基于PLC的自动调节喷雾设备在水泥窑SNCR脱硝中的应用

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[摘 要]我国干法窑水泥生产线中NOX排放量严重超标，SNCR是水泥窑脱硝的主流工艺，而自动调节喷雾设备依靠plc集中精确的控制喷氨量、先进的喷雾技术、故障率低、损耗小等特点，已广泛应用于各种行业的废气处理系统中。

[关键词]PLC 自动调节 SNCR

中图分类号：TQl72.6 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）10-0052-01

1.前言

NOX 排放日益成为一个迫切需要解决的社会问题，水泥生产技术发展到今天，已经进入了以新型干法水泥生产线占主导地位的时代，而且该生产技术仍在继续发展和进一步完善中。近几年来，随着我国经济建设和社会的快速发展，我国水泥工业的迅猛发展，水泥行业氮氧化物的排放量上升，已是居火力发电、汽车尾气排放之后的第三排放大户，严重影响大气环境，成为水泥工业可持续发展的制约因素。“十二五”期间，氮氧化物首次被列入约束性指标体系，排放总量要削减10%。在一些控制NOX 的技术中，SNCR 脱硝技术比较适合我国水泥工业的实际情况，选择性非催化还原技术属于燃烧后的控制技术，是将带有氨基物质在没有催化剂的情况下，由泵喷射入分解炉内，在一定条件下与NOX 反应还原生成无毒无害的氮气和水，其脱硝效率一般在40% ～ 80%。目前市场上的脱硝喷射系统自动化程度不高，不能精确控制喷雾量，容易造成氨逃逸，产生二次污染，喷枪雾化效果不好，雾化颗粒的穿透能力不够，喷头容易堵塞，喷枪经过长时间高温煅烧，使用寿命较短，有的喷枪具有伸缩功能，但喷枪伸出之后，分解炉存在严重漏风问题，直接影响分解炉的温度，造成工况不稳定。随着我国科技的不断发展以及吸收国外的先进技术，一种全新的增湿塔喷雾降温技术被引进国内，叫做双流体喷雾降温系统。经过大量的实际应用，该系统技术成熟先进，自动化程度高，稳定可靠。采用的低压喷枪装置，喷嘴磨损小且喷雾粒度小（在30μm左右），雾化效果好，性价比高。目前已广泛应用于我国水泥、钢铁、冶金等行业的废气处理系统中。下面对这种控制系统进行较详细的介绍。

2.SNCR脱硝工艺简介

选择性非催化还原（Selective？Non-Catalytic？Reduction，以下简写为SNCR）脱除NOx技术是把含有NHx基的还原剂（如氨气、氨水或者尿素等）喷入炉膛温度为850℃～1100℃的区域，该还原剂迅速热分解成NH3和其它副产物，随后NH3与烟气中的NOx进行SNCR还原反应而生成N2。喷射区域温度低于850℃，反应不彻底有，容易造成NH3逃逸，喷射区域温度高于温度窗口时，NH3的氧化反应起主导作用，造成NOX含量增高。由此可见，如何选取合适的温度条件同时兼顾减少还原剂的泄漏成为SNCR技术成功应用的关键。

3.自动调节喷雾设备的概述

3.1 设备组成简述

设备由自动伸缩喷枪、系统集成泵站、操作员工作站及储存模块等组成

3.1.1 自动伸缩喷枪：具有喷雾颗粒细密，穿透能力强，使用寿命延长，自动调节喷枪从炉体中自动伸缩并自动封门。

3.1.2 系统集成泵站：水泵、流量计、压力变送器、电动阀门、手动阀门及电控柜。

3.1.3 操作员工作站：在中控室通过上位机可以远程监控自动调节喷雾设备的运行情况，发出远程操作指令及接收信息，自动化程度高，节省人力物力。

3.1.4 储存模块：由储存罐、液位计及相关阀门等组成。

3.2 设备的优点：占地面积小，系统组成简单，稳定性高，易于维护，使用寿命长，脱硝效果显著，数据达标。

4.控制系统的硬件组成

HMI人机界面的画面显示功能：实现生产过程流程画面，运行参数，报警信息等画面。控制级由西门子的S7-300系列PLC控制器构成，实现对数字量的输入，输出和模拟量的输入、输出的处理，性能稳定，性价比高。执行机构由变频器ABB-ACS510、立式多级离心泵、电动阀门等构成。操作员工作站集中控制，参数设定，监控运行状况等。（见图1）

