石灰石湿法烟气脱硫控制系统毕业设计详解

河南机电职业学院

毕业论文（毕业设计）

题目：火电厂石灰石湿法脱硫控制技术

所属系部：电子工程系

专业班级：电气自动化技术12-1

学生姓名：王霄飞

指导教师：苗国耀

2015 年06月11 日

毕业论文（实习报告）任务书

指导教师签字：教研室主任签字: 年月日年月日

毕业论文（毕业设计）评审表

目录

1 绪论 (1)

1.1 选题背景及意义 (1)

2 火电厂脱硫系统的工艺原理 (2)

2.1石灰石－石膏湿法脱硫工艺流程 (2)

2.2 吸收系统 (3)

2.2.2工艺水系统和排放系统 (8)

2.3脱硫系统运行控制方式 (9)

2.3.1 启动 (10)

2.3.2停运 (11)

2.3.3 紧急停运 (13)

2.3.4 变负荷运行 (14)

2.3.5 装置和设备保护措施 (15)

3 FGD系统的DCS控制系统的设计 (16)

3.1烟气系统控制 (16)

3.2石灰石浆液制备系统控制 (17)

3.3 石灰石浆液浓度控制 (18)

3.4石灰石浆液箱液位控制 (19)

3.5石膏脱水系统控制 (20)

3.6 FGD系统仪表选型及影响因素 (21)

3.7 流程总图 (23)

3.8 MACSV系统组态设计 (24)

3.8.1数据库总控工程建立 (24)

3.9本章小结 (27)

4结论 (28)

参考文献 (29)

摘要：石灰石湿法烟气脱硫是目前工艺较为成熟、应用最广泛的脱硫工艺，其脱硫过程是气液反应，反应速度快、脱硫效率高，综合经济性能较好，在国内电厂脱硫工艺中被广泛应用。在烟气脱硫系统中，控制系统的设计非常重要，控制系统设计是否恰当直接影响脱硫系统的运行，甚至影响主机系统的长期安全稳定运行。本文设计的脱硫控制系统有完善的热工模拟量控制，并且各项功能在DCS系统中统一实现。

首先简要介绍了石灰石-石膏湿法烟气脱硫技术及其控制系统的现状、发展趋势、主要工艺设备、工艺流程及原理。接着对脱硫控制系统的控制方案进行了详细设计和研究，主要包括自动调节系统设计、联锁保护条件设计等。最后，对脱硫重要仪表进行了选型和设计。

本文对烟气脱硫工程的自动化控制给出完整、详细的分析和方案。通过国产的HOLLiAS-MACS系统以达到烟气脱硫项目的自动化控制。

关键词：石灰石湿法脱硫脱硫控制

1 绪论

1.1 选题背景及意义

近年来，人民物质生活水平逐步提高，环境问题越来越引起人们的关注。它不但关系着人民群众的生活环境、身体健康，而且还影响国家的形象，甚至制约国家和企业的可持续发展。

二氧化硫是众多大气污染源中最主要的污染源。我国是燃煤大国，一直以来，煤炭占据一次能源的消费总量很高，而且呈不断增长趋势。随着煤炭消费的不断增长，燃煤所排放的污染物二氧化硫也不断增加，导致我国酸雨和二氧化硫污染日益严重。据统计，2007年我国原煤总产量为25.23亿吨，其中用于火力发电的燃煤高达12.82亿吨，电煤占据当年原煤总产量的近51%。因此，控制火电厂二氧化硫的排放，对改善大气环境质量，保障人民群众身体健康，促进火电厂可持续发展显得特别重要。对于二氧化硫的排放控制，我国环保部门先后出台了各种的措施和办法，要求新建的电厂随同主机组同步安装脱硫设施，已建电厂须对现有设备进行改造,增设脱硫装置，从而保证二氧化硫排放量达到国家规定的最高允许排放限值，以减少其对环境造成的严重污染。另外，国家对燃煤电厂脱硫减排情况定期进行环保核查，并据此执行脱硫电价政策。针对在核查中发现的脱硫系统停运、脱硫效率不达标的企业，将严格执行脱硫电价扣减以及处罚规定，并且足额征收二氧化硫排污费。

