CN107174926B - 一种自动控制的脱硫脱硝装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种自动控制的脱硫脱硝装置，能够自动对各个风箱中的烟气进行组分分析，从而自动为其选择处理装置，并将风箱中的烟气自动导入相对应的处理装置，优化的分布式气体感测装置能够显著提升气体组分的探测精度，气体组分分析器中的预设算法能够进一步提升气体组分的探测精度；自动控制各个处理装置的运转，并且通过处理装置之间的连通控制使得各个位置烟气的热能能够形成优势互补，最大化烟气的脱硫脱硝效果。

Description

一种自动控制的脱硫脱硝装置
技术领域
本发明涉及环保领域，具体涉及一种自动控制的脱硫脱硝装置。
背景技术
《国家环境保护“十二五”规划》提出，“十二五”期间中国SO2排放减少8％，NOx排放减少10％的指标，钢铁、有色等重点行业二噁英排放强度降低10％。在燃煤电力行业污染减排空间有限的情况下，钢铁行业作为污染排放大户，需要承担更多的污染减排份额。
钢铁烧结烟气多污染物排放特征如下：
二氧化硫：烧结烟气中的SO2主要来源于铁矿石和固体燃料(如煤粉)。铁矿石中的硫通常以硫化物、硫酸盐的形式存在，燃料煤中的硫多以有机硫的形式存在，硫化物和有机硫分解后很快和氧气反应而氧化为SO2。
氮氧化物。烧结过程产生的NOx主要包括NO和NO2。NOx来源主要有两部分：一是烧结点火阶段，二是固体燃料燃烧和高温反应阶段。NOx产生途径主要有3种：在燃烧条件下，空气中的N2和O2反应生成热力型NOx；燃烧过程中，空气中的N2和燃料中的碳氢基团反应生成的HCN、CN等NO前驱物又被进一步氧化成为NOx，为快速型NOx；燃料中的氮在燃烧过程中被氧化成为燃料型NOx。
SO2和NOx的浓度随烧结机位置的不同而变化：机头和机尾烟气SO2浓度低，中部烟气SO2浓度高；NOx浓度沿烧结方向的变化趋势与SO2不同，在机头浓度最高，自烧结机中部到机尾，开始逐渐下降至最低值。烧结的不同阶段SO2和NOx的含量均会发生变化，同时，在烧结机的不同位置，抽出的烟气中的SO2和NOx的含量也不相同，而SO2和NOx的含量不同相应的烟气处理方法也不尽相同，如何正确判断不同位置抽出的烟气中的气体组分，并根据气体组分选择最为适宜的处理方法为环保工作人员提出了新的难题，进一步地，不同位置处的烟气的温度也差别很大，能否最大程度利用各个位置烟气的自身特点，为各个位置处的烟气自动选择最为适宜的处理方法，并且使得各个位置烟气的热能能够形成优势互补，最大化烟气的脱硫脱硝效果，最终得到净化后符合国家标准的可排放气体是本申请中着重解决的技术问题。
发明内容
本发明提供一种自动控制的脱硫脱硝装置，能够为各个位置处的烟气自动选择最为适宜的处理方法，并且使得各个位置烟气的热能能够形成优势互补，最大化烟气的脱硫脱硝效果，本发明是以如下技术方案实现的：
一种自动控制的脱硫脱硝装置，所述脱硫脱硝装置对于烧结机内产生的烟气进行脱硫脱硝处理，沿所述烧结机的烧结机台车行进方向设置有N个风箱，所述N个风箱分为一类风箱、二类风箱和三类风箱，所述N个风箱中的目标风箱的烟道布设有分布式气体感测装置，所述分布式气体感测装置与总控系统通讯连接。
所述一类风箱通过第一控制阀与吸附塔连通，所述三类风箱通过第三控制阀与脱硫系统连通，所述第一控制阀和所述第三控制阀均受控于总控系统。所述二类风箱通过第二控制阀与脱硝系统连接，通过第二控制阀与脱硫系统连接，所述第二控制阀开启时，所述二类风箱与脱硝系统链接，所述第二控制阀关闭时，所述二类风箱与脱硫系统连接，所述第二控制阀受控于所述总控系统；所述总控系统根据所述气体感测装置的测量结果控制第二控制阀开启或关闭。
