焦炉废气再循环脱硝项目自动控制系统的设计与实现

和艳慧^{1 2}，李琴艳，于亚忠，邢旭东

 1,孝义市金晖煤焦有限公司，山西孝义(032300)

2，吕梁职业技术学院，山西吕梁(032300)

摘 要： 孝义市金晖煤焦有限公司焦炉烟道中废气中NO_x含量在700-1000mg/m³，为了有效降低废气中NO_x的排放，实施了废气再循环脱硝项目。通过将一部分焦炉废气再循环与助燃空气一起配入焦炉燃烧室，进而降低了燃烧室中的氧浓度，提高燃烧室温度均匀性，最终实现了降低废气中氮氧化物的目的。废气再循环投运后，废气中的NO_x含量成功降低为200-450mg/ m³。本文对此项目实施过程中自动控制系统的设计与实现进行了介绍。

关键词：NO_x ；焦炉； 废气再循环；脱硝； 自动控制 ；系统；

Designing and implementation of automatic control system for coke oven flue gas recirculation denitration project

He Yanhui^1，2，Li Qinyan，Yu Yazhong，Xin Xudong

(1,Xiaoyi Jinhui Coal Coke co，Shanxi Xiaoyi，032300

2,Lvliang polytechnic institute, Shanxi ,Lvliang,032300)

E-mail：952240004@qq.com

Abstract:  Concentration of NOx in flue gas which comes from coke oven battery in Xiaoyi Jinhui Coal Coke co., LTD., is 700-1000 mg/m3. In order to reduce the concentration of NOx in flue gas, project flue gas recycling denitration has been implemented. It will be done by mixing part of recirculation flue gas with combustion air, which will be dosed into heating chambers to reduce the concentration of oxygen in it, as well as improving the homogeneity of temperature, to reach the target that reduce the concentration of NOx in flue gas. It has been reduced to 200-450mg/m3 after the project was put into service.

This paper mainly focus on the designing and implementation of automatic control system in implementation process of this project.

Keyword：NOx; Coke oven; Flue gas recycling; Automatic control System； denox ；

孝义市金晖煤焦有限公司（简称孝义金晖），年产冶金焦105万吨，拥有两组四座JNK43-98D捣固焦炉，其加热结构为单热式、下喷式双联火道。其中 1^#38孔、2^#38孔、3^#38孔、4^#46孔共计160孔，1^#炉和2^#炉为一组共用1#烟囱，标况下烟气流量120000m³/h，3^#炉和4^#炉为一组共用2^#烟囱，标况下烟气流量130000m³/h。烟道废气中氮氧化物（NO_x）含量达700～1000mg/m³。为了将NO_x降至500 mg/m3以下，孝义金晖实施了废气再循环脱硝项目。

一． 废气再循环脱硝工艺

1、 废气中氮氧化物的生成机理

氮氧化物（NO_x）是NO 和NO₂ 的统称, 依据氮氧化物生成机理,可分为热力型、燃料型和快速型NO_x3类。

热力型NO_x 是指当燃烧室温度在1350℃以上时,空气中的氮气在高温下被氧化生成NO_x ,当温度足够高时,热力型NO_x 可达20%。

燃料型NO_x 指的是燃料中的有机氮化物在燃烧过程中生成的NO_x ,其生成量主要取决于空气燃料的混合比。燃料型NO_x 约占NO_x 总生成量的70%～90%^[1]。  

快速型NO_x指燃烧时空气中的氮和燃料中的碳氢离子团(CH)等反应而生成NO_x。快速型NO_x 生成量很少,可以忽略不计。

焦炉加热过程中，燃烧室控制温度一般不超过1350℃，因此废气中的氮氧化物主要是燃烧过程中产生的。通常,燃烧生成的NO_x 由超过90%的NO和小于10%的NO₂ 组成^[2]。

2、 废气再循环脱硝原理

    废气再循环脱硝是通过循环利用烟道中的废气，达到降低NO_x目的的一种工艺方式。即从焦炉烟道中将高温废气引出一部分，由管道送入空/废气开闭器和助燃空气一起进入焦炉蓄热室、斜道，最终进入焦炉燃烧室。焦炉烟道中的废气温度达260-300℃，在和助燃空气一起混合进入燃烧室的过程中，对助燃空气进行了预热和稀释，有效降低了焦炉燃烧室区域单位体积氧浓度，促使燃烧在整个空间进行，燃烧反应的区域加大，提高了燃烧室温度均匀性，进而抑制了NO的产生，使燃烧产生的NO明显低于常规燃烧^[3]。