国家环保减排规定和环保核查要求越来越严格，脱硫设施数据监测是否准确、脱硫设备控制情况是否稳定，将决定着环境控制的质量管理以及总量控制。国家环保部规定，所有脱硫设施必须安装分散式控制系统(DCS系统)，用以实时监控脱硫系统设备运行情况。要求DCS系统能随机调阅脱硫设备运行参数及历史趋势，相关数据必须至少保存六个月以上。分散控制系统是当前控制技术领域的重要控制方式，它的最大优点是信息处理快速，计算和逻辑处理准确性和可靠性比较高，信息存储方式灵活多样，存储容量较大，而且存储的信息易于传递。随着计算机技术的飞速发展，分散控制系统也越来越完善。关于脱硫设备的分散控制系统选型，应该遵循成熟、可靠的原则，控制系统必须具备数据来集与处理、自动控制、保护、联锁等多项功能[5]。

2 火电厂脱硫系统的工艺原理

2.1石灰石－石膏湿法脱硫工艺流程

石灰石-石膏法脱硫装置的工艺图如图2-1，其主要包括烟气系统、吸收系统、石膏脱水系统、制浆系统、工艺水系统、排放系统等。石灰石浆液通过喷嘴雾化喷入吸收塔，分散成细小的液滴并覆盖吸收塔的整个断面。这些液滴与塔内烟气逆流接触，发生传质与吸收反应，烟气中的SO2、SO3及HCl、HF 被吸收。SO2吸收产物的氧化和中和反应在吸收塔底部的氧化区完成并最终形成石膏。

为了维持石灰石浆液的pH值恒定并减少石灰石耗量，石灰石被连续加入吸收塔，同时吸收塔内搅拌器、氧化空气和吸收塔循环泵不停地搅动，以加快石灰石在浆液中的均布和溶解。

图2.1石灰石-石膏湿法烟气脱硫工艺流程图

2.2 吸收系统

如图2-2，吸收系统是FGD的核心装置，烟气中的SO2在吸收塔内与石灰石浆液进行接触，SO2被吸收生成CaSO3，在氧化空气和搅拌器的作用下最终生成石膏，产生的石膏浆液通过石膏浆液排出泵抽出，送至石膏水力旋流器浓缩，浓缩后的石膏浆液再送至二级脱水系统。主要设备是：

图2.2 吸收系统

1、吸收塔（以喷淋吸收塔为例）

喷淋吸收塔又称空塔或喷淋塔，塔内不减少、结垢可能性小，阻力低，是湿法脱硫FGD装置的主流塔形，通常采用烟气与浆液逆流接触方式布置。

浆液喷淋系统包括喷淋组件及喷嘴。一个喷淋层由带连接支管的母管制浆液分布管道和喷嘴组成，喷淋组件及喷嘴的布置设计对称、均匀，覆盖吸收塔的横截面，并达到要求的喷淋浆液覆盖率，使吸收浆液与烟气充分接触，从而保证在适当的液气比下可靠地实现95%的脱硫效率，且在吸收塔的内表面不产生结垢。

喷嘴是喷淋吸收塔的关键设备之一。一般脱硫浆液的入口压力为0.05-0.2MPa，流量为30-170m3/h，喷嘴喷雾角为90°左右，大部分液滴直径为500-3000μm，并要求尽量均匀。喷嘴喷出的液滴的直径小、比表面积大、传质效果好、在喷雾区停留时间长，均有利于提高脱硫接的利用率。

吸收塔顶部布置有放空阀，正常运行时该阀是关闭的。当FGD装置走旁路或停运时，放空阀开启以排除塔内的湿气，消除吸收塔氧化风机还在运行时或停运后冷却下来时产生的与大气的压差。

2、吸收塔浆液循环泵

浆液循环系统采用单元制设计，每个喷淋层配一台浆液循环泵，每台吸收塔配三或四台浆液循环泵，由于浆液循环泵的运行介质为低pH值浆液，且含

有固体颗粒，因此必须进行防腐耐磨设计。

一般在循环泵前装设有不锈钢滤网，可以防止塔内沉淀物吸入泵体而造成泵的堵塞和损坏。

3、除雾器

除雾器是FGD的关键设备，其性能直接影响到湿法FGD系统能否连续可靠运行。当带有液滴的烟气进入除雾器通道时，由于流线的偏折，在惯性的作用下烟气实现液气分离，部分液滴撞击在除雾器叶片上被捕集下来。除雾器故障会造成脱硫系统停运，因此，科学合理的设计和使用除雾器对保证FGD系统的正常运行有着非常重要的意义。

