CN115624847A

CN115624847A - 水泥窑自适应精准脱硝控制系统

Info

Publication number: CN115624847A
Application number: CN202211617568.9A
Authority: CN
Inventors: 刘卫民; 梁永在; 韩国华; 刘鹏飞; 潘存植; 郝利炜; 任二龙; 李阁男; 杨翠军
Original assignee: Hebei Building Materials Industrial Design And Research Institute Co ltd
Current assignee: Hebei Building Materials Industrial Design And Research Institute Co ltd
Priority date: 2022-12-16
Filing date: 2022-12-16
Publication date: 2023-01-20

Abstract

本发明涉及水泥窑自适应精准脱硝控制系统，由以下部分组成：Ⅰ 操作系统，包括工控机和配套的人机界面操作系统；Ⅱ PLC控制系统，包括处理器模块及其配套数据处理控制程序、现场数据采集处理模块和通讯模块；Ⅲ 数据通信设备及现场设备，包括远程控制阀门，气体分析仪和温度、压力、流量等信号采集仪表等。该控制系统应用于水泥生产过程中气体污染物处理，能根据氮氧化物和CO含量数据对供氨泵流量进行实时调节，精确控制氨水喷枪的流量，实现对系统中以及尾气中的氮氧化物含量的精确控制；氨水使用量达到最低，减少氨逃逸，环保节能。该系统具有氨水利用率高、脱硝高效精准和节约成本的特点，具有良好的应用效果。

Description

水泥窑自适应精准脱硝控制系统

技术领域

本发明属于水泥行业废气处理技术领域，具体涉及一种水泥窑自适应精准脱硝控制系统。

背景技术

随着我国经济持续快速发展和能源消费大幅增长，氮氧化物排放量迅速增长引起了一系列环境问题。水泥行业降低氮氧化物排放，已成为急需解决的急迫问题。

选择性非催化还原技术（SNCR）是一种在水泥行业中应用较为广泛的脱硝控制处理技术，此方法是在分解炉的合适温度区域加入还原剂（应用较为广泛的为氨水），还原剂与氮氧化物发生化学反应生成无污染的氮气，随尾气排入大气中。该方法，主要是在分解炉合适部位安装氨水喷枪，通过氨水泵加压，氨水通过管道后被氨水喷枪雾化打入到分解炉中，氨水与氮氧化物反应生成氮气，达到降低废气中氮氧化物的目的。系统中装有氮氧化物检测仪器，可实时检测废气中的氮氧化物含量，操作员可根据当前氮氧化物含量值，调整氨水泵的供氨量，以精确控制废气中的氮氧化物含量。常规SNCR控制系统是仅靠氨水泵的流量（变频赫兹数）来控制分解炉废气中的的氮氧化物，既可以做到自动联锁控制，也可以切换手动控制。但其缺点是氨水喷枪位置固定，单支氨水喷枪的开启和关闭都需要手动控制，单支或分组氨水喷枪的流量无法显示，单支氨水喷枪的流量大小无法调节。

基于以上常规SNCR脱硝系统的缺点，发明人开发了一种新型精准脱硝控制系统，能够根据生产系统内的气体组分，特别是氮氧化物和一氧化碳的含量，控制不同部位氨水喷枪分组开启和关闭，实时显示分组氨水喷枪的氨水流量，同时能够显示每一只氨水喷枪的氨水流量和压缩空气流量。氨水流量的总量以窑尾烟囱氮氧化物为目标进行实时调节，每组喷枪根据内部逻辑进行精准匹配调节，实现氮氧化物达标排放和提高氨水利用效率的目的。

发明内容

本发明针对现有技术中氨水使用效率低、难以精准调控尾气中氮氧化物浓度的缺点，提供了一种水泥窑自适应精准脱硝控制系统，可精准控制水泥脱硝系统氨水总使用量和各脱硝反应区的氨水喷入量，在保证水泥生产中排放废气中氮氧化物含量达标的要求下，提高氨水使用效率，使氨水使用量达到最低，减少氨逃逸，达到环保节能、降低生产成本的目的。

