康佩棟，趙澤鴻

基于雙堿法的煙廠廢氣脫硫裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

康佩棟，趙澤鴻

（廣東博智林機(jī)器人有限公司，廣東 佛山 528312）

針對國內(nèi)煙廠廢氣處理中存在的自動(dòng)化水平低、成本高和對水資源浪費(fèi)嚴(yán)重等缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一套自動(dòng)化水平高、成本低、效率高，并通過對循環(huán)水的使用達(dá)到了節(jié)約水資源目的的系統(tǒng)。對脫硫裝置系統(tǒng)的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和下位機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，利用組態(tài)軟件進(jìn)行了上位機(jī)可視化觸摸界面的設(shè)計(jì)，使其運(yùn)行過程可視化，最后投入了實(shí)踐運(yùn)用。

廢氣處理；PLC；組態(tài)軟件；自動(dòng)化

目前，國內(nèi)大多數(shù)廢氣處理系統(tǒng)自動(dòng)化水平不高，安全性低，效率普遍低于世界標(biāo)準(zhǔn)。其中煙廠的日廢氣排放尤為突出，而在這些廢氣中主要的污染物就是SO2。因此，高效、快捷和低成本地除去這些SO2就顯得十分重要。

國內(nèi)焦化廠當(dāng)前焦?fàn)t加熱用焦?fàn)t煤氣中的硫化氫含量與配套運(yùn)行的煤氣脫硫工藝及其脫硫效率有關(guān)，目前設(shè)計(jì)供焦?fàn)t加熱用的焦?fàn)t煤氣中硫化氫的質(zhì)量濃度大多為200～ 1 000 mg/m3[1]。而國家對焦?fàn)t煙囪的排放要求卻越來越嚴(yán)格，具體如表1所示，但焦化行業(yè)焦?fàn)t煙囪排放濃度限值卻鮮有達(dá)者。

表1 歷年來《焦化行業(yè)準(zhǔn)入條件》中大氣污染物硫化氫排放標(biāo)準(zhǔn)對比（單位：mg/m）

年份2004年2008年2012年2015年 準(zhǔn)入條件H2S≤300H2S≤250H2S≤100H2S≤50

本課題通過對目前國內(nèi)在廢氣處理中存在的問題進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)了一套自動(dòng)化水平高、人性化、低成本以及完全開放的友好人機(jī)界面的系統(tǒng)，并投入了實(shí)踐運(yùn)用。

1 除硫裝置系統(tǒng)簡介

1.1 雙堿法脫硫的基本原理

本文除硫系統(tǒng)所采用的方法是雙堿法[NaOH—Ca（OH）2]，采用鈉堿啟動(dòng)、鈉堿吸收SO2、鈣堿再生的方法[3]。較之石灰石膏法等其他脫硫工藝，鈉堿吸收反應(yīng)活性高、吸收速度快及運(yùn)行費(fèi)用低；鈉堿循環(huán)利用，損耗少；正常操作下吸收過程無廢水排放；脫硫渣無毒，溶解度極小，無二次污染，符合綠色生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)；操作方便，系統(tǒng)可長期穩(wěn)定運(yùn)行[4]。

其基本化學(xué)原理可分為脫硫過程和再生過程。

脫硫過程如下：

2NaOH+SO2→NaSO3+H2O （1）

Na2SO3+SO2+H2O→2NaHSO3（2）

以上公式視吸收液酸堿度不同而異，式（1）為吸收啟動(dòng)反應(yīng)式，為主要反應(yīng)；堿性較高時(shí)（pH＞9），為主要反應(yīng)；堿性降低至中性甚至酸性時(shí)（7＜pH＜9），則按（2）式發(fā)生主要反應(yīng)?？偟幕瘜W(xué)反應(yīng)速率由氣相中SO2的擴(kuò)散（氣相阻力）和液相中脫硫劑固體溶解（液相阻力）控制[5]。

