四氧化三錳干燥系統(tǒng)控制

寧 楊，童華中

(1.長(zhǎng)沙新冶實(shí)業(yè)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410012;2.南京鉅鼎自動(dòng)化系統(tǒng)有限公司，江蘇 南京 210022)

四氧化三錳主要用于生產(chǎn)錳鋅鐵氧體，其次是用于生產(chǎn)錳酸鋰電池以及用于生產(chǎn)涂料;當(dāng)用作錳鋅鐵氧體和錳酸鋰電池原料時(shí)，對(duì)其物理和化學(xué)性能有特別高的要求［1］。正因?yàn)槿绱?，四氧化三錳的主流生產(chǎn)工藝為電解金屬錳濕法氧化法，該工藝生產(chǎn)四氧化三錳產(chǎn)品干燥通常采用噴霧干燥。為確保四氧化三錳的質(zhì)量，干燥爐的穩(wěn)定工作條件是非常必要的。事實(shí)上由于熱風(fēng)(即煙氣)與物料直接接觸，干燥爐的工作條件有許多影響因素。如被干燥漿料的濃度、熱風(fēng)的流量和壓力、燃料的流量和壓力，爐內(nèi)溫度、爐堂氧化性氣氛、燃料完全燃燒程度、爐堂壓力等。本文將半自動(dòng)PLC智能化控制引入到四氧化三錳干燥系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)干燥過(guò)程的自動(dòng)控制，保障干燥工況的基本穩(wěn)定。

1 控制方案

干燥爐自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本任務(wù)是燃油(或燃?xì)?燃燒所提供的熱量適應(yīng)四氧化三錳干燥所需的熱量要求，同時(shí)確保燃料燃燒完全，以保證產(chǎn)品的質(zhì)量，而且還要保證干燥爐安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。反映干燥系統(tǒng)狀況最具代表性參數(shù)為：漿料濃度;爐堂氣氛氧化性強(qiáng)度;爐膛壓力;干燥尾氣出口溫度。

1.1 尾氣出口溫度的控制［2］

尾氣出口溫度過(guò)高則浪費(fèi)熱量，增加成本，同時(shí)有可能損壞收塵布袋;尾氣出口溫度過(guò)低，有可能造成尾氣收塵布袋積水，影響系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

尾氣出口溫度的控制原理見圖1。

圖1 尾氣出口溫度控制原理

燒嘴的助燃風(fēng)管路上，先安裝1只手動(dòng)調(diào)節(jié)蝶閥，其次安裝電動(dòng)調(diào)節(jié)蝶閥a和電動(dòng)調(diào)節(jié)蝶閥b。再在電動(dòng)調(diào)節(jié)蝶閥b和燒嘴的助燃風(fēng)接口之間安裝1只壓力表，指示燒嘴前的助燃風(fēng)壓力。

燒嘴的燃?xì)?燃油)管路上，先安裝手動(dòng)調(diào)節(jié)球閥，其次安裝1只比例閥。再在比例閥和燒嘴的燃?xì)饨涌谥g安裝1只壓力表，指示燒嘴前的燃?xì)?燃油)壓力。

爐溫控制的原理：PLC根據(jù)測(cè)量到的實(shí)時(shí)溫度，進(jìn)行PID運(yùn)算，輸出DC 0～20 mA的控制量信號(hào)給助燃風(fēng)支路上的電動(dòng)調(diào)節(jié)蝶閥b上，調(diào)節(jié)電動(dòng)蝶閥b的開度(調(diào)節(jié)助燃風(fēng)流量)。電動(dòng)調(diào)節(jié)蝶閥b通過(guò)旋轉(zhuǎn)擺臂和聯(lián)動(dòng)桿帶動(dòng)燃?xì)庵飞系谋壤y同步旋轉(zhuǎn)。蝶閥b和比例閥始終保持相同的開度。使得助燃風(fēng)流量和燃?xì)饬髁客降氐缺壤兓?，從而改變?nèi)紵鹧娴拇笮。@樣就使得爐溫得到調(diào)節(jié)，尾氣溫度也就得到調(diào)節(jié)。

