石灰石系统优化调整

石灰石系统优化调整（共4篇）

石灰石系统优化调整 篇1

随着电厂机组装机容量的提高, 石灰石和石膏的需求和产出量越来越大。汽车输送方式装卸频繁、污染严重、劳动强度高, 而船运系统具有成本低、环保的优势, 沿海电厂大都考虑从海路输送石灰石和石膏。

一、国内石灰石和石膏输送系统运行情况

目前在国内的600MW及以上机组工程中尚无成熟可靠的石膏厂内输送及船运系统运输的工程实例。因此, 本文重点阐述南京化工厂石膏输送系统。

南京化工厂的石膏输送系统中包括石膏库和与之配套的石膏输送系统。整个输送系统中仅有1路管式输送机, 其余均为出力与之相同的带式输送机。物料为磷石膏, 物料特性:90%的物料粒度为100目, 总水含量29% (含结晶水) , 堆积密度:850Kg/m3, 粘结性强、腐蚀性强、流动性差, 年运行7200h。管带机输送主要技术参数:管径250mm, 带速1.25m/s, 额定输送出力Q=150t/h, 最大出力Q=200t/h, 首尾滚筒中心距 (水平投影长度) Lh=260.741m, 提升高度H=28.300m, 胶带机倾角13°。运行方式为单向运行。管状带式输送机非管状段均采用挡雨棚。

石膏物料含有一定湿度, 石膏皮带输送全程在条件允许的情况下转运处可以不设除尘设备。

石膏容易粘结, 皮带清扫工作比较艰巨。石膏在落料管中容易形成堵塞, 常规的振打器不起作用, 需要设置较常规振打器力度更大的振打设备。

南京化工厂的输送物料为磷石膏, 相比电厂脱硫产物石膏, 具有湿度更大、酸性更大的特点。

二、台山电厂石灰石和石膏输送系统设计简介

电厂一期已建5×600MW机组, 二期工程规划容量为4×1000MW机组, 本工程先装机建2×1000MW机组, 并留有扩建余地。

石灰石和石膏系统按5×600MW+4×1000MW机组容量进行设计, 本工程只建设#6～#7的石灰石和石膏皮带机输送系统, 留有一期1#～5#机和二期#8～#9机的扩建接口。石灰石和石膏输送系统工艺流程图见图1、图2。

厂外运输方式以皮带机输送至码头海运为主, 汽车运输为辅。

建设一套脱硫石灰石粉和石膏的输送系统。脱硫制浆脱水综合楼至料场之间输送系统出力:200t/h;料场至码头之间系统出力:400t/h。

根据需要, 分别设置石灰石料场和石膏库, 布置于南护岸以北取水口附近场地。

石灰石料场占地80m×30m, 料场上布置高度为16.2m挡雨棚, 可贮存3000t石灰石。可贮存#1～#9机组设计煤种情况下53小时石灰石耗量, 可贮存#1～#9号机组校核煤种情况下45小时石灰石耗量。

石膏库占地80m×30m, 高16.2m, 可贮存3000t石膏。可贮存#1～#9机组设计煤种情况下30.4小时石膏产量, 可贮存#1～#9号机组校核煤种情况下25.2小时石膏产量。

在码头附近设置一个覫50m的圆形石灰石料场, 料场上布置高度为16.2m挡雨棚, 可贮存3000t石灰石, 可贮存53小时1～9号机组设计煤种情况下石灰石耗量, 可贮存45小时1～9号机组校核煤种情况下石灰石耗量。

在码头附近设置一Φ50m高度16.2m的石膏库, 可贮存3000t石膏, 可贮存30.4小时1～9号机组设计煤种情况下石膏产量, 可贮存25.2小时1～9号机组校核煤种情况下石膏产量。

根据电厂的建设及最终规划容量, 石灰石、石膏的运输情况, 台山电厂将改建原有的油码头为1个3000t级装灰泊位, 以满足1～9号机组灰的海运需要。新建设3000t级石灰石与石膏装卸综合码头1个, 该码头满足1～9号机组的石灰石、石膏的海运装卸需要。

#1泊位码头卸船机———用于卸石灰石, 采用1台桥式抓斗卸船机, 额定出力400t/h, 轨距10.5m, 外伸距20m, 码头近陆侧轨配置一路带式输送机, 带宽800mm, 带速2.0m/s, 额定出力400t/h。

#1泊位码头装船机———用于装石膏, 采用1台桥式装船机, 额定装船出力400t/h, 轨距10.5m, 外伸距16m, 在码头近海侧轨配置一路带式输送机, 带宽800mm, 带速2.0m/s, 额定出力400t/h。

#2泊位码头气力输送装灰, 用管道连接码头灰库和灰罐船, 通过压缩空气输送灰, 气力输送装船。本期配置装船系统的出力为600t/h, #1～#9机组时需配置装船系统的出力800t/h。装船废气通过收尘风机收集至灰库, 对环境无污染。

