源的需求量也在迅速增长。能源的大量消耗，将会导致大量SO2及硫的污染物的生成 ,对我们以及我们赖以生存的环境产生了深刻的影响和损害。目前，随着人们环保意识的增强和国家排污总量收费政策，火电厂大气污染物排放等环保政策的强制执行，燃煤电厂SO2排放的治理已势在必行[2]。能源生产部门既要实施高能高效的生产，同时也要满足该领域的环保指标，承担起经济发展中对环境不可推脱的责任。烟气脱硫，是一种应对能源燃烧生产中带来的污染的技术。成功的烟气脱硫技术，为人们在生活与发展中坚持人与自然的和谐提供了技术上的支持；同时也推进在工业、生产等领域的可持续发展。烟气脱硫技术的概述与选择 烟气脱硫技术的概述与选择 烟气脱硫技术有:克劳斯法、石灰石-石膏法和今年来兴起的循环流化床等脱硫方法。目前，烟气脱硫技术(Flue Gas Desulfurization，简称FGD)又可分为湿法、干法、半湿法。 表1.1 常用脱硫方法特点比较 　工艺碱原料副产品脱硫率湿式石灰--石膏法CaCO3石膏85~95%石膏法CaO石膏85~95%干式亚硫酸回收法NaOHNa2SO490~95%半湿法石灰炉内脱硫+水喷射法CaCO3水泥原料等70~85%湿法脱硫是国际脱硫领域的主流，占全世界现有烟气脱硫装置总量的85% 左右，在电厂、冶金、化工行业一直占据中国大约80%的江山。当前已开发的湿法烟气脱硫技术主要有石灰石/石灰法、钠碱法、氨吸收法、氧化镁法等,其中石灰石/石灰法，占整个湿法烟气脱硫技术的36.7%[3]。 干法烟气脱硫工艺均在干态下完成，无污水排放，烟气无明显温降，设备腐蚀较轻， 但存在脱硫效率低，反应速度慢，石灰石利用率较低等问题[4]。 而湿式石灰石-石膏脱硫方法是三种脱硫方法（湿法、干法、半干法）中技术最成熟、实际应用最多、运行状况最稳定的脱硫工艺，也是现今发展较完善、用户较广泛的脱硫技术[5]。湿式石灰石-石膏法烟气脱硫技术最早是由英国皇家化学工业公司提出的，经过近三十年的发展，目前它已成为世界上技术最成熟，实用业绩最多，运行状况最稳定的脱硫工艺，脱硫率在90%以上。该方法脱硫的基本原理是用石灰石浆液吸收烟气中的SO2，先生成亚硫酸钙，然后亚硫酸钙被氧化为硫酸钙，因而分为吸收和氧化两个过程，副产品石膏可回收利用，亦可抛弃处置。 采用石灰石-石膏湿法脱硫的优点：技术成熟可靠，脱硫效率高达95%以上，有利于地区和电厂实行总量控制；单塔处理烟气量大，SO2脱除量大；适用于任何含硫量的煤种的烟气脱硫；物质传递能力的增强，可一定程度地降低了系统的成本，标准设计烟气流速达到4.0m/s；对锅炉负荷变化的适应性强（30%~100%BMCR）；设备布置紧凑减少了场地需求；处理后的烟气含尘量大大减少；吸收剂(石灰石)资源丰富，价廉易得；脱硫副产物（石膏）便于综合利用，经济效益显著[11]。烟气脱硫的前景 烟气脱硫的前景 随着国家有关控制SO2排放的行政法令政策与标准日趋严格且逐步完善，加大行政政策指导作用，带动政府、企业及生产工业联合行动 [12]。根据《火电厂烟气脱硫关键技术与设备国产化规划要点》、《关于加快火电厂烟气脱硫产业化发展的若干意见》，燃用含硫量>=2%或大容量机组(>=200MW)电厂建设脱硫装置时必须配备烟气脱硫系统。2004年全国燃煤机组装机容量为3.05亿千瓦，烟气脱硫机组容量为0.27亿千瓦，投资按700元/KW计算，需安装脱硫装置的火电机组保守地按2.5亿KW计算，总投资 =700x2.5=1750亿元。 由此可见，电厂烟气脱硫技术在国内有着广泛的应用前景。烟气脱硫的发展状况 烟气脱硫的发展状况 20世纪中后期，主要的工业发达国家颁布了防治大气污染的法规和标准，大大推动了烟气脱硫技术的发展。 