CN106582283B - 非连续式金属型材酸洗线尾气脱硝处理设备的控制方法 - Google Patents

非连续式金属型材酸洗线尾气脱硝处理设备的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于非连续式金属型材含硝酸酸洗线的SCR尾气脱硝处理设备的控制方法。由于金属型材在酸槽内周期性浸泡/提出，导致氮氧化物在尾气中的浓度随着工艺流程发生剧烈波动。脱硝尾气处理设备的还原剂与检测仪表的检测值控制方法目前普遍采用的是PID控制方法，而该控制方法中检测仪表的检测值与到达反应器的氮氧化物的实际浓度值存在滞后性。在这种情况下，氮氧化物排放值超标。本专利提出一种对处理设备新的控制方法，该控制方法能够随着酸洗线尾气氮氧化物浓度的剧烈波动及时调整时尾气脱硝处理设备内的还原剂投加量，从而使得氮氧化物排放值始终保持在达标状态，解决了排放物造成环境污染的问题。

Description

非连续式金属型材酸洗线尾气脱硝处理设备的控制方法
技术领域
本专利涉及环保设备控制方法技术领域，更具体地涉及了非连续式金属型材含硝酸酸洗线的SCR(selective catalytic reduction选择性催化还原)尾气脱硝处理设备的控制方法。
背景技术
非连续式金属型材含硝酸酸洗线(以下均简称酸洗线)尾气脱硝处理设备包括废气管道、还原剂管道、吸收塔、反应器、还原剂及检测仪表等。
非连续式金属型材含硝酸酸洗线按工艺要求普遍使用稀硝酸。金属型材按工艺要求从酸槽中浸泡/提出。由于酸槽中含有硝酸成分，硝酸本身挥发分解或与金属氧化物都会产生氮氧化物尾气。
酸槽内硝酸会挥发分解产生NO2；在酸洗线内处理的金属型材在硝酸槽内时，金属型材与稀硝酸反应生产NO；金属型材离开酸槽时，滞留在金属型材表面上的硝酸分解挥发生产NO2。由于金属型材在酸槽内周期性浸泡/提出，导致氮氧化物在尾气中的浓度随着工艺流程发生剧烈波动。脱硝尾气处理设备的还原剂与检测仪表的检测值控制方法普遍采用的是PID控制，而检测仪表的检测值与到达反应器的氮氧化物的实际浓度值存在滞后性。在这种情况下，氮氧化物排放值超标。
本申请提出一种对处理设备的新的控制方法，有效解决由于酸洗线尾气氮氧化物浓度的剧烈波动，而造成尾气脱硝处理设备的还原剂投加量不能及时调整，而引起氮氧化物排放值超标，造成环境污染的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种新的处理设备控制方法，该控制方法能够随着酸洗线尾气氮氧化物浓度的剧烈波动及时调整时尾气脱硝处理设备内的还原剂投加量，从而使得氮氧化物排放值始终保持在达标状态。
本发明的为一种适用于非连续式金属型材含硝酸酸洗线的SCR尾气脱硝处理设备的控制方法，包括：
在处理金属型材前，通过检测仪表根据酸槽酸液浓度、酸槽工艺号、酸槽表面积、酸槽位号、酸槽温度工况数据测得槽体NO2的挥发分解速率
Figure GDA0003878972100000021
并将其记录到数据库中；
在将金属型材浸泡在酸槽内提起时，通过检测仪表测得滞留在金属型材表面上的硝酸挥发分解产生的NO2速率为
Figure GDA0003878972100000022
并将其记录到数据库中；
在槽内酸液的浓度和温度处于生产工况时，将金属型材浸泡入酸槽中，通过检测仪表基于金属型材类型、金属型材质量、金属型材表面积、酸槽位号、酸槽工艺号、工艺时间、酸槽温度、酸槽浓度数据得到NO的产生速率GZ NOkg/h，并将其记录到数据库中；
测算得到尾气从尾气管道进口到反应器的所需时间t1，测算得到尾气从反应器到检测仪表的所需时间t2；
根据化学方程式进行计算所需的还原剂NH3的量；
在处理金属型材前，酸槽内酸液的浓度和温度处于生产工况时，此时只有酸槽挥发产生的NO2尾气，所述
Figure GDA0003878972100000023
为定值，实测得到还原剂阀门所需开度为
Figure GDA0003878972100000024
其对应的还原剂流量为
Figure GDA0003878972100000025
在处理金属型材时，调用数据库中的
Figure GDA0003878972100000026
及GZ NOkg/h数据，计算得出所需的NH3流量f实际m3/h，对应得到还原剂阀门开度；