三、石灰石和石膏输送系统应注意的问题

(一) 石灰石、石膏的特点

石灰石物料为小于20mm的颗粒, 石灰石具有粒度不均匀、本身含水并在输送贮存过程中易吸潮等特点, 石灰石粉输送系统设备及构筑物应有良好的防潮、防雨水渗漏措施。

石膏是含水10%的粉末, 流动性差、易粘结。转运时在落料管中容易堵塞, 容易粘结在皮带表面。皮带清扫难度大, 皮带清扫器应采用优质产品。

石灰石遇水后特性发生改变, 石膏本身为电厂脱硫后的脱水石膏, 石灰石和石膏输送系统中间泄漏点不易采用水冲洗方式。

(二) 石灰石和石膏转运的特点

石灰石和石膏输送系统由于输送距离长, 地形布置、机组切换和料场的布置等原因, 石灰石和石膏输送系统需要设置若干转运点。在石灰石和石膏输送系统中由于输送量相比机组的燃料———煤较少, 而且转运点系统设计需要考虑粉尘、堵塞、泄漏等因素, 因此整个输送系统中尽量减少转运点的设置。

(三) 管带输送系统的特点

1. 两组托辊之间胶带的下垂度不大于1%, 管带机工作时, 胶带的卷合良好, 没有缝隙、过卷、扁管等现象。管状带式输送机保证运行工况下的转弯、上下坡运行, 不出现撒料、扁管等超过范围的扭转现象。安全、持续运行中, 钢结构力符合规范要求、整机平稳无振动、旋转部分温升、磨损正常, 并无其他问题。

2. 设备结构考虑方便日常维护需要。重型部件均具有便于安装和维修用的起吊或搬运的条件。

3. 胶带采用管状带式输送机专用胶带, 使用能满足运行条件刚度和柔性要求的NN尼龙胶带, 胶带有良好的荷载支承性和成槽、成管性。

4. 滚筒筒体长度比胶带宽度约大200mm。管状胶带机管状段采用六边形管状胶带机专用托辊组, 在管带成型处的托辊组选用十二边形管状胶带机专用托辊组。为了保证胶带顺利成型, 在十二边形托辊组之前还设置角度可调的导向托辊和纠偏托辊。

5. 管状带式输送机张紧装置采用垂直拉紧装置或液压拉紧方式。垂直拉紧装置拉紧重锤采用铸铁块型式。工作面清扫器采用合金弹性清扫器, 二级清扫;非工作面清扫器采用V型清扫器。为了防止拉紧滚筒粘结, 对垂直拉紧的胶带机, 在拉紧装置前设一级V型非工作面清扫器。

管带机输送设计需注意以下几个方面:

(1) 如果管带机的出力瞬间变化大, 或者物料的粒度变化大, 将使管带机扭曲和爆管。在导料槽的出口端增加一个“限流器”, 上述问题就能得到解决。

(2) 管带机的托辊经过防锈处理, 但如果安装托辊的螺栓没有作防锈处理, 螺栓生锈严重, 在此状况下长时间运行将带来托辊脱落的隐患。因此, 托辊的安装螺栓应使用防锈螺栓或者在安装完成后进行防锈处理, 并在后期加强维护。

(3) 头部展开段的第1组改向托辊伸入管带机内部, 张开管带机的管状胶带。该组托辊由螺栓连接, 受力很大并且为跳动力, 长时间运行易松动脱落。

(4) 对于头尾展开段托辊的安装支架, 外露部分要打磨成圆角, 以防皮带跑偏时划伤皮带。

(5) 管带机输送石膏在头部、尾部和垂直拉紧处存在洒料现象。由于石膏容易粘结, 运行时间久后无人清理, 在头部滚筒两侧、尾部回程皮带附近、清扫器位置堆积石膏, 同时洒落的石膏长时间堆积, 物料特性变硬, 增加清理难度。

(6) 管带机两侧有人员行走防护栏杆, 距离较长时, 设有跨越梯。由于管带机为露天设计, 翻越跨越梯时缺少安全感, 需增加跨越梯处防护栏杆的高度。

(四) 卸船设备和装船设备

卸船机和装船机的选择出力与之相连接的皮带输送系统的出力相匹配。与输煤系统相似, 石灰石的卸船机为抓斗式卸船机, 石膏的装船机为连续式装船机。如果装船和卸船布置在不同泊位, 石灰石和石膏的装卸可以在同一时间分项作业。

(五) 石灰石料场、石膏料场上料装卸设备选择

由于石灰石和石膏的料场通常占地小、存贮量小, 大型的斗轮机不适合布置在小型堆料场。石灰石和石膏的卸料通常采用输煤的犁式卸料器或由皮带单点落料。

石灰石和石膏的装料采用推煤机和地下煤斗的方式上料, 地下煤斗下方设置皮带输送机。石灰石上料地下煤斗中采用电动给料机控制给料速度。由于石膏容易粘结的原因, 在石膏输送系统中不宜设置电动给料机, 要控制石膏的上料速度, 可采用皮带给料机。但在石膏输送系统中因为地下煤斗高度的限制, 不宜设置皮带给料机, 在地下煤斗给料上不设置任何控制给料设备, 仅仅由地下煤斗的截面来限制来料速度。

在中间料场石膏库里装载机给上料皮带装料时, 常规设计的倒“八”字型的装料斗, 由于石膏的粘结性, 石膏聚在斗里, 无法正常落料到皮带上。改用正“八”型的装料斗, 物料的流动性较好。