5.控制系统的PLC编程

5.1 系统启/停

启动设备：可以就地或远程启动/停止信号来实现，系统进入“运行”状态并开始根据检测到的出口NOX浓度控制液体泵和空气压力调节阀的比例来控制喷氨量大小。

停止设备：可以就地或远程启动/停止信号来实现，系统进入“停机”状态，在这个状态下，系统不工作。有些报警条件可以使系统进入“停机”状态（如两台水泵都发生故障）。

5.2 系统报警

系统有区别地处理警告和报警。当警告出现时，屏幕上会出现一条信息，报警输出被激活，而系统继续运行。有些报警会迫使系统停止运行、激活报警输出并解除运行输出。另一些报警会迫使系统进入安全模式并激活报警输出。所有警告和报警都需要设置延时。

5.3 PLC系统自动控制原理

PLC系统自动控制是通过检测水泥窑烟囱出口NOX浓度以及还原剂的喷射流量，用PLC内部的PID功能构建的双闭环控制思想，实时跟踪出口NOX浓度，根据设定NOX浓度，控制水泵的转速来调节还原剂的喷射量，使其快速的将出口NOX浓度降到设定浓度±10mg/N？m3，并稳定在此范围内，保持不变。系统在层叠式PID逻辑中使用出口NOX浓度以及还原剂的喷射流量，出口NOX浓度的PID逻辑使用测定的NOX浓度与设定浓度进行比较，此PID的输出作为还原剂喷射流量PID的给定参数，还原剂的喷射流量的PID逻辑使用上一个PID的输出作为给定，与实际喷射流量进行比较，PID输出来控制水泵的转速。请注意，与PID调节方式相关的所有限制都适用于此系统；同时请注意，在启动和停止条件下或当工艺过程出现某些快速的重要变化时，需要操作者的手动干预。

6.HMI人机界面的程序编程

由于PLC程序集中于设备控制功能，要实现全面的自动控制功能，良好的人机界面，采用 TH765N组态的HMI需要编程如下几个部分：

6.1 画面：实时监视，方式选择，模拟量显示，提供各种查询窗口。

6.2 报警：归档报警变量，实现报警查询和实时报警。

6.3 趋势图：归档过程变量，实现温度跟踪趋势显示。

选用西门子WINCC7.0作为组态软件，良好的画面，显示sncr脱硝工艺流程，集中控制，历史查询数据及报警记录，曲线及数据报表打印等等功能。

8.结束语

自从自动调节喷雾设备在水泥窑SNCR脱硝中应用，运行以来，脱硝效率较高，满足环保要求，NOX排放达标，稳定运行，受到业界的广泛认可。PLC集中控制自动调节喷雾设备，具有良好的控制性能，维护量小，友善的人机界面及操作画面，已广泛应用于SNCR脱硝工程。

参考文献

[1] 西门子工业网络通信指南.上册/崔坚主编，机械工业出版社，2004.9.

[2] 西门子工业网络通信指南.下册/崔坚主编，机械工业出版社，2005.6.

[3] S7-300/400 PLC应用技术/廖常初主编，机械工业出版社，2011.12.

[4] 组态软件WINCC及其应用/刘华波等编著，机械工业出版社，2009.7.

[5] 无锡信捷电气股份有限公司，信捷TouchWin组态软件使用手册，2013.

[6] 无锡信捷电气股份有限公司，信捷TouchWin编辑软件用户手册，2015.

[7] 北京ABB电气传动系统有限公司，ACS510变频器 用户手册，2013.