再生過程如下：

2NaHSO3+Ca（OH）2→Na2SO3+CaSO3↓+2H2O （3）

Na2SO3+Ca（OH）2→2NaOH+CaSO3↓ （4）

在Ca（OH）2漿液（Ca（OH）2達(dá)到飽和的狀態(tài)）中，中性（兩性）的NaHSO3很快與Ca（OH）2反應(yīng)從而釋放出[Na+]，隨后生成的[SO32-]繼續(xù)跟Ca（OH）2反應(yīng)，反應(yīng)生成的CaSO3以半水化合物的形式慢慢沉淀下來，從而使[Na+]得到再生，吸收液恢復(fù)對SO2的吸收能力，循環(huán)使用。

1.2 煙廠廢氣脫硫裝置系統(tǒng)原理

煙廠廢氣脫硫裝置系統(tǒng)原理如圖1所示。在全自動(dòng)控制模式下，系統(tǒng)自動(dòng)檢測初次中和池中的水位，當(dāng)水位達(dá)到預(yù)定高度，則進(jìn)入自動(dòng)循環(huán)處理過程：含SO2的污水被持續(xù)的排放到初次中和池，鼓風(fēng)機(jī)和循環(huán)泵攪拌均勻后，pH計(jì)實(shí)時(shí)檢測初次中和池水的pH，根據(jù)pH計(jì)的值來判斷啟動(dòng)酸/堿計(jì)量泵，當(dāng)檢測到pH值滿足設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)，如8≤pH≤10，則關(guān)閉計(jì)量泵，將水排放到二次中和池。此時(shí)二次中和池中液位計(jì)檢測到水位達(dá)到預(yù)定高度后則自動(dòng)檢測其pH值，若滿足要求（8≤pH≤10），水被排放到儲(chǔ)蓄池；若不滿足要求，則水被排放到初次中和池，繼續(xù)處理。第一個(gè)循環(huán)過程就完成了。若在手動(dòng)模式下，主要根據(jù)各水池pH值單獨(dú)對每個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行手動(dòng)控制。

2 脫硫裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

脫硫裝置控制系統(tǒng)主要包括檢測裝置（pH計(jì)）、運(yùn)算處理裝置（PLC）、人機(jī)界面和執(zhí)行裝置（電動(dòng)閥/泵）四部分。檢測部分主要是將測量的pH值通過A/D模塊轉(zhuǎn)換后，傳遞到PLC并呈現(xiàn)到人機(jī)界面；HMI將設(shè)定值傳遞給PLC；PLC將接收來的信號(hào)進(jìn)行相關(guān)計(jì)算后，給電動(dòng)閥/泵傳遞指令，控制其動(dòng)作。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 脫硫裝置系統(tǒng)原理圖

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.2 下位機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.2.1 硬件選型

本文以貴州龍里創(chuàng)奇裝備制造有限公司所生產(chǎn)的CQXST-2.5B型全玻璃鋼脫硫塔為例，作選型說明。

2.2.1.1 PLC的選型

脫硫裝置系統(tǒng)的控制模塊是采用邏輯順序來進(jìn)行控制的。所采用的PLC共需要9/8個(gè)I/O個(gè)接口，6個(gè)繼電器接口，供電電壓220 V，要求可靠性高、環(huán)境適應(yīng)性好（在高濕度環(huán)境可正常工作）、性價(jià)比要高，其安裝尺寸應(yīng)小于500 mm×400 mm×250 mm。綜合以上要求，該系統(tǒng)采用了步科電器公司生產(chǎn)的PLC，型號(hào)為KINCO-K506-24AR，其相關(guān)性能參數(shù)如表2所示。

表2 KINCO-K506-24AR相關(guān)性能參數(shù)

參數(shù)性能 供電電壓AC 85-265V 集成點(diǎn)數(shù)24點(diǎn)I/O，其中DI 14 DC 24V，DO 10 繼電器 安裝尺寸125 mm×114 mm×70 mm（長×寬×高）

2.2.1.2 pH傳感器的選擇

pH值（8≤pH≤10）在很大程度上決定所添加的堿量和所排出的氣體是否達(dá)標(biāo)。本課題的pH值測量需要將pH傳感器浸入到水中，可以測量0～14范圍內(nèi)的pH值，精度需要達(dá)到±0.05，具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性。綜合以上要求，選用了隆泰興環(huán)?？萍加邢薰旧a(chǎn)的pH傳感器，型號(hào)為VOTEC-VT6000（含探頭），其相關(guān)性能參數(shù)如表3所示。