(六) 给料设备

脱硫制浆脱水综合楼给料设备为进口刮刀卸料器, 刮刀卸料器布置在石膏筒仓底部, 然后石膏通过下出口溜槽至皮带给料机, 皮带给料机切换石膏到带式输送机或石膏运输车。

四、结论

石灰石、石膏厂内输送及船运系统根据各个电厂机组的石灰石耗量和产量配置不同的系统。如果电厂的装机容量小, 汽车的运输完全可以满足日常的生产需要;如果电厂的石膏库离水运码头距离近约100m, 也可以采用普通皮带输送石灰石和石膏;如果电厂容量大机组多, 石灰石、石膏厂内输送及船运系统可以采用管带机输送方案 (台山电厂石灰石和石膏输送系统已完成初步设计并通过审查) 。不管最终采用何种系统, 对于石灰石和石膏这两种物料, 输送系统设计特别留意石灰石吸潮、石膏流动性差等特点对系统进行配置。

石灰石系统优化调整 篇2

一、影响石灰石-石膏湿法脱硫效率的因素

(1) 吸收塔浆液的p H值。由SO2与吸收塔浆液接触后发生的化学反应机理可知, 高p H值利于SO2吸收, 低p H值有助于Ca2+析出。p H=6时, SO2吸收效果最佳, 但此时易发生结垢、堵塞现象。低p H值时, 石灰石溶解度增加, 但SO2的吸收受到抑制;当p H=4时, SO2的吸收几乎无法进行, 且吸收液呈酸性, 对设备也有腐蚀。一般p H值在5.2~5.6为宜。

(2) 液气比及浆液循环量。在吸收塔设计中, 循环浆液量的多少决定了SO2吸收表面积的大小, 在其他参数恒定的情况下, 提高液气比相当于增大了吸收塔内的浆液喷淋密度, 从而增大了气液传质表面积, 强化传质, 提高脱硫效率, 提高液气比是提高脱硫效率的有效措施。

(3) 烟气与脱硫剂的接触时间。烟气进人吸收塔后自下而上流动, 与喷淋而下的石灰石浆液雾滴接触反应, 接触时间越长, 反应进行得越完全。吸收塔浆池容量大, 浆液在塔内停留时间长, 有利于石灰石颗粒与洗涤下来的SO2充分反应, 并使反应生成物Ca SO3·1/2H2O有足够的时间氧化成Ca SO4·2H2O, 充分结晶形成石膏。吸收区高度是指吸收塔烟气入口至最高喷淋层之间, 烟气与浆液接触, 发生反应的有效区段。在烟气流速确定的情况下, 吸收区高度越高, 反应越充分, 脱硫效果越好。

(4) 塔内烟气流速。提高烟气流速可以减薄烟气与浆液之间的膜厚度, 增强气液间的传质;同时烟气流速增加使喷淋液滴的下降速度相对降低, 使单位体积内的持液量增大, 增大吸收段的传质面积, 增大传质单元数, 提高脱硫效率。烟气流速增大带来的不利影响是烟气携带浆液颗粒增多, 加重除雾器的负担。

(5) 烟气分布均匀性。采用喷淋塔的湿法脱硫工艺, 喷淋层的布置设计对脱硫系统的脱硫效率有重要的影响。喷嘴的布置要求满足喷嘴的性能情况下, 还需要进行优化布置, 使喷嘴密度和覆盖率与塔内烟气流速分布相对应。

随着吸收塔直径的增加, 烟气分布均匀性降低, 靠近吸收塔壁部分, 浆液喷淋量和喷嘴的覆盖率明显低于吸收塔中其它区域。对于空塔喷淋, 塔壁部分的烟气流速远远大于其余部分, 很容易造成烟气偏流。在脱硫效率要求≤97%的情况下, 这部分偏流对脱硫效率影响不大, 但当出口浓度要求<35 mg/Nm3时, 这一部分的影响不容忽视。

(6) 石灰石粒度及纯度。石灰石颗粒越细, 表面积越大, 吸收速率越快, 反应越充分, 石灰石的利用率越高。一般要求石灰石粒度为90%通过325目筛或250目筛, 纯度要求>90%。

(7) 氧化空气量。O2参与烟气脱硫的化学过程是将HSO-转化为SO42-, 随着烟气中O2含量增加, Ca SO4·2H2O的形成加快, 脱硫率也呈上升趋势。

(8) 烟尘。飞灰在一定程度上阻碍了与脱硫剂的接触, 降低了石灰石中Ca2+的溶解速率。同时飞灰中不断溶出的重金属会抑制Ca2+与HSO-反应。若烟气中粉尘含量持续超过设计值, 粉尘中Al3+会与液相中的F-反应生成对石灰石有包裹作用的氟化铝络合物, 使脱硫效率降低, 并产生喷头及管道堵塞, 石膏脱水困难等问题。

(9) 烟气温度。进入吸收塔的烟气温度越低, 越利于SO2气体溶于浆液。通常将烟气冷却到60℃左右再进行吸收最为适宜。一般将塔入烟温控制在80℃左右, 烟气进入塔后进一步冷却到60℃左右。