所述脱硫系统沿烟气流经通路分别设置有第一混气室、第一反应室和除尘室，所述除尘室出口与所述吸附塔连通；
所述脱硝系统沿烟气流经通路分别设置有第二混气室、湿度调解室、第二反应室和产物收集室；所述第一混气室和所述第二混气室通过第四控制阀连通，所述第四控制阀受控于所述总控系统；所述产物收集室的出口通过第五控制阀与所述第一混气室连通，所述第五控制阀受控于所述总控系统。
进一步地，所述总控系统包括计气体组分分析器、气体温度分析器、中控器和分控器，所述气体组分分析器、气体温度分析器和所述分控器均受控于所述中控器，所述分控器用于控制第一控制阀、第二控制阀、第三控制阀、第四控制阀和第五控制阀。
本发明的有益效果是：
本发明提供一种自动控制的脱硫脱硝装置，具备下述有益效果：
(1)自动对各个风箱中的烟气进行组分分析，从而自动为其选择处理装置，并将风箱中的烟气自动导入相对应的处理装置，优化的分布式气体感测装置能够显著提升气体组分的探测精度，气体组分分析器中的预设算法能够进一步提升气体组分的探测精度；
(2)自动控制各个处理装置的运转，并且通过处理装置之间的连通控制使得各个位置烟气的热能能够形成优势互补，最大化烟气的脱硫脱硝效果。
附图说明
图1是本发明实施例提供的SO2和NOx的浓度变化示意图；
图2是本发明实施例提供的脱硫脱硝装置结构示意图；
图3是本发明实施例提供的脱硫脱硝装置连通关系示意图；
图4是本发明实施例提供的控制系统示意图；
图5是气体感测装置具体的组成结果示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
烧结工序是钢铁生产的重要环节，在烧结过程中原料含有的硫化物、氮化物经过化学反应生成二氧化硫、氮氧化物等污染物，被烧结烟气携带。
烧结烟气不同于其他含尘气体，有其独有的特殊性。沿所述烧结机，不同风箱抽出的烟气组分具有明显的差别。以风箱数为24为例，如图1所示，经过测试得知，SO2和NOx的浓度随烧结机位置的不同而变化：机头和机尾烟气SO2浓度低，中部烟气SO2浓度高；NOx浓度沿烧结方向的变化趋势与SO2不同，在机头浓度最高，自烧结机中部到机尾，开始逐渐下降至最低值。烧结机首部的烟气平均温度、SO2和NOx含量均较低，这部分烟气不需要进行脱硫脱硝处理；烧结机中部的烟气SO2和NOx较高，但是平均温度较低，这部分烟气需要进行脱硫脱硝处理，但是其温度较低会导致脱硫脱硝处理效果较差；烧结机尾部烟气的SO2含量较高，需要进行脱硫处理，但是其温度又较高，显然，烧结机中部和烧结机尾部的烟气需要使用化学方法对其进行脱硫和/或脱硝处理，这产生了两个问题：(1)确定具体哪些风箱的烟气不进行脱硫脱硝处理、进行脱硫脱硝处理或进行脱硫处理；(2)烧结机尾部的烟气温度过高，烧结机中部的烟气温度过低，能否实现这两种烟气的热能互补，提升对于烧结机中部烟气脱硫脱硝的效果，并且提升对于烧结机尾部烟气脱硫的效果。
为实现上述两个技术问题，本发明实施例一种自动控制的脱硫脱硝装置，如图2所示，所述脱硫脱硝装置对于烧结机内产生的烟气进行脱硫脱硝处理，沿所述烧结机的烧结机台车行进方向设置有N个风箱，所述N个风箱分为一类风箱1、二类风箱2和三类风箱3，所述一类风箱1通过第一控制阀11与吸附塔4连通，所述三类风箱3通过第三控制阀31与脱硫系统5连通，所述第一控制阀11和所述第三控制阀31均受控于总控系统(图中未示出)。
