（控制理论与控制工程专业论文）火电厂fgd控制系统的研究与设计.pdf

摘要 目前 我国绝大多数火电厂采用的燃料是煤 带来的后果是大量 s 0 2 气体对外排放 造成环境的严重污染 因而对火电厂烟气脱硫 f l u eg a sd e s u l f u r i z a t i o n f g d 控制系统的研究与设计成为我国当前 一个紧迫和重要的环保问题 目前 国内火电厂f g d 控制系统主要采用分散控制系统 d c s 而d c s 是封闭式系统 存在各公司d c s 产品基本不兼容和投资成本 过高等诸多问题 现有f g d 控制系统在实际运行中遇到的不确定因 素较多 从而导致一系列的故障出现 阻碍f g d 装置安全 正常运 行 论文针对d c s 存在的一些问题并结合我国的实际情况 采用一 种基于p r o f i b u s 现场总线技术并集d c s 和现场总线控制系统 f c s 的优点于一身的新型控制系统一f d c s f i e l d b u s d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m 的总体设计方案 为了保证f g d 装置安 全 正常运行 提出将f g d 故障诊断专家系统与f g d 自动控制系统 相结合的方案 并归纳整理了f g d 专家关于f g d 装置常见故障 原 因及处理措施的实际经验 建立了f g d 故障诊断专家系统的模型 针对p h 值控制的大滞后 参数时变 常规p i d 控制不能满足控制要 求等特点 采用单神经元自适应p i d 算法进行控制 并对控制算法进 行了研究和仿真 仿真试验结果表明该算法受环境影响小 鲁棒性 跟踪性好 控制效果较理想 验证了方案的可行性 本文设计的方案 对火电厂f g d 控制系统的设计具有一定的参考价值 关键词烟气脱硫 p r o f i b u s 总线 f d c s 专家系统 单神经元 自适应p i d a b s t r a c t b e c a u s et h ef u e lo fm o s tp o w e rp l a n t si no u rc o u n t r yi sc o a l t h e s e r i o u sr e s u l tt h a ti tb r i n g si sal a r g eq u a n t i t yo fs 0 2i se x h a u s t e dt oa t m o s p h e r e t h ee n v i r o n m e n ti sp o l l u t e db a d l y a l o n gw i lt h ee n v i r o n m e n t p r o t e c t i o nc o n s c i o u s n e s so fc i t i z e n i ss t r e n g t h e n e d o u rc o u n t r yh a s r e q u i r e dt h eq u a n t i t yo fs 0 2w h i c h i se x h a u s t e dt ot h ea t m o s p h e r ec l e a r l y s ot h er e s e a r c ha n dd e s i g no f f g dc o n t r o ls y s t e mb e c o m e sa nu r g e n ta n d i m p o r t a n tp r o b l e mf o ro u rc o u n t r y n o w m o s tp o w e rp l a n t si no u rc o u n t r yc h o i c ed c sa sf g dc o n t r o l s y s t e mn o w b u td c s i sae n c l o s e ds y s t e m h e r ec o m e si nt h eq u e s t i o no f d i f f e r e n td c so f d i f f e r e n te o r p o r a t i o ni sn o tc o m p a t i b l ea n di n v e s tc o s ti s t o oh i 曲 al o to f u n c e r t a i n t yf a c t o r sh a p p e nw h i l ef g dc o n t r o ls y s t e mi s r u n n i n g s oal o to f f a u l t sh a p p e na n dt h er u n n i n go ff g d e q u i p m e n ti s i n f l u e n c e d i no r d e rt os o l v et h e s ep r o b l e m s ac o n t r o ls y s t e mw h i c hi s t h ec o m b i n a t i o no ff c sa n dd c si si n t r o d u c e d w h i c hi sc a l l e df d c