2.2.1.3 液位傳感器的選擇

本課題液位傳感器主要用于檢測兩個(gè)水池（1 000 mm× 1 000 mm×1 200 mm）的最低（200 mm）和最高（1 000 mm）液位。液位傳感器量程應(yīng)大于1.2 m；連接方便，易于操作；具有較高的穩(wěn)定性。

綜合以上要求，選擇了上海龍瑞斯電子有限公司生產(chǎn)的液位傳感器，型號(hào)為1011投入式液位變送器（量程為0～ 6 m）。

表3 VOTEC-VT6000 主要性能參數(shù)

參數(shù)性能 測量范圍0～14 精度±0.02 分辨率0.01 0～14 工作電壓DC24V

2.2.2 KINCO-K506-24AR通道分配

所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)需要有緊急停止、測量液位和pH值、自動(dòng)/手動(dòng)切換模式、控制閥門、攪拌等功能，其（I/O）點(diǎn)分配如表4所示。

表4 PLC地址分配表

設(shè)備地址設(shè)備地址 啟動(dòng)開關(guān)SW01I0.0液位計(jì)LIT01AIW 4 啟動(dòng)開關(guān)SW02I0.1液位計(jì)LIT02AIW 6 自動(dòng)I0.2液位計(jì)LIT03AIW 8 手動(dòng)I0.3液位計(jì)LIT03AIW 10 鼓風(fēng)機(jī)B01Q0.0電動(dòng)閥1Q1.0 循環(huán)泵P01Q0.1電動(dòng)閥2Q1.1 計(jì)量泵P02Q0.2電動(dòng)閥3Q1.2 計(jì)量泵P03Q0.3電動(dòng)閥4Q1.3 pH計(jì)AIT01AIW 0電動(dòng)閥5Q1.4 pH計(jì)AIT02AIW 2輔助繼電器1M0.0 輔助繼電器2M0.1輔助繼電器3M0.2 輔助繼電器4M0.3輔助繼電器5M0.4 輔助繼電器6M0.5

注：M0.0LIT01液位值低于下限值時(shí)接通，M0.1LIT01液位值高于上限值時(shí)接通，M0.2LIT02液位值低于下限值時(shí)接通，M0.3LIT02液位值高于上限值時(shí)接通，M0.4LIT03液位值低于下限值時(shí)接通，M0.5LIT03液位值高于上限值時(shí)接通。

2.2.3 PLC硬件接線圖

該P(yáng)LC的硬件接線圖主要是根據(jù)通道的分配表來完成的，如圖3所示，共有9個(gè)輸入和8個(gè)輸出。出于安全考慮，設(shè)計(jì)了急停開關(guān)。

圖3 PLC硬件接線圖

2.2.4 脫硫裝置系統(tǒng)流程圖

如圖4所示，用pH計(jì)實(shí)時(shí)檢測初次中和池中水的pH值，來判斷水是被排放到二次中和池還是啟動(dòng)酸/堿計(jì)量泵來調(diào)節(jié)pH值。實(shí)時(shí)檢測排放到二次中和池的水的pH值，判斷水是排放到儲(chǔ)蓄池還是返回初次中和池，確保排入蓄水池的水已達(dá)標(biāo)。

圖4 脫硫裝置流程圖

2.3 上位機(jī)界面的設(shè)計(jì)

2.3.1 組態(tài)軟件的選型

由于本課題所選的PLC是步科電器公司生產(chǎn)的KINCO-K506-24AR，為了與之匹配以及更好地兼容，組態(tài)軟件也選擇步科電器有限公司自主開發(fā)的組態(tài)軟件，型號(hào)為Kinco MT4210T，其主要參數(shù)如表5所示。

表5 Kinco MT4210T人機(jī)界面主要參數(shù)

參數(shù)性能 顯示尺寸4.3"TFT 液晶壽命50 000 h 通訊接口COM0：PLC RS485-2W/4W，PLCRS232；COM2：PC/PLC RS232