4、氧化空气系统

氧化空气系统包括氧化风机，氧化装置（氧化空气分布网、氧化喷枪）等。在湿法脱硫工艺中自然氧化和强制氧化，二者主要区别在于是否向吸收塔注入墙纸氧化空气。自然氧化工艺中不通入强制氧化空气，吸收浆液中的SO2有少量在吸收区被烟气中的氧气氧化；强制氧化是向吸收塔内的氧化区喷入空气，促使可溶性亚硫酸盐氧化成硫酸盐，控制结垢，最终结晶生成石膏。

氧化装置一般有两种布置方式，即管网式和喷枪式。

5、吸收塔搅拌器

吸收塔搅拌器水平径向布置在吸收塔下部，一般为3~4个，其作用使浆液保持在流动状态，石灰石颗粒也均匀悬浮状态，保证浆液对SO2的吸收和氧化。

如图2-3，采用石灰石湿磨制浆时，一般要求浆液中90%的石灰石粒径小于或等于250目（63μm）。用车将石灰石（粒径小于或等于20㎜）送入卸料斗，经给料机、斗式提升机送入石灰石贮藏内，再由称重给料机送到湿式球磨机磨成浆液，石灰石浆液用泵输送到水力旋流器经分流，大尺寸物料再循环，合格的溢流存储于石灰石浆液箱中，而后经石灰石浆液泵送至吸收塔。

图2.3 制浆系统

石灰石湿磨制浆系统主要包括卸料斗、石灰石贮存、石灰石输送机、承重给料机、石灰石磨机、磨机浆液循环泵，磨机再循环箱、水力旋流器、石灰石浆液箱、石灰石浆液泵及石灰石浆液箱搅拌器等。

磨机一般选用湿式球磨机。电动机通过离合器与球磨机小齿轮连接，驱动球磨机旋转。润滑系统包括低压油润滑系统和高压油润滑系统。低压油润滑系统通过低压液压泵向球磨机两端的齿轮箱喷淋润滑油，对传动齿轮进行润滑和降温；高压油润滑系统则通过高压液压泵打向球磨机两端的轴承，并将磨机轴顶起。来自球磨机轴承的有再打回油箱，油箱设有加热器，用以提高油温，降低粘度，从而保证油具有良好的流动性。低压油润滑系统设有水冷却系统，可降低低压润滑油的温度，防止球磨机齿轮和轴承等转到部件温度过高。齿轮喷淋装置当主电动机工作时自动启动，主电动机停止时自动停止。

每台球磨机配置一组石灰石浆液旋流器，该旋流器用于球磨机出口石灰石浆液的分离。分离后的溢流浆液（浓度控制在25wt%-30wt%，密度为1250kg/m3）直接进入石浆箱，底流返回球磨机继续研磨。

石灰石浆箱液位和浓度通过石灰石和水的流量来调节。为了维持石灰石浆箱中液位和浆液浓度，应控制向石灰石浆液箱的石灰石浆液补充工艺水和过滤水。石灰石浆箱的浆液浓度通过维持石灰石和过滤水的比率保持恒定。

2.2.1石膏脱水系统

石膏脱水系统的作用是脱除石膏浆液中的水分以方便存储及外运脱除的水分返回至吸收塔或吸收剂制备系统重复利用以节约用水量。石膏脱水系统分为一级脱水系统和二级脱水系统。

1、一级脱水系统

在吸收塔内于SO2反应生成的石膏晶体被石膏浆液排出泵送至石膏旋流器中进行初步分离，以保证吸收塔内密度维持在设定值（一般为1070-1110kg/m3）。由吸收塔来密度在15wt%左右的浆液经过石膏旋流器中初步分离后，顶流浓度为3wt%-4wt%，底流浓度通常为50wt%。石膏旋流器底流浆液送至缓冲箱，一部分返回吸收塔，另一部分则由泵送至废水旋流器进行处理。

a、石膏浆液排出泵

石膏浆液排出泵一般采用离心泵，且设有变频器装置，主要作用是将浓度在15wt%左右的浆液送至石膏旋流器中初步脱水。通过变频装置调节泵的转速，以恒定石膏旋流器的入口压力。当FGD系统检修时，石膏浆液排出泵将吸收塔内的浆液送至事故浆液箱。