水泥窑自适应精准脱硝控制系统，主要由以下部分组成：Ⅰ 操作系统，包括1台工控机和配套的人机界面操作系统；Ⅱ PLC控制系统，包括1套处理器模块及其配套数据处理控制程序、1套现场数据采集处理模块和通讯模块；Ⅲ 数据通信设备及现场设备，包括远程控制阀门，气体分析仪和温度、压力、流量等信号采集仪表等。

PLC控制系统的功能包括：（1）对数据通信设备及现场设备采集的数据进行处理，将需要监控的数据传送至操作系统显示；（2）接收来自操作员的控制命令和控制参数，并将其发送至需要调节、控制的设备，对氨水泵、氨水喷枪阀门等设备的工艺参数进行实时控制、调节；（3）对实时采集的现场氮氧化物含量、氨水流量、氨水喷枪阀门开度等数据进行处理分析，并对氨水泵和氨水喷枪阀门进行调节控制。以上步骤循环进行，从而可以通过实时调节氨水泵流量和氨水喷枪阀门开度实现精确控制废气中氮氧化物含量的目的。

分解炉与窑尾烟囱之间有A、B两路各五级旋风分离器。从分解炉开始，A路旋风分离器依次分别为C5A、C4A、C3A、C2A、C1A，B路旋风分离器依次分别为C5B、C4B、C3B、C2B、C1B。水泥回转窑排放出的高温废气进入到预热器系统中的分解炉和旋风分离器中，其中的氮氧化物被布置于分解炉和C4A、C4B旋风分离器的氨水喷枪喷射出的氨水转化成氮气，尾气经窑尾烟囱排放。窑尾烟囱中设置在线烟气分析仪，能够监测尾气中氮氧化物、一氧化碳等气体成分含量，氮氧化物含量值与氨水泵流量相关联，利用氨水泵的供氨量来调节尾气中氮氧化物含量。

在水泥生产线的预热器系统中设置带远程调节阀门的氨水喷枪18支，采用多层和多个喷枪布置，有利于使氨水与氮氧化物更充分的混合，且能根据工况实时调节不同位置喷枪的开度，实现最佳脱硝效率，降低氨水用量和减少氨逃逸。氨水喷枪的具体布置位置为：在分解炉鹅颈管处水平环向布置8支，在旋风分离器C4A出口处的筒壁上水平环向布置5支，在旋风分离器C4B出口处的筒壁上水平环向布置5支。每支氨水喷枪各设一路氨水管道和一路压缩空气管道。

18支氨水喷枪分为10组，分别编号为第1～10组，分组如下：

第1组；氨水喷枪1和氨水喷枪2；

第2组；氨水喷枪3和氨水喷枪4；

第3组；氨水喷枪5和氨水喷枪6；

第4组；氨水喷枪7和氨水喷枪8；

第5组；氨水喷枪9和氨水喷枪10；

第6组；氨水喷枪11和氨水喷枪12；

第7组；氨水喷枪13；

第8组；氨水喷枪14和氨水喷枪15；

第9组；氨水喷枪16和氨水喷枪17；

第10组；氨水喷枪18。

该脱硝控制系统设置两台氨水泵，一用一备，为变频调节，氨水泵连接总流量计。总流量计后分为10个支路，每个支路连接一组氨水喷枪并设有开关阀，远程控制每组管道的开启和关闭。在氨水喷枪的开关阀后的管道上设置气动调节阀，可调节管道中氨水流量；气动调节阀后依次设置流量计和压力计，压力计后分单支氨水喷枪支路，每个单支氨水喷枪支路又设置流量计。

氨水流量的主要控制逻辑为：根据窑尾烟囱实时的氮氧化物（多种含氮氧化物的混合物，下同）含量值n作为控制氨水流量的依据，氮氧化物含量由安装于窑尾烟囱的气体分析仪进行测定，并将结果传送至PLC控制系统，用于系统逻辑控制。当窑尾烟囱中的氮氧化物含量值n比设定标准值高时，应加大氨水喷入量，使更多的氮氧化物与氨水反应，达到降低尾气中氮氧化物含量的目的；反之，当窑尾烟囱中的氮氧化物含量值n比设定标准值低时，应减小氨水喷入量。

