焦炉烟气加热及脱硝脱硫一体化工艺技术及控制的应用

于海洋,孔祥翠

(西安航天源动力工程有限公司,陕西 西安 710100)

焦炉烟气是焦炉生产过程中产生的燃烧废气，经初步处理之后的粉尘、二氧化硫、氮氧化物等污染物尚不能达标排放，是形成酸雨和雾霾的主要污染物，对焦炉烟气脱硝脱硫净化处理已成为各焦化企业的当务之急。

根据焦炉废气的特点，采用焦炉烟气“加热+SCR脱硝+半干法脱硫”一体化工艺技术，并采用分散控制系统(DCS)，实现了工艺系统的全自动化控制，发挥了该工艺技术的良好适用性和净化处理的高效性。该工艺技术已经在焦化企业中得到广泛应用，保证了焦炉烟气的达标排放，成为焦化行业实现环保清洁生产的关键技术。

1 工艺流程

焦化厂生产的焦炉废气，二氧化硫和粉尘含量远高于国家要求的排放标准，直接排放会导致严重的污染。为处理焦炉废气采用了脱硝脱硫一体化工艺技术，包括： 焦炉废气加热系统、SCR脱硝系统、余热回收系统、半干法脱硫系统、布袋除尘系统、引风机、烟气再热系统及排放系统，脱硝脱硫一体化工艺流程如图1所示。

图1 脱硝脱硫一体化工艺流程示意

焦炉废气为粗烟气与通过加热燃烧器燃烧焦炉气产生的高温烟气充分混合后，进入SCR反应器，经过选择性催化还原反应后，将烟气中的NOx还原成N2和H2O，提高NOx的转化率，达到脱硝的效果。脱硝后的烟气进入余热锅炉回收热量，燃烧器可以同时燃烧消除掉烟气中的氯、氟等污染组分，余热锅炉的副产低压蒸汽可以很好地为烟气再热器以及其他设备的伴热提供热源。

降温后的烟气由脱硫塔底部进入，烟气中的酸性成分SO2与投加的消石灰粉末(Ca(OH)2)充分混合发生反应,在塔内以湍动、环流的运动方式存在，塔的结构保证了烟气的滞留时间，通过喷入雾化水的蒸发量调节烟气温度，进一步优化了反应条件。脱硫塔内半干法脱硫工艺的化学反应如式(1)～式(6)所示：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

通过上述化学反应，达到烟气脱硫的目的，反应产物为干态，便于排放、收集以及利用。

基于控制排放粉尘的要求，将脱硫后的烟气引入布袋除尘器，进一步除尘，控制烟尘排放浓度。经脱硝、脱硫处理的净烟气通过引风机送至烟囱排入大气。

2 技术参数及特点

来自界区的焦炉废气温度为220～250 ℃，温度较低不能直接进入SCR反应器，与通过加热燃烧器产生的高温烟气混合，将烟气温度升高至320 ℃左右进入SCR反应器。

氨水由雾化喷枪均匀喷入烟道中，在大于200 ℃的烟气中迅速汽化，可实现氨与烟气的充分混合、均匀分布，在SCR催化剂的作用下，将NOx还原成N2。

在脱硫塔中，烟气与消石灰成流化状态混合，为了促进脱硫反应，向脱硫塔内喷入了适量的雾化水，调节塔内烟气温度为85～100 ℃，反应产物是干态的，没有废水产生。并设置喷水保护功能，当脱硫塔入口烟气温度低于120 ℃时，喷水系统停止。

脱硫后的烟气进入布袋除尘器，除尘器效率为99.99%，使烟尘排放质量浓度ρ(烟尘)<15 mg/m3。 有利于SO2质量浓度的进一步降低。

考虑到上游工段窑炉燃烧的切换频率，废气流量不稳定的情况，在引风机出口至脱硫塔入口之间设置了烟气再循环管道及烟气控制阀，以保证脱硫塔床层在烟气流量大范围波动时进入脱硫塔的烟气流量稳定，使得脱硫塔处于稳定运行状态。

