楊瑞東

（江西銅業(yè)集團(tuán)有限公司 貴溪冶煉廠，江西 貴溪 335424）

1 引言

隨著人們對(duì)環(huán)保意識(shí)的不斷增強(qiáng)，以及國(guó)家對(duì)環(huán)保要求的不斷提高，廢水處理問(wèn)題已是影響社會(huì)進(jìn)步的一個(gè)重要問(wèn)題［1］，做好工業(yè)廢水的處理工作已然成為現(xiàn)代化工廠的重中之重。貴溪冶煉廠的工業(yè)廢水集中至硫酸車(chē)間廢水處理工序進(jìn)行處理，其中pH控制系統(tǒng)是廢水中和工序中不可或缺的一部分，為了讓pH控制系統(tǒng)更加穩(wěn)定、高效，消石灰溶液添加閥的選型和控制方案就起到了關(guān)鍵作用。本文將介紹貴冶使用過(guò)多種閥門(mén)類(lèi)型后對(duì)消石灰溶液添加閥的最終選擇，即襯四氟蝶閥，以及對(duì)閥門(mén)控制方案的優(yōu)化。原先閥門(mén)的控制方案是基于PID輸出的定位器控制，經(jīng)過(guò)優(yōu)化，我們得出了基于PID輸出后加入占空比方式，作用于電磁閥控制的控制方案，此方案相比于原先的控制方案，pH控制更加穩(wěn)定，中和反應(yīng)更加徹底。

2 廢水處理工藝簡(jiǎn)介

貴溪冶煉廠硫酸車(chē)間廢水處理工序分為石膏制造和中和處理兩大部分。該工序中的濾液含有較多的廢酸和少量的金屬雜質(zhì)，首先讓濾液中的大部分廢酸和石灰石乳液反應(yīng)生成石膏，生成的石膏在石膏濃密機(jī)及離心機(jī)中進(jìn)行沉降濃縮以及過(guò)濾分離，隨后石膏濾液送到中和工序處理。在電化學(xué)中和處理工序中，主要處理來(lái)自預(yù)處理濃密機(jī)底流濾液、西場(chǎng)面水廢水、澄清池底泥以及石膏濾液。這些濾液首先在中和槽中用消石灰溶液處理，之后進(jìn)入氧化槽，隨后溢流到濃密機(jī)濃密，再進(jìn)入凝聚槽添加凝聚劑，將沉淀物凝聚，最后進(jìn)入澄清池進(jìn)一步澄清，澄清器上清液排放，下部漿液返回中和濃密機(jī)。

貴冶采用電化學(xué)中和處理工藝，即在沒(méi)有化學(xué)藥品添加的情況下使用電解法進(jìn)行處理［2］。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工藝的實(shí)際要求，所需要處理的廢水由提升泵打入廢水的輸送管道，消石灰溶液由添加閥控制加入反應(yīng)槽，此時(shí)反應(yīng)槽中不同成分的液體充分混合，進(jìn)行中和反應(yīng)。由于輸送至中和工序的廢水的pH值和流量都是不斷變化的，所以pH控制系統(tǒng)是否穩(wěn)定，反應(yīng)槽里的反應(yīng)是否徹底，消石灰溶液添加閥的選型及其控制方案就起到了關(guān)鍵作用。

3 消石灰溶液添加閥的選型

儀表自動(dòng)化是科技發(fā)展的產(chǎn)物，通過(guò)儀表自動(dòng)化可以提升工廠生產(chǎn)的質(zhì)量和效率，減少人力資源的應(yīng)用［3］，節(jié)約生產(chǎn)成本。閥門(mén)，作為工業(yè)儀表的組成部分，是生產(chǎn)過(guò)程中不可或缺的重要一環(huán)，在正常生產(chǎn)中，最合適的閥門(mén)類(lèi)型應(yīng)用在最正確的地方。在選擇閥門(mén)類(lèi)型時(shí)，主要考慮以下幾個(gè)因素：一是所選閥門(mén)在工藝上的用途，以及現(xiàn)場(chǎng)的工況； 二是介質(zhì)的相關(guān)性質(zhì)，比如：工作壓力，溫度，是否易燃易爆等；三是閥門(mén)安裝的尺寸，管道尺寸多種多樣，要選擇合適管道口徑的尺寸；四是解相關(guān)的特性，比如：流量特性，密封等級(jí)等；五是對(duì)閥門(mén)的可靠性要有合理的評(píng)估。

