朱凌宏， 李軍慶， 葉宏偉

（麗水職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，浙江 麗水 323000）

0 引言

活性炭是一種黑色多孔的固體炭質(zhì)，主要成分為碳，比表面積在550～1800 m2/g之間，具有較強(qiáng)的化學(xué)吸附與物理吸附特性，利用此特性可將有機(jī)物進(jìn)行雙重吸附，達(dá)到空氣/水質(zhì)凈化、煙氣脫硫的目的[1-3]。現(xiàn)有市場(chǎng)上的活性炭輸送凈化系統(tǒng)普遍存在體積大、重量重、成本高的特點(diǎn)，一般的地方性中小型企業(yè)根本無(wú)法承受[4-5]，在國(guó)家最新修訂的大氣污染防治法（2016年）以及浙江省五水共治的大背景大前提下，開(kāi)發(fā)具有體積小、重量輕、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、凈化效率高等特點(diǎn)的活性炭輸送凈化微型系統(tǒng)是當(dāng)前經(jīng)濟(jì)減排的迫切要求，是地方中小型企業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的必然要求，也是我國(guó)空氣保護(hù)、水質(zhì)凈化的根據(jù)要求。

活性炭?jī)艋夹g(shù)已經(jīng)非常成熟，國(guó)內(nèi)外實(shí)際應(yīng)用也較為廣泛，早期NORIT公司所開(kāi)發(fā)的活性炭圓盤(pán)式加藥機(jī)，開(kāi)啟了城市垃圾、固廢焚燒過(guò)程中煙氣、污染物排放凈化的先河，該裝置具備投料、稱(chēng)重、輸送、凈化四大功能，其特點(diǎn)是一機(jī)多控、連續(xù)作業(yè)，但存在輸送精度不高（采用變頻器控制）、價(jià)格較為昂貴（一般為80～180萬(wàn)元人民幣）的不足[6-7]。國(guó)內(nèi)浙江大學(xué)陸勝勇等率先嘗試設(shè)計(jì)葉片式活性炭給料輸送系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用中心葉片旋轉(zhuǎn)方式驅(qū)動(dòng)活性炭輸送，由于葉片與外圍管道間存在間隙，密封性不好，搭橋現(xiàn)象嚴(yán)重且易受焚燒爐煙道負(fù)壓影響，造成活性炭給料不均勻，影響凈化效果。謝高岳等開(kāi)發(fā)的螺旋式活性炭給料輸送系統(tǒng)，采用鼓風(fēng)噴謝方法輸送活性炭，輸送量較大，但在輸送過(guò)程中均勻性得不到保障，該系統(tǒng)只適合于大噸位活性炭的輸送場(chǎng)合，精密控制還不能完全做到，且活性炭空庫(kù)現(xiàn)象嚴(yán)重。本文采用羅茨風(fēng)機(jī)+送料機(jī)構(gòu)組合方式，基于PLC模塊、稱(chēng)重傳感器以及脈沖電動(dòng)機(jī)完成活性炭的下料、輸送、稱(chēng)重、信號(hào)反饋、精密控制等各項(xiàng)功能，徹底解決了搭橋與空庫(kù)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了活性炭的連續(xù)均勻性精確輸送控制，且體積小、重量輕、成本低。

1 試驗(yàn)臺(tái)架結(jié)構(gòu)及功能

根據(jù)活性炭輸送系統(tǒng)的實(shí)際需求，應(yīng)用UG軟件建立試驗(yàn)臺(tái)架的三維實(shí)體模型，實(shí)現(xiàn)活性炭?jī)?chǔ)料倉(cāng)以及附屬件的安裝支承功能。