利用余热锅炉副产的低压蒸汽通过烟气加热器将烟气加热至120 ℃以上，使尾气排出烟囱不产生白雾。

3 控制系统及要点

3.1 控制系统

脱硝脱硫一体化工艺系统设置独立控制室，采用DCS，操作人员通过DCS操作员站完成整个脱硝脱硫装置的监视、控制、调整、异常工况的报警及紧急事故的处理。DCS由1个工程师站、2个操作员站和1个控制站组成。DCS控制站的电源、主控制卡件、通信卡件、以及模拟输出信号卡件均采用冗余配置，以保证整个控制系统具有较高的可靠性和稳定性，完成数据巡检、控制算法、控制输出和网络通信等功能，提供了一套完整、可靠、安全、高效的自动化系统。

DCS实现自动扫描有关参数和数据处理，定时制表，参数越限时自动报警和打印，根据人工指令自动完成各局部工艺系统或辅机的程序启停。当DCS发生异常或事故时，通过保护、联锁或人工干预，使装置在安全工况下运行或停机。

该系统提供1路市电电源、1路UPS电源，电源柜内设置自动切换装置(ATS)。DCS机柜的照明、风扇和仪表检修插座，由市电电源供电；UPS电源为系统柜、现场仪表和阀门及24 V(DC)电源供电，并为每个操作台提供1路UPS电源、1路市电电源。

网络通信协议采用Modbus-RTU，通信电缆采用冗余设置。对于需要重点保护、联锁的信号采用硬接线方式，所有不同系统之间的硬接线信号输入输出点设置了隔离器。

3.2 控制要点

3.2.1脱硝工段控制要点

加热燃烧器作为燃烧设备，设定了火焰检测、超温、超压等检测点，并通过DCS实现紧急停车联锁系统。

为了保证进入SCR反应器的烟气温度，在预混合烟道出口设置温度监测点，该温度点作为给定值(SP)与进入加热燃烧器的焦炉气流量调节回路组成串级调节回路，稳定控制进入SCR反应器的烟气温度。

SCR反应器入口前的氨水喷雾系统可自动调节，通过烟气连续排放监测系统(CEMS)提供的NOx，NH3浓度值，调节控制氨水喷射量，在保证脱硝效率前提下控制氨水喷入量、减少系统运行成本，同时避免造成的二次污染。

SCR反应器设置了声波吹灰装置，通过催化剂的床层压差或者定时器计时作为程序控制启动信号，可以有效地清理积灰，保护催化剂的活性。

3.2.2脱硫工段控制要点

脱硫塔内的固/气比是保证其良好运行的重要参数，可以通过脱硫塔的底部和顶部的差压Δp来表示。固/气比越大，表示固体颗粒的浓度越大，因而塔的Δp越大。Δp的最大值由引风机所能克服的最大阻力所决定，而Δp的最小值则由为保证全部喷水量均能蒸发所需的最小固/气比所决定。使用Δp控制脱硫塔的再循环灰量，从而保证了塔内必需的固/气比，控制再循环灰量也是控制的核心。

为获得Δp真实值，分别在脱硫塔的进、出口设置3个压力检测点，通过合理布置取压点的位置和导压管的角度，准确测得烟气的有效压力值再计算Δp，保证了脱硫塔Δp的真实性和准确性。

为了保证脱硫塔喷嘴的雾化效果，不是直接控制喷嘴的给水量，而是通过控制在回水管路上的控制阀来调节回水的流量，达到控制雾化水的流量目的。回水控制阀完全打开时，喷枪用水量最小，而控制阀关闭时喷枪用水量最大。调节回路的设定值为烟气流量和烟气温度。

4 结束语

某焦化厂自采用焦炉废气“加热+SCR脱硝+半干法脱硫”一体化工艺技术以来，设备运行稳定，烟气脱硝脱硫效果良好。净烟气中粉尘颗粒物、二氧化硫、氮氧化物、氨逃逸等污染物能够达到DB 13/2863—2018《炼焦化学工业大气污染物超低排放标准》的要求，实现了焦炉废烟气的环保排放要求。工艺技术得到推广的同时也为同行业的污染物治理提供了数据和实践经验。