貴冶電化學(xué)中和設(shè)備上線后，消石灰溶液添加閥的選型經(jīng)歷過(guò)幾次變更。首先，選用過(guò)球閥，但是因?yàn)橄胰芤簝?nèi)含有雜質(zhì)，所以經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后發(fā)現(xiàn)球閥的閥體容易被雜質(zhì)堵塞，導(dǎo)致閥門(mén)無(wú)法正常工作。隨后選用直通單座閥，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后發(fā)現(xiàn)其防堵性能差，而且閥門(mén)整體比較笨重，不適合作為消石灰的添加閥。最終，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，襯四氟蝶閥最適合此工況。

襯四氟蝶閥是在普通蝶閥的閥體、閥板上襯聚四氟，使介質(zhì)和閥體、閥板隔離，消除介質(zhì)對(duì)閥門(mén)的腐蝕。同時(shí)，蝶閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，可用于帶懸浮固體顆粒的介質(zhì)，流量調(diào)節(jié)范圍大，能夠開(kāi)關(guān)迅速，流阻小。雖然其密封性沒(méi)有球閥那么好，但是根據(jù)閥門(mén)選型的依據(jù)分析，加上現(xiàn)場(chǎng)工藝實(shí)踐，完全能夠滿足此工況。所以，經(jīng)過(guò)一年多時(shí)間的不斷摸索，最終選擇襯四氟蝶閥為電化學(xué)中和消石灰溶液添加閥。

4 消石灰溶液添加閥控制方案的優(yōu)化

4.1 控制方案的優(yōu)化

貴冶廢水中和的pH控制系統(tǒng)中，pH值的精準(zhǔn)控制有利于作業(yè)效率的提高［4］。在該控制回路中，消石灰溶液添加閥主要采取基于PID輸出的定位器控制的控制方案。PID控制是一種廣泛用于工業(yè)過(guò)程控制和電力驅(qū)動(dòng)，以及保持線性和非線性系統(tǒng)穩(wěn)定工作的技術(shù)［5］，在調(diào)節(jié)過(guò)程中可以解決系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性以及準(zhǔn)確性［6］，其中P為比例控制，I為積分控制，D為微分控制，PID則為這三種控制規(guī)律的簡(jiǎn)稱(chēng)。貴冶的DCS系統(tǒng)通過(guò)PID模塊的輸出控制消石灰溶液添加閥定位器的開(kāi)度，從而控制消石灰溶液的添加。

在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的應(yīng)用后，發(fā)現(xiàn)使用此控制方案，pH控制系統(tǒng)的波動(dòng)比較大，通過(guò)原理和現(xiàn)場(chǎng)工況分析，主要有兩點(diǎn)原因。第一，在廢水處理的中和工序中，pH控制對(duì)象的非線性、pH 反應(yīng)過(guò)程的滯后性和干擾的多樣性決定了要設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)的復(fù)雜性（如采用變參數(shù)控制或自適應(yīng)控制等）。而把對(duì)象看成單容加遲延環(huán)節(jié), 采用P 和PI的調(diào)節(jié)器, 一般不能滿足對(duì)象特性變化大和高質(zhì)量調(diào)節(jié)的要求。雖然采用PD的調(diào)節(jié)器能夠調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的動(dòng)態(tài)特性，對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)象有良好的調(diào)節(jié)作用，但是pH反應(yīng)過(guò)程的干擾性太大，用PID模塊始終不能滿足要求。第二，pH控制系統(tǒng)添加的物料為消石灰溶液，消石灰化學(xué)名為氫氧化鈣，其在常溫下是細(xì)膩的白色粉末，微溶于水。當(dāng)添加閥采用基于PID輸出的定位器控制時(shí)，閥門(mén)加料的開(kāi)度變化不會(huì)太大，長(zhǎng)時(shí)間工作后，消石灰溶液下層會(huì)不斷有白色顆粒析出，出現(xiàn)沉淀，對(duì)管道造成堵塞，同時(shí)管道中的沉淀越來(lái)越多，也容易造成閥門(mén)的蝶板動(dòng)作不暢，從而影響pH控制系統(tǒng)的穩(wěn)定。