(10) Cl-含量。Cl-在系统中主要以Ca Cl2形式存在, 去除困难, 影响脱硫效率。

二、石灰石-石膏湿法脱硫系统优化

(1) 石灰石粉活性激发剂技术。投资少, 操作简单, 不需要对现有脱硫系统进行改造, 只需控制活性激发剂的加入量, 就可以使达标的脱硫系统更节能、使不达标的脱硫装置达标运行, 并可使系统灵活适应各种变化条件, 扩大系统运行的适应范围。对于新建机组, 也可采用脱硫添加剂技术来达到超高的脱硫效率。

石灰石粉活性激发剂的加入, 强化了氢离子的传递, 表现对p H值的缓冲作用, 一方面促进了SO2向液相的溶解, 另一方面促进了Ca CO3的溶解, 从而加速了SO2的化学吸收。脱硫活性激发剂具备以下性能:提高石灰石粉的利用率, 减少有效成分Ca CO3的浪费;提高脱硫效率;减少液气比, 可停运1~2台吸收塔浆液循环泵, 仍然保持脱硫效率达标, 节省电厂厂用电;适应高硫份煤种, 在电厂燃用高硫份煤种情况下, 能较大幅度的提高脱硫效率。脱硫添加剂技术在国内很多电厂已经采用, 效果良好。

(2) 空塔串联塔技术。目前国内主流技术的吸收塔均为空塔, 如要求超高的脱硫效率, 由于受到吸收塔浆液池容量和喷淋层数量的限制, 靠单塔很难再提高脱硫效率, 此时可以采用吸收塔串联技术进行脱硫, 两个吸收塔中各自都设置喷淋层、氧化空气分布系统、氧化浆液池。烟气先进入预洗塔脱除部分SO2和其他污染物后 (约可去除70%的SO2) , 再进入后吸收塔脱除剩余的污染物。两塔串联运行, 共同脱硫, 提高脱硫效率, 以满足排放标准, 空塔串联塔烟气脱硫系统流程见图1。此技术适合于高硫煤系统, 同样液气比条件下运行电耗小于多喷淋层方案, 但系统复杂, 占地较大。

(3) 喷淋层及其喷嘴的优化设计。喷嘴是脱硫装置中的关键部件之一, 其雾化性能对脱硫效率、投资成本和操作维修成本有重要的影响。在浆液流量一定的条件下, 操作压力越高, 平均粒径越小, 粒径分布越集中, 越有利于脱硫效率的提高。但由于液滴速度变大, 在吸收区停留时间短, 要想达到设计所需的停留时间, 必须增大塔高, 投资成本的增加的同时也加速了喷嘴的磨损。在单个喷嘴的雾化性能参数选定后, 还必须进行吸收塔内喷嘴布置的设计, 喷嘴的布置设计要充分考虑工艺参数、单个喷嘴的性能参数、塔内径、喷淋密度以及喷淋密度分布等因素。合理的喷嘴布置, 才能达到系统设计要求。

目前湿法脱硫用喷嘴的类型和雾化机理的研究已相对成熟, 但仍需进一步降低投资和操作维修成本。现在比较常用的做法是在碳化硅的基础上加入其他成分或改变其结构, 提高其使用年限。如美国BETE公司采用的反应烧结碳化硅陶瓷 (RBSC) 和氮连接碳化硅陶瓷 (SNB-SC) 材料等。

另外, 喷嘴在塔内的布局对烟气的分布有着重要的影响, 烟气的分布越均匀对脱硫越有利, 现有工艺仅通过喷嘴的布局很难达到烟气分布均匀的效果。美国巴威公司在塔内设置了托盘, 在空塔基础上增设托盘, 使进入吸收塔内的烟气分布更均匀, 解决偏流问题;密集布置的喷淋喷嘴保证烟气能与浆液充分接触, 强化传质, 提高脱硫剂利用率, 从而提高脱硫效率。国电清新采用了旋汇耦合技术, 在吸收塔内加装湍流装置, 该技术是基于多相紊流掺混的强传质机理, 利用气体动力学原理, 通过特制的旋汇耦合装置产生气液旋转翻覆湍流空间, 气液固三相充分接触, 迅速完成传质过程, 从而达到气体高效净化的目的, 有无湍流器的脱硫效率对比见图2。有的脱硫公司则采用CFD模拟优化脱硫喷淋塔工艺, 该工艺借助于对吸收塔内烟气和喷淋浆液两相流的三维模拟, 吸收塔内的烟气分布、流动, 吸收塔横截面内浆液的分布和喷嘴的位置得到了优化。CFD模拟的核心内容就是调整吸收塔内喷嘴的数量和形式, 通过对吸收区的分析、优化, 降低系统的设计裕量, 得到较低的液气比, 在成本相对较小的情况下进一步提高脱硫效率。

三、结语

石灰石系统优化调整 篇3

循环流化床燃烧是一种极为环保的燃烧方式。工艺过程中,为了进一步减少二氧化硫的排放量,通常在燃烧过程中加入石灰石,致使燃料燃烧过程中大部分的硫吸纳在石灰石中,减少硫化物排放至大气中。然而,目前大多数石灰石输送控制系统由单独的PLC来控制,而且所设计的逻辑均未考虑实际运行情况,导致设备的故障频现,系统可靠性低下。另外,对于采用DCS系统集中控制的运行方式而言,会给运行操作带来诸多不便,往往在实际运行一段时间后,石灰石输送系统的控制功能均会纳入DCS中,以实现控制系统的一体化,从而方便运行操作和维护。