圖1 試驗(yàn)臺(tái)架三維實(shí)體模型

圖1為試驗(yàn)臺(tái)架的三維實(shí)體模型，圖2為各部件間的連接關(guān)系，試驗(yàn)臺(tái)架主要部件包括支撐架、羅茨風(fēng)機(jī)、活性炭?jī)?chǔ)料倉(cāng)、指示信號(hào)燈、稱(chēng)重傳感器、人機(jī)交互式界面、活性炭輸送管道以及伺服脈沖電動(dòng)機(jī)。圖3為凈化系統(tǒng)工作原理示意圖，具體過(guò)程如下：電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)送料機(jī)構(gòu)，活性炭一方面經(jīng)送料機(jī)構(gòu)攪拌在文丘里負(fù)壓的作用下快速進(jìn)入輸送管道，另一方面羅茨風(fēng)機(jī)通過(guò)正壓驅(qū)動(dòng)料倉(cāng)中的活性炭快速進(jìn)入活性炭輸送管道并與煙氣、廢氣進(jìn)行充分混和、吸附、凈化，再隨羅茨風(fēng)機(jī)的正負(fù)壓快速排出，具體凈化過(guò)程參照?qǐng)D4。

圖2 各部件連接關(guān)系

圖3 凈化系統(tǒng)工作原理示意圖

圖4 凈化過(guò)程

所設(shè)計(jì)活性炭輸送凈化微型系統(tǒng)的主要性能參數(shù)如下：輸送精度為0.5～50 kg/h，羅茨風(fēng)機(jī)流量為3.7 m3/min，靜風(fēng)壓為19.6 kPa，傳感器分辨率為1/5000。

2 自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制原理

活性炭輸送凈化控制系統(tǒng)主要由PLC模塊、稱(chēng)重傳感器、伺服脈沖電動(dòng)機(jī)三部份構(gòu)成，活性炭通過(guò)送料機(jī)構(gòu)進(jìn)入輸送管道，稱(chēng)重傳感器第一反應(yīng)檢測(cè)單位時(shí)間內(nèi)一個(gè)掃描周期過(guò)程中整套裝置前后的重量差，進(jìn)行均值計(jì)算后將信號(hào)反饋給PLC模塊，經(jīng)PLC邏輯運(yùn)算后再將信號(hào)反饋給伺服電動(dòng)機(jī)，從而達(dá)到調(diào)節(jié)送料機(jī)構(gòu)工作轉(zhuǎn)速的目的，實(shí)現(xiàn)活性炭輸送的精確控制，控制流程如圖5所示。

圖5 控制流程

2.2 人機(jī)交互式界面設(shè)計(jì)

以某型號(hào)PLC一體式模塊為平臺(tái)，搭建故障報(bào)警、設(shè)備狀態(tài)、內(nèi)部調(diào)試、設(shè)備主控等四大人機(jī)交互式工作界面。故障報(bào)警主要提示在缺料時(shí)與超出物料設(shè)置值時(shí)報(bào)警，設(shè)備狀態(tài)主要顯示各電動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)與參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線單控與關(guān)停，內(nèi)部調(diào)試主要設(shè)置系統(tǒng)初始化、計(jì)時(shí)時(shí)長(zhǎng)、重量、下料流量，設(shè)備主控界面主要顯示時(shí)間、日期、罐料總重量、設(shè)置流速、系統(tǒng)啟動(dòng)/停止等信息。四大工作界面配合使用（也可根據(jù)用戶實(shí)際需求進(jìn)行個(gè)性化人機(jī)交互式界面設(shè)置）、最終實(shí)現(xiàn)活性炭輸送連續(xù)性、均勻性的在線互動(dòng)功能。在使用本界面之前需完成以下5步操作、調(diào)試：

