孟 冉

(遼寧機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧 丹東 118009)

0 引言

1987年9月5日，我國(guó)出臺(tái)了《中華人民共和國(guó)大氣污染防治法》，經(jīng)過2000年和2015年兩次修訂，法案中明確規(guī)定了大氣污染防治標(biāo)準(zhǔn)和限期達(dá)標(biāo)規(guī)劃。隨著我國(guó)科技的發(fā)展，人民生活水平不斷提高，人們對(duì)環(huán)境保護(hù)，尤其是大氣環(huán)境保護(hù)更加關(guān)注。校園是培養(yǎng)“祖國(guó)花朵”的場(chǎng)所，隨著國(guó)家辦學(xué)水平的提高，學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐的機(jī)會(huì)日益增多，學(xué)校興辦了很多實(shí)驗(yàn)室，讓學(xué)生探索科學(xué)的奧妙，化學(xué)實(shí)驗(yàn)室在大中專、本科院校是很普遍的[1]?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)室多分布在高校或者城市，具有占地空間有限、周圍人員密集等特點(diǎn)，化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的廢氣處理、達(dá)標(biāo)排放更加需要關(guān)注。

實(shí)驗(yàn)室的酸堿廢氣處理必須采用易于操作管理的分類處理凈化工藝，整個(gè)處理過程是環(huán)保、安全、穩(wěn)定、無劇烈的能量轉(zhuǎn)換，處理系統(tǒng)操作、管理及維護(hù)要簡(jiǎn)便，投資、運(yùn)行費(fèi)用低[2-5]。對(duì)于實(shí)驗(yàn)室廢氣處理，現(xiàn)有的廢氣處理技術(shù)主要有：氧化處理法、生化處理法、物理吸附法、燃燒法、低溫等離子法等。對(duì)于化學(xué)實(shí)驗(yàn)室，有些廢氣治理工藝不可以使用，如生化處理法、低溫等離子法、燃燒法等，這些方法均需要一批專業(yè)的運(yùn)行及維護(hù)人員，這類方法比較適用于污染物種類和濃度變化不大的有機(jī)類廢氣處理；氧化處理法和物理吸附法處理方式存在處理效率低、成本較高、工藝復(fù)雜、設(shè)備巨大、易形成二次污染等缺點(diǎn)，因此，在實(shí)驗(yàn)室酸堿廢氣處理領(lǐng)域推廣過程中容易受到阻礙[6]。噴淋凈化塔具有處理廢氣和降塵的功能，在各大廠礦企業(yè)應(yīng)用非常廣泛，多采用立式塔，具有凈化效率高、處理容量大的優(yōu)點(diǎn)，但是在使用過程中，也暴露出占用空間大、噪聲大、易滲漏、自動(dòng)化水平低且需要專業(yè)人員維護(hù)的問題，不易于城市或校園加裝使用。針對(duì)上述問題，提出了一種以組態(tài)王軟件和智能板卡硬件為核心的實(shí)驗(yàn)室用濕法臥式噴淋凈化塔在線監(jiān)控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體方案

臥式噴淋凈化塔系統(tǒng)包括噴淋凈化塔、通風(fēng)櫥、室內(nèi)通風(fēng)口、室內(nèi)管道、室外管道、尾氣管道和煙囪，如圖1所示?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)安排在通風(fēng)櫥內(nèi)進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)過程中生成或者藥液揮發(fā)的有害氣體或者粉塵均通過通風(fēng)櫥通風(fēng)口排出室外，有效降低了實(shí)驗(yàn)室內(nèi)有害廢氣濃度?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)室常見易揮發(fā)藥品，無論是在儲(chǔ)藏、轉(zhuǎn)運(yùn)或者在實(shí)驗(yàn)過程中，藥液揮發(fā)在所難免，因此，在室內(nèi)儲(chǔ)藥柜附近和實(shí)驗(yàn)室角落安裝室內(nèi)通風(fēng)口，加快室內(nèi)空氣循環(huán)速度，避免長(zhǎng)時(shí)間揮發(fā)導(dǎo)致室內(nèi)有害氣體濃度上升而發(fā)生安全事故。在室內(nèi)搜集的有害廢氣通過風(fēng)機(jī)作用，吸收到噴淋凈化塔中，吸收液在塔底經(jīng)水泵增壓后從塔頂噴淋而下，吸收液均勻噴灑在填料層中，廢氣與吸收液進(jìn)行氣液兩相充分接觸吸收中和反應(yīng)，廢氣經(jīng)過凈化后，可防止出風(fēng)口帶走過量吸收溶液造成環(huán)境污染。在出風(fēng)口處設(shè)置旋流除霧器，凈化后的氣體經(jīng)除霧板脫水除霧后，由風(fēng)機(jī)和煙囪排入大氣。在安裝通風(fēng)櫥或室內(nèi)通風(fēng)口時(shí)，不受位置和數(shù)量的限制，不會(huì)影響實(shí)驗(yàn)室的原有布局，本系統(tǒng)可以應(yīng)用于原有化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的改擴(kuò)建工程，為了節(jié)省空間，將塔器至于房頂。為了防止?jié)B漏，將塔體底部進(jìn)行封閉，同時(shí)進(jìn)行耐腐處理，確保不會(huì)對(duì)原有建筑造成二次傷害。