为保证氨水喷枪喷出氨水有良好雾化效果，提高氨水与氮氧化物反应效率，每个氨水喷枪支路配套压缩空气管路。压缩空气引自厂区现有压缩空气管路，总管设置总开关阀，总开关阀后分为10组支路，与氨水管路分组一致。各压缩空气支路分别设置开关阀，其开关状态与其对应的氨水支路开关阀一致。

根据化学反应式2NO_x+2xCO=N₂+2xCO₂，在一定温度下CO可与氮氧化物发生化学反应生成N₂和CO₂，减少氮氧化物含量，因此分解炉内的CO浓度可影响和反映排出分解炉的氮氧化物浓度。氨水喷枪阀门开度的主要控制逻辑为：根据分解炉出口的CO浓度值p调节各个氨水喷枪阀门开度，以达到控制各个氨水喷枪喷入系统氨水量的目的。

有益效果：本发明的水泥窑自适应精准脱硝控制系统应用于水泥生产过程中气体污染物处理，结构布局合理，能实时采集、分析系统中的氮氧化物、一氧化碳的含量数据，通过对供氨泵流量进行实时调节，精确控制18支氨水喷枪的流量，不仅能够实现对系统中各部位氮氧化物含量的精确控制，还能够精确控制尾气中的氮氧化物总含量，以达到精准脱硝的目的。

本控制系统可精准控制水泥脱硝系统氨水总使用量和各脱硝反应区的氨水喷入量，在保证水泥生产中排放废气中氮氧化物含量达标的要求下，提高氨水使用效率，使氨水使用量达到最低，减少氨逃逸，达到环保节能、降低生产成本的目的。本系统具有氨水利用率高、脱硝高效精准和节约成本的特点，具有良好的应用效果。

附图说明

图1 本发明脱硝控制系统的结构示意图。

图2 本发明脱硝控制系统的总逻辑结构示意图。

图3 本发明脱硝控制系统的氨水喷枪在旋风分离器上的位置示意图。

图4 本发明脱硝控制系统的氨水喷枪水平布置及气体主要测点布置示意图。

图5 本发明脱硝控制系统的氨水喷枪管路及其分组示意图。

图6 本发明脱硝控制系统的氨水总流量控制逻辑示意图。

图7 本发明脱硝控制系统的氨水喷枪阀门控制逻辑示意图。

具体实施方式

如图1所示，水泥窑自适应精准脱硝控制系统，主要由以下部分组成：Ⅰ 操作系统，包括1台工控机和配套的人机界面操作系统；Ⅱ PLC控制系统，包括1套处理器模块及其配套数据处理控制程序、1套现场数据采集处理模块和通讯模块；Ⅲ数据通信设备及现场设备，包括远程控制阀门，气体分析仪和温度、压力、流量等信号采集仪表等。

如图2所示，PLC控制系统的功能包括：（1）对数据通信设备及现场设备采集的数据进行处理，将需要监控的数据传送至操作系统显示；（2）接收来自操作员的控制命令和控制参数，并将其发送至需要调节、控制的设备，对氨水泵、氨水喷枪阀门等设备的工艺参数进行实时控制、调节；（3）对实时采集的现场氮氧化物含量、氨水流量、氨水喷枪阀门开度等数据进行处理分析，并对氨水泵和氨水喷枪阀门进行调节控制。以上步骤循环进行，从而可以通过实时调节氨水泵流量和氨水喷枪阀门开度实现精确控制废气中氮氧化物含量的目的。

如图3所示，分解炉与窑尾烟囱之间有A、B两路各五级旋风分离器。从分解炉开始，A路旋风分离器依次分别为C5A、C4A、C3A、C2A、C1A，B路旋风分离器依次分别为C5B、C4B、C3B、C2B、C1B。水泥回转窑排放出的高温废气进入到预热器系统中的分解炉和旋风分离器中，其中的氮氧化物被布置于分解炉和C4A、C4B旋风分离器的氨水喷枪喷射出的氨水转化成氮气，尾气经窑尾烟囱排放。窑尾烟囱中设置在线烟气分析仪，能够监测尾气中氮氧化物、一氧化碳等气体成分含量，氮氧化物含量值与氨水泵流量相关联，利用氨水泵的供氨量来调节尾气中氮氧化物含量。