当今世界，无论烟气脱硫（Flue Gas Desulfurization，简称FGD）装置发展的速度、数量和容量，还是技术装备的水平，日本美国和德国均属于世界领先地位。迄今日本拥有FGD装备1800余套，总容量超过50000MW，其中石灰石湿法占95%以上；美国的烟气脱硫从20世纪70年代中期开始进入一个持续的快速发展时期，目前美国的FGD装机容量已超过150000MW，其中石灰石湿法占92%以上；欧洲的FGD技术以德国发展最为迅速，50MW以上的燃煤锅炉全部安装了FGD装置，德国90%以上的FGD装置采用石灰石-石膏法[4]。 中国有50多家脱硫公司先后引进了德国、美国、日本等国的烟气脱硫技术装备，绝大部分是FGD石灰石-石膏法。国内已经实施和正在实施的大型火电发电机的烟气脱硫几乎都采用了国外的核心工艺包技术[4]。工作原理及工艺流程： 工作原理及工艺流程： 石灰石（石灰）-石膏湿法脱硫工艺系统主要有：烟气系统、吸收氧化系统、浆液制备系统、石膏脱水系统、排放系统组成。其基本工艺流程如下： 锅炉烟气经电除尘器除尘后，通过增压风机、GGH(气体-气体换热器)降温后进入吸收塔。在吸收塔内烟气向上流动且被向下流动的循环浆液以逆流方式洗涤。循环浆液则通过喷浆层内设置的喷嘴喷射到吸收塔中，以便脱除SO2、SO3、HCl和HF，与此同时在“强制氧化工艺”的处理下反应的副产物被导入的空气氧化为石膏（CaSO4•2H2O），并消耗作为吸收剂的石灰石。循环浆液通过浆液循环泵向上输送到喷淋层中，通过喷嘴进行雾化，可使气体和液体得以充分接触。每个泵通常与其各自的喷淋层相连接，即通常采用单元制。 在吸收塔中，石灰石与二氧化硫反应生成石膏，这部分石膏浆液通过石膏浆液泵排出，进入石膏脱水系统。脱水系统主要包括石膏水力旋流器（作为一级脱水设备）、浆液分配器和真空皮带脱水机。 经过净化处理的烟气流经两级除雾器除雾，在此处将清洁烟气中所携带的浆液雾滴去除。同时按特定程序不时地用工艺水对除雾器进行冲洗。进行除雾器冲洗有两个目的，一是防止除雾器堵塞，二是冲洗水同时作为补充水，稳定吸收塔液位。 烟气脱硫技术属于燃烧后的脱硫。在吸收塔出口，烟气一般被冷却到46~55℃左右，且为水蒸气所饱和。通过气-气换热器将烟气加热到80℃以上，以提高烟气的抬升高度和扩散能力。 最后，洁净的烟气通过烟道进入烟囱排向大气。 脱硫过程主要反应有吸收反应、中和反应和氧化反应： 1. SO2 + H2O → H2SO3 (2-1) 2. CaCO3 + H2SO3 → CaSO3 + CO2 + H2O (2-2) 3. CaSO3 + 1/2 O2 → CaSO4 (2-3) 4. CaSO3 + 1/2 H2O → CaSO3•1/2 H2O 结晶 (2-4) 5. CaSO4 + 2H2O → CaSO4•2H2O 结晶 (2-5) 6. CaSO3 + H2SO3 → Ca (HSO3)2 (2-6) 石灰/石灰石-石膏湿法烟气脱硫工艺的化学原理如下， 1.烟气中二氧化硫溶解于水中生成亚硫酸并离解成H¯氢离子和HSO¯离子； 2.烟气中的氧(由氧化风机送入的空气)溶解在水中，将HSO3¯氧化成SO4 2-； 3. 吸收剂中的碳酸钙在一定条件下于水中生成Ca2+离子。在吸收塔内，溶解的二氧化硫、碳酸钙及氧发生化学反应生成石膏(CaSO4*2H2O)。 由于吸收剂循环量大和氧化空气的送入，吸收塔下部浆池中的邢化一或亚硫酸盐几乎全部被氧化为硫酸根或者硫酸盐，最后在CaSO4达到一定过饱和度后结晶形成石膏——CaSO4*2H2O，石膏可根据需要进行综合利用或者抛弃处理。 同时烟气中的HCl、HF与CaCO3的反应，生成CaCl2或CaF2。吸收塔中的pH值通过注入石灰石浆液进行调节与控制，一般pH值在5.5~6.2之间。 