關(guān)鍵詞：燃煤鍋爐；煙氣處理；電控系統(tǒng)；設(shè)計要點

中圖分類號：TP273；TK229.6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0 引言

燃煤鍋爐煙氣處理系統(tǒng)用于降低SO2、NOx（氮氧化物）以及煙塵的排放濃度，其在運行過程中，需要根據(jù)煙氣的排放情況控制物料，從而促進(jìn)脫硫、脫硝的化學(xué)反應(yīng)。電控系統(tǒng)可實現(xiàn)排放指標(biāo)監(jiān)測、閥門啟停、物料制備與輸送，是整個煙氣處理系統(tǒng)實現(xiàn)自動化控制的基礎(chǔ)，因此對其展開研究。

1 燃煤鍋爐煙氣處理系統(tǒng)設(shè)計要點

1.1 燃煤鍋爐概況

其企業(yè)使用4 臺燃煤鏈條鍋爐，單臺鍋爐的燃煤消耗速度為1.8 t/h。在原設(shè)計方案中，鍋爐采用水膜除塵器處理煙氣，經(jīng)過處理后，SO 的排放濃度達(dá)到1 450 ～ 2 580 mg/Nm³，NO 的最大排放濃度為550 mg/Nm³，煙塵的排放濃度為75 ～180 mg/Nm³。SO、NO 和煙塵的最大排放濃度均存在超標(biāo)情況，須進(jìn)行工藝改造。

1.2 煙氣處理系統(tǒng)工藝設(shè)計

燃煤鍋爐煙氣處理旨在降低SO、NO 和煙塵的排放量，因而煙氣處理系統(tǒng)涵蓋脫硫、脫硝和除塵3 種基本工藝。

1.2.1 脫硫工藝設(shè)計

脫硫技術(shù)發(fā)展至今，已經(jīng)形成了多種工藝路徑，包括氨法、鈉堿法、鈣法、活性炭法、催化氧化法等。從各類工藝的應(yīng)用范圍來看，鈣法占據(jù)主導(dǎo)地位，該方法又稱為石灰石—石膏法，相應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)式為：

從反應(yīng)式可知，SO 置換了CaCO 中的CO，達(dá)到了脫硫的目的，產(chǎn)物中包含石膏，可用作工業(yè)生產(chǎn)的原料[1]。該企業(yè)在脫硫改造中，引入鈣法工藝。

1.2.2 脫硝工藝設(shè)計

根據(jù)工程實踐，常用的脫硝工藝包括選擇性催化還原（selective catalytic reduction，SCR） 技術(shù)、臭氧（O）氧化技術(shù)以及選擇性非催化還原（selective non-catalytic reduction，SNCR） 技術(shù)，3種工藝的適用場景存在一定的差異，臭氧氧化技術(shù)主要用于煙氣量中等的鍋爐系統(tǒng)，另外兩種脫硝技術(shù)常用于排氣量較大的鍋爐系統(tǒng)[2]。從脫硝效率來看，O、SCR、SNCR 對應(yīng)的脫硝效率分別為80% ～ 95%、80% ～ 90%、30% ～ 60%。SCR 和SNCR 要求反應(yīng)溫度達(dá)到850～1050℃，但該企業(yè)的鍋爐溫度最高僅為620℃，難以滿足使用要求，故選用臭氧脫硝工藝。其主要的化學(xué)反應(yīng)原理是NO 和NO 與臭氧進(jìn)行反應(yīng)，其產(chǎn)物中的NO 主要為NO 和NO，這兩種物質(zhì)反應(yīng)可生成硝酸鹽，從而完成脫硝，具體化學(xué)反應(yīng)式為：

NO+O→NO+O。 （ 2）

2NO+O→NO+O。 （ 3）

1.2.3 除塵工藝設(shè)計

除塵系統(tǒng)有多種可選的技術(shù)方案，常用的包括機(jī)械除塵、電除塵、過濾除塵、濕式除塵等。根據(jù)鍋爐尾部煙氣的特點，由于煙塵排放濃度較低，機(jī)械除塵和電除塵的效果較差，濕式除塵會產(chǎn)生大量的廢水。因此，該企業(yè)采用過濾除塵技術(shù)，具體方案為脈沖袋式除塵器。

1.3 煙氣處理系統(tǒng)運行參數(shù)設(shè)計

1.3.1 脫硫工藝參數(shù)

脫硫裝置SO 進(jìn)口煙氣含量為800 mg/Nm³，經(jīng)過脫硫處理后，出口煙氣SO含量降至200 mg/Nm³以內(nèi)。石灰石的消耗速度為每小時0.1 t，系統(tǒng)耗電速度為每小時250 kW·h，工藝用水速度為每小時不超過6.2 t。脫硫系統(tǒng)的設(shè)計脫硫效率為不低于75%。