如图4所示，在水泥生产线的预热器系统中设置带远程调节阀门的氨水喷枪18支，采用多层和多个喷枪布置，有利于使氨水与氮氧化物更充分的混合，且能根据工况实时调节不同位置喷枪的开度，实现最佳脱硝效率，降低氨水用量和减少氨逃逸。氨水喷枪的具体布置位置为：在分解炉鹅颈管处水平环向布置8支，在旋风分离器C4A出口处的筒壁上水平环向布置5支，在旋风分离器C4B出口处的筒壁上水平环向布置5支。每支氨水喷枪各设一路氨水管道和一路压缩空气管道。图4中带箭头的虚线，仅表示废气流向，并不是废气的实际路径。

如图5所示，18支氨水喷枪分为10组，分别编号为第1～10组，分组如下：

第1组；氨水喷枪1和氨水喷枪2；

第2组；氨水喷枪3和氨水喷枪4；

第3组；氨水喷枪5和氨水喷枪6；

第4组；氨水喷枪7和氨水喷枪8；

第5组；氨水喷枪9和氨水喷枪10；

第6组；氨水喷枪11和氨水喷枪12；

第7组；氨水喷枪13；

第8组；氨水喷枪14和氨水喷枪15；

第9组；氨水喷枪16和氨水喷枪17；

第10组；氨水喷枪18。

如图6所示，设定氮氧化物的标准值1范围为35±5mg/m³，标准值2范围为35±10mg/m³。当30mg/m³≤n≤40mg/m³时，氨水泵的频率不变；当25mg/m³≤n＜30mg/m³或40mg/m³＜n≤45mg/m³时，n值超出标准值1范围每增加/减少1mg/m³，氨水泵的频率增加/减少0.1Hz；当n＜25mg/m³或n＞45mg/m³时，n值超出标准值2范围每增加/减少1mg/m³，氨水泵的频率增加/减少0.2Hz。氨水泵的频率增加供氨水增加，氨水泵的频率减少供氨水减少。

根据化学反应式2NO_x+2xCO=N₂+2xCO₂，在一定温度下CO可与氮氧化物发生化学反应生成N₂和CO₂，减少氮氧化物含量，因此分解炉内的CO浓度可影响和反映排出分解炉的氮氧化物浓度。氨水喷枪阀门开度的主要控制逻辑为：根据分解炉出口的CO浓度值p调节各个氨水喷枪阀门开度，以达到控制各个氨水喷枪喷入系统氨水量的目的；当分解炉出口的CO浓度p较高时可适当减少喷入分解炉的氨水量，增加C4A、C4B处氨水量；当分解炉出口的CO浓度p较低时可适当增加喷入分解炉的氨水量，减少C4A、C4B处氨水量。

如图7所示，初始时，第1～5、8组共12支氨水喷枪全开，且开度一致。当p＜1000ppm时，保持现状；当1000ppm≤p＜3000ppm时，p与1000ppm相比每增加1000ppm，第5、8组的氨水喷枪调节阀开度各增加10%，第1～4组的氨水喷枪调节阀开度各减少5%；当3000ppm≤p＜5000ppm时，同时打开第7、10组的氨水喷枪调节阀，同时关闭第4组的氨水喷枪调节阀，第7、10组的氨水喷枪调节阀开度与第1～3组的开度一致，同时逐渐回调第5、8组的氨水喷枪调节阀开度，每5分钟降低5%，直至与第1～3、7和10组的一致；当p≥5000ppm时，同时打开第6、9组的氨水喷枪调节阀，同时关闭第3组的氨水喷枪调节阀，第6、9组的氨水喷枪调节阀开度每5分钟增加5%，直至第6、9组与第1、2组的氨水喷枪调节阀开度一致。

Claims

1.水泥窑自适应精准脱硝控制系统，其特征在于：由以下部分组成，

Ⅰ 操作系统，包括工控机和配套的人机界面操作系统；

Ⅱ PLC控制系统，包括处理器模块及其配套数据处理控制程序、现场数据采集处理模块和通讯模块；

Ⅲ 数据通信设备及现场设备，包括远程控制阀门，气体分析仪和温度、压力、流量信号采集仪表；

所述PLC控制系统的功能：对数据通信设备及现场设备采集的数据进行处理，将需要监控的数据传送至操作系统显示；接收来自操作员的控制命令和控制参数，并将其发送至需要调节、控制的设备，对氨水泵、氨水喷枪阀门设备的工艺参数进行实时控制、调节；对实时采集的现场氮氧化物含量、氨水流量、氨水喷枪阀门开度等数据进行处理分析，并对氨水泵和氨水喷枪阀门进行调节控制。