脱硫效率随吸收塔进口烟气温度降低而增加。这是因为脱硫反应是放热反应。进口温度的升高不利于脱除二氧化硫的化学反应的进行。 实际上，石灰石湿法烟气脱硫系统中，常采用GGH（气体-气体换热器）或在吸收塔前布置喷水装置，降低吸收塔进口的烟气温度，以提高脱硫效率。 一般认为，当烟气中二氧化硫浓度升高时，有利于二氧化硫通过液浆表面向液浆内部扩散。加快反应速度，脱硫效率随之升高。事实上，烟气中二氧化硫浓度的升高对脱硫效率的影响在不同浓度范围内是不同的。在湿式烟气脱硫装置和Ca / S一定的情况下，随二氧化硫浓度升高，脱硫效率存在一个峰值。 锅炉烟气经过高效静电除尘器后，烟气中飞灰浓度仍然较高，一般在100~300㎎/ m3（标准状态）。经过吸收塔洗涤后，烟气中绝大部分飞灰留在了浆液中。浆液中的飞灰在一定程度上阻碍了石灰石的消溶，降低了石灰石的消溶速率，导致浆液ph降低，脱硫效率下降。同时，飞灰中溶出的一些重金属如汞、镁、锌等离子会抑制钙离子与HSO3¯的反应，进而影响脱硫效果。湿式烟气脱硫主要系统功能及设备湿式烟气脱硫主要系统功能及设备1.石灰石浆液制备系统 制备并提供满足吸收塔要求的石灰石浆液。 石灰石浆液制备系统的主要设备包括石灰石储仓、球磨机、石灰石浆液罐和浆液泵。 2.烟气系统 为脱硫运行提供烟气通道，进行烟气脱硫装置的投入和切除，降低吸收塔入口的烟气温度和提升净化烟气的排烟温度。烟气系统主要设备包括烟道、烟气挡板、脱硫增压风机和气-气加热器（GGH，即烟气换热器）等关键设备。吸收塔入口烟道及出口至挡板的烟道，烟气温度较低，烟气含湿量较大，容易对烟道产生腐蚀，需进行防腐处理。 3.二氧化硫吸收系统 通过石灰石浆液吸收烟气中的二氧化硫，生成亚硫酸产物。氧化空气将亚硫酸产物氧化，并以石膏的形式结晶析出。同时，由除雾器将烟气中液滴除去。二氧化硫吸收系统的主要设备有：吸收塔，石灰石浆液循环泵，氧化风机，除雾器。 吸收系统的主要设备是吸收塔，它是湿式烟气脱硫（FGD）设备的核心装置，系统在塔中完成对SO2、SO3等有害气体的吸收。湿法脱硫吸收塔有许多种结构，如填料塔、湍球塔、喷射鼓泡塔、喷淋塔等等，其中喷淋塔因为具有脱硫效率高、阻力小、适应性、可用率高等优点而得到较广泛的应用，因而目前喷淋塔是石灰石-石膏湿法烟气脱硫工艺中的主导塔型。喷淋层设在吸收塔的中上部，吸收塔浆液循环泵对应各自的喷淋层。吸收塔循环泵将塔内的浆液循环打入喷淋层，为防止塔内沉淀物吸入泵体造成泵的堵塞或损坏及喷嘴的堵塞，循环泵前都装有网格状不锈钢滤网（塔内）。单台循环泵故障时，湿式烟气脱硫系统可正常进行，若全部循环泵均停运，湿式烟气脱硫系统将保护停运，烟气走旁路。 4.石膏脱水及储存系统 将来自吸收塔的石膏浆液浓缩、脱水，生产副产品——石膏，储存和外运。该石膏脱水储存系统设备：石膏浆液排出泵，石膏浆液箱，石膏浆液泵，水力旋流器，真空皮带脱水机，石膏储仓。 水力旋流器作为石膏浆液的一级脱水设备，其利用了离心力加速沉淀分离的原理，浆液流切向进入水力旋流器的入口，使其产生环形运动。粗大颗粒富集在水力旋流器的周边，而细小颗粒则富集在中心。已澄清的液体从上部区域溢出(溢流)；而增稠浆液则在底部流出(底流)。 真空皮脱水机将已经经过水力旋流器一级脱水后的石膏浆液进一步脱水至含固率达到90%以上。结论结论本文通过介绍烟气脱硫技术的发展状况以及工艺特点，阐述了目前硫污染企业实行烟气脱硫的重要意义和必要性，在此基础上提出以PLC+组态软件MCGS搭建的DCS系统。该系统实现烟气脱硫工艺的控制与监视功能，上位机通过组态软件进行烟气脱硫工艺系统的状态控制、工艺以及数据显示。作为下位机的PLC负责采集现场数据，并通过以太网技术传达给上位机。 最后，系统经过调试工作和仿真软件的帮助，程序能仿真运行，系统设计基本正确。