通过控制处理设备的还原剂阀门开度使还原剂NH3的流量稳定到达f实际m3/h。
进一步地，设总共有n1个硝酸槽，n2个从酸槽内提起的金属型材，总的NO产生速率GZ NO为：
Figure GDA0003878972100000027
进一步地，根据化学方程式进行计算，反应完所有NO气体所需的NH3量为0.38×GZ NOkg/h，反应完所有槽体产生的NO2气体所需的NH3量为
Figure GDA0003878972100000028
反应完所有滞留在金属型材表面上的硝酸所产生的NO2气体所需的NH3量为
Figure GDA0003878972100000029
进一步地，所需的NH3流量f实际为：
Figure GDA00038789721000000210
Figure GDA00038789721000000211
进一步地，还包括：经过t2时间后，取消阀门开度与还原剂流量的对应关系，使得检测仪表的反馈信号进入系统预设的PID调节机制。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：本发明提出一种新的控制方法，有效解决由于酸洗线尾气氮氧化物浓度的剧烈波动，而造成尾气脱硝处理设备的还原剂投加量不能及时调整，而引起氮氧化物排放值超标问题。
附图说明
图1为现有的SCR尾气脱硝设备的工艺流程示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式，对本发明作进一步的详细说明。
1、金属型材含硝酸酸洗线的SCR尾气脱硝处理设备中NO和NO2的来源分析
由于硝酸不稳定，常压下遇热会分解，反应方程式为：
4HNO3＝4NO2↑+O2↑+2H2O
氧化铁与稀硝酸的反应方程式，
3FeO+10HNO3＝3Fe(NO3)3+NO↑+5H2O
氧化铬与稀硝酸的反应方程式
6CrCl3+4HNO3+7H2O＝3Cr2O5+4NO↑+18HCl
综上反应方程式，我们认为NO2尾气是由于稀硝酸的挥发分解产生，NO尾气是由金属氧化物与稀硝酸的反应产生。
虽然NO在空气中缓慢会与O2反应生成NO2。但由于尾气从污染源到反应器的流程时间小于30s，NO2及NO变化量很小，故本专利不需将此反应结果考虑在内。
虽然尾气需要经过吸收塔，NO2会微溶于并会产生NO，但尾气经过吸收塔的流程时间小于5s，NO2及NO变化量很小，故本专利不需将此结果考虑在内。
金属型材中除氧化铁、氧化铬外，虽然其它的一些金属氧化物也会与稀硝酸进行反应，但由于其它金属氧化物量很少，故本专利不需将此类反应结果考虑在内。
2、金属型材含硝酸酸洗线的SCR尾气脱硝处理设备中NO2挥发分解量
经过查阅相关资料，可得液体蒸发量的公式为：
GZ＝M×(0.000352+0.000786×U)×P×F-V×Fkg/h
其中：
GZ——NO2挥发分解速率(kg/h)；
M——硝酸的分子量
U——蒸发液体表面上的空气流速，m/s，以实测数据为准，一般酸洗线的设计吸风口的风速为0.2-0.5m/s；
P——相应于液体温度下的空气中的蒸气分压力，mmHg。如果溶液的实际温度/浓度值不在表格中，使用相邻两个数值的之间比例线性关系进行计算。
F——液体蒸发面的表面积，m2。其中酸槽的液面上表面积S槽体已知，金属型材的表面积为S型材已知。
V——单位面积水蒸气蒸发速率。蒸发表面温度40℃时蒸发速率为1.2l/m2·h。其计算公式为：
Pws：当前水温的饱和蒸汽压，bar；Pw：当前水面外环境的实际水汽分压力，bar；M：摩尔质量，g/mol，水的摩尔质量为18g/mol；T：气体常数，J/(K·mol)；K；T：水的温度，K。蒸汽饱和绝对压力的值Pws。
根据上述公式可知，一个含硝酸的酸槽NO2的挥发分解速率为：
Gz槽体＝63×(0.000352+0.000786×U)×P槽体×S槽体—V×S槽体kg/h
在一个金属型材从酸槽内提起时，滞留在金属型材表面上的硝酸挥发分解产生的NO2速率为：
Gz型材＝63×(0.000352+0.000786×U)×P型材×S型材-V×S型材kg/h
设总共n1个硝酸槽，n2个从酸槽内提起的金属型材。故可知所有含硝酸的酸槽的NO2的挥发分解速率
Figure GDA0003878972100000041