1 石灰石输送简介

我厂的石灰石输送系统由英国克莱德物料输送技术有限公司配置,其工作流程为:石灰石粉库内石灰石粉通过A、B石灰石系统进入输送管道,经由炉前的2路管道(A系统由A、C给煤机落煤管,B系统由B、D给煤机落煤管)进入炉膛。A、B石灰石系统主要包括:1个收料泵,1个给料泵,1个容积式旋转给料器。容积式给料器通过调节所配电机速度来调节石灰石的输送量,通过对电机速度来计算石灰石粉大约的输送量。两个压力容器垂直布置,上边的称为收料泵,下边的叫给料泵。该系统在连续方式下运行,给料泵将被加压,而收料泵将定期、及时地将物料注入给料泵中,并起到把具有高压的给料泵和石灰石料斗相互隔离的作用,从而保证物料连续地被注入到炉膛中[1]。石灰石输送系统原理及构造如图1所示。

2 控制系统优化与设计

2.1 原始设计方案存在的问题

石灰石输送系统应实现系统连续不断的输送过程及根据炉膛工况对石灰石流量的准确控制。克莱德物料输送技术有限公司配置的控制系统是在PLC中实现,给运行操作和维护带来诸多不便。原有逻辑也存在较大的设计缺陷,致使系统一直在手动或半自动的形式下运行;逻辑设计过程中未考虑到实际运行的情况,致使顺控无法完成,特别是运行过程中流量的控制无法实现自动。原设计工况过于理想化,对输送流程中各种设备可能出现故障的问题估计不足,相关的控制、调节、报警、联锁和保护等功能不能满足实际运行的要求,造成设备运行故障率偏高,处理和维护量偏大,影响石灰石输送系统的正常运行,从而影响到我们对烟气中相关参数的控制。

石灰石输送控制系统优化之前,石灰石输送系统故障率偏高,故障分析困难,运行人员监控难度大。石灰石输送系统不能正常投运影响了循环流化床锅炉的脱硫效率,进而影响到我厂环保指标的完成。

2.2 方案的优化与实现

机组检修期间,热工人员针对原有PLC逻辑中存在的问题,对PLC系统逻辑进行了优化,并将石灰石输送系统所有控制功能均纳入DCS系统实现。针对该系统,主要完善了石灰石输送系统的顺序控制方式和相关的联锁保护功能,增加了石灰石流量的闭环控制功能,以及人机界面的优化设计。通过精细的控制回路调试,确保了石灰石输送系统各项控制功能均能够正常投运,且运行稳定可靠。

2.2.1 程序控制的优化设计

原有的逻辑仅仅依据控制原理图进行组态,控制逻辑中并未全面考虑输送系统的实际运行情况,仍停留在理论层面上,缺乏工程应用的特性。为此,我们首先对工艺过程进行了全面梳理,并结合优化前运行过程出现的各种问题,采用容错设计,优化完善了石灰石输送系统顺序控制的逻辑。

首先对驱动级的控制回路进行了全面的优化。例如,在石灰石旋转给料器控制回路逻辑设计中,考虑到该设备没有停止的反馈信号(即当设备由于某种原因引起旋转给料器就地跳闸或停止时,DCS旋转给料器手操器画面上仍然显示运行信号,容易引起运行人员误判断),逻辑设计中增设通过工艺参数来判断旋转给料器电机是否停运的功能。即当转速低于3r/min时,脉冲2秒跳旋转给料器,并指示给料阀停运。此外,对排气阀开关反馈逻辑进行了优化:由于原控制系统中排气阀关信号由排气阀压力开关提供,关信号取反为排气阀开信号,在运行中因DCS扫描顺序的原因,开与关信号在某个运算周期同时存在,引起排气阀故障报警,影响输送流程顺控进行,针对这一情况,优化后的逻辑中,在关信号后增加了一个延时模块,有效避免了CPU扫描顺序带来的不可预知的现象发生。

其次,将工艺过程参数加入到顺序控制的步序条件中,使得整个顺控系统更加符合系统运行的实际情况。例如,原输送工作流程设计中,收料泵充压至与给料泵压力相同时,才能进行到下一步去关闭压力均衡阀并打开给料泵进口圆顶阀;然而,该设计在实际运行中无法满足,是一种极其理想状态下的工况,实际顺控却无法继续进行下去。根据多次试验确定,将执行下一步的条件修改为:“当|给料泵压力-收料泵压力|≤50k Pa”,即可继续执行下一个步骤。同时,这种优化设计也保证了给料泵进口圆顶阀不会因压力过高时开启而损坏设备。相应的DCS组态逻辑图如图2所示:

在程序设计中还深入考虑了系统控制对象的容积动态特性,在回路中加入恰当的延时环节,使得整个顺控系统更加切合系统实际运行特性[2]。例如,在关闭排气阀步序中,考虑到系统可能有残余气体存在引起物料阻塞排气阀,致使排汽阀卡死,对其进行了优化。优化之后逻辑的触发条件是“关闭收料泵进口圆顶阀后,延时2秒关排气阀”。