1.3.2 脫硝工藝參數(shù)

鍋爐系統(tǒng)單臺燃煤消耗速度為1.8 t/h，爐膛溫度為620℃，煙氣排放溫度可達(dá)到160℃，鍋爐平均年運行時間為3 840 h，NO 改造前的理論排放濃度為425 mg/Nm³，實際排放濃度為260 ～550 mg/Nm³ [3]。在設(shè)計階段將425 mg/Nm³ 作為參考基準(zhǔn)，要求脫硝效率不得低于53%，因而鍋爐煙氣出口部位的NO 排放濃度應(yīng)小于200 mg/Nm³。

1.3.3 除塵工藝參數(shù)

除塵工藝選用脈沖袋式除塵器，其設(shè)計參數(shù)包括凈過濾面積、過濾風(fēng)速、處理風(fēng)量、出口粉塵濃度、除塵效率等，根據(jù)該企業(yè)的實際情況，要求脈沖袋式除塵器的性能參數(shù)達(dá)到表1 中的要求。

2 燃煤鍋爐煙氣處理電控系統(tǒng)設(shè)計方案及技術(shù)要點

2.1 電控系統(tǒng)控制原理設(shè)計

煙氣處理系統(tǒng)具有一定的自動化水平，通過可編程邏輯控制器（programmable logic controller，PLC）實現(xiàn)綜合自動化，在控制器內(nèi)通過編程的方式設(shè)定清灰控制條件，當(dāng)鍋爐溫度、系統(tǒng)壓力、袋式除塵器出現(xiàn)異常時，由電控系統(tǒng)發(fā)出報警信息[4]。在此次改造中，引入了兩款西門子的PLC 控制器，它們分別為Smart 300 系列和Smart 200 系列，前者用于集中控制，后者用于部分簡單工藝的點控制，如臭氧系統(tǒng)、制氧系統(tǒng)。

2.2 電控系統(tǒng)控制方式設(shè)計

2.2.1 脫硫工藝控制方式設(shè)計

脫硫系統(tǒng)的核心設(shè)備為脫硫塔，其底部安裝有探頭，用于檢測pH。根據(jù)鍋爐的運行情況，由PLC 自動控制補(bǔ)充漿液的加入量，影響PLC 決策的3 個參數(shù)包括：鍋爐的實際運行負(fù)荷、pH 期望值與實測值的差異和煙氣中SO 的含量[5]。在3 個參數(shù)的影響下，PLC 可對漿液供給閥門的開度進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，從而確保漿液的pH 始終維持在合理范圍內(nèi)，促進(jìn)脫硫反應(yīng)的進(jìn)行。

2.2.2 脫硝工藝控制方式設(shè)計

在脫硝工藝系統(tǒng)控制設(shè)計中，配置一套S7-200PLC 控制器，由于脫硝工藝采用臭氧處理技術(shù)，因而PLC 應(yīng)根據(jù)氮氧化物的濃度實時調(diào)節(jié)臭氧發(fā)生器。S7-200PLC 為系統(tǒng)中的從屬控制器，能夠接收PLC 集中控制器發(fā)出的指令，同時向后者反饋臭氧發(fā)生器的運行參數(shù)，如故障信號、報警信號等。從屬PLC 控制器的主要監(jiān)控指標(biāo)為臭氧放電室的壓力變送數(shù)據(jù)和溫度變送數(shù)據(jù)，其能夠改變臭氧發(fā)生器的功率，通過控制進(jìn)氣、出氣閥門，進(jìn)而調(diào)節(jié)O的供給量。

2.2.3 除塵工藝控制方式設(shè)計

除塵設(shè)備的控制方式同樣為PLC 控制器，通過傳感器采集除塵系統(tǒng)的進(jìn)口壓力、出口壓力，以確保進(jìn)出口壓差。針對壓差設(shè)定安全閾值，當(dāng)除塵室進(jìn)出口壓力差超過1.2 kPa 時，電控系統(tǒng)將發(fā)出報警信號。如果該壓差低于0.6 kPa，說明除塵器內(nèi)積灰過多，此時在PLC 控制器的作用下，自動提高清灰的通氣量和頻率。進(jìn)出除塵器的煙氣溫度同樣為重要的監(jiān)測指標(biāo)，在進(jìn)出口煙道以網(wǎng)狀形式布置熱電偶傳感器，對煙氣的溫度進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測。除塵系統(tǒng)具有專門的氣源，利用氣壓傳感器監(jiān)測氣源的壓力，發(fā)生過壓或者欠壓時，由PLC 控制器發(fā)出報警信息。