及所有滞留在金属型材表面上的硝酸的挥发分解产生的NO2速率
Figure GDA0003878972100000042
Figure GDA0003878972100000043
及所有NO2挥发分解速率GZ NO2分别为：
Figure GDA0003878972100000044
Figure GDA0003878972100000045
Figure GDA0003878972100000046
Figure GDA0003878972100000047
除了使用公式得到结果外，还可以由检测仪表进行自动测定得到相应结果。方法如下：
在处理任何金属型材前，在酸槽内没有金属型材，亦没有金属型材从酸槽内提出，酸槽内酸液的浓度和温度处于生产工况时，此时只有酸槽中的硝酸挥发产生的NO2尾气，而没有NO尾气及滞留在型材上硝酸挥发分解的NO2尾气。通过检测仪表得到NO2的挥发分解速率(单位kg/h)并将其记录到数据库中以备使用。
工艺人员可以针对以下参数分别记录NO2的挥发分解速率(单位kg/h)，每种工艺条件均需记录，以便生成数据库，酸槽浓度、酸槽工艺号、酸槽表面积、酸槽位号、酸槽温度等。
控制软件会自动根据工况数据，调用数据库的数据，得到
Figure GDA0003878972100000048
数值，以便进行下一步的计算工作。
3、金属型材含硝酸酸洗线的SCR尾气脱硝处理设备中NO的产生量
由于每种型材浸泡在酸槽内卷浸的时间、型材的品种、酸槽性质及槽体浓度等均有区别，无法用公式进行定量精确计算NO的产生速率。故NO产生速率(单位kg/h)可由检测仪表进行自动测定并将其并记录到数据库中以备使用。方法如下：
在槽内酸液的浓度和温度处于生产工况时，将一定数量金属型材浸泡酸槽中，此时通过检测仪表得到NO的产生速率(单位kg/h)，并将其记录到数据库中以备使用。
工艺人员可以针对以下参数分别记录NO的产生速率(单位kg/h)，每种工艺条件均需记录，以便生成数据库：
金属型材类型、金属型材质量、金属型材表面积、酸槽位号、酸槽工艺号、工艺时间、酸槽温度、酸槽浓度等。
控制软件将自动根据工况数据，调用数据库的数据，以便进行下一步的计算工作。
设总共n1个硝酸槽，n2个从酸槽内提起的金属型材。总的NO产生速率GZ NO为：
Figure GDA0003878972100000051
4、尾气在管道内所需时间
已知风机电动机的输入电源频率在50Hz时的风量为Q m3/h，实时频率为fHz，管道的横截面积为S m2，风机管道进口到反应器的管道长度为d1m，从反应器到测量仪表处的管道长度为d2m。
故尾气从尾气管道进口到反应器的所需时间t1为
Figure GDA0003878972100000052
故尾气从反应器到测量仪表的所需时间t2为
Figure GDA0003878972100000053
5、根据还原反应方程式计算所需的还原剂量
6NO+4NH3→5N2+6H2O，
6NO2+8NH3→7N2+12H2O，
根据化学方程式进行计算，可得以下结果：
反应完所有NO气体所需的NH3为0.38×GZ NOkg/h
反应完所有槽体产生的NO2气体所需的NH3为
Figure GDA0003878972100000054
反应完所有滞留在金属型材表面上的硝酸所产生的NO2气体所需的NH3为
Figure GDA0003878972100000055
6、根据计算结果得到还原剂流量的控制方式
在处理任何金属型材前，在酸槽内没有金属型材，亦没有金属型材从酸槽内提出，酸槽内酸液的浓度和温度处于生产工况时，此时只有酸槽挥发产生的NO2尾气，而没有NO尾气及型材挥发分解的NO2尾气。即
Figure GDA0003878972100000061
为定值。实测得到此时还原剂阀门所需开度为
Figure GDA0003878972100000062
其对应的还原剂流量为
Figure GDA0003878972100000063
控制软件根据酸槽和型材的规格及工艺状态，根据上述内容可以得出
Figure GDA0003878972100000064
及GZ NO。一旦隧道内的型材/槽体状态有变化，可以根据比例关系，可知在t1时间后，所需的NH3流量f实际为：
Figure GDA0003878972100000065