2.根据权利要求1所述的水泥窑自适应精准脱硝控制系统，其特征在于：在窑尾烟囱中设置氮氧化物、CO在线检测装置，并与氨水泵流量相关联调控尾气中NO_x含量。

3.根据权利要求2所述的水泥窑自适应精准脱硝控制系统，其特征在于：在水泥生产线的预热器系统中设置带远程调节阀门的氨水喷枪18支，其中在分解炉鹅颈管处水平环向布置8支，在旋风分离器C4A出口处的筒壁上水平环向布置5支，在旋风分离器C4B出口处的筒壁上水平环向布置5支；每支氨水喷枪各设一路氨水管道和一路压缩空气管道。

4.根据权利要求3所述的水泥窑自适应精准脱硝控制系统，其特征在于：采用可变频调节的氨水泵，连接总流量计；所述氨水喷枪分为10组，第1组，氨水喷枪1和氨水喷枪2；第2组，氨水喷枪3和氨水喷枪4；第3组，氨水喷枪5和氨水喷枪6；第4组，氨水喷枪7和氨水喷枪8；第5组，氨水喷枪9和氨水喷枪10；第6组，氨水喷枪11和氨水喷枪12；第7组，氨水喷枪13；第8组，氨水喷枪14和氨水喷枪15；第9组，氨水喷枪16和氨水喷枪17；第10组，氨水喷枪18；

第1～4组的氨水喷枪布置在分解炉鹅颈管处，第5～7组布置在旋风分离器C4A出口处，第8～10组布置在旋风分离器C4B出口处。

5.根据权利要求4所述的水泥窑自适应精准脱硝控制系统，其特征在于：根据窑尾烟囱实时的氮氧化物含量值n作为控制氨水流量的依据，当氮氧化物含量值n比设定标准值高时加大氨水喷入量；反之，当氮氧化物含量值n比设定标准值低时，减小氨水喷入量。

6.根据权利要求5所述的水泥窑自适应精准脱硝控制系统，其特征在于：设定氮氧化物的标准值1范围为35±5mg/m³，标准值2范围为35±10mg/m³；当30mg/m³≤n≤40mg/m³时，氨水泵的频率不变；当25mg/m³≤n＜30mg/m³或40mg/m³＜n≤45mg/m³时，n值超出标准值1范围每增加/减少1mg/m³，氨水泵的频率增加/减少0.1Hz；当n＜25mg/m³或n＞45mg/m³时，n值超出标准值2范围每增加/减少1mg/ m³，氨水泵的频率增加/减少0.2Hz。

7.根据权利要求4所述的水泥窑自适应精准脱硝控制系统，其特征在于：根据分解炉出口的CO浓度值p调节各个氨水喷枪的阀门开度。

8.根据权利要求7所述的水泥窑自适应精准脱硝控制系统，其特征在于：初始时，第1～5、8组共12支氨水喷枪全开，且开度一致；

当p＜1000ppm时，保持现状；

当1000ppm≤p＜3000ppm时，P与1000ppm相比每增加1000ppm，第5、8组的氨水喷枪调节阀开度各增加10%，第1～4组的氨水喷枪调节阀开度各减少5%；

当3000ppm≤p＜5000ppm时，同时打开第7、10组的氨水喷枪调节阀，同时关闭第4组的氨水喷枪调节阀，第7、10组的氨水喷枪调节阀开度与第1～3组的开度一致；同时逐渐回调第5、8组的氨水喷枪调节阀开度，每5分钟降低5%，直至与第1～3、7和10组的一致；

当P≥5000ppm时，同时打开第6、9组的氨水喷枪调节阀，同时关闭第3组的氨水喷枪调节阀，第6、9组的氨水喷枪调节阀开度每5分钟增加5%，直至第6、9组与第1、2组的氨水喷枪调节阀开度一致。