第1步：稱(chēng)重調(diào)試。1）稱(chēng)體標(biāo)零。清空罐體，保持空罐狀態(tài)（即不放料的狀態(tài)），此時(shí)對(duì)稱(chēng)體進(jìn)行零位標(biāo)定，單擊稱(chēng)零位標(biāo)定，此時(shí)當(dāng)前稱(chēng)重重量變?yōu)?。2）額定克重標(biāo)定。選取一個(gè)固定重量的砝碼（5 kg），在當(dāng)前選定砝碼重量里輸入5 kg，按標(biāo)定重量寫(xiě)入，此時(shí)將砝碼放在罐體內(nèi)，注意物料穩(wěn)定后，按住標(biāo)定開(kāi)始1 s以上，松開(kāi)標(biāo)定開(kāi)始，等待5 s左右，稱(chēng)體標(biāo)定完成，當(dāng)前稱(chēng)重重量顯示為選定砝碼重量，此時(shí)標(biāo)定完成。

圖6 稱(chēng)重標(biāo)定界面

第2步：參數(shù)設(shè)定。送料機(jī)構(gòu)的最大轉(zhuǎn)速不能超過(guò)3r/min，如果已知送料比例則可以設(shè)定，如果不知道則可以在下一步中進(jìn)行送料比例測(cè)試，報(bào)警克重指低于此克重時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)停機(jī)，根據(jù)送料顆粒的情況一般設(shè)定為55 kg左右，風(fēng)機(jī)延時(shí)指風(fēng)機(jī)啟動(dòng)停止的延時(shí)時(shí)間，一般設(shè)置2～3 s。屏幕校正為當(dāng)前屏幕按鍵不靈敏的時(shí)候可以點(diǎn)擊進(jìn)行校正。

圖7 參數(shù)設(shè)定

第3步：稱(chēng)重比例測(cè)試。輸入1 r/min，測(cè)試時(shí)間設(shè)為1 min，點(diǎn)擊測(cè)試開(kāi)始，則系統(tǒng)可以自動(dòng)測(cè)量出送料比例。此系統(tǒng)設(shè)有遠(yuǎn)程控制功能即PS打開(kāi)本機(jī)控制，則遠(yuǎn)程不能控制設(shè)備啟動(dòng)停止，打開(kāi)遠(yuǎn)程控制，則本機(jī)上不能控制設(shè)備啟動(dòng)停止。

圖8 稱(chēng)重比例測(cè)試

圖9 啟動(dòng)停止界面

第4步：設(shè)備啟動(dòng)停止。在本機(jī)控制下，按啟動(dòng)鍵，風(fēng)機(jī)先啟動(dòng)，延時(shí)時(shí)間到，送料啟動(dòng)。按停機(jī)鍵，送料先停止，然后風(fēng)機(jī)停止。

第5步：設(shè)備監(jiān)控。系統(tǒng)一旦出現(xiàn)問(wèn)題，人機(jī)交互式界面會(huì)第一時(shí)間顯示報(bào)警，同時(shí)指示燈變亮，圖10為功能報(bào)警提示，圖11所示為報(bào)警明細(xì)。人機(jī)交互式操作主界面如圖12所示。

圖10 報(bào)警提示

圖11 報(bào)警明細(xì)

圖12 主界面

2.3 控制精度分析

活性炭輸送的均勻性精度主要由驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)、稱(chēng)重傳感器以及送料裝置三部份決定。常用的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方式是控制頻率，控制精度不高[10-12]，本系統(tǒng)選用伺服電動(dòng)機(jī)，采用發(fā)脈沖方式進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)1圈可以設(shè)置300～12 000個(gè)脈沖，大大提升了電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制精度，有力地保障了活性炭輸送的均勻性[13-15]。新系統(tǒng)中設(shè)有多個(gè)重力傳感器，均勻分布在稱(chēng)重料盤(pán)的周?chē)?，?jīng)傳感器采集的信號(hào)最終通過(guò)取均值的方式進(jìn)行信號(hào)反饋，控制精度由原來(lái)的1/3000變?yōu)?/5000，大大提升了新系統(tǒng)的抗干擾性。采用單一棒料刮盤(pán)旋轉(zhuǎn)柔性送料機(jī)構(gòu)保障給料過(guò)程的密封性和均勻性，同時(shí)配備羅茨風(fēng)機(jī)輸送活性炭，提高了活性炭給料過(guò)程的連續(xù)性。通過(guò)上述三大措施，活性炭輸送新系統(tǒng)的精度可以保證控制在0.5～50 kg/h，此精度已為當(dāng)前國(guó)內(nèi)所能達(dá)到的最高精度。