si l l t 1 1 i sp a p e r f u r t h e r m o r e t h es c h e m eo ft h ec o m p o s i t i o no ff g df a u l t d i a g n o s i se x p e r ts y s t e ma n df g dc o n t r o ls y s t e mi si n t r o d u c e d a n dt h e p r a c t i c a le x p e r i e n c eo ff g de x p e r t si st i d i e du p t h em o d e lo ff g d f a u l t d i a g n o s i se x p e r ts y s t e mi se s t a b l i s h e d f i n a l l y b a s e d0 1 1 t h es p e c i a l c h a r a c t e r i s t i c so ft h ep hv a l u ec o n t r o l s u c ha sp u r e l a g p a r a m e t e r s t i m e v a r i a b l e s i n g l en e u r o n ss e l f a d a p t i v ep i di sa p p l i e da n dc o m p u t e r s i m u l a t i o ni su s e d t h er e s u l ti n d i c a t e st h a ta l g o r i t h mi sl e s si n f l u e n c e d b ye n v i r o n m e n t i t i sr o b u s ta n dc o n t a i n sb e t t e rt r a c ka b i l i t y n e c o n c l u s i o no f t h ec u r r e n ts t u d yh a sr e f e r e n c ev a l u ef o rt h ed e s i g no f f g d c o n t r o ls y s t e mi nc h i n a k e yw o r d sf l u eg a sd e s u l f u r i z a t i o n f g d p r o f i b u sf i e l d b u s f i e l d b u sd i s t r i b u t e dc o n t r o l s y s t e m e x p e r ts y s t e m s i n g l en e u r o n ss e l f a d a p t i v ep i d 原创性声明 本人声明 所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果 尽我所知 除了论文中特别加以标注和致谢的地方外 论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得中南大学或其它单位的 学位或证书而使用过的材料 与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均己在论 文中作了明确的说明 作者签名 釜丞奎日期 丝2 五年 月丝日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留 使用学位论文的规定 即 学校有权保留学 位论文 允许学位论文被查阅和借阅 学校可以公布学位论文的全部或部分内容 可以采用复印 缩印或其它手段保存学位论文 学校可根据国家或湖南省有关部 门规定送交学位论文 作者签名 公挞 导师签名日期 2 近年 上月 丛 中南大学硕十学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的背景及来源 我国是燃煤大国 煤炭占一次能源消费总量的7 5 左右 随着煤炭消费的 不断增长 燃煤排放的二氧化硫也不断增加 据统计 我国火电厂的二氧化硫排 放大约占总量的1 3 左右 加强火电厂科技环保是防治二氧化硫污染的重要工作 二氧化硫是导致酸雨产生的主要原因之一 据国家环保局介绍 目前中国的酸雨 区已从八十年代西南少数地区发展到长江以南 青藏高原以东和四川盆地的大部 分地区 降水p h 值小于5 6 的面积 国际评价酸雨的标准 已经占国土面积的 3 0 1 9 9 8 年二氧化硫排放总量为2 0 9 1 万吨 其中工业来源的排放量为1 5 9 4 万吨 占7 6 2 生活来源的排放量4 9 7 万吨 1 9 9 9 年全国二氧化硫排放量1 8 5 8 万吨 其中工业来源的排放量1 4 6 0 万吨 2 0 0 0 年我国二氧化硫排放总量为1 9 9 5 万吨 两控区 内二氧化硫排放量为1 3 1 6 4 万吨 酸雨控制区7 8 6 8 万吨 二氧 化硫污染控制区5 2 9 6 万吨 约占全国二氧化硫排放总量的6 6 其中 火电 厂排放6 3 7 万吨 其他污染源排放6 7 9 万吨 按照国家电力公司公布的数据 1 9 9 8 