具体地，所述二类风箱2通过第二控制阀21与脱硝系统6连接，通过第二控制阀21与脱硫系统5连接，所述第二控制阀21开启时，所述二类风箱2与脱硝系统6连接，所述第二控制阀21关闭时，所述二类风箱2与脱硫系统5连接，所述第二控制阀21受控于所述总控系统；当所述第二控制阀21开启时，烟气经脱硝系统6、脱硫系统5和吸附塔4后被排出，当所述第二控制阀21关闭时，烟气经脱硫系统6和吸附塔4后被排出。
如图3所示，所述脱硫系统沿烟气流经通路分别设置有第一混气室、第一反应室和除尘室，所述除尘室出口与所述吸附塔连通；
所述脱硝系统沿烟气流经通路分别设置有第二混气室、湿度调解室、第二反应室和产物收集室；所述第一混气室和所述第二混气室通过第四控制阀连通，所述第四控制阀受控于所述总控系统；所述产物收集室的出口通过第五控制阀与所述第一混气室连通，所述第五控制阀受控于所述总控系统。
具体地，一类风箱中的烟气中SO2和NOx均较低并且温度较低，二类风箱SO2和NOx浓度较高并且温度较低，三类风箱SO2较高而NOx较低，温度较高，一类风箱、二类风箱和三类风箱沿烧结机台车行进方向布设。
在本实施例所述的脱硫脱硝装置中，实现了对于一部分烟气(二类风箱)经过经脱硝系统、脱硫系统和吸附塔后被排出，对于另一部分烟气(三类风箱)经脱硫系统和吸附塔后被排出，从而实现了对于烧结机不同部分的烟气按其自身组分分别处理的目的。
如图4所示，为实现烟气组分的自动化分析和烟气处理装置的自动化选择，所述总控系统包括气体组分分析器、气体温度分析器、中控器和分控器，所述气体组分分析器、气体温度分析器和所述分控器均受控于所述中控器，所述分控器用于控制第一控制阀、第二控制阀、第三控制阀、第四控制阀和第五控制阀。
每个目标风箱的烟气出口处均设置有气体感测装置。为提升NOx的浓度测量精度，本发明实施例进一步地提出了分布式气体感测装置的布设方案，即将多个气体感测装置分别布设于目标风箱的烟道的不同位置处，并对气体感测装置的测量结果进行数据处理以得到最便于能够精确判断烟道中气体的组分。所述目标风箱为不确定是二类风箱还是三类风箱的风箱，即排除位于烧结机首部的若干风箱(可以确定为一类风箱)，和位于烧结机尾部的若干风箱(可以确定为三类风箱)之外的其它风箱。具体地，一类风箱和三类风箱的数量可以根据经验设定。每个所述气体感测装置与总控系统连通以使得所述总控系统根据气体感测结果进行气体组分分析。
每一个气体感测装置均由能量供应模块、微处理器模块、传感器模块和无线通信模块组成，每个气体感测装置均能够获取其自身传感器模块输出的电动势数据，并将所述电动势数据按照预设协议发送至总控模块的气体组分分析器。气体感测装置具体的组成结果如图5所示。其中，微处理器采用ATMEL公司的AVR系列的8位低功耗ATmega128L芯片，内部为Harvard结构，具有128KB的Flash和4KB的SRAM，具有8个10位的ADC通道以及UART、SPI、I2C和JTAG等接口，其中JTAG支持调试和编程。ATmega128L芯片还具备7种工作模式，其中6种为低功耗工作模式，使其非常适合低功耗的无线网络应用。
无线通信模块采用Chipdon公司的RF收发器CC2240，其外围电路接口主要包含微控制器接口、晶振时钟接口以及无线通信接口。CC2240通过四线SPI串行总线SI、SO、SCLK及Csn与微处理器模块进行连接，并可通过寄存器FIFO、FIFOP的管脚控制气体感测装置的收发数据状态。
所述传感器模块包括氧化锆基体，所述氧化锆基体的材料为氧化钇稳定氧化锆，所述氧化锆基体的一端并排设置有第一敏感级和第二敏感级，第一敏感级和第二敏感级均浸没在二类风箱的烟气环境之中，所述氧化锆基体的背侧设置有参考电极，所述参考电极浸没在大气之中；所述第一敏感级和所述第二敏感级均独立与所述参考电极连通；所述第一敏感极由NiO和三氧化二钇含量为5～8mole％的氧化锆陶瓷材料的复合材料制成；所述第二敏感极由CuO层和覆盖层构成，覆盖层由含Mn元素0～10Vol％的尖晶石材料制成。
