火电厂氨法脱硫系统及其控制

一、概述 近几年，我国火力发电机组发展迅速，为了从根本上解决大气中SO₂污染问题，国家发改委明令：关停污染严重的小火电机组，加快火电厂大机组的脱硫建设，新建机组必须同步上脱硫设施。 目前已开发出近百种烟气脱硫（FGD）工艺，但投入商业化运行的仅数十种，按脱硫剂和脱硫产物形态可分为干法、半干法和湿法等。湿法主要有石灰石-石膏法、碱吸收法、氨法、海水吸收法、双碱法和氧化镁法等，目前因湿法工艺具有高效、稳定、技术成熟等特点，常被作为首选脱硫工艺方案。 石灰石-石膏法适用于大型烟气脱硫工程，其脱硫效率高，运行可靠，脱硫吸收剂资源丰富，价格便宜，对燃料变化适应性强，脱硫产物可进行综合利用，应用最广。但其工艺流程较长，投资大，占地面积大，尤其石灰石浆液制备系统及石膏回收系统十分复杂，过程控制不好时容易结垢堵塞。 氨法脱硫技术是采用氨(NH₃)作为吸收剂除去烟气中的SO₂的工艺。氨是一种良好的碱性吸收剂，而且氨吸收烟气中SO₂是气--液或气--气反应，反应速度快，反应完全，因而吸收剂能得到充分利用，脱硫效率高。另外，其脱硫副产品（比如硫酸铵等）可制造化肥，副产品的销售收入能大幅度降低运行成本。 在国外，九十年代以来，氨法脱硫技术的研究和开发已成为一股潮流。 二、氨法脱硫 氨法脱硫技术的工艺过程一般分成三大步骤：脱硫吸收、中间产品处理、副产品制造。根据过程和副产物的不同，由此衍生出了几十种不同形式的脱硫工艺，其中，氨--硫酸铵法是典型的氨法脱硫工艺。 2.1 化学原理 烟气脱硫是一个十分典型的化工过程，它基于碱性脱硫剂与酸性SO₂之间的化学反应。碱性脱硫剂包括石灰石(石灰)、纯碱(烧碱)、氧化镁和氨，分别可称为钙法、钠法、镁法和氨法。任何FGD过程都包括两个基本的化学反应过程： 吸收：SO₂吸收生成为亚硫酸盐； 氧化：亚硫酸盐氧化为硫酸盐。 氨法以水溶液中的SO₂和NH₃的反应为基础： 吸收：SO₂＋H₂O＋xNH₃=(NH₄)xH₂-xSO₃ 氧化：(NH₄)XH₂-XSO₃ 1/2O₂ (2-x)NH₃=(NH₄)2SO₄ (硫铵) 这是回收法，其明显特点是：无二次废渣、废水和废气污染，回收SO₂，生产硫铵，实现SO₂回收价值的最大化。 氨是生产化肥的原料。以氨为原料，实现烟气脱硫，生产化肥，不消耗新的自然资源，不产生新的废弃物和污染物，变废为宝，化害为利，为绿色生产技术，将产生明显的环境、经济和社会效益。因此，氨法与钙法具有明显的区别。氨法属于回收法，以石灰石为原料的钙法属于抛弃法。抛弃法的缺点是消耗新的自然资源、产生新的废弃物和污染污，具有明显的二次环境问题。另外，与钙法相比，氨法投资低、能耗低，当然成本也低。 2.2 工艺系统 湿式氨法脱硫工艺由氨水系统、脱硫塔系统、氧化空气系统、工艺水系统和硫铵回收系统以及自动控制系统等组成。 2.3 氨法脱硫特点 （1）脱硫除尘一体化。吸收塔集烟气除尘、脱硫于一体，设备紧凑。可以解决烟气SO₂超标排放的问题，具有很大的社会效益。 （2）节省投资，工艺流程简单。与常规石灰-石灰石脱硫系统相比，工程投资低，工艺耗能少，同时烟气与废水得到双重处理，节省投入及降低水耗。 （3）系统阻力小。吸收塔采用空塔，具有结构简单、设计合理、系统阻力小、不影响锅炉运行等特点。 （4）效果好。可以保证较高的脱硫除尘效率。 （5）氨法脱硫装置能快速启动投入，对锅炉负荷变化的适用性强，负荷跟踪特性好，启停方便，可在40％负荷时投用，对基本负荷和调峰机组均有很好的适用性。 （6）通过科学设计，使系统做到完全水平衡，无脱硫废水排放，不会造成二次污染。 