年全国发电装机容量为2 7 7 2 9 万千瓦 其中火电装机占7 5 7 火电发电量为9 3 8 8 亿千瓦时 占8 1 初步推算 1 9 9 8 年火电厂排放的二氧化硫约为7 8 0 万吨 占全国二氧化硫排放量的3 7 3 其中 国家电力公司所属6 0 0 0 千瓦及以上火电厂燃原煤量约2 8 亿吨 平均含硫量为 1 0 3 二氧化硫排放量约5 0 0 万吨 占全国二氧化硫排放量的2 3 9 目前全 国装机容量已突破3 亿千瓦 预计2 0 0 0 年全国火电厂二氧化硫排放量将占全国 二氧化硫排放量4 0 如不加控制 2 0 1 0 年全国火电厂二氧化硫排放量可能达 到全国二氧化硫排放量的6 0 以上 酸雨和二氧化硫污染危害居民健康 腐蚀 建筑材料 破坏生态系统 造成巨大的经济损失 已成为制约我国社会经济发展 的重要环境因素 我国已将控制酸雨和二氧化硫污染纳入 中华人民共和国大气 污染防治法 1 9 9 8 年1 月国务院批复了酸雨控制区和二氧化硫污染控制区 以下 简称 两控区 划分方案 并提出了 两控区 酸雨和二氧化硫污染控制目标 在 国民经济和社会发展 十五 计划纲要 中 明确提出2 0 0 5 年 两控区 二氧化 硫排放量比2 0 0 0 年减少2 0 十五 期间 我国能源消费总量将持续增长 预 计 两控区 二氧化硫产生量还将增加9 0 多万吨 这对于实现 两控区 二氧化硫 排放总量控制目标是一个巨大的挑战 两控区 内新建 扩建和改建火电机组必须同步安装脱硫设施或采取其它脱 中南大学硕七学位论文第一章绪论 硫措施 达到二氧化硫排放标准和总量控制指标 并采用低氮燃烧技术 配备烟 气污染物在线连续监测装置 十五 期问 两控区 内将投产燃煤火电厂的装机容量为3 6 0 5 0 m w 其中已 计划脱硫的机组装机容量为1 1 9 2 4 m w 现有火电机组超过二氧化硫排放标准或超过二氧化硫排放总量控制指标的 限期建设脱硫设施或采取其它有效治理措施 在限期内未完成治理要求的由当地 政府责令其停产治理 在燃用中高硫煤和大中城市城近郊区的现有火电机组加紧 建设脱硫设施 2 0 0 5 年底前 现有1 0 万千瓦以上燃煤 燃油火电机组必须安装烟气污染物 在线连续自动监测装置 本课题来源于火电厂安全 环保方面的实际项目 是中南大学信息科学与工 程学院与长沙市某环境工程有限公司合作的横向科研项目 1 2 几种烟气脱硫工艺简介及比较 1 2 1 石灰石一石膏湿法 石灰石 石灰 石膏湿法脱硫工艺采取价廉易得的石灰石或石灰作脱硫吸收 剂 石灰石经破碎磨细成粉状与水混合搅拌成吸收浆液 当采用石灰为吸收剂时 石灰粉经消化处理后加水搅拌制成浆 在吸收塔内 吸收浆液与烟气接触混合 烟气中的二氧化硫与浆液中的碳酸钙以及鼓入的氧化空气进行化学反应被脱除 最终反应产物为石膏 脱硫后的烟气经除雾器除去细小液滴 经换热器加热升温 后排入烟筒 脱硫石膏经脱水后回收 该工艺具有脱硫效率高 技术成熟 吸收 剂资源丰富等特点 缺点是占地面积大 一次性建设投资相对较大 该工艺已在 美国 德国 日本等广泛运用 应用的单机容量己达1 0 0 万千瓦 1 2 2 喷雾干燥法 该工艺以石灰为脱硫吸收剂 石灰经消化并加水制成消石灰乳 消石灰乳由 泵打入位于吸收塔内的雾化装置 在吸收塔内 被雾化成细小液滴的吸收剂与烟 气混合接触 与烟气中的二氧化硫反应生成亚硫酸钙 与此同时 吸收剂带入的 水分迅速被蒸发而干燥 烟气温度随之降低 脱硫反应产物及未被利用的吸收剂 以干燥的颗粒物形式随烟气带出吸收塔 进入除尘器被收集下来 脱硫后的烟气 经除尘器除尘后排放 为了提高脱硫吸收剂的利用率 一般将部分收集物加入制 浆系统进行循环利用 该工艺脱硫率可达到8 5 以上 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 3 炉内喷钙加尾部烟气增湿活化脱硫 该工艺是在炉内喷钙脱硫工艺的基础上 在锅炉尾部增设了增湿段 以提高 脱硫效率 该工艺多以石灰石粉为吸收剂 石灰石粉由高压气体喷入炉膛 8 5 0 1 1 5 0 度的高温区 石灰石受热分解为氧化钙和二氧化碳 氧化钙与烟气中的 二氧化硫反应生成亚硫酸钙 由于反应是在气体 固体之间进行 反应速度较慢 吸收剂利用率不高 因此在锅炉尾部将增湿水以雾状喷入 与未反应的氧化钙生 成氢氧化钙进而与烟气中的二氧化硫反应 当钙硫比在2 2 5 之间时 脱硫率可 达到6 5 8 0 该工艺在美国 加拿大 法国等国家得到应用 采用这一技术 的最大单机容量为3 0 万千瓦 1 2 4 烟气循环硫化床脱硫工艺 该工艺由吸收剂设备 吸收塔 脱硫灰再循环 除尘器等部件组成 采用于 态的消石灰粉作为吸收剂 由锅炉排出的未经处理的烟气从吸收塔底部进入 吸 收塔底部有一个文丘里装置 烟气硫经文丘咀管后速度加快 并在此与很细的吸 收剂粉末混合 颗粒之间 气体与颗粒之间剧烈摩擦 形成硫化床 在喷入均匀 水雾降低烟温的条件下 吸收剂与烟气中的二氧化硫反应生成硫酸钙 脱硫后携 带大量固体颗粒的烟气从吸收塔顶部排出 进入再循环除尘器 被分离出来的颗 粒返回吸收塔 由于固体颗粒反复循环达百次之多 故吸收剂利用效率较高 该 工艺所产生的副产物呈干粉状 主要由飞灰 硫酸钙和氢氧化钙等组成 适合作 废矿井回填等 当燃煤含硫量为2 左右 钙硫比不大于1 3 时 脱硫率可达9 0 以上 目前在国外应用于l