所述第一敏感级输出的第一电动势和所述第二敏感级输出的第二电动势均由微处理器模块进行记录，并经由无线通信模块传输至气体组分分析器。
所述气体组分分析器得到各个分布式气体感测装置测得的第一电动势构成的第一电动势数据集合和第二电动势构成的第二电动势数据集合，执行下述数据处理方法：
依据
Figure BDA0001335085480000071
得到某个物理量的参考值_S，其中Si为每个气体感测装置测得的值，σi为气体感测装置的均方差，Di表示所述气体感测装置与所述烟道出口横截面中心的距离。
所述气体组分分析器获取所述第一电动势的参考值和所述第二电动势的参考值，并根据所述第一电动势的参考值和第二电动势的参考值分析气体组分并将分析结果传输至中控器；所述中控器根据所述分析结果控制所述二类风箱对应的第二控制阀。
具体地，所述气体组分分析器中存储有第一电动势与NO浓度之间的对应关系，以及第二电动势与NO2浓度之间的对应关系，所述气体组分分析器根据第一电动势的参考值和第二电动势的参考值分析出NOx的浓度，并将NOx的浓度传输至中控器，若NOx的浓度的浓度大于预设阈值，则说明当前烟气需要脱硝，则所述烟气对应的风箱为二类风箱，中控器控制所述风箱对应的第二控制阀开启；若NOx的浓度的浓度不大于预设阈值，则说明当前烟气不需要脱硝，则所述烟气对应的风箱为三类风箱，中控器控制所述风箱对应的第二控制阀关闭。
在实际的控制过程中，一类风箱中的烟气中SO2浓度低于第一阈值、NOx浓度低于第二阈值，并且烟气温度低于第四阈值，二类风箱NOx浓度高于第三阈值，并且温度低于第五阈值，三类风箱NOx浓度低于第三阈值，并且温度高于第五阈值。
所述第一阈值低于SO2浓度的大气排放标准，所述第二阈值低于NOx浓度的大气排放标准，所述第三阈值为进行脱硝处理的临界值；所述第四阈值为对烟气进行预热回收的临界值，所述第五阈值为进行烟气间热交换的临界值。因此，一类风箱中的烟气不需要进行化学处理也不需要进行预热回收，可以直接进入吸附塔进行粉尘吸附后排入大气；二类风箱的烟气需要进行脱硝处理，因此进入脱硝系统，后经脱硫系统和吸附塔后排入大气；三类风箱的烟气不需要经过脱硝系统，可以经过脱硫系统和吸附塔后排入大气。需要强调的是，三类风箱中的烟气虽然也有部分NOx，而脱硫系统对NOx也具备一定的清楚能力，因此，三类风箱中的烟气不需要再经过脱硝系统的处理。
通过上述装置，本发明实施例自动确定了具体哪些风箱的烟气不进行脱硫脱硝处理、进行脱硫脱硝处理或进行脱硫处理，并能够实现根据烟气组成实时切换其对应的处理装置的功能。
进一步的，由上述可知，二类风箱中的烟气温度低于第五阈值，而三类风箱中的温度高于第五阈值，可见二类风箱中的烟气和三类风箱中的烟气具备热交换的条件，本发明实施例还进一步提供了一种脱硝装置，所述脱硝装置能够充分利用烟气的热能资源，实现余热再利用。由于烧结机自身工作特点，三类风箱的烟气的温度要远高于二类风箱的烟气温度，而三类风箱的烟气首先进入脱硫装置，因此，从脱硫装置的第一混气室引出烟气至脱硝装置的第二混气室，从而通过烟气热传输将第二混气室中的烟气控制在预设的温度区间内，在所述温度区间内，所述脱硝装置能够达到最好的脱硝效果。
为保证第二混气室中的烟气的温度在所述温度区间内，在所述第一混气室和所述第二混气室连通的通路上，所述第四控制阀靠近第一混气室的一侧设置有第一温度传感器，所述第二混气室内设置有第二温度传感器，所述第一温度传感器和所述第二温度传感器的测量结果传输至气体温度分析器；