圖13 樣機(jī)

3 樣機(jī)與測(cè)試參數(shù)

圖13所示為活性炭輸送凈化微型系統(tǒng)樣機(jī)，表1所示為樣機(jī)的各項(xiàng)性能測(cè)試參數(shù)。

表1 樣機(jī)性能參數(shù)

4 結(jié)論

1）提出活性炭輸送凈化微型系統(tǒng)設(shè)計(jì)的概念，從系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)架的體積、重量著手，進(jìn)行優(yōu)化，輸送凈化功能保持不變，成本降低60%；2）采用脈沖電動(dòng)機(jī)、傳感信號(hào)處理、送料機(jī)構(gòu)優(yōu)化三大措施保障活性炭輸送的最高精度控制在0.5 kg/h，此精度已為當(dāng)前國(guó)內(nèi)所能達(dá)到的最高精度；3）設(shè)計(jì)人機(jī)交互式界面方便人機(jī)對(duì)話，用戶可根據(jù)實(shí)際要求進(jìn)行個(gè)性化私人設(shè)制。

[參 考 文 獻(xiàn)]

[1] 聶亞明.活性炭法煙氣凈化技術(shù)最新研發(fā)與應(yīng)用[J].科技與創(chuàng)新,2015(3)：131.

[2] 吳金濤,周建斌.活性炭?jī)艋諝饧夹g(shù)發(fā)展綜述[J].林產(chǎn)工業(yè),2011,38(6)：58-59.

[3] 李傳統(tǒng),SCHMIDT K G.活性炭煙氣深度凈化過(guò)濾器的研究[J].南京師范大學(xué)學(xué)報(bào)(工程技術(shù)版),2002,2(2)：51-55.

[4] 李曉蕓,鄒炎.活性炭/焦干法煙氣凈化技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展[J].電力建設(shè),2009,30(5)：47-51.

[5] 蔣明,寧平,徐浩東,等.改性活性炭?jī)艋疨H3實(shí)驗(yàn)研究[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù),2008,31(9)：87-89.

[6] 廖繼勇,周末,李小敏.活性炭?jī)艋夹g(shù)在燒結(jié)煙氣治理領(lǐng)域的應(yīng)用[J].燒結(jié)球團(tuán),2012,37(4)：66-68.

[7] 蔣淵華.煙氣凈化脫硫脫硝活性炭的研究[J].河南科技,2007(8)：54-55.

[8] 陸勝勇,吳海龍,陳彤,等.活性炭和焦炭吸附氣相二惡英的效率比較[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2011,45(10)：1799-1803.

[9] 謝嵩岳.活性炭聯(lián)合脫硫脫硝技術(shù)在燒結(jié)煙氣凈化中的應(yīng)用[J].低碳世界,2015(36)：169-170.

[10]鄒啟航.PLC在活性炭上料控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].城鎮(zhèn)供水,2014(5)：74-77.

[11] 范玉宏,陳全明,高永華,等.粉末活性炭噴射裝置的設(shè)計(jì)[J].兵工自動(dòng)化,2006,25(4)：67-68.

[12]鄭全興.粉末活性炭投加系統(tǒng)存在的問(wèn)題及改進(jìn)方法[J].給水排水,2013,39(8)：29-31.

[13]康宇煒,章民駒,陳超明.粉末活性炭投加系統(tǒng)的建設(shè)和應(yīng)用[J].供水技術(shù),2008,2(6)：30-32.

[14] 張銳.水力輸送活性炭[J].工業(yè)水處理,2002,22(9)：50-51.

[15]嚴(yán)持.自來(lái)水廠水力排送活性炭的應(yīng)用研究[J].管道技術(shù)與設(shè)備,1999(1)：10-11.