通过控制系统的优化设计,石灰石输送系统程序控制回路的逻辑容错功能大大提高,确保了石灰石输送系统的安全、可靠运行。

2.2.2 石灰石流量闭环控制的实现

在原有设计中,缺少石灰石流量闭环控制功能,通过手动方式对旋转给料器的变频器进行调整,这样,运行操作有一定的随意性,操作的强度也很大,导致了石灰石的用量偏大或偏小,烟气系统的环保参数波动较大,影响了机组的排放性能。为此,在逻辑优化中,增设了石灰石流量的闭环控制功能。相应的控制系统SAMA图如图3所示。

图3表明,石灰石流量闭环控制系统是典型的串级多执行机构的控制回路。控制系统的被控量是烟气中的二氧化硫,控制量是A/B旋转给料器的变频器转速,系统中还增设了2台执行机构的平衡回路[3]。投入该回路闭环后,石灰石流量的多少依据烟气中的含硫量进行计算调整,运行过程中,烟气含硫量一直在控制允许范围内波动,满足了环保的要求。

系统优化后,石灰石粉能够可靠地、连续不断地送入炉内,确保了烟气各项污染物的含量参数都在控制范围内,烟气中的含硫量相对于原有的系统而言更加平稳,满足环保的考核要求。另外,运行人员的操作强度显著减少。

2.2.3 人机界面的优化设计

为了方便运行人员监视石灰石输送系统的运行情况,在原有PLC上位机的基础上,对人机操作画面进行了优化设计。增加了重要信号的软光字牌报警,并将重要的故障首出进行了逻辑组态并在画面中显示,使得故障的追溯得以实现。例如,将“收料泵进口圆顶阀未开启”、“排气阀圆顶阀未开启”、“给料泵进口圆顶阀未开启”、“平衡圆顶阀未开启”“给料泵填料故障”、“排气阀故障”等较重要报警信号输入到首出功能块,当任意一个或几个出现故障报警时,软光字牌将发出报警,同时首出功能块记录发出报警。

3 结论

通过对石灰石输送系统进行DCS控制一体化的优化设计,重点完善了石灰石输送系统顺序控制各个步序中的逻辑功能和石灰石用量的连续控制功能,从而减少了输送环节的故障率,保证了石灰石流量控制的灵活性和可靠性,使整个石灰石输送流程更为顺畅和合理,保证了机组硫排放符合环保指标要求。

参考文献

[1]克莱德物料输送技术有限公司.CK1018石灰石输送系统运行维护手册[Z].

[2]赵燕平.热工联锁保护配置优化技术[M].北京:中国电力出版社,2006.

石灰石系统优化调整 篇4

余热利用是国家节能减排重点工程,余热发电是余热利用最主要的发展方向。针对新型活性石灰回转窑生产工艺,仍然有约占生产系统能耗30% 的250℃左右烟气余热被白白排放[1],高效回收利用石灰窑余热,把余热发电技术和活性石灰煅烧技术结合,提高活性石灰生产过程能效,可降低企业生产成本。

活性石灰窑低温余热利用的难点在于缺乏有效的余热发电成套工艺技术,本文以1000t/d活性石灰窑参数为例,余热发电系统分别采用朗肯循环系统和有机朗肯循环系统进行建模分析,通过系统优化得到更加适合于1000t/d活性石灰生产线的余热发电循环方式和工艺参数; 为选定最适合的有机工质,本文对有机朗肯循环系统中常用3种有机工质[2,3,4]: 戊烷、异戊烷和R123进行对比分析,为活性石灰低温余热的高效利用提供了理论参考。

1 数学模型

1. 1 朗肯循环系统

1. 1. 1 朗肯循环系统介绍

石灰窑水蒸气朗肯循环余热发电系统流程如图1所示。凝结水经水泵加压后进入余热锅炉省煤器,加热后的给水进入锅炉汽包,然后经蒸发器和过热器换热后变为过热蒸汽,产生的过热蒸汽进入汽轮机膨胀做功拖动发电机发电,膨胀后的乏汽进入冷凝器冷却成凝结水,形成完整的闭式循环系统。

1. 1. 2 朗肯循环系统建模[5,6]

1) 余热锅炉。

余热锅炉中汽 - 水换热过程如图2所示,1g 2g为烟气放热过程,1 - 2为工质吸热过程,烟气节点温度Tjd,g为:

烟气由入口到节点温度放热量Qlg - jd,g:

式中: ρbk,g—标况下烟气密度,kg /m3;

qg—烟气流量,m3/ h;

hlg,g、hjd,g—分别表示锅炉入口和节点处烟气焓值,k J/kg。

锅炉蒸发量mw:

式中: ηsr—锅炉散热损失;

h2—锅炉出口蒸汽焓,k J/kg;

hsatl,w—蒸发压力下的饱和水焓,k J/kg。锅炉中汽水总吸热量为Q1 - 2,w:

式中: h2,w—锅炉出口给水焓,k J/kg;

h1,w—锅炉进口给水焓,k J/kg。烟气总放热量Q1g - 2g,g为:

2) 蒸汽沿程损失。

汽轮机入口蒸汽压力P2',w、温度T2',w、流量m2',w分别为:

式中: ΔP2 - 2',w—沿程压力损失,MPa;

ΔT2 - 2',w—沿程温度损失,℃;