圖1 臥式噴淋凈化塔系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

為了提高實(shí)驗(yàn)室用噴淋凈化塔自動(dòng)化程度，經(jīng)過調(diào)研，本文提出了以組態(tài)王和智能板卡為核心的在線監(jiān)控系統(tǒng)，為了方便使用與維護(hù)，建立了設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)。監(jiān)控系統(tǒng)功能主要包括：排放氣體污染檢測(cè)、吸收液的pH酸堿度檢測(cè)、吸收液的液位檢測(cè)、儲(chǔ)液箱溫度檢測(cè)、吸收液噴淋流量檢測(cè)，將數(shù)據(jù)傳回計(jì)算機(jī)進(jìn)行顯示，利用組態(tài)王軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，設(shè)置pH酸堿度報(bào)警、儲(chǔ)液箱液位偏低報(bào)警，提醒維護(hù)人員更換吸收液或者補(bǔ)充吸收液。設(shè)置噴淋流量報(bào)警，提醒用戶檢測(cè)噴嘴是否結(jié)晶堵塞。冬天溫度較低，晝夜溫差較大，吸收液易出現(xiàn)結(jié)晶，一方面堵塞噴嘴，提高故障率；另一方面，因結(jié)晶致使吸收液濃度降低，影響凈化效率，因此，在儲(chǔ)液箱中設(shè)計(jì)伴熱控制系統(tǒng)，保證溫度處于正常。在維護(hù)人員更換吸收液或者補(bǔ)充吸收液時(shí)，不易觀察儲(chǔ)液箱內(nèi)液位，需要設(shè)計(jì)儲(chǔ)液箱防溢流控制。根據(jù)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室工作規(guī)律，在線監(jiān)控系統(tǒng)的控制模式分為兩種：一是實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，設(shè)備連續(xù)運(yùn)行；二是揮發(fā)模式，定時(shí)間歇通風(fēng)，防止污染實(shí)驗(yàn)室。

2 硬件設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)硬件主要包括各種傳感器及智能板卡、按鍵及旋鈕、指示燈、聲光報(bào)警器、報(bào)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、加熱管、通信接口和工控機(jī)PC及其附件等。該系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)組成，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

監(jiān)控系統(tǒng)以精準(zhǔn)節(jié)能為原則，氣體污染物檢測(cè)傳感器安裝在廢氣排放口，檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室排放氣體污染物濃度，將廢氣數(shù)據(jù)通過鴻格I7017智能模塊傳回計(jì)算機(jī)，通過組態(tài)王程序控制鴻格I7024智能板卡控制噴淋系統(tǒng)主管道電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開度控制噴淋吸收液流量，確保實(shí)驗(yàn)室廢氣達(dá)標(biāo)排放。流量傳感器安裝在噴淋系統(tǒng)噴淋口處，用于測(cè)量每個(gè)噴淋口流量，目的一是檢測(cè)噴淋系統(tǒng)是否均勻噴灑吸收液，二是檢測(cè)噴淋口是否結(jié)晶堵塞，將檢測(cè)數(shù)據(jù)通過鴻格I7017智能模塊傳回計(jì)算機(jī)，經(jīng)計(jì)算機(jī)計(jì)算處理，如出現(xiàn)噴灑不均或者結(jié)晶堵塞，系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警處理。液位傳感器安裝在儲(chǔ)液箱中，檢測(cè)吸收液的液位變化，將采集數(shù)據(jù)通過鴻格I7017智能模塊傳回計(jì)算機(jī)，以此數(shù)據(jù)判定儲(chǔ)液箱中是否需要補(bǔ)充吸收液，同時(shí)可以根據(jù)吸收液的液位變化判定儲(chǔ)液箱是否出現(xiàn)漏液并自動(dòng)報(bào)警。溫度傳感器用于測(cè)量?jī)?chǔ)液箱內(nèi)吸收液溫度，將檢測(cè)數(shù)據(jù)通過鴻格I7017智能模塊傳回計(jì)算機(jī)，經(jīng)計(jì)算機(jī)程序判定為低溫，則通過組態(tài)王程序控制鴻格I7024智能板卡控制可控硅電壓調(diào)制器啟動(dòng)加熱管，并實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)儲(chǔ)液箱內(nèi)溫度保持吸收液溫度。通過pH計(jì)來測(cè)量吸收液實(shí)時(shí)pH酸堿度，將采集數(shù)據(jù)通過鴻格I7017智能模塊傳回計(jì)算機(jī)，經(jīng)計(jì)算機(jī)計(jì)算處理，判定是否需要更換或者添加吸收液。鴻格I7055是采集操作信號(hào)并進(jìn)行電源指示的模塊，功能簡(jiǎn)單，目的明確。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