所述气体温度分析器将获取到的第二混气室的温度T2和第一混气室的温度T1传输至中控器，所述中控器根据第二混气室的温度T2、第一混气室的温度T1以及第二混气室的容积计算第一混气室的气体流入至第二混气室的目标流量，并根据所述目标流量调节第四控制阀，从而控制第二混气室的温度，确保第二混气室的温度在温度区间的范围之内，并且充分利用了第一混气室的热能资源。
具体地，所述脱硝装置包括第二混气室、湿度调解室、第二反应室和产物收集室。设所述第二混气室的温度区间为[TA,TB],经过所述湿度调节室进行湿度调节之后，第二反应室的温度区间为[TC,TD]，温度区间为[TC,TD]即为脱硝反应的最佳反应温度区间。
在所述第二反应室这种设置有一氨气进气口，所述氨气进气口用于向所述第二反应室输入氨气，所述氨气进气口处设置有第六控制阀，所述第六控制阀受控于所述总控系统。所述第二反应室壁上还设置有若干出射窗安置台，每个所述出射窗安置台外均安装一电子发生器，所述电子发生器包括具有一定宽度的真空室；位于真空室内用于生成电子的电子发生装置；以及细长喷嘴，该细长喷嘴从真空室沿着纵轴延伸，所述喷嘴顶端处架设与所述出射窗安置台之上，电子发生器生成的电子眼所述出射窗安装台射入所述第二反应室；所述电子发生器均受控于所述总控系统。
所述第二反应室的氨气进气口喷入氨气。烟气进入第二反应室后，在电子的作用下，产生大量的自由基，使烟气中的NOx与NH3进行复杂而迅速化学反应硝酸铵微粒，从而实现了脱硝。
进一步地，进入产物收集室，用静电除尘方式，捕集烟气中的硝酸铵。最后由设在产物收集室底部的刮板机刮出，进行包装或存储以实现脱硝产物的再利用，经由产物收集室出来的烟气中的NOx已经能够达到国家规定浓度，其经由第五控制阀再次进入第一混气室，与需要脱硫的三类风箱中的烟气一起经过脱硫系统的处理后进入吸附塔，最后经由吸附塔排入大气。具体地，所述吸附塔内布设有大量活性炭微粒。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种自动控制的脱硫脱硝装置，其特征在于：
所述脱硫脱硝装置对于烧结机内产生的烟气进行脱硫脱硝处理，沿所述烧结机的烧结机台车行进方向设置有N个风箱，所述N个风箱分为一类风箱(1)、二类风箱(2)和三类风箱(3)，所述一类风箱(1)通过第一控制阀(11)与吸附塔(4)连通，所述三类风箱(3)通过第三控制阀(31)与脱硫系统(5)连通，所述第一控制阀(11)和所述第三控制阀(31)均受控于总控系统；一类风箱中的烟气中SO2和NOx均较低并且温度较低，二类风箱SO2和NOx浓度较高并且温度较低，三类风箱SO2较高而NOx较低，温度较高，一类风箱、二类风箱和三类风箱沿烧结机台车行进方向布设；
所述二类风箱(2)通过第二控制阀(21)与脱硝系统(6)连接；当所述第二控制阀(21)开启时，烟气经脱硝系统(6)、脱硫系统(5)和吸附塔(4)后被排出，当所述第二控制阀( 21)关闭时，烟气经脱硫系统(6)和吸附塔(4)后被排出；
所述脱硫系统沿烟气流经通路分别设置有第一混气室、第一反应室和除尘室，所述除尘室出口与所述吸附塔连通；
所述脱硝系统沿烟气流经通路分别设置有第二混气室、湿度调解室、第二反应室和产物收集室；所述第一混气室和所述第二混气室通过第四控制阀连通，所述第四控制阀受控于所述总控系统；所述产物收集室的出口通过第五控制阀与所述第一混气室连通，所述第五控制阀受控于所述总控系统；
所述总控系统包括气体组分分析器、气体温度分析器、中控器和分控器，所述气体组分分析器、气体温度分析器和所述分控器均受控于所述中控器，所述分控器用于控制第一控制阀、第二控制阀、第三控制阀、第四控制阀和第五控制阀；