ηgd—管道汽水损失。

3) 汽轮机。

汽轮机中蒸汽膨胀轴功W2 - 3,w为:

式中: ηjx—机械效率;

h2',w—汽轮机入口蒸汽焓,k J/kg;

h3,w—汽轮机排汽焓,k J/kg,可通过汽轮机内效率ηi,w计算。

系统输出功率Pew为:

式中: ηg—发电机效率。

4) 水泵。

水泵耗功为Pepump,w为:

式中: ηpump,w—水泵效率;

ρ—水密度,kg / m3。

1. 2 双工质 ORC 循环系统

1. 2. 1 双工质 ORC 循环系统介绍

双工质ORC循环余热发电系统流程图如图3所示。该系统由2个闭式循环回路组成,即: 导热油循环回路; 有机工质循环回路。导热油经油泵加压进入余热锅炉与高温烟气换热,换热后的高温导热油经蒸发器、预热器冷却再由油泵循环利用,形成封闭导热油循环回路; 液态有机工质经工质泵进入回热器与汽轮机排出的过热蒸汽初步换热,换热后的工质依次经过预热器、蒸发器与高温导热油充分换热变成蒸汽,然后进入汽轮机膨胀做功,拖动发电机发电,汽轮机排出的乏汽经回热器与冷凝器来的液态有机工质换热冷却后进入冷凝器进一步冷却,冷却后的液态有机工质再经工质泵进行循环利用,形成有机工质循环回路。

1. 2. 2 双工质 ORC 循环系统建模[7]

双工质ORC循环换热过程如图4所示,1g 2g为烟气放热过程,c - a为导热油在余热锅炉中吸热过程,5 - 1为有机工质在预热器和蒸发器中吸热过程。

1) 余热锅炉。

锅炉进口烟气温度Tlg,g,设烟气与锅炉出口导热油间的传热端差为ΔTlg,a,则出锅炉导热油温度Ta,o为:

进锅炉导热油温度Tc,o,烟气与锅炉进口导热油间的传热端差为ΔT2g,c,则锅炉出口烟气温度T2g,g为:

式中: Tc,o—进锅炉导热油温度; ΔT2g,c—烟气与锅炉进口导热油间的传热端差。

余热锅炉烟气放热量Q1g - 2g,g为:

导热油流量mo为:

2) 导热油沿程损失。

锅炉出口至蒸发器进口段导热油压力损失为ΔPa - a',o,温度损失为ΔTa - a',o,预热器出口至锅炉进口段导热油压力损失为ΔPb - c,o,温度损失为ΔTb - c,o,则有:

3) 蒸发器和预热器。

有机工质蒸 发压力和 温度分别 为Psat,of和Tsat,of,蒸发节点温度为ΔT2,则有导热油节点温度Tjd,o为:

导热油从入口到节点的放热量Qa' - jd,o为:

按蒸发节点计算的有机工质流量mof1为:

式中: ηhe—换热器效率; hsatl,of—有机工质饱和液焓,k J/kg。

预热器进口有机工质与导热油换热端差为ΔTb,5,则预热器出口导热油温Tb,o为:

导热油总换热量Qa' - b,o为:

按换热量计算的有机工质流量mof2为:

最终计算有机工质流量mof为:

4) 有机工质蒸汽沿程损失。

汽轮机入口处有机工质压力P1',of为:

汽轮机入口有机工质温度T1 - 1',of为:

5) 汽轮机。

有机工质蒸汽膨胀轴功W2 - 3,of为:

系统输出功率Peof为:

6) 回热器。

回热器出口有机工质温度T5,of为:

回热器能量守恒方程为:

7) 油泵和工质泵。

油泵耗功为Pepump,o,工质泵耗功为Pepump,of,则有:

2 模型中参数选择

1000t / d石灰窑生产线排放的废气参数如表1所示,其数据来源于某公司对某1000t/d活性石灰生产线热工标定结果。朗肯循环系统模型参数如表2所示,双工质有机朗肯循环系统模型参数如表3所示。

3 对比分析

1) 朗肯循环系统。

朗肯循环系统性能图如图5所示。其中横坐标为进入汽轮机的蒸汽压力P2',w,纵坐标为进入汽轮机的蒸汽温度T2',w,汽轮机排汽压力为6k Pa。从图5中可以看出,当蒸汽压力在0. 35 ~ 0. 5MPa、蒸汽温度在190 ~ 220℃时,系统具有较大的输出功率( 890 ~ 900k W) ; 从图中还可以看出,压力和温度的变化对系统输出功率的影响不大。

若选用汽轮机进汽压力为0. 5MPa、温度为180℃时,系统输出功率为887k W,锅炉排烟温度为160℃,锅炉蒸汽量为7t/h( 0. 6MPa、190℃) ,汽轮机排汽温度为36. 2℃,排汽干度为0. 892。

