脫硫自動控制在煙氣脫硫脫硝系統中的設計與應用

0 引言

脫硫脫硝系統是一種高效的環保技術裝備，主要用于減少生產環節燃燒過程中產生的硫氧化物mathrm ，主要是 和氮氧化物 排放。這些氣體是造成大氣污染、酸雨和光化學煙霧等環境問題的主要原因。通過脫硫脫硝系統的處理，可以顯著減少這些有害氣體的排放，有效保護環境和人類健康不受侵害[1]。

某大型鋼鐵企業增設了一條新的燒結機生產線，并為其配備了兩臺雙室四電場的靜電除塵器，以確保燒結過程中產生的煙氣得到有效凈化。經過這一步驟處理后，煙氣會被送入脫硫脫硝系統中進行進一步的處理。本文所述的脫硫脫硝系統結合了循環流化床半干法脫硫、低壓旋轉反吹式布袋除塵以及SCR脫硝等工藝，雙機（主抽風機）單塔布置，以實現燒結機外排煙氣二氧化硫、氮氧化物、顆粒物、氨逃逸達標排放，且無廢水排放。

系統的脫硫效率受多個因素影響，其中關鍵因素有2：1）脫硫劑投加量；2）脫硫塔床層壓差和物料循環；3）脫硫塔出口溫度。目前正在運行的大多數半干法脫硫系統均為人為手動控制，通過操作員手動控制給料機的頻率來調整投藥量，手控返料閥門的開度來調整床層壓差，手控變頻水泵的頻率來調整噴水量進而影響溫度，最終綜合監控系統中的各個因素以使排放達標。本文探討在以上脫硫工藝關鍵環節引入自動控制的思想，以減輕操作員工作強度，提高系統運行效率。系統的控制界面總貌如圖1所示。

1脫硫劑制備系統和投加系統自動控制

1.1 脫硫劑制備系統

脫硫塔配置一套三級石灰干式消化系統，吸收劑消化系統采用臥式雙軸三級攪拌式干式消化器。系統的主要設備有生石灰倉、秤入口給料機、輸送秤給料機、秤出口給料機、一/二/三級消化器、消化器后給料機和輸送風機。主要生產流程：生石灰由粉罐車運至廠內，通過氣力輸灰進入生石灰倉，經過輸送秤給料機送至三級干式消化器，反應完成的消石灰通過氣力輸送風機輸送至消石灰倉。系統的自動控制分為兩個方面：一是整個系統的順控流程及保護聯鎖自控，二是消化器的水料配比。

消化器控制系統程序能夠實現整個流程的一鍵啟停，無須人為干預。根據實際工藝情況提前設好的各設備之間的延時時間，系統可以實現由下游設備至上游設備一鍵啟動，具體步序為：啟動氫氧化鈣輸送風機 → 啟動消化器后給料機 → 啟動倉頂排氣閥 → 啟動倉頂除塵器 → 啟動三級消化器 → 啟動二級消化器 → 啟動一級消化器 → 啟動消化器入口給料機 → 啟動皮帶秤 → 啟動秤入口給料機 → 啟動消化水泵。一鍵停止功能為由上游設備至下游設備依次停止，也需提前設定好各設備之間的延時時間，以保證設備內無存料。同時，各上下游設備之間的保護聯鎖齊全，下游設備故障可自動跳停上游設備，輸送系統故障（包含各級消化器、消化器后給料機、輸送風機的設備故障和電流超限）能夠自動觸發給料系統（包含消化器前給料機、皮帶秤和消化水泵）聯鎖保護停機，防止發生堵料事故。因此，系統在運行過程中無須操作員實時監控，大幅降低了操作員的工作強度。

消化器的加水量采用PID控制，首先根據進料生石灰的品質設置合適的水料比，根據生石灰皮帶秤的實時反饋計算出加水量，再對變頻泵采用PID控制，加水量計算值為設定值，現場流量計瞬時值為反饋量，輸出值控制頻率。系統實現加水量的實時控制與水料比的實時跟蹤，PID流程如圖2所示。由此保證消化器中加水和加料的配比穩定，保證消石灰成品的質量和系統運行的穩定?？刂平缑婧涂刂菩Ч鐖D3所示，頻率及流量跟蹤效果良好。