石膏浆液排出泵的管道上设有两台pH计和两台密度计，并分别将pH值和密度值送至脱硫分布式控制系统（DCS）画面上。

石膏浆液排出泵管道上设有回流管，部分石膏浆液回收再循环。

b、石膏旋流器

石膏旋流器主要是用于分离及分类颗粒物。当带有压力的石膏浆液进入旋流器后，在强制离心沉降的作用下，大小颗粒实现分离。旋流器的进口起导流作用，减弱因流向改变产生的紊流扰动，柱体部分为预分离区，大小颗粒受离心力的不同而由外向内分散在不同的轨迹，为后期的分离提供条件；锥体部分为主分离区，石膏浆液受减缩的器壁的影响，逐渐形成内、外旋流，大小颗粒之间实现分离；溢流口和底流口分别将溢流和底流水力导出，并防止二者之间的掺混。

石膏旋流器的工作压力一般为0.2MPa左右，入口压力越大，则溢出部分浆液的颗粒就越小；通过改变石膏旋流器的沉砂嘴直径就也可变换旋流器顶流（底流）的浆液量及浓度。因此，通过上面所述的两种方式可以提高石膏旋流器的分级效率。

石膏旋流器底流中，合格的石膏浆液送至石膏浆液箱，不合格的石膏浆液则返回吸收塔进一步结晶。

c、废水旋流器

废水旋流器工作原理类似于石膏旋流器。石膏旋流器的顶流浆液部分送至

废水旋流器，废水旋流器的底流浆液送至吸收塔，废水旋流器的顶流部分浆液送至废水箱，含有废弃成分的废水再经废水泵送至废水处理系统。

2、二级脱水系统

石膏旋流器底流浆液通过鱼尾形进料口输送到真空皮带脱水机，均匀地分布在皮带机的滤布上，依靠真空吸力和重力在运转的滤布上形成石膏饼。石膏浆液中的水分沿程被逐渐吸出，含固量为90wt%的石膏饼则由运转的滤布输送到皮带机的头部（驱动电动机一端），卸料托改变滤布转向，石膏饼在重力的作用下落入石膏仓。转向后的滤布被滤布冲洗喷嘴清洗干净后又转回到石膏浆液进料口的下部，开始新的脱水循环。滤液被收集到滤液水箱重复利用（返回吸收塔或用于石灰石浆液制备系统用水），从脱水机吸来的空气经真空泵排到大气中。

a、真空皮带脱水机

真空皮带脱水机由脱水皮带、皮带滚筒、脱水电动机、皮带和滤布支撑托、真空盘、滤布、滤布张紧装置、滤布纠偏装置、限位开关、拉线开关盒急停按钮和进料口。

b、水环真空泵

水环真空泵是进行石膏浆液脱水的动力设备。真空泵工作时，因偏心叶轮的转动，泵体和叶轮之间形成月牙形空腔，产生负压。在负压的作用下，石膏浆液的游离水随抽吸的空气一起经皮带机真空箱进入滤液回流母管，然后切向进入气水分离器。在气水分离器内，由于气体和液体不同的离心作用发生分离，空气又真空泵排到大气，水在重力的作用下进入滤液箱。

图2.4 石膏脱水系统流程图

2.2.2工艺水系统和排放系统

1、工艺水系统

FGD的工艺水一般来自电厂循环水，也可以深井水及灰场回水（取决于水中氯离子、硫酸根离子和杂质含量）。

a、工艺水主要用途

（1）补充烟气携带、废水排放、石膏携带水而造成的水损失。

（2）除雾器冲洗及维持吸收塔正常液位的补充水。

（3）各设备及管道的冲洗、各设备的密封及冷却水。

（4）石灰石浆液制备系统补水。

（5）氧化空气增湿冷却水。

b、工艺水系统的组成

工艺水系统主要包括：工艺水箱（该工艺水箱设计要确保FGD装置安全运行）、工艺水泵及除雾器冲洗水泵。

2、排放系统

浆液排放系统主要包括浆液箱（罐）和地坑系统。

事故浆液箱用于临时储存吸收塔内的浆液。当FGD装置检修或发生故障而需要排空吸收塔内浆液时，吸收塔浆液由石膏排出泵排至事故浆液箱。通过事故浆液泵，浆液可以从事故浆液箱返回吸收塔。事故浆液箱则设有搅拌器和事故浆液泵。

地坑系统有吸收塔区地坑、石灰石浆液制备系统地坑及石膏脱水地坑，其用于储存FGD装置的各类浆液，包括设备运行、设备故障、取样、冲洗过程中产生的浆液。地坑系统主要设备有搅拌器和地坑泵。

2.3脱硫系统运行控制方式

图2.5 FGD的主要启动步骤