焦炉烟气脱硝系统中氨水蒸发工艺的控制
摘 要: 介绍了焦炉烟气脱硝系统中氨水蒸发的工艺、设备及控制，指出焦炉烟气脱硝运行中存在的问题，及时调整控制指标，保证了氨水蒸发工艺稳定运行，实现了焦炉烟气超低排放。
关键词: 烟气脱硝; 工业氨水; 氨水蒸发; 连锁控制
焦化行业对氮氧化物等污染物排放要求日趋严格，焦炉烟气SCR脱硝系统中采用的氨水蒸发工艺操作复杂，运行稳定性差。对氨水蒸发工艺、设备选型、管线布置、DCS 自动化控制等多方面进行优化，通过 1 年多的调试，该氨水蒸发工艺运行稳定，控制精准，处理后的烟气可以达到超低排放标准。
1 氨水蒸发系统的组成
1. 1 氨区系统
氨区设置 2 个 100 m3 氨水贮罐，材料为 304 不锈钢，其净储存量可以满足 4 座焦炉连续运行 5 天。氨水贮罐采用常压设计、立式平底结构，贮罐顶部设置带阻火器的呼吸阀及安装有磁翻板液位计，并设置高低液位报警仪，温度、压力显示仪，人孔、爬梯等附件。为了便于监测管理，氨水贮罐除了设置现场液位计以外，还设置了远传雷达液位计，氨水贮罐的液位和温度可在 DCS 上显示。为保证安全，氨水贮罐采用内浮顶式设计，当充装氨水时，内浮顶随液位的升高而上升，始终漂浮在液体上方，可以减少氨水的蒸发面积，降低氨水的蒸发量。为了防止贮罐内吸入空气，还在氨水顶部通入氮气，装置运行时内浮顶上部空间为氮气环境，消除了产生爆炸性混合气体的条件。氨水泵向氨水蒸发器输送氨水，泵的出口压力为 0. 60 MPa，根据脱硝后烟气中氮氧化物的含量，由入口调节阀进行氨水流量调节。
1. 2 氨水预热器
氨水预热器采用固定管板的管壳式换热器。氨水预热器的作用是利用氨水蒸发器产生的蒸汽凝液将氨水进行初次预热，一方面节约氨水蒸发器的蒸汽耗量，另一方面降低蒸汽凝液的温度，使蒸汽凝液在回到余热锅炉补水的过程中减少气态损失。
1. 3 氨水蒸发器
氨水蒸发器为固定管板的立式热虹吸再沸腾器，这种形式的换热器造价低、占地面积小、传热效率高。氨水蒸发器与氨水缓冲罐有安装高度要求，氨水缓冲罐中的液体靠静压头进入氨水蒸发器，被蒸汽加热部分气化后进入氨水缓冲罐中进行气液分离。氨水蒸发器采用 0. 8 MPa 低压过热蒸汽加热，加热后的蒸汽变为蒸汽凝结水，靠液位差进入凝液缓冲罐。加热蒸汽的流量根据氨水缓冲罐的液位通过 DCS 自动控制。
1. 4 氨水缓冲罐
氨水缓冲罐有 2 个作用，一是进行气液分离，二是作为气体缓冲。从氨水蒸发器来的氨水为气液两相，缓冲罐分离出来的气相进入氨气/烟气混合器，与稀释烟气混合后送至喷氨格栅。分离出来的液相自流循环至氨水蒸发器。氨气缓冲罐出口管线上装有压力控制阀，采用控制氨气压力来达到氨气过热的目的。氨气缓冲罐上装有液位控制系统，通过控制加热蒸汽的流量使缓冲罐内液位稳定。当氨水的蒸发压力一定，氨水缓冲罐的液位不变时，进入的氨水质量等于蒸发出的氨气质量。为了防止氨气在输送管道上冷凝，氨水蒸发在 0. 1 MPa 压力下进行，此时蒸发温度为 119 ℃。当氨气通过罐顶压力控制阀减压后，氨气为过热状态，在采取保温和伴热措施后保证不会发生冷凝。氨水缓冲罐为压力容器，上部装有安全阀，可防止设备压力过高。