為了解決這兩個(gè)問(wèn)題，我們立足理論和現(xiàn)場(chǎng)工藝，得出基于PID輸出后加入占空比方式，作用于電磁閥來(lái)控制閥門(mén)的開(kāi)關(guān)的控制方案（如圖1所示）。占空比是指脈沖信號(hào)的通電時(shí)間與通電周期之比。此方案的優(yōu)點(diǎn)：第一，在一個(gè)占空比周期中，電磁閥什么時(shí)間都可以動(dòng)作，從而提高了可調(diào)的精度，同時(shí)占空比的工作方式能夠調(diào)節(jié)的范圍足夠大；第二，相比于定位器來(lái)控制閥門(mén)的開(kāi)度，電磁閥工作脈沖動(dòng)作的方式，不會(huì)造成消石灰溶液的長(zhǎng)時(shí)間沉淀，不容易堵塞管路。

圖1 優(yōu)化控制方案的簡(jiǎn)示圖

4.2 現(xiàn)場(chǎng)工藝數(shù)據(jù)對(duì)比

兩種控制方案在貴冶電化學(xué)中和pH反應(yīng)槽的實(shí)際應(yīng)用數(shù)據(jù)對(duì)比。

（1）1#反應(yīng)槽采用優(yōu)化前控制方案，2#反應(yīng)槽采用優(yōu)化后控制方案。

通過(guò)圖2和圖3現(xiàn)場(chǎng)工藝采集的數(shù)據(jù)曲線可以看出，在同一時(shí)段，pH設(shè)定值都為9.5，2#反應(yīng)槽pH值的曲線波動(dòng)在-0.1至0.1之間，1#反應(yīng)槽pH值的曲線波動(dòng)在-0.2至0.2之間。2#反應(yīng)槽的pH值比1#反應(yīng)槽的pH值更加穩(wěn)定。

圖2 1#反應(yīng)槽pH值（2020年7月2日0時(shí)至24時(shí)）

圖3 2#反應(yīng)槽pH值（2020年7月2日0時(shí)至24時(shí)）

（2）1#反應(yīng)槽也采用優(yōu)化后控制方案。

通過(guò)圖2和圖4的pH值對(duì)比來(lái)看，圖4的pH值波動(dòng)明顯小于圖2的pH值波動(dòng)。

圖4 1#反應(yīng)槽pH值（2020年8月2日0時(shí)至24時(shí)）

綜上所述，對(duì)比兩種控制方案在同一時(shí)間，作用于不同反應(yīng)槽的pH值的變化，及不同時(shí)間，作用于相同反應(yīng)槽的pH值的變化，得出優(yōu)化后的控制方案下的pH控制系統(tǒng)更加穩(wěn)定。

5 結(jié)束語(yǔ)

做好廢水處理工作是一個(gè)現(xiàn)代化工廠在環(huán)保方面的重中之重。其中任何一個(gè)環(huán)節(jié)都不容忽視，只有將每一個(gè)環(huán)節(jié)都做到最好，才能使整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到最高的效率。廢水中和工序的pH控制系統(tǒng)就是其中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，其難點(diǎn)為控制變量消石灰溶液的添加。在選擇消石灰溶液添加閥時(shí)，充分考慮閥門(mén)選型的五大要點(diǎn)，以及現(xiàn)場(chǎng)反復(fù)試驗(yàn)后得出襯四氟蝶閥為最佳選擇。同時(shí)本文提出對(duì)原先控制方案的優(yōu)化，通過(guò)實(shí)踐數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)工況的對(duì)比，證明優(yōu)化后的控制方案，即基于PID輸出后加入占空比方式，作用于電磁閥控制的方案，能很好的降低pH值的波動(dòng)，從而保證廢水中和環(huán)節(jié)的效率。