3.1.1 一鍵啟動(dòng)

接通電源，按下噴淋凈化塔啟動(dòng)按鈕，監(jiān)控系統(tǒng)通過采集儲(chǔ)液箱液位傳感器信號(hào)判定儲(chǔ)液箱中吸收液液位是否滿足要求，若液位較低，自動(dòng)報(bào)警儲(chǔ)液箱吸收液不足，補(bǔ)充吸收液。通過pH計(jì)采集吸收液的pH酸堿度，判定吸收液是否滿足工作最低限要求，若不滿足條件則提示更換吸收液；若均可正常工作，打開電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開度為50%，啟動(dòng)噴淋泵；通過流量傳感器檢測(cè)各個(gè)噴淋口流量，比較各個(gè)噴淋口流量，保證均勻噴灑吸收液，若某些噴淋口流量偏小甚至為零，系統(tǒng)結(jié)晶報(bào)警；若能夠保證均勻噴灑吸收液，待儲(chǔ)液箱液位穩(wěn)定即可啟動(dòng)風(fēng)機(jī)，完成噴淋凈化塔一鍵啟動(dòng)，流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)一鍵啟動(dòng)流程

3.1.2 儲(chǔ)液箱伴熱控制

據(jù)調(diào)研，噴淋口在嚴(yán)寒地區(qū)容易出現(xiàn)噴淋口結(jié)晶等問題，主要原因在于環(huán)境低溫，致使吸收液溶解度降低，溶質(zhì)結(jié)晶吸收，堆積在噴淋口導(dǎo)致噴淋口堵塞。因此，為了解決噴淋口低溫結(jié)晶的問題，設(shè)計(jì)了儲(chǔ)液箱伴熱控制程序。監(jiān)控系統(tǒng)一鍵啟動(dòng)后，儲(chǔ)液箱溫度傳感器檢測(cè)吸收液溫度，采集溫度數(shù)據(jù)與溫度設(shè)定值進(jìn)行比較，判斷吸收液是否有結(jié)晶風(fēng)險(xiǎn)，若吸收液溫度低于設(shè)定值，監(jiān)控系統(tǒng)調(diào)節(jié)可控硅電壓調(diào)制器輸出，調(diào)節(jié)防腐加熱棒加熱功率進(jìn)行儲(chǔ)液箱伴熱控制。

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)控軟件選用北京亞控KingView6.55軟件，其具有開放性良好，功能模塊豐富，人機(jī)界面友好，編程簡(jiǎn)單，安全可靠的特點(diǎn)，可以快速地構(gòu)建數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)[7]。該軟件與智能板卡模塊通過串口通信，將采集的數(shù)據(jù)顯示在監(jiān)控界面上，可通過程序設(shè)置報(bào)警權(quán)限、儲(chǔ)存數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)顯示，配合動(dòng)畫仿真演示，顯示更加直觀。監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)界面如圖4所示。

圖4 上位機(jī)界面

4 結(jié)語

本文提出的噴淋凈化塔監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了化學(xué)實(shí)驗(yàn)室廢氣排放的自動(dòng)監(jiān)測(cè)、噴淋凈化塔的一鍵啟動(dòng)、儲(chǔ)液箱伴熱控制和在線監(jiān)看功能。系統(tǒng)采用的鴻格智能板卡具有控制可靠、成本低廉、組網(wǎng)方便和擴(kuò)展能力強(qiáng)的特點(diǎn)，上位機(jī)組態(tài)王軟件操作簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，人機(jī)交互性好，實(shí)現(xiàn)了噴淋凈化塔的自動(dòng)監(jiān)測(cè)、一鍵啟動(dòng)、伴熱控制、故障自診斷和在線監(jiān)看功能。該系統(tǒng)可以提高噴淋凈化塔處理酸堿廢氣的穩(wěn)定性和自動(dòng)監(jiān)控水平，減少實(shí)驗(yàn)室設(shè)備維護(hù)負(fù)擔(dān)，為設(shè)備日常維護(hù)與管理提供依據(jù)。