故可控制还原剂阀门开度使还原剂流量稳定到达f实际m3/h。
过t2时间后，取消阀门开度与流量的对应关系，使得检测仪表的反馈信号进入系统预设的PID调节机制。
由于定量预知了所需的f实际，t1，t2，即使酸洗线尾气氮氧化物浓度的剧烈波动，但尾气脱硝处理设备的还原剂投加量能够及时调整，从而避免氮氧化物排放值超标问题。
以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。

Claims (3)

1.一种适用于非连续式金属型材含硝酸酸洗线的SCR尾气脱硝处理设备的控制方法，包括：
在处理金属型材前，通过检测仪表根据酸槽酸液浓度、酸槽工艺号、酸槽表面积、酸槽位号、酸槽温度工况数据测得槽体NO2的挥发分解速率GZNO2槽体kg/h，并将其记录到数据库中；其中，GZNO2槽体＝63×(0.000352+0.000786×U)×P槽体1×S槽体1-V×S槽体1+……+63×(0.000352+0.000786×U)×P槽体n1×S槽体n1-V×S槽体n1kg/h；
在将金属型材浸泡在酸槽内提起时，通过检测仪表测得滞留在金属型材表面上的硝酸挥发分解产生的NO2速率为GZNO2型材kg/h，并将其记录到数据库中；其中，GZNO2型材＝63×(0.000352+0.000786×U)×P型材1×S型材1-V×S型材1+……++63×(0.000352+0.000786×U)×P型材n2×S型材n2-V×S型材n2kg/h；
其中，GZ——NO2挥发分解速率(kg/h)；
U——蒸发液体表面上的空气流速，m/s，以实测数据为准，一般酸洗线的设计吸风口的风速为0.2-0.5m/s；
P——相应于液体温度下的空气中的蒸气分压力，mmHg，如果溶液的实际温度/浓度值不在表格中，使用相邻两个数值的之间比例线性关系进行计算；
F——液体蒸发面的表面积，m2，其中酸槽的液面上表面积S槽体已知，金属型材的表面积为S型材已知；
V——单位面积水蒸汽蒸发速率；
在槽内酸液的浓度和温度处于生产工况时，将金属型材浸泡入酸槽中，通过检测仪表基于金属型材类型、金属型材质量、金属型材表面积、酸槽位号、酸槽工艺号、工艺时间、酸槽温度、酸槽浓度数据得到NO的产生速率GZNOkg/h，并将其记录到数据库中；其中：GZNO＝GZNO槽体1++……+GZNO槽体n1kg/h；
测算得到尾气从尾气管道进口到反应器的所需时间t1，测算得到尾气从反应器到检测仪表的所需时间t2；
根据化学方程式进行计算所需的还原剂NH3的量：
6NO+4NH3→5N2+6H2O，6NO2+8NH3→7N2+12H2O，
根据化学方程式进行计算，可得以下结果：
反应完所有NO气体所需的NH3为0.38×GZNOkg/h
反应完所有槽体产生的的NO2气体所需的NH3为0.49×GZNO2槽体kg/h
反应完所有滞留在金属型材表面上的硝酸所产生的NO2气体所需的NH3为0.49×GZNO2型材kg/h；
在处理金属型材前，酸槽内酸液的浓度和温度处于生产工况时，此时只有酸槽挥发产生的NO2尾气，所述GZNO2槽体kg/h为定值，实测得到还原剂阀门所需开度为dNO2槽体％，其对应的还原剂流量为fNO2槽体m3/h；
在处理金属型材时，调用数据库中的GZNO2型材kg/h及GZNOkg/h数据，计算得出所需的NH3流量f实际m3/h，对应得到还原剂阀门开度；
通过控制处理设备的还原剂阀门开度使还原剂NH3的流量稳定到达f实际m3/h；
其中，所需的NH3流量f实际为：f实际＝(0.38×GZNO+0.49×GZNO2槽体+0.49×GZNO2型材)×fNO2槽体/(0.49×GZNO2槽体)m3/h。
2.根据权利要求1所述的非连续式金属型材酸洗线尾气脱硝处理设备的控制方法，其特征在于，设总共有n1个硝酸槽，n2个从酸槽内提起的金属型材，总的NO产生速率GZNO为：GZNO＝GZNO槽体1++……+GZNO槽体n2kg/h。
3.根据权利要求1所述的适用于非连续式金属型材含硝酸酸洗线的SCR尾气脱硝处理设备的控制方法，其特征在于，还包括：经过t2时间后，取消阀门开度与还原剂流量的对应关系，使得检测仪表的反馈信号进入系统预设的PID调节机制。
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