焦爐煙氣脫硝系統中氨水蒸發工藝的控制
摘 要: 介紹了焦爐煙氣脫硝系統中氨水蒸發的工藝、設備及控制，指出焦爐煙氣脫硝運行中存在的問題，及時調整控制指標，保證了氨水蒸發工藝穩定運行，實現了焦爐煙氣超低排放。
關鍵詞: 煙氣脫硝; 工業氨水; 氨水蒸發; 連鎖控制
焦化行業對氮氧化物等污染物排放要求日趨嚴格，焦爐煙氣SCR脫硝系統中采用的氨水蒸發工藝操作復雜，運行穩定性差。對氨水蒸發工藝、設備選型、管線布置、DCS 自動化控制等多方面進行優化，通過 1 年多的調試，該氨水蒸發工藝運行穩定，控制精準，處理后的煙氣可以達到超低排放標準。
1 氨水蒸發系統的組成
1. 1 氨區系統
氨區設置 2 個 100 m3 氨水貯罐，材料為 304 不銹鋼，其凈儲存量可以滿足 4 座焦爐連續運行 5 天。氨水貯罐采用常壓設計、立式平底結構，貯罐頂部設置帶阻火器的呼吸閥及安裝有磁翻板液位計，并設置高低液位報警儀，溫度、壓力顯示儀，人孔、爬梯等附件。為了便于監測管理，氨水貯罐除了設置現場液位計以外，還設置了遠傳雷達液位計，氨水貯罐的液位和溫度可在 DCS 上顯示。為保證安全，氨水貯罐采用內浮頂式設計，當充裝氨水時，內浮頂隨液位的升高而上升，始終漂浮在液體上方，可以減少氨水的蒸發面積，降低氨水的蒸發量。為了防止貯罐內吸入空氣，還在氨水頂部通入氮氣，裝置運行時內浮頂上部空間為氮氣環境，消除了產生爆炸性混合氣體的條件。氨水泵向氨水蒸發器輸送氨水，泵的出口壓力為 0. 60 MPa，根據脫硝后煙氣中氮氧化物的含量，由入口調節閥進行氨水流量調節。
1. 2 氨水預熱器
氨水預熱器采用固定管板的管殼式換熱器。氨水預熱器的作用是利用氨水蒸發器產生的蒸汽凝液將氨水進行初次預熱，一方面節約氨水蒸發器的蒸汽耗量，另一方面降低蒸汽凝液的溫度，使蒸汽凝液在回到余熱鍋爐補水的過程中減少氣態損失。
1. 3 氨水蒸發器
氨水蒸發器為固定管板的立式熱虹吸再沸騰器，這種形式的換熱器造價低、占地面積小、傳熱效率高。氨水蒸發器與氨水緩沖罐有安裝高度要求，氨水緩沖罐中的液體靠靜壓頭進入氨水蒸發器，被蒸汽加熱部分氣化后進入氨水緩沖罐中進行氣液分離。氨水蒸發器采用 0. 8 MPa 低壓過熱蒸汽加熱，加熱后的蒸汽變為蒸汽凝結水，靠液位差進入凝液緩沖罐。加熱蒸汽的流量根據氨水緩沖罐的液位通過 DCS 自動控制。
1. 4 氨水緩沖罐
氨水緩沖罐有 2 個作用，一是進行氣液分離，二是作為氣體緩沖。從氨水蒸發器來的氨水為氣液兩相，緩沖罐分離出來的氣相進入氨氣/煙氣混合器，與稀釋煙氣混合后送至噴氨格柵。分離出來的液相自流循環至氨水蒸發器。氨氣緩沖罐出口管線上裝有壓力控制閥，采用控制氨氣壓力來達到氨氣過熱的目的。氨氣緩沖罐上裝有液位控制系統，通過控制加熱蒸汽的流量使緩沖罐內液位穩定。當氨水的蒸發壓力一定，氨水緩沖罐的液位不變時，進入的氨水質量等于蒸發出的氨氣質量。為了防止氨氣在輸送管道上冷凝，氨水蒸發在 0. 1 MPa 壓力下進行，此時蒸發溫度為 119 ℃。當氨氣通過罐頂壓力控制閥減壓后，氨氣為過熱狀態，在采取保溫和伴熱措施后保證不會發生冷凝。氨水緩沖罐為壓力容器，上部裝有安全閥，可防止設備壓力過高。
