环境监测与治理技术毕业论文环境监测与治理技术毕业论文院 系： 生化工程系 专 业： 环境监测与治理技术 烟气脱硫工艺过程控制系统设计摘要我国的能源构成以煤炭为主，其消费量占一次能源总消费量70左右，这种局面在今后相当长的时间内不会改变。火电厂以煤作为主要燃料进行发电，煤直接燃烧释放出大量SO2，造成大气环境污染，且随着装机容量的递增，SO2的排放量也在不断增加。加强环境保护工作是我国实施可持续发展战略的重要保证。所以，加大火电厂SO2的控制力度 就显得非常紧迫和必要。SO2的控制途径有三个：燃烧前脱硫、燃烧中脱硫、燃烧后脱硫 即烟气脱硫（FGD），目前烟气脱硫被认为是控制SO2最行之有效的途径。烟气脱硫主要为干法半干法和湿法。本文在众多烟气脱硫方法中，选择了常用的湿式石灰石烟气脱硫技术，并对烟气脱硫系统的结构组成和原理进行介绍。根据湿式石灰石烟气脱硫工艺及方案，文中给出以参与采集数据与过程控制的可编程控制器（PLC）为现场控制级，通过以太网技术搭建集散式控制系统。其中，针对湿式石灰石-石膏烟气脱硫过程具有的大惯性、时滞，非线性等特点，利用PLC的PID算法实现烟气脱硫中的吸收塔ph控制与流量控制。关键词：集散控制系统 可编程控制器 PID控制目录摘要1绪论1.1硫控制的意义1.2烟气脱硫技术的概述与选择1.3烟气脱硫的前景1.4烟气脱硫的发展状况2系统分析2.1工作原理2.1.1工艺流程2.2系统方案的比较2.3系统组成2.3.1湿式烟气脱硫主要系统功能及设备2.4可编程序逻辑控制器（PLC）介绍2.5集散控制系统（DCS）简述2.6本设计主要任务3系统控制设计3.1控制原理3.1.1控制原理概述3.1.2控制原理的分析与选择4系统硬件设计4.1集散系统设计4.1.1系统功能总设计4.2集散控制系统构成4.3 PLC设备的选型4.3.1 PLC机的选择4.3.2 PLC机的设置4.4 ph变送器、流量变送器的选择5软件设计5.1软件设计5.1.1软件总体功能5.1.2控制功能的完成5.2软件的采集控制部分5.2.1 PLC的PID算法5.3 PLC程序输入输出表5.4 MCGS系统组态软件5.4.1 MCGS简介5.4.2 工程建立5.4.3 MCGS与PLC的通信6结论6.1本文的结论6.2本文的说明6.3本课题的展望参考文献附录谢辞II1 绪论1.1烟气脱硫控制的意义硫污染问题最早是发达国家面临的突出问题。工业革命以后，以煤炭火力发电厂为主，给空气环境带来严重的污染。如上世纪50年代英国的伦敦烟雾事件，北欧和美国酸雨对于森林和湖泊的破坏，纷纷引起了发达国家对于能源结构的改进的环境污染的治理1。我国能源消费结构以煤为主，是世界第一大煤炭生产和消费国。2005年，我国煤炭消费量为21.4亿吨，占一次能源消费总量的68.7%，大量燃烧煤炭造成了严重的环境问题。据统计，全国二氧化硫排放总量的90%是由燃煤造成的，二氧化硫污染已成为主要的大气污染源，有三分之一的国土面积受到酸雨污染，生态环境、大气质量问题突出，已严重影响我国经济社会发展和人民生命健康1。随着城市化、现代化以及工业的发展，国民经济的持续快速发展 ,我国生产生活用电需求量、对能源的需求量也在迅速增长。能源的大量消耗，将会导致大量SO2及硫的污染物的生成 ,对我们以及我们赖以生存的环境产生了深刻的影响和损害。目前，随着人们环保意识的增强和国家排污总量收费政策，火电厂大气污染物排放标准等环保政策的强制执行，燃煤电厂SO2排放的治理已势在必行2。