焦爐煙氣加熱及脫硝脫硫一體化工藝技術及控制的應用

于海洋,孔祥翠

(西安航天源動力工程有限公司,陜西 西安 710100)

焦爐煙氣是焦爐生產過程中產生的燃燒廢氣，經初步處理之后的粉塵、二氧化硫、氮氧化物等污染物尚不能達標排放，是形成酸雨和霧霾的主要污染物，對焦爐煙氣脫硝脫硫凈化處理已成為各焦化企業的當務之急。

根據焦爐廢氣的特點，采用焦爐煙氣“加熱+SCR脫硝+半干法脫硫”一體化工藝技術，并采用分散控制系統(DCS)，實現了工藝系統的全自動化控制，發揮了該工藝技術的良好適用性和凈化處理的高效性。該工藝技術已經在焦化企業中得到廣泛應用，保證了焦爐煙氣的達標排放，成為焦化行業實現環保清潔生產的關鍵技術。

1 工藝流程

焦化廠生產的焦爐廢氣，二氧化硫和粉塵含量遠高于國家要求的排放標準，直接排放會導致嚴重的污染。為處理焦爐廢氣采用了脫硝脫硫一體化工藝技術，包括： 焦爐廢氣加熱系統、SCR脫硝系統、余熱回收系統、半干法脫硫系統、布袋除塵系統、引風機、煙氣再熱系統及排放系統，脫硝脫硫一體化工藝流程如圖1所示。

圖1 脫硝脫硫一體化工藝流程示意

焦爐廢氣為粗煙氣與通過加熱燃燒器燃燒焦爐氣產生的高溫煙氣充分混合后，進入SCR反應器，經過選擇性催化還原反應后，將煙氣中的NOx還原成N2和H2O，提高NOx的轉化率，達到脫硝的效果。脫硝后的煙氣進入余熱鍋爐回收熱量，燃燒器可以同時燃燒消除掉煙氣中的氯、氟等污染組分，余熱鍋爐的副產低壓蒸汽可以很好地為煙氣再熱器以及其他設備的伴熱提供熱源。

降溫后的煙氣由脫硫塔底部進入，煙氣中的酸性成分SO2與投加的消石灰粉末(Ca(OH)2)充分混合發生反應,在塔內以湍動、環流的運動方式存在，塔的結構保證了煙氣的滯留時間，通過噴入霧化水的蒸發量調節煙氣溫度，進一步優化了反應條件。脫硫塔內半干法脫硫工藝的化學反應如式(1)～式(6)所示：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

通過上述化學反應，達到煙氣脫硫的目的，反應產物為干態，便于排放、收集以及利用。

基于控制排放粉塵的要求，將脫硫后的煙氣引入布袋除塵器，進一步除塵，控制煙塵排放濃度。經脫硝、脫硫處理的凈煙氣通過引風機送至煙囪排入大氣。

2 技術參數及特點

來自界區的焦爐廢氣溫度為220～250 ℃，溫度較低不能直接進入SCR反應器，與通過加熱燃燒器產生的高溫煙氣混合，將煙氣溫度升高至320 ℃左右進入SCR反應器。

氨水由霧化噴槍均勻噴入煙道中，在大于200 ℃的煙氣中迅速汽化，可實現氨與煙氣的充分混合、均勻分布，在SCR催化劑的作用下，將NOx還原成N2。

在脫硫塔中，煙氣與消石灰成流化狀態混合，為了促進脫硫反應，向脫硫塔內噴入了適量的霧化水，調節塔內煙氣溫度為85～100 ℃，反應產物是干態的，沒有廢水產生。并設置噴水保護功能，當脫硫塔入口煙氣溫度低于120 ℃時，噴水系統停止。

脫硫后的煙氣進入布袋除塵器，除塵器效率為99.99%，使煙塵排放質量濃度ρ(煙塵)<15 mg/m3。 有利于SO2質量濃度的進一步降低。

考慮到上游工段窯爐燃燒的切換頻率，廢氣流量不穩定的情況，在引風機出口至脫硫塔入口之間設置了煙氣再循環管道及煙氣控制閥，以保證脫硫塔床層在煙氣流量大范圍波動時進入脫硫塔的煙氣流量穩定，使得脫硫塔處于穩定運行狀態。