o 2 0 万千瓦等级机组 1 2 5 海水脱硫工艺 海水脱硫工艺是利用海水的碱度达到脱去二氧化硫的一种方法 在脱硫吸收 塔内 大量海水喷淋进入吸收塔内的燃煤烟气 其中的二氧化硫被海水吸收除去 净化后的烟气经除雾器除雾 换热器加热后排放 吸收二氧化硫后的海水与大量 未脱硫的海水混合后 经曝气池曝气处理 使其中的亚硫酸离子被氧化成稳定的 硫酸离子 并使海水的p h 值达到排放标准后排入大海 该工艺一般适用于靠海 边 扩散条件较好 用海水作为冷却水 燃用低硫煤的电厂 该工艺最大问题是 烟气脱硫后可能产生的重金属沉积和对海洋环境的影响需要长时间的观察才能 得出结论 因此在环境质量比较敏感和环保要求较高的区域需慎重考虑 3 中南大学硕七学位论文 第一章绪论 1 2 6 电子束法脱硫 该工艺由烟气预除尘 冷却 氨的充入 电子束照射和副产品捕集等工序组 成 锅炉所排除的烟气 经过除尘器的处理之后进入冷却塔 在冷却塔内喷射冷 却水 将烟气冷却到适合于脱硫 脱硝处理的温度 7 0 度 冷却后的烟气进入 反应器 在反应器进口处将一定的氨水 压缩空气混合喷入 经过电子束照射后 s o 和n o x 在自由基作用下生成中间物硫酸和硝酸 然后硫酸和硝酸与共存的氨 进行中和反应 生成粉状微粒硫酸铵与硝酸铵 这些微粒一部分沉淀到反应器底 部 通过输送机排出 其余被除尘器所分离和捕集 1 2 7 各脱硫工艺的比较 以上几种脱硫工艺各具特点 其区别如表1 1 所示 表1 1 脱硫工艺比较图表 脱硫工艺石灰石一石膏湿喷雾干燥法 炉内喷钙加尾邮烟海水脱硫工电子柬法脱硫 法气增湿 艺 技术成熟程度成熟成熟 成熟成熟工业实验 适用煤种一不限申低硫煤中低硫煤低硫煤中高硫煤 单机应用的经 2 0 万千瓦以上3 0 万千瓦以3 0 万千瓦以下不限不限 济规模下 脱硫率9 5 以t 7 5 一8 5 7 5 一8 0 9 0 以e9 0 吸收剂石灰石 石灰石灰石灰石海水 液氨 副产物石膏亚硫酸钙诬硫酸钙硫铵 硝铵 废水有无 无无 市场占有率高 8 0 以t 一般 5 一幽一般 5 一 较少较少 国内应用珞璜 荤庆黄岛 白马下关深圳西部成都 工程造价较高中等 较低中等较高 运行维护工作较大中等中等较少较大 量 1 3 国内外研究现状 目前 国内外应用的s 0 2 的控制途径有三种 燃烧j i f 脱硫 燃烧中脱硫和燃 烧后脱硫 即烟气脱硫 其中 烟气脱硫 f g d 即f l u eg a sd e s u l f u r a t i o n 是目 4 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 前世界唯一大规模商业化应用的脱硫方式 是控制s 0 2 污染和酸雨的主要技术手 段 全世界已有1 5 个国家和地区应用了f g d 装置 其设备总装机容量相当于 2 2 5 亿k w 每年去除s 0 21 0 0 0 万吨 据统计 1 9 9 2 年 全球安装了f g d 装置 6 4 6 套 其中美国占5 5 3 德国占2 6 4 日本占8 6 其余国家占9 7 由 于上述三国大规模应用f g d 装置 且成效显著 虽然近年三国电站的装机容量 不断增加 但s 0 2 排放总量却逐年减少 日本是世界上最早大规模应用f g d 装 置的国家 截止1 9 9 0 年 该装置达1 9 0 0 多套 总装机容量达o 5 0 6 亿k w 目前 日本的s 0 2 已基本得到控制 f l7 0 年代初开始 特别是1 9 7 8 年美国重新 修改了环境法规 否决了高烟囱排放 使f g d 技术发展迅速 目前其f g d 装机 容量达o 7 一1 0 亿k w 超过日本成为世界第一 欧洲以德国发展最为迅速 其 装置总装机容量己达0 4 6 亿k w 居世界第三位 西德从7 0 年代后期开始 在 引进日美先进技术的同时 立足于本国技术的开发 截止1 9 9 2 年 5 万k w 以 上的燃煤锅炉全部安装了f g d 设备 我国早在7 0 年代 就开始了电站锅炉技术的研究工作 先后有6 0 多个高校 科研和生产单位对多种脱硫工艺进行了实验研究 但与发达国家相比 虽然起步 不晚 进展却比较迟缓 随着能源工业的发展 燃煤的增加 酸雨的危害日趋严 重 使s 0 2 的控制技术的研究被提到议事日程上来 七五 八五期间 国家投入 了大量的人力 物力和财力 对s o 的污染控制组织了攻关研究 取得了一系列 成果 国内在f g d 方面开展的研究很多 涉及各类方法 但大部分尚停留在小 试或中试阶段 有的技术虽有工业性试验装置 但未能大规模推广应用 为了促 进国内f g d 技术的开发研究 国家有计划 有目的的引进了一批国外的先进技 术和装置 所引进的示范工程涉及各种成熟工艺 引进的示范工程虽然设备先进 运行稳定 自控程度高 但其投资及运行费用极为昂贵 同时还存在二次污染 因此 如何使其国产化 降低成本及费用以适应我国的市场需求 就成为我国科 研工作者的一项艰巨任务 与国内研究现状相比 国外许多学者早就开始对f g d 控制系统进行了仔细 的研究 希望通过研究不断提高整个f g d 系统的脱硫效率 在这种背景下f g d 控制系统不论在控制算法还是在控制方案等方面都得到了大幅提高 在控制算法 方面 国内通常采用的是简单 通用的常规p i d 控制算法 但由于常规p i d 控 制算法在实施过程中涉及多个参数调试 