3、 工艺流程及主要设备

废气通过风机自总烟道引出，分别通过机侧单号、双号废气管道，焦侧单号、双号废气管道及其管道上的四个电动阀，通过支管以及支管上的手动蝶阀从空/废气开闭器底部进入，在交换机换向进空气时，与助燃空气一起进入焦炉每孔燃烧室。

在每座焦炉地下室安装一台废气风机，共计4台；进口管道接至机焦侧汇总烟道，出口分四路，机侧、焦侧两侧各两趟管，每趟总管上装一台电动调节阀，共计16台；进入每个空/废气开闭器的废气支管上装设独立的手动蝶阀，共计160个。

二． 自动控制系统设计

1、 自动控制设计要求

1) 根据焦炉交换加热制度，实现单号炉双号炉交替废气再循环自动控制。

   根据焦炉加热交换机实时换向信号，当单号进空气时，关闭两个双号废气阀门，打开两个单号废气阀门；当双号进空气时，关闭两个单号废气阀门，打开双号废气阀门。阀门预设开度可调整，阀门关闭时间需小于换向时间。

2) 根据风机出口管道压力对废气量进行手自动控制。

根据风机出口总管压力，对风机频率进行自动控制，通过废气管道压力调整废气量。

3) 实现风机远程自动启停控制，自动联锁停机保护。

实现废气风机自动启动、停止，在风机前后轴温度以及电机温度高于设定值时，报警并联锁停止风机，同时电动阀联锁关闭。

4) 设置独立PC人机界面，满足过程参数设定、调控、显示、报警、历史趋势、报表等要求。

2、 仪表测点设置

1） 风机出口废气压力，四个支管阀后压力、末端压力，电机前后轴温度；

2） 电动阀位置反馈，变频器频率反馈，风机电机电流反馈；

3） 交换机换向正向、反向指示，风机运行状态指示。

3、 自动控制系统设置

    一二期各设置一套PLC系统，控制柜及上位PC机设在一二期交换机室。分别对两座焦炉的2台风机、8台电动阀进行自动调控，对管道仪表测点数据进行采集。两套PLC数据需与两个PC操作员站分别通讯，实现单台PC可同时与一二期进行数据交互。

PLC设备选用西门子S7-300系列，PC人机界面画面组态软件采用SIMATIC WinCC。

三． 自动控制系统运行效果分析

项目单体试车完成，自动控制系统整体投运后，总体达到设了计要求。通过对压力、流量等参数进行精细调节后，焦炉烟囱废气中的NO_x降至了200～450 mg/m³，满足了设计要求。但在试运行过程中，也发现一些问题，具体如下：

1、 风机出口压力稳定的情况下，废气管道末端的支管存在压力不足现象。为此，针对每个焦炉每孔支管的手动蝶阀进行开度调整，使得管道整体压力流量可以相对均衡，同时满足不同炉子实际需求。

2、 电动阀开闭时间较长，长达30～50秒，换向完毕后阀门仍未关闭，而且由于焦炉废气温度较高，同时地下室空间温度也较高，投运后电动阀频繁出现控制部分电路板故障现象。鉴于此，孝义金晖利用交换机现有液压站将电动阀技改为液压控制阀，一方面开关行程时间满足了3～5秒的要求，另一方面避免了高温导致电路板故障而致使电动阀无法使用的问题。

四． 结语

孝义金晖废气再循环脱硝系统项目，在旧焦炉改造建设，虽然施工难度较大，但建设工期较短，整体投资也较小，而且脱硝效果显著，是焦化前端控硝的成功实例。项目的成功实施，为后续实现焦炉烟气NOx<150 mg/m³低限排放打定了基础，也大大降低了后续烟气脱硝的运行成本。

参考文献：[1]金维平. 燃料型NOx的生成机理及控制措施[J]. 中国科技信息, 2005, 2(22):20+29.

 [2]胡满银, 韩静, 刘忠,等. 烟气再循环及分段送风对链条炉NOx生成的数值模拟[J]. 洁净煤技术, 2010, 16(3):71-73.

 [3]李星, 贾力, 张田田,等. 天然气高温空气燃烧特性数值研究[C]// 北京机械工程学会2012年优秀论文评选论文集. 2012:90-91-92-93-94-95-96-97.