三、氨法脱硫控制系统 3.1 控制方式及水平 现行《火力发电厂烟气脱硫设计技术规程》DL/T5196-2004中对烟气脱硫控制设计的要求：烟气脱硫热工自动化水平宜与机组的自动化控制水平相一致；脱硫控制应采用集中控制方式。 目前，烟气脱硫的控制通常采用与机组控制系统相同硬件的分散控制系统（FGD_DCS），FGD_DCS主要功能包括数据采集和处理（DAS）、模拟量控制系统（MCS）和顺序控制系统（SCS）。FGD_DCS设置通讯接口，实现与电厂主厂房DCS控制系统之间的数据通讯，以及与全厂其它系统的数据通讯。 烟气脱硫控制系统以LCD和键盘作为脱硫监视和控制中心，不再设置常规仪表盘。但当DCS的电源消失、通讯中断、全部操作员站失去功能以及控制站失去控制和保护能力时，为确保脱硫系统紧急停运，为此在操作员控制台上设置下列独立于DCS的常规操作项目：烟气旁路档板控制。 脱硫控制系统的运行与停止，其工作状态与单元机组密切相关。由于脱硫系统作为单元机组子系统，因此脱硫控制系统的设计将考虑单元机组与脱硫控制必要的信号联系，实现方式采用硬接线连接。 锅炉至脱硫岛的信号：MFT、引风机状态、锅炉负荷。 脱硫岛至锅炉的信号：脱硫系统“投入”和“退出”。 3.2 脱硫控制室及电子设备间的布置 脱硫控制采用集中控制方式，通常与除灰、除尘在除灰综合楼合设一个灰网集中控制室，脱硫FGD_DCS机柜布置在脱硫区域内的电子设备间。在灰网控制室内即可实现对烟气脱硫设备及其附属系统的启动、停止和正常运行工况的监视、控制和调整，以及异常与事故工况的报警、联锁和保护。 FGD_DCS控制网络上设3台操作员站，脱硫区域值班控制室内布置一台就地操作员站用于调试、检修；正常使用的2台操作员站布置在灰网控制室内。脱硫系统的监控在脱硫系统操作员站上完成。 3.3 热工自动化功能 3.3.1.数据采集与处理系统（DAS） 数据采集与处理系统（DAS）应连续采集和处理所有与脱硫工艺系统有关的重要测点信号及设备状态信号，以便及时向操作人员提供有关的实时信息。基本功能如下： 过程变量输入扫描处理 固定限值报警处理，并可报警切除。 LCD显示 报警显示 流程图形显示 成组参数显示 操作指导、如报警原因、允许条件和操作步骤等 打印制表 定时制表：班、日、月报 报警记录 主要设备跳闸顺序记录 设备运行记录，主要辅机的起停次数和累计运行时间 历史数据存储和检索（HSR） 3.3.2 主要模拟量控制系统（MCS） （1）FGD入口压力控制 为保证主机的安全稳定运行，通过调节旁路风门和进口风门的状态进行压力控制，保持主机引风机入口压力的稳定。为了获得更好的动态特性，引入主机负荷和引风机状态信号作为辅助信号。 （2）吸收塔pH值及塔出口SO₂浓度控制 根据塔后净化后的烟气中SO₂浓度、烟气温度、压力和烟气量，通过这些测量可计算进入吸收塔中SO₂总量和SO₂脱除效率。根据SO₂总量，控制加入到吸收塔中的氨水量。通过改变氨水量调节阀的开度来实现氨水量的调节。而吸收塔排出浆液的pH值作为SO₂吸收过程的校正值参与调节。 （3）吸收塔液位控制 吸收塔氨水溶液供应量、浆液排出量及烟气进入量等因素的变化造成吸收塔的液位波动。根据测量的液位值，调节工艺水管道调节阀门和除雾器冲洗时间间隔，实现液位的稳定。 （4）硫铵浆液排出量控制 根据浓缩塔密度值进行控制，通过控制硫酸铵排浆泵启停，以此改变浆液排出量。 除上述主要闭环控制回路外，还将设置工业水池液位控制、硫铵料液灌液位控制、三效蒸发系统的液位流量控制等。 