工作量大并难以获得较好的调试效果 而且由于运行工况不同 系统特性参数也有一定的时变性 所以在应用过程中常 规p i d 控制算法有较大的局限性 国外的研究者在f g d 控制系统中引入了自适 应控制 最优控制 模糊控制 专家系统等先进控制算法 针对脱硫工艺过程特 性 通过讨论不同形式控制算法的控制效果 应用一种或几种适宜的控制算法 中南大学硕士学位论文第一章绪论 来弥补常规p i d 控制算法在脱硫控制中的不足 在控制方案方面 随着计算机技术的发展 数字式控制系统已经逐步替代了 仪表控制系统 在f g d 控制中发挥着越来越重要的作用 国外特别是西方发达 国家 由于经济实力雄厚 已在f g d 系统中采用新型的f c s 做为控制系统 而 国内各火电厂主要还是采用d c s 做为控制系统 1 4 论文章节安排 本论文分为六章 各章安排如下 第一章为绪论 介绍了本论文研究的背景 意义 课题来源及主要研究内容 f g d 的国内外研究现状 最后对本论文所作工作做了概括性的描述 第二章为石灰石一石膏湿法脱硫工艺过程及其控制要求分析 分析了河北某 火电厂一台3 0 0 m w 机组石灰石一石膏湿法脱硫工艺过程 然后着重讨论了影响 脱硫效率的各种因素 通过对这些因素的分析 从而在控制系统的设计中充分考 虑到各个因素的影响以及它们之间的相互联系 第三章为f g d 控制系统总体设计 分别阐述了f g d 控制系统的三大组成部 分即电气系统 热工自动化系统 烟气排放连续监测系统 c e m s 以及系统 重要设备仪表的选型和设计 第四章为f g d 故障诊断专家系统 在这一章哩着重进行以下几个方面的工 作 首先介绍了专家系统的理论及其组成以及f g d 装置常见故障 原因及处理 措施 然后阐述了f g d 故障诊断专家系统的系统建模和知识库的结构 最后对 推理机的设计进行了说明 第五章为吸收塔浆液p h 值控制系统的研究 吸收塔浆液p h 值控制的特点 为大滞后 参数时变 采用传统的p i d 控制策略不能实现对工艺参数的良好控 制 本章通过研究采用单神经元自适应p i d 算法 并通过计算机仿真实验 验 证了该算法很适用于吸收塔浆液p h 值的控制 实现了很好的自动跟踪 完成自 动控制 6 中南大学硕十学位论文第二章石灰石 石膏湿法脱硫c 艺过程及控制要求分折 第二章石灰石一石膏湿法脱硫工艺过程及控制要求分析 2 1 工艺特点 石灰石 石膏湿法脱硫工艺是目前世界上应用最多的脱硫工艺 特别是在美 国 德国和日本 应用该工艺的机组容量占电厂脱硫总装机容量的8 0 以上 应 用的单机容量己达1 0 0 0 m w 在国内已建 在设计中的电厂中 石灰石 石膏湿 法脱硫工艺也占到9 0 以上 石灰石 石膏湿法脱硫工艺的特点如下 1 脱硫效率高 石灰石 石膏湿法脱硫工艺脱硫率高达9 5 以上 脱硫后 的烟气不但二氧化硫浓度很低 而且烟气的含尘量也大大减少 2 技术成熟 运行可靠 国外火电厂石灰石 石膏湿法脱硫装置投运率一般 可达9 5 以上 由于其发展历史长 技术成熟 运行经验多 因此不会因脱硫设 备而影响锅炉的正常运行 3 对煤种变化的适应性强 该工艺适用于任何含硫量的煤种的烟气脱硫 无论是含硫量大于3 的高硫煤 还是含硫量低于l 的低硫煤 石灰石 石膏湿 法脱硫工艺都能适用 4 吸收剂资源丰富 价格便宜 作为石灰石 石膏湿法脱硫工艺吸收剂的石 灰石 在我国分布很广 资源丰富 许多地区的石灰石品位也很好 在脱硫工艺 的各种吸收剂中 石灰石的价格也是最便宜的 5 脱硫副产物便于综合利用 石灰石 石膏湿法脱硫工艺的脱硫副产物为二 水石膏 其主要用途是用于生产建材产品和水泥缓凝剂 脱硫副产物综合利用 不仅可以增加电厂效益 降低运行费用 而且可以减少脱硫副产物处置费用 延 长灰场使用年限 6 技术进步快 近年来国外对石灰石 石膏湿法脱硫工艺进行了深入的研究 与不断的改进 如吸收装置由原来的冷却 吸收 氧化三塔合为一塔 塔内流速 大幅度提高 喷嘴性能进一步改善等 2 2t 艺过程分析 石灰石 石膏湿法脱硫工艺过程如下 烟气经增压风机加压 烟气再热器吸 热侧降温后进入吸收塔 经浆液喷淋洗涤 除雾器除雾 烟气再热器加热后排入 烟道 石灰石粉与工艺水按一定比例配成一定浓度 一般为3 0 重量浓度 的石灰 石浆液 经石灰石浆液输送泵 调节阀送入吸收塔 吸收塔的底部有一个一定容 中南大学硕士学位论文第二章石灰石一石膏湿法脱硫工艺过程及控制要求分析 积的循环池 浆液循环泵从循环池将浆液升压后从吸收塔上部的一系列浆液喷嘴 喷出形成水雾 或水帘 0 a 洗涤烟气 烟气中的二氧化硫被吸收剂溶解吸收后随吸 收剂液滴落入吸收塔的循环池 并发生反应生成亚硫酸盐 浆池中的p h 值随之 降低 为了保持吸收剂足够的碱度及对二氧化硫的中和能力 制浆系统将石灰石 粉与工艺水配制成重量浓度3 0 的石灰石浆液不断的补入循环池 并在浆池中生 成石膏 经过吸收反应后的石膏浆液经浆液抽出泵升压后进入水力旋流器进行固 液的初步分离 稀液返回吸收塔再利用 浓浆液经石膏泵送入脱水机进行脱水 生产出二水石膏 含有l o 左右的水分 其工艺流程如图2 1 所示 l 叫 图2 1 石灰石一石膏湿法脱硫工艺流程图 在吸收塔内 吸收剂与烟气接触混合 烟气中的s 0 2 首先被吸收荆中的水吸 收然后与吸收剂中的碳酸钙 c a c 0 3 反应生成c a s 0 3 