1. 5 凝液緩沖罐
凝液緩沖罐的作用是收集氨水蒸發器中的蒸汽凝結水。蒸汽凝結水靠位差從氨水蒸發器中自流至凝液緩沖罐，通過調節閥控制凝液緩沖罐的液位，以保證只排出凝結水而不損失蒸汽。凝液緩沖罐排出的蒸汽凝結水再進入氨水預熱器進一步回收其中的熱量，最后排到余熱鍋爐軟水箱。凝液緩沖罐為壓力容器，上部裝有安全閥，可防止設備壓力過高。由于排放介質是低壓蒸汽，可以在安全的地方直接排放。氨水蒸發工藝流程如圖 1 所示。
2 氨水蒸發工藝的控制及連鎖
2. 1 氨水流量的串級控制
氨水流量與氮氧化物排放量的控制為串級控制，通過控制噴氨量來控制氮氧化物排放量。在裝置開工初期，操作人員手動調節氨水預熱器入口閥門開度，使氨水流量達到設計值，并根據氮氧化物排放量和氨逃逸量調節氨水流量。當氮氧化物排放量和氨逃逸量達到工藝要求時，以此值作為氨水流量計的設定值，將氨水流量投入自動控制。此時氨水流量計根據設定值發出控制信號，調整開度，使氨水流量穩定在設定值。當自動控制穩定后，可以將氮氧化物排放值作為變量參加控制，實現串級調節。根據氮氧化物在線檢測儀檢測到的氮氧化物排放濃度，手動調整氨水流量設定值，控制煙氣中 NOx 含量小于 100 mg /m3 。當 NOx 排放量穩定后，將 AICA -3005 投入串級控制。投入串級調節后，當氮氧化物檢測儀檢測到排放的氮氧化物濃度與設定值發生偏差時，會發出一個修正信號，自動修改氨水流量計的設定值。氨水流量的設定值被修改后，控制系統會自動修正入口調節閥開度，使氨水的流量根據氮氧化物的排放量而變化。同時結合焦爐煙氣脫硝工藝，把交換機換向報警信號取到 DCS 進行邏輯控制，交換機換向時提前控制氨氣的噴氨量，既滿足氮氧化物的排放量變化又保證氨逃逸指標控制在 5 mg /L以下。
2. 2 氨水緩沖罐的液位控制
在氨水進料量、氨水蒸發壓力一定的條件下，氨氣流量與氨水緩沖罐液位有關。通過調節加熱蒸汽的流量來控制氨氣緩沖罐的液位，使之保持相對恒定，此時氨水進料量等于氨水蒸發量。正常工況下，氨氣緩沖罐液位控制在測量儀表的 68% 量程，當氨氣緩沖罐液位升高或降低時，液位傳感器檢測到測量值與設定值產生了偏差，發出信號使加熱蒸汽調節閥開大或關小，增加或減少加熱蒸汽的流量，從而保持氨水緩沖罐液位的穩定。
2. 3 氨水緩沖罐的壓力控制
氨水在 20 kPa 壓力下的蒸發溫度為 118 ℃，此溫度為飽和溫度，當溫度稍微降低時，氨氣就會冷凝為液體。為了使氨氣在輸送過程中不易冷凝，采用過熱氨氣的輸送方式。方法是使氨水在 20 kPa 壓力下蒸發( 此時氨水的蒸發溫度為 118 ℃ ) ，之后通過壓力控制閥使之減壓到 10 kPa，此時氨氣溫度為 110 ℃，遠大于飽和溫度，氨氣不易冷凝。氨水緩沖罐的壓力控制采用單回路簡單控制，安裝在氨水緩沖罐上部的壓力傳感器設定在 20 kPa，當壓力升高或降低時，調節閥動作，使氨水緩沖罐的壓力保持在 20 kPa。
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