1. 5 凝液缓冲罐
凝液缓冲罐的作用是收集氨水蒸发器中的蒸汽凝结水。蒸汽凝结水靠位差从氨水蒸发器中自流至凝液缓冲罐，通过调节阀控制凝液缓冲罐的液位，以保证只排出凝结水而不损失蒸汽。凝液缓冲罐排出的蒸汽凝结水再进入氨水预热器进一步回收其中的热量，最后排到余热锅炉软水箱。凝液缓冲罐为压力容器，上部装有安全阀，可防止设备压力过高。由于排放介质是低压蒸汽，可以在安全的地方直接排放。氨水蒸发工艺流程如图 1 所示。
2 氨水蒸发工艺的控制及连锁
2. 1 氨水流量的串级控制
氨水流量与氮氧化物排放量的控制为串级控制，通过控制喷氨量来控制氮氧化物排放量。在装置开工初期，操作人员手动调节氨水预热器入口阀门开度，使氨水流量达到设计值，并根据氮氧化物排放量和氨逃逸量调节氨水流量。当氮氧化物排放量和氨逃逸量达到工艺要求时，以此值作为氨水流量计的设定值，将氨水流量投入自动控制。此时氨水流量计根据设定值发出控制信号，调整开度，使氨水流量稳定在设定值。当自动控制稳定后，可以将氮氧化物排放值作为变量参加控制，实现串级调节。根据氮氧化物在线检测仪检测到的氮氧化物排放浓度，手动调整氨水流量设定值，控制烟气中 NOx 含量小于 100 mg /m3 。当 NOx 排放量稳定后，将 AICA -3005 投入串级控制。投入串级调节后，当氮氧化物检测仪检测到排放的氮氧化物浓度与设定值发生偏差时，会发出一个修正信号，自动修改氨水流量计的设定值。氨水流量的设定值被修改后，控制系统会自动修正入口调节阀开度，使氨水的流量根据氮氧化物的排放量而变化。同时结合焦炉烟气脱硝工艺，把交换机换向报警信号取到 DCS 进行逻辑控制，交换机换向时提前控制氨气的喷氨量，既满足氮氧化物的排放量变化又保证氨逃逸指标控制在 5 mg /L以下。
2. 2 氨水缓冲罐的液位控制
在氨水进料量、氨水蒸发压力一定的条件下，氨气流量与氨水缓冲罐液位有关。通过调节加热蒸汽的流量来控制氨气缓冲罐的液位，使之保持相对恒定，此时氨水进料量等于氨水蒸发量。正常工况下，氨气缓冲罐液位控制在测量仪表的 68% 量程，当氨气缓冲罐液位升高或降低时，液位传感器检测到测量值与设定值产生了偏差，发出信号使加热蒸汽调节阀开大或关小，增加或减少加热蒸汽的流量，从而保持氨水缓冲罐液位的稳定。
2. 3 氨水缓冲罐的压力控制
氨水在 20 kPa 压力下的蒸发温度为 118 ℃，此温度为饱和温度，当温度稍微降低时，氨气就会冷凝为液体。为了使氨气在输送过程中不易冷凝，采用过热氨气的输送方式。方法是使氨水在 20 kPa 压力下蒸发( 此时氨水的蒸发温度为 118 ℃ ) ，之后通过压力控制阀使之减压到 10 kPa，此时氨气温度为 110 ℃，远大于饱和温度，氨气不易冷凝。氨水缓冲罐的压力控制采用单回路简单控制，安装在氨水缓冲罐上部的压力传感器设定在 20 kPa，当压力升高或降低时，调节阀动作，使氨水缓冲罐的压力保持在 20 kPa。
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