c a s 0 3 被鼓入的空气中 的0 2 氧化 最终生成石膏晶体 c a s 0 4 h 2 0 其主要化学反应式为 吸收过程 s 0 2 h 2 0 叫h 2 s 0 3 h s 0 3 旷 c a c 0 3 2 w c a 寸 c c h h 氧化过程 h s 0 3 1 20 2 s o 2 旷 c a 2 s 0 4 2 v 1 2 0 c a s 0 4 h 2 0 2 3 工艺系统组成 2 3 1 烟气系统 在整个f g d 系统中 烟气系统的功能足通过烟道将锅炉排出的原烟气引入 吸收塔进行净化处理 并将处理后的净烟气以适当的方式进行排放 锅炉排出的 烟气经静电除尘器 e s p 除尘 增压风机 b u f 增压 气气换热器 o o h 吸热 后进入吸收塔 在吸收塔内 烟气自下而上流动 与脱硫浆液发生气液接触 并 发生化学反应 从而促进了烟气中s 0 2 的去除 同时净烟气温度降至5 5 净 化后的烟气 经吸收塔顶部的两级除雾器除去雾滴后 离开吸收塔 最后通过气 气换热器 g g h 再热后排入大气 为了保证f g d 系统在停运或检修时 机组能 中南大学硕士学位论文 第二章石灰石 年i 膏湿法脱硫j 艺过程及控制要求分析 正常 安全可靠的运行 整个f g d 烟气系统设有旁路烟道和烟囱 原有烟囱 当f g d 系统故障时 关闭f g d 系统进出口挡板门 未处理的烟气经旁路烟道挡 板门直接进入烟囱排入大气 设置烟气旁路十分必要 它不仅有利于f g d 系统 检修 而且在锅炉点火阶段 烟气经旁路烟道挡板门直接进入烟囱排大入气 可 避免点火阶段烟气中的油滴 炭黑 粉尘进入f g d 系统 2 3 2 吸收塔系统 吸收塔采用先进可靠的空塔喷淋 系统阻力小 塔内气液接触区无任何填料 部件 有效地杜绝了塔内堵塞结垢现象 吸收塔配有4 台浆液循环泵 采用单元 制运行方式 每台循环泵对应一层喷淋装置 石灰石浆液制备系统制成的新石灰 石浆液通过吸收塔循环泵吸入管送入循环池内 与循环池中已经生成的石膏浆液 混合 再由吸收塔浆液循环泵向上输送到喷淋层 从高效螺旋雾化喷嘴喷出的浆 液在喷淋作用下形成很细的雾状液滴 在塔内发生高效充分的气一液一固接触 吸收塔循环池中的p h 值通过石灰石浆液的投量控制在5 2 6 0 p h 值为5 4 时 为最佳 在吸收塔底部区域 通过氧化风机供给的氧化空气与洗涤产物在搅拌 器的协助下进一步反应生成石膏 c a s 0 4 2 h 2 0 经过净化处理的烟气流经屋 脊型两级除雾装置 在此处将烟气携带的浆液微滴除去 从烟气中分离出来的小 液滴慢慢凝聚成比较大的液滴 然后沿除雾器叶片的下部往下滑落 直到浆液池 同时 为了防止烟气中含固量很高的残余水分沉积在除雾器上 在除雾器上方装 有冲洗装置 冲洗水来自于工艺水槽 可间歇式地冲洗除雾器 防止除雾器结 垢 影响除雾效率 经洗涤和净化的烟气流出吸收塔 最终通过烟气换热器和净 烟道由烟囱排入大气 2 3 3 吸收剂制备系统 吸收剂制备系统是专为吸收塔系统提供脱硫剂的系统 石灰石粉由运输车运 至石灰石粉储存罐下 采用气力输送方式送入储存罐中 储存罐的容量按7 天耗 量设计 石灰石粉通过储存罐下的螺旋给料机定量添加到石灰石浆液池内 浆池 内设有搅拌器进行搅拌 以防止石灰石沉淀 石灰石浆液通过给料泵 给料管送 至石膏浆液池中 给料管的流量按两倍实际流量进行设计 在给料管中设有一根 回流管 将多余的吸收剂返回石灰石浆液池 在回流管上装设有一个调节阀 用 以调节吸收剂用量 从而达到控制循环池中的p h 值的目的 9 中南大学硕十学位论文第 章石灰石 石膏湿法脱硫 艺过稗及控制要求分析 2 3 4 副产物处理系统 在湿式石灰石一石膏法f g d 工艺中 s 0 2 气体被喷淋液吸收后 在石膏浆 液池中氧化 结晶 最终形成石膏晶体 以达到了从烟气中脱除s 0 2 的目的 这 些石膏晶体就足副产物 但是 石膏浆液循环喷淋液是闭路循环的 所以系统中 的石膏必须定时定量的从中分离排出 否则 石膏晶体将越积越多 系统将无法 工作 石膏浆液池中的石膏晶体含量和石灰石的添加量以及系统的脱硫量呈一定 的函数关系 根据这一关系 可以通过定量控制石膏浆液的排放 以保持吸收系 统中的物料平衡 排出的石膏浆液经过固液分离处理以后 即可成为有利用价值 石膏 分两级对石膏浆液进行固液分离 第一级使用水力旋流器 吸收塔浆液排 出泵将塔内浆液抽出经过滤器后泵入石膏水力旋流器 进入水力旋流器的石膏悬 浮切向流产生离心运动 重的固体颗粒被抛向旋流器壁 向下流动 细小的微粒 从旋流器的中心向上流动 使石膏浆液通过水力旋流器后浓缩到一定的含固浓 度 从石膏水力旋流器溢流出的浆液 一部分重新返回吸收塔进行循环利用 另 一部分由废水旋流站进料泵送入废水旋流站处理 石膏水力旋流器的底流将直接 进入石膏浆液缓冲罐 进入第二级脱水系统 第二级脱水系统使用真空带式过滤 机 经过连续两级脱水浓缩的石膏产品是含水量小于1 0 的优质脱硫石膏 皮 带输送机将石膏运送至石膏库房进行存储 定期将其运出 2 3 5 排空系统 如果主塔要停机进行检修 必须对石膏浆液池进行排空处理 石膏浆液池中 的浆液是不能停止搅拌的 因为在静止状态下只需1 0 分钟 浆液中的固体将完 全沉淀堵塞管道 严重影响f g d 系统的再启动 排空系统的作用就是在脱硫吸 收塔发生故障或检修时将循环池中的石膏混合液从塔中导出 