能源生产部门既要实施高能高效的生产，同时也要满足该领域的环保指标，承担起经济发展中对环境不可推脱的责任。烟气脱硫，是一种应对能源燃烧生产中带来的污染的技术。成功的烟气脱硫技术，为人们在生活与发展中坚持人与自然的和谐提供了技术上的支持；同时也推进在工业、生产等领域的可持续发展。1.2 烟气脱硫技术的概述与选择烟气脱硫技术有:克劳斯法、石灰石-石膏法和今年来兴起的循环流化床等脱硫方法。目前，烟气脱硫技术(Flue Gas Desulfurization，简称FGD)又可分为湿法、干法、半湿法。表1.1 常用脱硫方法特点比较工艺碱原料副产品脱硫率湿式石灰-石膏法CaCO3石膏8595%石膏法CaO石膏8595%干式亚硫酸回收法NaOHNa2SO49095%半湿法石灰炉内脱硫+水喷射法CaCO3水泥原料等7085%湿法脱硫是国际脱硫领域的主流，占全世界现有烟气脱硫装置总量的85% 左右，在电厂、冶金、化工行业一直占据中国大约80%的江山。当前已开发的湿法烟气脱硫技术主要有石灰石/石灰法、钠碱法、氨吸收法、氧化镁法等,其中石灰石/石灰法，占整个湿法烟气脱硫技术的36.7%3。干法烟气脱硫工艺均在干态下完成，无污水排放，烟气无明显温降，设备腐蚀较轻，但存在脱硫效率低，反应速度慢，石灰石利用率较低等问题4。而湿式石灰石-石膏脱硫方法是三种脱硫方法（湿法、干法、半干法）中技术最成熟、实际应用最多、运行状况最稳定的脱硫工艺，也是现今发展较完善、用户较广泛的脱硫技术5。湿式石灰石-石膏法烟气脱硫技术最早是由英国皇家化学工业公司提出的，经过近三十年的发展，目前它已成为世界上技术最成熟，实用业绩最多，运行状况最稳定的脱硫工艺，脱硫率在90%以上。该方法脱硫的基本原理是用石灰石浆液吸收烟气中的SO2，先生成亚硫酸钙，然后亚硫酸钙被氧化为硫酸钙，因而分为吸收和氧化两个过程，副产品石膏可回收利用，亦可抛弃处置。采用石灰石-石膏湿法脱硫的优点：技术成熟可靠，脱硫效率高达95%以上，有利于地区和电厂实行总量控制；单塔处理烟气量大，SO2脱除量大；适用于任何含硫量的煤种的烟气脱硫；物质传递能力的增强，可一定程度地降低了系统的成本，标准设计烟气流速达到4.0m/s；对锅炉负荷变化的适应性强（30%100%BMCR）；设备布置紧凑减少了场地需求；处理后的烟气含尘量大大减少；吸收剂(石灰石)资源丰富，价廉易得；脱硫副产物（石膏）便于综合利用，经济效益显著11。1.3烟气脱硫的前景随着国家有关控制SO2排放的行政法令政策与标准日趋严格且逐步完善，加大行政政策指导作用，带动政府、企业及生产工业联合行动 12。根据火电厂烟气脱硫关键技术与设备国产化规划要点、关于加快火电厂烟气脱硫产业化发展的若干意见，燃用含硫量=2%或大容量机组(=200MW)电厂建设脱硫装置时必须配备烟气脱硫系统。2004年全国燃煤机组装机容量为3.05亿千瓦，烟气脱硫机组容量为0.27亿千瓦，投资按700元/KW计算，需安装脱硫装置的火电机组保守地按2.5亿KW计算，总投资 =700x2.5=1750亿元。由此可见，电厂烟气脱硫技术在国内有着广泛的应用前景。1.4烟气脱硫的发展状况20世纪中后期，主要的工业发达国家颁布了防治大气污染的法规和标准，大大推动了烟气脱硫技术的发展。