1.2 脫硫劑投加系統

脫硫塔配備3T和6T兩套消石灰投加系統，主要設備包括消石灰倉、稱前變頻給料機、消石灰螺旋稱重給料機、稱后工頻給料機和氣力輸送風機。系統的自動控制主要包含系統順控和加藥量自控兩個方面。

消石灰投加系統設備由上游到下游順序依次為：消石灰變頻給料機 → 螺旋稱重給料機 → 工頻給料機 → 輸送羅茨風機?？刂葡到y程序能夠實現由下游至上游的一鍵啟動和由上游至下游的一鍵停止，各設備間延時時間可根據實際情況提前設好，無須人為操作。各上下游設備之間的保護聯鎖齊全，下游設備故障觸發上游設備聯鎖保護停機，無須操作員實時監控。

投藥量控制除了手動輸入投加量控制外，還可以根據設定的出口 濃度標準自動控制消石灰的投加量?？刂颇Ｐ蜑楣接嬎愫蚉ID結合的串級PID模型[3]。

首先根據系統的于標煙氣量、消石灰純度、鈣硫比、出口 控制濃度和測量濃度計算出消石灰的理論消耗量，計算公式為：

式中： m 為消石灰計算耗量 ， Q 為干標煙氣量，16% 基準氧 ； 為煙肉出口 控制濃度 （標準：干基， 16% 氧含量）； 為煙肉出口 測量濃度 （標準：干基， 16% 氧含量）；b 為鈣硫比； 為消石灰純度。

在此基礎上引入PID控制，以出口 控制濃度為設定值，出口 測量濃度為反饋值，輸出范圍 ，以達到增減調節的目的。根據現場實際情況，通過調整PID調節值系數 和理論值權重系數 ，以達到最佳的控制效果。消石灰總量計算公式為：

式中： M 為消石灰消耗總量 為消石灰計算耗 量 . 為PID調節值權重系數； 為理論值權重系 數； 為PID調節輸出，范圍 o

將消石灰總量作為投加系統的設定值，通過稱重皮帶給料秤控制消石灰的實時投加量。實際運行已能夠將出口 濃度自動控制到設定值附近，控制

范圍波動在 左右，滿足用戶要求。實際控制界面和控制效果如圖4所示。

2 床壓自動控制與灰斗自平衡

2.1 床壓自動控制

脫硫塔床壓是系統運行過程中的重要指標，可以有效反映脫硫塔內的固體顆粒量。合理控制床壓有助于維持脫硫塔內適當的固體顆粒濃度，這對于提高脫硫效率至關重要4。本系統通過控制返料閥門的開度來控制脫硫塔壓差的變化。

返料閥門的控制方式分為三種：手動控制、同操控制和自動控制。

1）手動控制：在此種條件下可以人工設置六個返料閥門各自的開度。

2）同操控制：在此種條件下參與同操返料閥門開度為統一人工設定的同操值?？梢酝ㄟ^偏差值的設定來微調各個返料閥門的開度。

3）自動控制：在此種情況下參與同操返料閥門將接受床壓控制自動調節程序的設定。

床壓自控的控制邏輯如下：首先，床層壓差 總壓差-基礎床壓?；A床壓根據煙氣量Q作對應，由40% 至 110% 標量，每 5% 做一級。由于返料閥門的頻繁調節會造成床壓的跳動，嚴重時可能造成塌床或退床，因此在自動控制條件下，閥門開度設定受床層壓差的柔性階梯控制。輸入床壓控制設定值，高限、上上限、上限、下限、下下限和低限六個偏差值，對應區間的開度變化值，對應動作的等待時間。每次閥門同操值輸出變化后，計時器開始計時，同時實時掃描床壓，當床壓處于相應區間且計時器大于對應的等待時間時，閥門同操值進行相應幅度的變化，并進入下一個掃描周期，邏輯如圖5所示。

在此種控制模式下，既可以通過設置不同的床壓控制限定值來劃分不同的控制區間，又可以通過設置閥門動作幅值來控制床壓的變化速率，同時還可以通過設置等待時間來避免短時間內閥門多次動作，維持床壓的穩定，防止床壓發生驟變。從生產運行的實際效果看，在工況穩定的情況下，可將脫硫塔床壓偏差控制在 ±100Pa 以內。控制界面及效果如圖6所示。

2.2 灰斗自平衡控制

脫硫塔后布袋除塵裝置布置的前后位置和連通關系，必然導致各個灰斗積灰速率的不同，靠近脫硫塔的灰斗積灰更快，遠離的更慢。為了保證各個灰斗返料過程更加均勻、無突變，并防止灰斗長期料多造成板結，引入灰斗自平衡控制是很有必要的。