利用霞力作用使其 自流入检修池中 检修池中有搅拌设备对浆液进行搅拌 防止其产生沉淀 事故 排除后 吸收塔再次起动时 使用渣浆泵将检修池的浆液再次输送到石膏浆液池 继续使用 避免了因浆液中晶种不够而带来的麻烦 为了提高f g d 系统的可用 性 排空系统是必要的 排空系统能将脱硫岛在事故中受到的损害降到最低 维 护检修时的消耗降到最低 2 3 6 工艺水系统 在石灰石一石膏湿法脱硫系统中 由于循环喷淋液被高温烟气蒸发需要补充 工艺水 除雾器为了防止堵塞需用工艺水进行冲洗 副产物处理系统需要提供工 1 0 中南大学硕士学位论文第二章石灰石 石膏湿法脱硫r 艺过程及控制要求分析 艺用水 以及管道清洗都需要用到工艺水 所以脱硫岛中的工艺水是必不可少的 工艺水对水源无特殊要求 普通的工业自来水即可 为了避免因停水而给系统造 成麻烦 工艺水水源必须设置两路不同的水源 以保证用水的可靠性 系统中装 有两台水泵 一主一备 分多路提供给不同的用水系统 正常运行时 工艺水基 本都是吸收塔的补充水 系统停机时 所有的管道和循环泵都需要用清洁的水进 行冲洗 以保证在停机期间不会结垢 堵塞 2 3 7 废水系统 在脱硫过程中 f g d 各系统产生的废水必须通过废水处理装置进行净化处 理 才能将脱硫废水中所含各项污染物指标降低至规定的排放标准 实现达标排 放 从各管路中流出的废水首先汇集到废水缓冲罐内 此后废水依次经过中和箱 反应箱 絮凝箱 澄清罐 净水箱进行处理 在每个罐 箱 体内 废水停留时间 都经过专门的优化设计 各罐 箱 体内配备不同转速的搅拌装置以保证良好的处 理效果 废水和所投加的各种药剂在相应的罐 箱 内充分反应混合 在中和箱中 投加一定量的石灰浆液 使废水的p h 值适应大多数重金属沉淀的要求 调节好p h 值的废水进入反应箱中 大部分重金属以细小的氢氧化物和络合物形式从废水中 析出 有机硫的加入可使汞等难于沉淀的重金属形成不溶的氢氧化物 废水进入 絮凝箱后 加入的混凝剂和凝聚剂可使生成的絮凝物逐渐增大 成形 便于沉淀 在澄清罐内 废水中的悬浮固体沉淀 出水最终在净水箱中进行最后的澄清 然 后加入适量h c l 处理 将p h 值调节到排放许可值后用水泵提升排放 2 4 影响烟气脱硫过程的因素 2 4 1 钙硫比 c a s 根据脱硫反应方程式 从理论上计算可知 脱i ts 0 2 需要1 5 6tc a c 0 3 则 钙硫比为l l 在电厂脱硫系统正常运行中 钙硫比只是对石灰石供浆量的一 种经济核算 不作为控制调节脱硫效率的手段 但钙硫比可间接通过浆液p h 值 体现出来 如增加石灰石供应量 可以提高脱硫效率 但往往会造成系统内石灰 石过量 发生其他许多不利情况 而且也是一种浪费 故一般不采用 4 i 2 4 2 液气比 l g 液气比 l g 即单位时间内浆液喷淋量和单位时间内流经吸收塔的烟气量 中南大学硕士学伊论文第二章石灰石 石膏湿法脱硫r 艺过秤及控制要求分析 之比 它与烟气中s 0 2 浓度 脱硫效率要求 吸收塔喷嘴布置有关 对于不同 的装置 l g 值会有所不同 l g 大则循环泵数量或流量要增加 电耗和脱硫 成本自然增加 2 4 3 浆液p h 值 当入口二氧化硫浓度不变 系统液气比为一定值时 p h 值的升高有利于脱 硫效率的提高 当p h 值过高时 虽然降低浆液内的传质阻力 有助于脱硫剂对 s 0 2 的吸收 但降低了石膏结晶的速度 不利于硫酸钙的反应生成 当粗值上 升到一定值时 脱硫效率已无明显变化 而系统中p h 值的调节主要是依靠石灰 石粉加入量 即石灰石的少量过量有利于明显提高脱硫效率 但当石灰石大量过 量时 对脱硫效率影响已不明显 反而是对吸收剂的一种浪费 并对系统其他设 备造成许多危害 也影响石膏的质量 2 4 4 吸收塔内氯化物浓度 氯离子浓度过高 2 00 0 0m g l 将和c a c 0 3 产生如下反应 2 c 1 c a c 0 3 2 t t e a c h c 0 2 h 2 0 c a c h 的出现 表明了部分c a c 0 3 无谓消耗 同时也是结垢的一个重要因素 另 外氯离子对设备的腐蚀也是f g d 系统一个很大的危害 因此浆液内氯化物浓度 应加以控制 在浆液被喷成雾状落下过程中 在塔中吸收了大量s 0 2 浆液中 旷含量上升 p h 值下降 此时要不断补充c a c 0 3 进行中和 同时 浆液中h s 0 3 浓度过高也要妨碍s 0 2 的吸收 因此要及时通入压缩空气进行氧化反应 氧化 反应同样要产生一 使酸度上升 p h 值下降 故而根据p h 值来控制c a c 0 3 的 供应量 是石灰石湿法脱硫的最基本的控制原理 般控制脱硫效率最有效 最 直接的方法是调节液气比和浆液p h 值 2 5 控制要求分析 2 5 1 循环泵开启数量控制 烟气自g g h 进入吸收塔后 自下而上流动 与喷淋而下的石灰石浆液雾滴 接触反应 接触时间越长 反应进行得越完全 每层喷淋盘对应一台循环泵 自 下而上排列顺序为1 2 3 4 号 4 号循环泵对应的喷淋盘位置最高 与烟气 接触洗涤的时间最长 因此投运4 号循环泵有利于烟气和脱硫剂充分反应 相应 中甫大学硕十学位论文 第二章石灰石一石膏湿法脱硫r 艺过稃及控制要求分析 的脱硫率也高 从其他电厂实际运行的情况可以发现 在处理l 台3 0 0 m w 机组 烟气时 不论运行哪3 