3.3.3 主要顺序控制（SCS）功能组 包括脱硫系统启动、停止顺序控制。主要控制功能组如下： （1）烟气挡板控制功能组 （2）吸收塔液池搅拌及循环控制功能组 （3）硫铵三效蒸发系统控制功能组 （4）硫酸铵脱水与干燥控制功能组 除上述的功能组控制外，与脱硫有关的辅机、阀门也纳入FGD_DCS系统实现远方控制。 3.3.4 主要联锁保护 当脱硫系统出现下述任意一情况时，自动解列整个脱硫系统： （1）吸收塔循环泵全停 （2）脱硫系统主电源消失 （3）烟气旁路挡板差压高报警或低报警且旁路档板及脱硫出入口门未打开 （4)吸收塔液位低报警 （5）脱硫塔进口烟气大于160℃ 当解列脱硫装置运行时，将打开烟气旁路档板，关闭脱硫烟气进口门。 为确保脱硫顺序控制系统的安全可靠投运，设计中拟采用下述措施： （1）为保证测量信号的可靠，重要的保护用过程信号、状态采用3取2或2取1测量方式。FGD保护动作时自动快速开启旁路挡板门，切除FGD。在紧急状态时强制动作旁路挡板门，保证锅炉安全运行。 （2）设计完善的联锁功能，如备用设备起停联锁、箱罐池的高低液位联锁、管道设备冲洗联锁等，使控制系统能对运行工况变化自动及时作出反应，保证系统稳定运行。 （3）在装置停机期间，装置中不同的管道系统中装有浆液，必须对这些管道系统进行冲洗，防止固体物料的沉淀。在短时间停机期间，吸收塔搅拌器、硫酸铵浆液搅拌器等仍保持工作。 3.3.5 信号报警系统 凡脱硫系统越限或保护动作以及控制装置电源故障，均通过分散控制系统的LCD报警，并可进行相关的报警打印。 3.4 烟气连续监测（CEMS）系统 设置烟气连续监测（CEMS）系统，监测系统应满足脱硫装置在线监视控制要求和火电厂大气污染物排放标准中各排放指标的要求。优先选用进口设备。 烟气监测测点的布置应满足HJ/T 75-2001《火电厂烟气排放连续监测技术规范》的要求，并保证在脱硫系统运行或停运时均能分别对烟气排放进行实时在线监测。所有分析设备的状态指示信号应送至FGD_DCS中。 用于环保排放监测的信号通过冗于远程通讯接口，送至全厂环保监测站或电厂SIS/MIS系统。 3.4.1 脱硫系统烟气入口侧监测项目 污染物连续监测项目：二氧化硫SO₂、粉尘浓度。烟气排放连续监测辅助参数项目：排放烟气中的温度、压力、含氧量、流量。 3.4.2 脱硫系统烟气出口侧监测项目 污染物连续监测项目：二氧化硫SO₂、氮氧化物NO_x、粉尘的浓度及排放量。烟气排放连续监测辅助参数项目：排放烟气中的温度、压力、含氧量、湿度、流量。 3.5 工业电视 彩色数字工业电视作为脱硫系统的辅助监视系统，对脱硫系统中的一些重要的主辅设备实现全面监视。氨法脱硫系统需要设置的监视点一般有：氨水系统、脱硫塔溢流口、氧化风机、循环泵、干燥出料口、硫铵包装车间、重要监测仪表处等，对监视点的运行状况进行实时监视。 电视系统应设置控制主机（包括LCD），控制主机设在灰网控制室内，实现切换功能，实现电视探头的调焦、变焦距、变光圈功能，并说明变焦距比和摄像头最低照度。实现画面显示和故障报警功能。 控制主机与全厂工业电视系统设有通讯接口，实现信息共享。 四、结束语 氨法以氨为原料，回收烟气中的SO₂，在脱硫的同时，生产具有较大市场且品质优良的硫铵化肥。我国是一个农业大国，粮食大国和化肥大国。因此，我国具有采用氨法实施烟气脱硫工程的有利条件。 氨法脱硫控制系统自动化程度高，不仅可以完全满足整个脱硫系统的安全运行和控制，对整个脱硫系统进行实时监控，并且能在故障发生时及时报警，保证整个脱硫系统的高可靠性。