在自動調節條件下需要設定一個偏差系數，根據六個灰斗的總重進行調節，重量大的多開一點，重量小的少開一點，以實現各灰斗內灰量相對平衡。平衡系數為：

由于脫硫塔內物料濕度及煙氣流速等工況因素影響，有時僅憑自平衡系數仍然無法平衡各灰斗重量，此時需要引入一個調整系數，即當灰斗重量大于平均值1.1倍（可調整）時，在當前開度基礎上再乘以1.08（調整系數，可調）；當灰斗重量小于平均值時，取消調整系數，以此達到動態平衡的效果。

因此，灰斗開度輸出值的表達式為：

灰斗開度 同操值 × 平衡系數 ×100%

3 工藝水系統自動控制

脫硫塔內部溫度是脫硫效率的重要影響因素。溫度過低，脫硫劑的活性降低，反應速率減慢，從而影響脫硫效果；溫度過高，則可能導致脫硫劑的分解和氧化，同樣會降低脫硫效率5。因此，合理控制脫硫塔內部溫度，可以確保脫硫劑在最佳活性狀態下工作，是脫硫控制的關鍵。工藝水系統包括工藝水箱、工藝水泵、霧化噴槍、噴水量調節裝置等。本系統配備三臺工藝水泵（二用一備），為上下兩層霧化噴槍供水，通過調整變頻水泵頻率控制霧化噴槍的噴水量，從而達到控制脫硫塔出口溫度的目的]。

工藝水系統同樣采用類似于床壓控制的柔性階梯控制，設置脫硫塔出口溫度設定值，上上限、上限、下限和下下限四個偏差值，對應區間的開度變化值，對應動作的等待時間。每次頻率輸出變化后，計時器開始計時，同時實時檢測出口溫度，當溫度處于相應區間且計時器大于對應的等待時間時頻率進行相應幅度的變化，并進入下一個掃描周期。從生產運行的實際效果看，在工況穩定的情況下，可將脫硫塔出口溫度偏差控制在 以內?？刂平缑婕翱刂菩Ч鐖D7所示。

4控制系統構成

5 結論

本套系統選用了西門子S7-416H穴余PLC控制系統，每套PLC系統均采用控制主站 + 分布式I/0的形式，主站與遠程站采用PROFINET通信方式，具有高速網絡傳輸、硬件熱插拔功能和完善的穴余結構。系統編程軟件為STEP7V5.7，系統上位機組態軟件采用西門子當前主流版本WINCCV8.0。網絡系統采用西門子X200系列管理型交換機組成環網，保證了網絡系統的冗余穩定。

某大型鋼鐵企業新建燒結機配套煙氣脫硫脫硝系統，在脫硫工藝的脫硫劑制備系統和投加系統、床壓自動控制與灰斗自平衡、工藝水溫控系統等關鍵環節引入自動控制，降低了現場操作人員的勞動強度，提高了脫硫效率，節約了物料消耗，為脫硫脫硝的精益化生產、生產能耗的降低及設備的智能控制都提供了強有力的保證，具有廣泛的應用前景和深遠的現實意義。

[參考文獻]

[1] WANG J J，WANG Y J，SHE X F，et al.Numerical studyon the distribution of flue gas residence timein the desulfurization and denitrification systemby the optimization of the model[J].InternationalJournal of Chemical Reactor Engineering，2022，20（10）：1095-1105.

[2]梁克順，馬立新，郭玲妹.煙氣脫硫智能控制系統研究[J].電力科學與工程，2019，35（4）：59-63.

[3]顧莉娟.高效脫硫協同除塵技術的應用[J].中國資源綜合利用，2018，36（7）：125-127.

[4]張鈺熙.高爐熱風爐煙氣脫硫控制系統設計[J].治金與材料，2024，44（5）：72-74.

[5]曹亞明.循環流化床鍋爐爐內脫硫效率分析[D].沈陽：東北大學，2008.

[6]趙喜峰.循環流化床半干法脫硫工藝優化研究[J].裝備維修技術，2024（3）：46-48.

[7］童莉，韓毅，趙旭東.與袋式除塵器配套的半干法煙氣脫硫技術及應用[J].中外能源，2010，15（5）：99-102.