台循环泵都能保持很高的脱硫率 而运行2 台循环泵时如 果开启4 号循环泵 则脱硫率可比运行其它循环泵时的脱硫率高出l 2 由 此可见 4 号循环泵的投运对提高脱硫率效果显著 3 号循环泵的影响次之 2 号 l 号依次减弱 也就是说 烟气与脱硫剂的接触时间越长 脱硫率越高 另 外 新鲜的石灰石浆液是通过3 号或4 号循环管注入的 所以3 4 号循环泵的 投运与否将直接影响脱硫率 4 2 5 2 浆液循环量控制 新鲜的石灰石浆液喷淋下来后与烟气接触后 s 0 2 等气体与石灰石的反应并 不完全 需要不断地循环反应 增加浆液的循环量 也就加大了c a c 0 3 与s 0 2 的接触反应机会 从而提高了s 0 2 的去除率 此外 增加浆液的循环量 将促进 混合浆液中的h s 0 3 氧化成s o s 有利于石膏的形成 2 5 3 吸收塔浆液p h 值控制 烟气中s 0 2 与吸收塔浆液接触后发生如下一些化学反应 s 0 2 h 2 0 h s 0 3 i i c a c 0 3 旷 h c 0 3 c a 2 h s 0 3 1 2 0 2 s 0 4 2 旷 s o s c a s 2 h 2 0 c a s 0 4 2 1 1 2 0 从以上反应历程不难发现 高p h 值的浆液环境有利于s 0 2 的吸收 而低p h 则 有助于c a 2 的析出 二者互相对立 因此选择一合适的p h 值对烟气脱硫反应至 关重要 有关人员做过一次试验 在连续一段时间0 0 h 内 人为调整石灰石浆 液进吸收塔的流量 使浆液的p h 值先从 b n 大 然后又逐渐减少 通过试验发 现 在一定范围内随着吸收塔浆液p h 的升高 脱硫率一般也呈上升趋势 因为 高p h 值意味着浆液中有较多的c a c 0 3 存在 对脱硫当然有益 但p h 5 8 后脱 硫率不会继续升高 反而降低 原因是随矿浓度的降低 c a s 的析出越来越困 难 当p h 5 9 时 浆液中c a c 0 3 的含量达到2 9 8 而c a s 0 4 2 1 1 2 0 含量低 于9 0 显然此时s o s 与脱硫剂的反应不彻底 既浪费了石灰石 又降低了石 膏的品质 p h 再下降时 c a s 0 4 2 h 2 0 含量又回升 c a c 0 3 则降低 因此 浆 液p h 值既不能太高又不能太低 一般情况下控制吸收塔浆液的p h 在5 4 5 5 之间 能使脱硫反应的c a j s 保持在设计值 1 0 2 左右 内 获得较为理想的脱硫 率 同时又使浆液中c a c 0 3 的含量低于1 中南大学硕士学位论文第二章石灰石 石膏湿法脱硫t 艺过程及控制要求分析 2 5 4 鼓入吸收塔的氧气量控制 0 2 参与烟气脱硫的化学过程 使4 h s 0 3 氧化为s 0 4 厶 随着烟气中0 2 含量 的增加 c a s 0 4 2 h 2 0 的形成加快 脱硫率也里上升趋势 当原烟气中氧量一 定时 可人为往吸收塔浆液中增加氧气 所以多投运氧化风机可提高脱硫率 当 烟气中0 2 含量为6 o 时 运行2 台氧化风机比运行l 台氧化风机的脱硫率高出 2 左右 2 5 5 石膏浆液排放控制 随着烟气与脱硫剂反应的进行 吸收塔的浆液密度不断升高 通过吸收塔浆 液化学成分的取样分析结果 当密度 1 0 8 5 k g m 3 时 混合浆液中c a c 0 3 和 c a s 0 4 2 1 1 2 0 的浓度己趋于饱和 c a s 0 4 2 h 2 0 对s 0 2 的吸收有抑制作用 会 使脱硫率有所下降 而石膏浆液密度过低 1 0 7 5 k g m 3 时 说明浆液中 c a s 0 4 2 1 1 2 0 的含量较低 c a c 0 3 的相对含量升高 此时如果排出吸收塔 将 导致石膏中c a c 0 3 含量增高 石膏品质降低 而且浪费了脱硫剂石灰石 因此 运行中控制石膏浆液密度在一合适的范围内 1 0 7 5 1 0 8 5k g m 3 将有利于f g d 的有效 经济运行 2 5 6 入口烟气温度控制 在实际运行过程中 机组负荷变化较频繁 f g d 进口烟温也会随之波动 对脱硫率有一定的影响 理论上进入吸收塔的烟气温度越低 越利于s 0 2 气体溶 于浆液 形成h s 0 3 所以高温的原烟气先经过g g h 降温后再进入吸收塔与脱 硫剂接触有利于s 0 2 的吸收 实际运行结果也证实了这一点 在处理一台3 0 0 m w 机组烟气 运行4 台循环泵 进口烟气s 0 2 浓度和氧量基本不变的工况下 当进 入吸收塔的烟温为9 6 时 脱硫率为9 2 1 当烟温升到1 0 3 时 脱硫率下降 至8 4 8 2 5 7 烟气烟尘浓度控制 原烟气中的飞灰在一定程度上阻碍s 0 2 与脱硫剂的接触 降低了石灰石中 c a 2 的溶解速率 同时飞灰中不断溶出的一些重金属如h g m g c d z n 等离 子会抑制c a 2 与h s 0 3 4 的反应 试验证明 如果烟气中粉尘含量持续超过4 0 0 m g i n 3 干 则将使脱硫率下降1 2 并且石膏中c a s 0 4 2 h 2 0 的含量降低 1 4 中南大学硕士学伊论文 第二章石灰石 石膏湿法脱硫 艺过稃及控制要求分析 自度减少 影响了品质 2 6 本章小结 本章首先分析了河北某火电厂石灰石一石膏湿法脱硫工艺过程 介绍了石灰 石一石膏湿法脱硫工艺的特点以及工艺系统的组成