利用余熱鍋爐副產的低壓蒸汽通過煙氣加熱器將煙氣加熱至120 ℃以上，使尾氣排出煙囪不產生白霧。

3 控制系統及要點

3.1 控制系統

脫硝脫硫一體化工藝系統設置獨立控制室，采用DCS，操作人員通過DCS操作員站完成整個脫硝脫硫裝置的監視、控制、調整、異常工況的報警及緊急事故的處理。DCS由1個工程師站、2個操作員站和1個控制站組成。DCS控制站的電源、主控制卡件、通信卡件、以及模擬輸出信號卡件均采用冗余配置，以保證整個控制系統具有較高的可靠性和穩定性，完成數據巡檢、控制算法、控制輸出和網絡通信等功能，提供了一套完整、可靠、安全、高效的自動化系統。

DCS實現自動掃描有關參數和數據處理，定時制表，參數越限時自動報警和打印，根據人工指令自動完成各局部工藝系統或輔機的程序啟停。當DCS發生異常或事故時，通過保護、聯鎖或人工干預，使裝置在安全工況下運行或停機。

該系統提供1路市電電源、1路UPS電源，電源柜內設置自動切換裝置(ATS)。DCS機柜的照明、風扇和儀表檢修插座，由市電電源供電；UPS電源為系統柜、現場儀表和閥門及24 V(DC)電源供電，并為每個操作臺提供1路UPS電源、1路市電電源。

網絡通信協議采用Modbus-RTU，通信電纜采用冗余設置。對于需要重點保護、聯鎖的信號采用硬接線方式，所有不同系統之間的硬接線信號輸入輸出點設置了隔離器。

3.2 控制要點

3.2.1脫硝工段控制要點

加熱燃燒器作為燃燒設備，設定了火焰檢測、超溫、超壓等檢測點，并通過DCS實現緊急停車聯鎖系統。

為了保證進入SCR反應器的煙氣溫度，在預混合煙道出口設置溫度監測點，該溫度點作為給定值(SP)與進入加熱燃燒器的焦爐氣流量調節回路組成串級調節回路，穩定控制進入SCR反應器的煙氣溫度。

SCR反應器入口前的氨水噴霧系統可自動調節，通過煙氣連續排放監測系統(CEMS)提供的NOx，NH3濃度值，調節控制氨水噴射量，在保證脫硝效率前提下控制氨水噴入量、減少系統運行成本，同時避免造成的二次污染。

SCR反應器設置了聲波吹灰裝置，通過催化劑的床層壓差或者定時器計時作為程序控制啟動信號，可以有效地清理積灰，保護催化劑的活性。

3.2.2脫硫工段控制要點

脫硫塔內的固/氣比是保證其良好運行的重要參數，可以通過脫硫塔的底部和頂部的差壓Δp來表示。固/氣比越大，表示固體顆粒的濃度越大，因而塔的Δp越大。Δp的最大值由引風機所能克服的最大阻力所決定，而Δp的最小值則由為保證全部噴水量均能蒸發所需的最小固/氣比所決定。使用Δp控制脫硫塔的再循環灰量，從而保證了塔內必需的固/氣比，控制再循環灰量也是控制的核心。

為獲得Δp真實值，分別在脫硫塔的進、出口設置3個壓力檢測點，通過合理布置取壓點的位置和導壓管的角度，準確測得煙氣的有效壓力值再計算Δp，保證了脫硫塔Δp的真實性和準確性。

為了保證脫硫塔噴嘴的霧化效果，不是直接控制噴嘴的給水量，而是通過控制在回水管路上的控制閥來調節回水的流量，達到控制霧化水的流量目的。回水控制閥完全打開時，噴槍用水量最小，而控制閥關閉時噴槍用水量最大。調節回路的設定值為煙氣流量和煙氣溫度。

4 結束語

某焦化廠自采用焦爐廢氣“加熱+SCR脫硝+半干法脫硫”一體化工藝技術以來，設備運行穩定，煙氣脫硝脫硫效果良好。凈煙氣中粉塵顆粒物、二氧化硫、氮氧化物、氨逃逸等污染物能夠達到DB 13/2863—2018《煉焦化學工業大氣污染物超低排放標準》的要求，實現了焦爐廢煙氣的環保排放要求。工藝技術得到推廣的同時也為同行業的污染物治理提供了數據和實踐經驗。