2.3.2 控制系統(tǒng)的界面的設(shè)計(jì)

HMI界面主要是按照污水處理工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)，這樣一方面可以理清工藝流程，另一方面便于操作。主要實(shí)現(xiàn)的功能：觸控界面右下角的模式按鈕可以切換到不同的控制頁面；實(shí)時(shí)監(jiān)測各環(huán)節(jié)的運(yùn)行狀態(tài)，例如電動(dòng)閥關(guān)閉時(shí)顯示為紅色，開時(shí)顯示為白色，各種泵的工作情況也是如此；為了操作員準(zhǔn)確地操作機(jī)器，在各機(jī)器下方有其對應(yīng)的機(jī)器名稱、狀態(tài)等提示信息。PLC與HMI接線如圖5所示。

圖5 PLC與HMI接線圖

HMI內(nèi)部判斷酸堿性程序如下：

自動(dòng)控制界面如圖6所示。

圖6 HMI自動(dòng)控制界面

手動(dòng)控制界面如圖7所示。報(bào)警控制界面如圖8所示。

圖7 HMI手動(dòng)控制界面

圖8 HMI報(bào)警顯示界面

3 應(yīng)用

該系統(tǒng)已于2020年年初在貴州龍里創(chuàng)奇裝備制造有限公司得到了應(yīng)用。與之前脫硫塔對水的一次性使用相比，該系統(tǒng)基本不需要二次注水，極大地減少了水資源的浪費(fèi)；與之前用pH試紙測pH值，然后通過加入大量燒堿來控制pH值的粗放式調(diào)節(jié)相比，該系統(tǒng)只需加入適量的燒堿就能精確地控制pH值，降低了成本；處理系統(tǒng)的自動(dòng)化程度也得到了提高。

經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)的脫硫效率達(dá)到了90%以上，SO2排放濃度約為45 mg/m3，粉塵排放濃度約為50 mg/m3，格林曼黑度（煙氣黑度）小于等于1，均達(dá)到了2015年國家對于廢氣的排放標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)語

系統(tǒng)有以下特點(diǎn)：①人性化，有全自動(dòng)和手動(dòng)兩種操作方式，可以滿足不同的需求；②低成本，提供了一個(gè)完全開放的友好人際界面，符合現(xiàn)代控制的需要；③原理簡單，節(jié)約資源。

但還存在一些缺點(diǎn)：①該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)是通過對排出的廢氣噴灑水來吸收SO2，對含有SO2的水的處理來實(shí)現(xiàn)對廢氣的處理，在后續(xù)工作中，可以改進(jìn)這種方法；②在人機(jī)界面的報(bào)警設(shè)計(jì)中，只能對系統(tǒng)做出故障報(bào)警處理，不能對故障進(jìn)行有效的判別，僅依靠人工分析，因此設(shè)想可以設(shè)立故障診斷系統(tǒng)，來提高系統(tǒng)的可靠性和實(shí)用性。

［1］楊光麗，王玉偉. 新《煉焦化學(xué)工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中焦?fàn)t廢氣SO2達(dá)標(biāo)排放的分析與探討［J］.決策與信息，2015（21）：213.

［2］山西省環(huán)境保護(hù)廳，山西省環(huán)境科學(xué)研究院，山西省環(huán)境監(jiān)測中心站.GB 16171—2012 煉焦化學(xué)工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2012.

［3］徐永生.雙堿法煙氣脫硫技術(shù)新進(jìn)展［J］.城市環(huán)境與城市生態(tài)，1997，4（2）：45-48.

［4］王杰斌，蘆廣起，牛曰響.淺析雙堿法進(jìn)行煙氣脫硫技術(shù)的應(yīng)用［J］.化學(xué)工程與裝備，2013（8）：145-146.

［5］吳永霞.濕法煙氣脫硫技術(shù)探討［G］//上海市化學(xué)化工學(xué)會(huì)2009年度學(xué)術(shù)年會(huì)論文集，2009.

TG166

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2021.01.007

2095－6835（2021）01－0020－04

康佩棟（1992—），男，碩士，工程師，研究方向?yàn)榭刂葡到y(tǒng)開發(fā)。

〔編輯：王霞〕