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过程控制系统方案设计

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过程控制仪表与系统

题目： 工业含硫废气控制系统方案设计

学 院： 信息科学与工程学院
专 业 班 级： 测控技术与仪器1503班
学 号： 150401327
学 生 姓 名： 王哲
教 师： 李飞

工业含硫废气控制系统方案设计

摘 要：许多化工厂在厂区内燃料燃烧和生产工艺过程中都会产生各种含有污染的有害气体，其中含硫的气体对环境造成的污染尤为严重。因此对含硫废气正确合理的处理至关重要。在我国工业含硫废气一般多采用焚烧工艺，经焚烧炉焚烧，使污染性气体转换成安全物质。经方案论证后，本设计采用双闭环串级控制系统，控制目标温度在600-800℃设定尾气焚烧炉炉温波动范围不超过±30℃。该控制系统中运用PID算法，传感器将检测到的模拟信号送到变送器，变送器输出4～20mA的电流信号。将变送器输出的标准信号送入控制器中，控制器通过分析比较所测参数与预设参数之后输出控制信号，执行器根据传送过来的信号进行变化，最终达到对系统温度的控制。
关键词：双闭环串级控制系统；炉温控制；流量控制；变送器
1 引言
含硫废气与加氢反应器出口过程器被加热至270-320℃左右与外补富氢气混合后进入加氢反应器在加氢催化剂的作用下转化为H2S。加氢反应为放热反应，离开反应器的尾气-换热器换冷却后进入冷凝塔。
废气在冷凝塔中利用循环机冷水来降温。70℃冷凝水自冷凝塔底部流出，经济冷泵加压后经急冷水冷却器用循环水冷却至40℃，循环至冷却塔顶。部分急冷水经急冷水过滤器过滤后返回急冷水泵入口。尾气中的水蒸气被冷凝，产生的酸性水由急冷水泵送至酸性水处理处。为防止酸性水对设备的腐蚀，需向急冷水中注入氨根据ph值大小决定注入氨的量。
冷凝后的尾气离开冷凝塔进入回收塔，用30%的甲基二乙醇胺溶液吸收废气中的硫化氢，同时吸收部分二氧化碳。吸收塔底富液用富液泵送至溶剂再生部分统一处理。从塔顶出来的净化气经尾气分液罐分液后进入焚烧炉燃烧，有燃料气流量控制炉膛温度；废气中残留的硫化氢几乎全转化成二氧化硫，最后再对二氧化硫进行处理。
焚烧炉要控制温度在600-800℃，保证尾气可以充分燃烧，对环境和人的健康都没有危害。
温度控制系统可采用的方法有双闭环串级控制系统、前馈控制系统、比值控制系统、前馈-反馈控制系统、分程控制系统等。
2 系统方案设计
2.1系统分析
在含硫废气焚烧炉炉温控制系统的设计中，主被控参数是焚烧炉的炉膛温度。瓦斯气流量和空气流量等参数的变化都会对温度控制形成干扰。
工业上正常生产时会产生温度过高和温度过低两种情况。温度过高的影响因素有：瓦斯流量大、压力高，瓦斯带油或过程气S和H2S含量高等因素。这时调节的方法联系公司调度至稳定瓦斯压力。加强瓦斯罐排凝。还可能温度过低，原因可能是瓦斯压力过低，瓦斯带水，瓦斯流量小等。措施是加强瓦斯排凝，加大流量。同时本设计也充分考虑到控制环境存在腐蚀性以及易爆性，采用安全方式设计，保证生产安全。
2.2方案论证
本设计可采用的方法有双闭环串级控制系统、前馈控制系统、比值控制系统、前馈-反馈控制系统。下面为该系统的设计方案分析。

2.3.1 方案一：
采用双闭环串级控制系统。本系统中，炉膛温度是主控参数，影响其温度的因素有很多，例如瓦斯压力，瓦斯带水，瓦斯流量等等。本设计要通过控制空气的进入量还有瓦斯气的进入量来达到控制炉温的目的。双闭环串级系统流程图如FT
瓦斯气
空气
FT
FRC
FY
尾气
TRCA
FT
FIC
FY
燃烧炉
图1所示：

图1 双闭环串级系统流程图
2.3.1 方案二：
采用前馈-反馈单回路控制系统择炉膛温度为被控参数，瓦斯气流量为前馈控制器的输入干扰，其他影响炉膛温度的因素作为系统的干扰变量。当瓦斯气流量受到扰动后，反馈系统马上开始控制，使瓦斯流量不至于波动过大，从而使炉内温度稳定。具体控制系统框图如图2所示：