将多个气体感测装置分别布设于目标风箱的烟道的不同位置处，并对气体感测装置的测量结果进行数据处理以精确判断烟道中气体的组分；所述目标风箱为不确定是二类风箱还是三类风箱的风箱；
每一个气体感测装置均由能量供应模块、微处理器模块、传感器模块和无线通信模块组成，每个气体感测装置均能够获取其自身传感器模块输出的电动势数据，并将所述电动势数据按照预设协议发送至总控模块的气体组分分析器；
所述传感器模块包括氧化锆基体，所述氧化锆基体的材料为氧化钇稳定氧化锆，所述氧化锆基体的一端并排设置有第一敏感级和第二敏感级；
所述第一敏感级输出的第一电动势和所述第二敏感级输出的第二电动势均由微处理器模块进行记录，并经由无线通信模块传输至气体组分分析器；
所述气体组分分析器得到各个分布式气体感测装置测得的第一电动势构成的第一电动势数据集合和第二电动势构成的第二电动势数据集合，执行下述数据处理方法：
依据
Figure FDA0002547247990000021
得到某个物理量的参考值
Figure FDA0002547247990000022
其中Si为每个气体感测装置测得的值，σi为气体感测装置的均方差，Di表示所述气体感测装置与所述烟道出口横截面中心的距离；
所述气体组分分析器获取所述第一电动势的参考值和所述第二电动势的参考值，并根据所述第一电动势的参考值和第二电动势的参考值分析气体组分并将分析结果传输至中控器；所述中控器根据所述分析结果控制所述目标风箱对应的第二控制阀；
所述气体组分分析器中存储有第一电动势与NO浓度之间的对应关系，以及第二电动势与NO2浓度之间的对应关系，所述气体组分分析器根据第一电动势的参考值和第二电动势的参考值分析出NOx的浓度，并将NOx的浓度传输至中控器，若NOx的浓度的浓度大于预设阈值，则所述烟气对应的风箱为二类风箱，中控器控制所述风箱对应的第二控制阀开启；若NOx的浓度的浓度不大于预设阈值，则所述烟气对应的风箱为三类风箱，中控器控制所述风箱对应的第二控制阀关闭；
为保证第二混气室中的烟气的温度在温度区间内，
在所述第一混气室和所述第二混气室连通的通路上，所述第四控制阀靠近第一混气室的一侧设置有第一温度传感器，所述第二混气室内设置有第二温度传感器，所述第一温度传感器和所述第二温度传感器的测量结果传输至气体温度分析器；
所述气体温度分析器将获取到的第二混气室的温度T2和第一混气室的温度T1传输至中控器，所述中控器根据第二混气室的温度T2、第一混气室的温度T1以及第二混气室的容积计算第一混气室的气体流入至第二混气室的目标流量，并根据所述目标流量调节第四控制阀，从而控制第二混气室的温度，确保第二混气室的温度在温度区间的范围之内，并且充分利用了第一混气室的热能资源；
脱硝装置包括第二混气室、湿度调解室、第二反应室和产物收集室；在所述第二反应室之中设置有一氨气进气口，所述氨气进气口用于向所述第二反应室输入氨气，所述氨气进气口处设置有第六控制阀，所述第六控制阀受控于所述总控系统；所述第二反应室壁上还设置有若干出射窗安置台，每个所述出射窗安置台外均安装一电子发生器，所述电子发生器包括具有一定宽度的真空室；位于真空室内用于生成电子的电子发生装置；以及细长喷嘴，该细长喷嘴从真空室沿着纵轴延伸，所述喷嘴顶端处架设于所述出射窗安置台之上，电子发生器生成的电子沿所述出射窗安装台射入所述第二反应室；所述电子发生器均受控于所述总控系统；
所述第二反应室的氨气进气口喷入氨气；烟气进入第二反应室后，在电子的作用下，产生大量的自由基，实现了脱硝。
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