当今世界，无论烟气脱硫（Flue Gas Desulfurization，简称FGD）装置发展的速度、数量和容量，还是技术装备的水平，日本美国和德国均属于世界领先地位。迄今日本拥有FGD装备1800余套，总容量超过50000MW，其中石灰石湿法占95%以上；美国的烟气脱硫从20世纪70年代中期开始进入一个持续的快速发展时期，目前美国的FGD装机容量已超过150000MW，其中石灰石湿法占92%以上；欧洲的FGD技术以德国发展最为迅速，50MW以上的燃煤锅炉全部安装了FGD装置，德国90%以上的FGD装置采用石灰石-石膏法4。中国有50多家脱硫公司先后引进了德国、美国、日本等国的烟气脱硫技术装备，绝大部分是FGD石灰石-石膏法。国内已经实施和正在实施的大型火电发电机的烟气脱硫几乎都采用了国外的核心工艺包技术4。2 系统分析2.1 工作原理 2.1.1 工艺流程 石灰石（石灰）-石膏湿法脱硫工艺系统主要有：烟气系统、吸收氧化系统、浆液制备系统、石膏脱水系统、排放系统组成。其基本工艺流程如下： 锅炉烟气经电除尘器除尘后，通过增压风机、GGH(气体-气体换热器)降温后进入吸收塔。在吸收塔内烟气向上流动且被向下流动的循环浆液以逆流方式洗涤。循环浆液则通过喷浆层内设置的喷嘴喷射到吸收塔中，以便脱除SO2、SO3、HCl和HF，与此同时在“强制氧化工艺”的处理下反应的副产物被导入的空气氧化为石膏（CaSO42H2O），并消耗作为吸收剂的石灰石。循环浆液通过浆液循环泵向上输送到喷淋层中，通过喷嘴进行雾化，可使气体和液体得以充分接触。每个泵通常与其各自的喷淋层相连接，即通常采用单元制。在吸收塔中，石灰石与二氧化硫反应生成石膏，这部分石膏浆液通过石膏浆液泵排出，进入石膏脱水系统。脱水系统主要包括石膏水力旋流器（作为一级脱水设备）、浆液分配器和真空皮带脱水机。经过净化处理的烟气流经两级除雾器除雾，在此处将清洁烟气中所携带的浆液雾滴去除。同时按特定程序不时地用工艺水对除雾器进行冲洗。进行除雾器冲洗有两个目的，一是防止除雾器堵塞，二是冲洗水同时作为补充水，稳定吸收塔液位。烟气脱硫技术属于燃烧后的脱硫。在吸收塔出口，烟气一般被冷却到4655左右，且为水蒸气所饱和。通过气-气换热器将烟气加热到80以上，以提高烟气的抬升高度和扩散能力。最后，洁净的烟气通过烟道进入烟囱排向大气。脱硫过程主要反应有吸收反应、中和反应和氧化反应：1. SO2 + H2O H2SO3 (2-1)2. CaCO3 + H2SO3 CaSO3 + CO2 + H2O (2-2)3. CaSO3 + 1/2 O2 CaSO4 (2-3)4. CaSO3 + 1/2 H2O CaSO31/2 H2O 结晶 (2-4)5. CaSO4 + 2H2O CaSO42H2O 结晶 (2-5)6. CaSO3 + H2SO3 Ca (HSO3)2 (2-6) 石灰/石灰石-石膏湿法烟气脱硫工艺的化学原理如下，1.烟气中二氧化硫溶解于水中生成亚硫酸并离解成H氢离子和HSO离子；2.烟气中的氧(由氧化风机送入的空气)溶解在水中，将HSO3氧化成SO4 2-；3. 吸收剂中的碳酸钙在一定条件下于水中生成Ca2+离子。在吸收塔内，溶解的二氧化硫、碳酸钙及氧发生化学反应生成石膏(CaSO4*2H2O)。由于吸收剂循环量大和氧化空气的送入，吸收塔下部浆池中的邢化一或亚硫酸盐几乎全部被氧化为硫酸根或者硫酸盐，最后在CaSO4达到一定过饱和度后结晶形成石膏CaSO4*2H2O，石膏可根据需要进行综合利用或者