2.3 電氣控制系統(tǒng)整體設(shè)計

2.3.1 系統(tǒng)構(gòu)成

燃煤鍋爐煙氣處理電控系統(tǒng)的主要硬件設(shè)備和元器件為觸摸屏電控柜、PLC、壓差和溫度傳感器，主要控制對象為電動閥，其可以控制O3、堿性溶液的供應(yīng)量。

2.3.2 控制流程

控制流程分為3 類，分別針對集中操作、機(jī)旁操作和設(shè)備自動控制。其中，集中操作的控制流程：判斷系統(tǒng)是否處于自動停止?fàn)顟B(tài)，并且未鎖定→如果上一步驟的判斷結(jié)果為是，進(jìn)一步判斷現(xiàn)場系統(tǒng)是否選擇集中控制模式→ 如果上一步驟的判斷結(jié)果為是，則點擊控制界面按壓系統(tǒng)的啟動按鈕→ 系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)入自動運行狀態(tài)→ 檢測是否存在故障→ 如果無故障，繼續(xù)運行；若存在故障，則進(jìn)入故障處理階段。

2.3.3 電控系統(tǒng)設(shè)備選型

電控系統(tǒng)由設(shè)備和傳感器組成。設(shè)備包括上位機(jī)、操作控制臺、電動蝶閥等；傳感器涵蓋壓力變送器、信號配電隔離器、壓差變送器、pH 計、質(zhì)量流量變送器、液位變送器等。表2 為電控系統(tǒng)設(shè)備和傳感器選型結(jié)果示例。

3 電控系統(tǒng)組態(tài)軟件設(shè)計及調(diào)試

3.1 組態(tài)軟件設(shè)計

煙氣監(jiān)測子系統(tǒng)針對煙氣中的SO、NO 和煙塵開展連續(xù)監(jiān)測，根據(jù)企業(yè)的設(shè)計要求，系統(tǒng)的精度、量程、響應(yīng)時間需達(dá)到表3 中的規(guī)定。

3.2 系統(tǒng)調(diào)試

3.2.1 機(jī)械設(shè)備檢查與調(diào)試

機(jī)械設(shè)備是鍋爐煙氣處理系統(tǒng)的基礎(chǔ)，也是電控系統(tǒng)控制和監(jiān)控的對象。在正式運行前應(yīng)檢查各個機(jī)械設(shè)備的狀態(tài)。除塵器以焊接方式制作而成，在投入使用之前，應(yīng)檢查焊縫的焊接質(zhì)量，確保其具有良好的氣密性。電磁閥應(yīng)進(jìn)行噴吹調(diào)試，消除漏氣風(fēng)險。系統(tǒng)的供氣管路調(diào)試過程為：先打開進(jìn)出口閥門，對除塵器開展保壓試驗，時間持續(xù)30 min，除塵器內(nèi)的壓縮空氣壓力保持在0.7 MPa，如果壓力無損失，說明管路系統(tǒng)氣密性良好。

3.2.2 電控設(shè)備檢查與調(diào)試

電控設(shè)備和傳感器調(diào)試的重點為接線、絕緣性、電壓和電流穩(wěn)定性、傳感器精度等。例如，在檢查柜與柜之間的接線時，可使用萬用表，逐一排查電壓、電流；觀察在線監(jiān)測系統(tǒng)和工控機(jī)上顯示的數(shù)據(jù)，如果存在異常，說明可能存在接線錯誤，再根據(jù)異常信息排查故障。

4 結(jié)論

該企業(yè)在燃煤鍋爐煙氣處理系統(tǒng)改造中，采用鈣法脫硫、臭氧脫硝以及過濾除塵3 項技術(shù)。在電控系統(tǒng)設(shè)計中，引入PLC 控制器，根據(jù)傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)，對煙氣處理系統(tǒng)中的設(shè)備進(jìn)行控制，促進(jìn)相關(guān)的化學(xué)反應(yīng)。煙氣處理電控系統(tǒng)由控制設(shè)備（如電動閥）、傳感器、組態(tài)軟件等組成，電控系統(tǒng)的設(shè)備包括工控機(jī)、各型電磁閥；傳感器包括壓力變送器、信號配電隔離器、壓差變送器、質(zhì)量流量變送器、pH 計、液位變送器等；在線監(jiān)測系統(tǒng)以組態(tài)軟件為平臺，支持在線數(shù)據(jù)查詢和顯示。