2) 双工质ORC循环系统。

有机工质是影响有机朗肯循环系统效率的重要因素,有机工质选择需满足以下要求[9,10]:

a. 工质为干流体或等熵流体;

b. 工质比体积较小,汽化潜热值较大;

c. 工质具有较低的粘度和表面张力,具有较大的导热系数和较好的热稳定性;

d. 安全可靠,对环境友好,且价格便宜,易于获得。

除上述要求外,还应根据热源温度选择最合适的有机工质,使系统循环效率最大化。

图6 ~ 图8分别为采用戊烷、异戊烷和R123作为有机工质的双工质ORC循环系统性能图,其中横坐标为进入汽轮机的蒸汽压力P1',of,纵坐标为进入汽轮机的蒸汽温度T1',of,计算中出锅炉的有机工质蒸汽温度T1,of过热度均为5℃。

图6中汽轮机排汽压力为0. 105MPa,从图中可以看出随着进入汽轮机压力的提高,有机工质蒸发量不断减小,系统输出功率先增加后减小,当汽轮机进口压力为1. 7MPa时,系统输出功率最大,为1200k W,这是因为对于戊烷,随着蒸发压力的提高,蒸发器出口工质蒸汽与有机工质饱和液焓差不断加大,所以有机工质蒸发量不断减少; 而随着蒸发压力的提高,有机工质平均吸热温度提高,循环效率不断增加,当压力小于1. 7MPa时,有机朗肯循环效率提高对输出功率的影响大于蒸发量减少的影响,系统输出功率不断增加。相反,当压力大于1. 7MPa时,继续增加蒸发压力,系统输出功率则会减小。

图7中汽轮机排汽压力为0. 13MPa,从图中可以看出随着进入汽轮机压力的提高,有机工质蒸发量不断减小,系统输出功率不断增加,进入汽轮机压力为3. 0MPa时,系统输出功率最大为1300k W。蒸发压力不可以无限制的提高,需考虑有机工质的临界参数,因为当有机工质超临界时会发生分解、振动等难以控制的事故,影响系统的安全运行。

图8中汽轮机排汽压力为0. 13MPa,从中可以看出随着进入汽轮机压力的提高,有机工质蒸发量先增加后减小,系统输出功率不断增加,汽轮机进入压力为3. 0MPa时,系统输出 功率最大,为1391k W,这是因为对于R123,当进入汽轮机蒸汽压力大于2. 8MPa时,继续增加蒸发压力,蒸发器出口工质蒸汽与有机工质饱和液焓差反而减小,所以蒸发量增加。

对比图6 ~ 图8,对于该石灰窑烟气参数,当采用R123作为有机工质时,比戊烷和异戊烷输出功率更大; 而无论采用何种有机工质,双工质ORC循环系统均优于朗肯循环系统。

若选用汽轮机进口压力为3. 0MPa、温度为173. 3℃时,系统输出功率为1391k W,锅炉排烟温度为88℃,锅炉蒸汽 量为128. 6t/h ( 3. 1MPa、178. 3℃ ) ,汽轮机排汽温度为65. 7℃ ,排汽干度为1。

采用R123作为工质、进入汽轮机蒸汽压力为3. 0MPa,不同蒸汽过热度条件下的系统性能曲线如图9所示。3. 0MPa有机工质 的蒸发温 度为171. 3℃ ,从图9中可以看出,随着过热度的增加,有机工质蒸发量和输出功率均减小,这是因为随着有机工质蒸汽过热度的增加,汽轮机排汽焓不断提高,排汽损失加大,有机朗肯循环效率会降低。

4 结语

针对1000t/d活性石灰生产线2种余热发电系统进行了建模分析,在系统烟气量为135000m3/ h,烟气温度250℃条件下,结论如下:

1) 采用传统朗肯循环余热发电系统,进汽轮机蒸汽最佳压力范围为0. 35 ~ 0. 5MPa、蒸汽温度范围为190 ~ 220℃,理论输出功率为890 ~900k W,压力和温度变化对系统输出功率影响不大。

2) 采用有机朗肯循环余热发电系统,以R123作为工质为例,进汽轮机蒸汽最佳压力3. 0MPa、蒸汽温度173. 3℃,理论最大输出功率为1391k W。

3) 相同余热条件下,与传统朗肯循环系统相比,有机朗肯循环余热发电系统发电效率更高,余热利用更充分,发电功率同比增加约50% 。

4) 通过对戊烷、异戊烷和R123等3种工质的双循环ORC系统比较分析可知,对于1000t/d石灰窑余热发电系统,采用R123作为循环工质系统发电功率最大无论采用何种有机工质,双工质ORC循环系统均优于朗肯循环系统。

5) 对于有机朗肯循环系统,进入汽轮机的有机工质蒸汽的过热度越大,系统发电功率反而越小,这与传统朗肯循环系统相反。

摘要：针对1000t/d石灰窑生产线余热发电系统进行建模分析及优化。计算结果表明:采用传统朗肯循环发电系统,实际发电功率低于900k W,进汽轮机蒸汽最佳压力范围为0.35~0.5MPa,最佳温度范围为190~220℃;采用双工质有机朗肯循环发电系统发电功率大幅度提高,以R123作为有机工质为例,进汽轮机蒸汽最佳压力3.0MPa、蒸汽温度173.3℃,理论最大输出功率1391k W。同时对有机朗肯循环系统中广泛采用的有机工质ORC循环系统进行了对比分析,为活性石灰低温余热的高效利用提供了理论基础。

关键词：活性石灰,余热发电,朗肯循环,有机朗肯循环,ORC循环系统

参考文献

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