瓦斯气
温度调节器
燃烧炉
温度反馈
——

图2 单回路控制系统框图

综上所述，方案1中副回路的设计，对系统的稳定性更有保障而且它的调节速度更快，追去额度更高。双闭环比值控制器的引入是流量风容易控制，提高系统的控制性能。在方案2中一个前馈控制器只能抑制一个干扰对被控参数的影响，而在实际的工业生产过程中存在大量扰动因素，不可能仅对单一扰动进行控制，方案二存在一定的弊端。鉴于以上原因，本次设计采用双闭环串级控制系统。根据双闭环串级控制系统框图，可以分析含硫废气焚烧炉炉温控制系统的生产工艺过程：当炉内温度过低时，温度传感器检测到温度反馈回信号与设定值比较，产生的偏差促使执行器开始工作。瓦斯气和空气的进气阀开度变大，是炉内温度升高。
当温度过低时，反馈回来的温度信号与设定值比较，使调节阀开度减小，使炉内温度下降从而达到稳定炉内温度的作用。双闭环串级控制系统框图如图3所示：

调节
调节器
调节阀
瓦斯管
焚烧炉
流量变量
温度变量
X1
—
—
调节器
调节阀

空气管道
流量变量
——
K
X2
T
图3 双闭环串级控制系统框图

3 方案设计的可行性
3.1 设计方案对安全、环境及社会的影响
3.3.1 工业废气焚烧炉的选择
工业废气处理常选用的焚烧工艺，即焚烧炉分以下几种：
一、蓄热式热力焚烧炉(Regenerative Thermal Oxidizers，简称RTO)
工作原理：在高温下将废气中的有机物(VOCs)氧化成对应的二氧化碳和水，从而净化废气，并回收废气分解时所释放出来的热量，三室RTO废气分解效率达到99%以上，热回收效率达到95%以上。RTO主体结构由燃烧室、蓄热室和切换阀等组成。
二、催化氧化炉(Catalytic Oxidizer)
工作原理：催化剂焚烧炉的设计是依废气风量，VOCs浓度及所需知破坏去除效率而定。操作时含VOCs的废气用系统风机导入系统内的换热器，废气经由换热器管侧而被加热后，再通过燃烧器，这时废气已被加热至催化分解温度，再通过催化剂床，催化分解会释放热能，而VOCs被分解为二氧化碳及水气。之后此一热且经净化气体进入换热器之壳侧将管侧未经处理的VOC废气加热，此换热器会减少能源的消耗，最后，净化后的气体从烟囱排到大气中。
四、直接热力焚烧炉(Direct Fired Thermal Oxidizer，简称DFTO)
工作原理：直接燃烧式焚烧炉，将废气、废液焚烧直接通入炉膛内进行彻底焚烧，燃烧温度控制在1000～1150℃左右，最高不能超过1200℃，最低不能低于900℃。焚烧后烟气温度可通过余热锅炉进行再利用产生蒸汽，烟气温度经过再利用后温度从1100℃降到300℃左右，最低不能低于280℃。废气进口温度通常为常温，经过焚烧余热利用后温度300℃，即废气温升约280℃左右。焚烧炉内氧含量控制范围10%～16%。对进入焚烧炉的废气浓度理论上没有限制，而且浓度越高越经济，但要保证输送过程安全。因为燃烧焚烧高，故焚烧效率比RTO更高，但是运行费用和投资成本也更高。
对比一下以上几种工艺的优缺点，如下表1所示：

直接燃烧法
蓄热燃烧法
催化燃烧法
工作温度
600~800℃
600~800℃
200~320℃
燃烧状态
在高温火焰下燃烧
高温无火焰燃烧
无火焰燃烧
优点
1.灰尘影响少
2、操作简单
1.燃料费低
2.无二次污染
1.燃料费低
2.无二次污染
缺点
1、燃料费用高
2、有二次污染
3、需要高温耐火结构
1、对蓄热体堵塞或腐蚀应充分注意
2、需要有前处理工序
3、投资成本大
1、对催化剂中毒应充分注意
2、需要有前处理工序
3、投资成本较大
表1 工艺优缺点对比

综上所述，考虑到二次污染及经济方面原因，选取催化剂焚烧炉最为合适。
3.2 设计方案的确定
由于生产过程中存在易燃易爆气体，综上所述，本次试验充分考虑拿到实际生产过程的安全性，可行性，选择采用双闭环串级控制系统。由于所处条件易燃易爆，本实验采用两个气动调节阀，确保安全生产。
与此同时，焚烧炉所设置的位置要尽量远离工厂设备及人员工作和居住的位置，同时也要保证良好的通风，提高设备使用率，使其能够对含硫废气充分处理，达到良好的效果。

参考文献
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