1.2 爐內(nèi)氧化性氣氛的控制

為了確保燃料消耗達(dá)到最節(jié)約的效果，該系統(tǒng)配備了爐內(nèi)氣氛氧含量在線檢測(cè)和自動(dòng)控制系統(tǒng)。

這是因?yàn)椋喝绻麪t膛內(nèi)氣氛中氧含量較大，說(shuō)明燃燒后剩余空氣量大，由煙氣帶走的熱量占燃燒所產(chǎn)生的總熱量比例就大，熱效率就低，燃?xì)?油)消耗量就大。大量事實(shí)說(shuō)明：燃油、燃?xì)鉅t窯熱損失的絕大部分是由于煙氣帶走了熱量。因?yàn)檫M(jìn)入爐內(nèi)的助燃風(fēng)空氣是冷的，變成煙氣后溫度很高，冷空氣需要吸收大量的熱量才能變成熱的煙氣。保持合理的剩余空氣含量，會(huì)明顯地提高熱效率，節(jié)約燃?xì)狻?/p>

反之，如果燃燒室排出的煙氣中氧含量過(guò)低，則有可能造成燃料的燃燒不完全。燃燒不完全則造成3種不利的后果：浪費(fèi)燃油;炭黑較多;污染產(chǎn)品和環(huán)境。

因此，煙氣中氧含量既不能過(guò)高，也不宜過(guò)低。一般來(lái)說(shuō)，保持在3%左右比較適宜。

為達(dá)到爐內(nèi)氣氛氧含量在線檢測(cè)和自動(dòng)控制的目的，助燃風(fēng)總管路上安裝1只電動(dòng)調(diào)節(jié)蝶閥a，該蝶閥的開度受PLC輸出的控制量信號(hào)(DC 4～20 mA)控制。原理是：在爐墻上接近煙氣排放出口處安裝1支氧探頭，氧探頭的氧電動(dòng)勢(shì)信號(hào)送給氧含量分析儀，氧分析儀的氧含量信號(hào)(DC 4～20 mA)輸出給PLC的模擬量模塊。

下式是氧探頭氧電動(dòng)勢(shì)的表達(dá)式：

式中E——探頭氧電勢(shì)輸出值，mV;

T——絕對(duì)溫度值，K;

P1——空氣中氧分壓;P2——爐氣中氧分壓。

由于要通過(guò)式(1)計(jì)算出爐內(nèi)氣氛氧含量，需要知道爐內(nèi)氣氛絕對(duì)溫度，因此氧探頭應(yīng)同時(shí)內(nèi)置熱電偶(K型，測(cè)溫范圍：0～1 200℃)，將測(cè)得的爐內(nèi)氣氛溫度T(換算成絕對(duì)溫度)以及氧電勢(shì)E代入式(1)，由于空氣中的氧分壓P1是基本是基本恒定并已知的(約20%)，因而可計(jì)算出爐內(nèi)氣氛氧分壓等于爐內(nèi)氣氛的體積氧含量。

由式(1)可知：當(dāng)E、T、P1已知時(shí)，P1/P2就可以計(jì)算出來(lái)。P1是空氣中的氧分壓，P1=20.5%。P2是爐內(nèi)氣氛氧含量值，這個(gè)數(shù)值由氧分析儀內(nèi)置的算法程序計(jì)算出來(lái)，并輸出與該數(shù)值成線性比例關(guān)系的模擬量信號(hào)(DC 4～20 mA)。有了這個(gè)信號(hào)，PLC就能調(diào)節(jié)電動(dòng)蝶閥的開度。

需要說(shuō)明的是：氧探頭選用內(nèi)置K型熱電偶的型號(hào)。因?yàn)椋鹾繐Q算數(shù)學(xué)模型同時(shí)需要氧勢(shì)信號(hào)和氣氛溫度信號(hào)。

氧探頭的熱電偶信號(hào)和氧電動(dòng)勢(shì)信號(hào)都輸入給氧分析儀，由氧分析儀將氧分壓值轉(zhuǎn)換為DC 4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)提供給PLC的模擬量模塊，再由PLC輸出控制信號(hào)(同樣是DC 4～20 mA)給助燃風(fēng)管路上的電動(dòng)調(diào)節(jié)蝶閥a，調(diào)節(jié)該蝶閥的開度，使得蝶閥a后面的助燃風(fēng)壓力受到調(diào)節(jié)，助燃風(fēng)流量與燃?xì)?或燃油)流量的比例就受到調(diào)節(jié)，這樣燃燒后的過(guò)?？諝饬烤偷玫搅苏{(diào)節(jié)，爐內(nèi)混合氣氛的氧含量也就得到了調(diào)節(jié)。

爐內(nèi)氣氛氧含量在線測(cè)量與控制的原理見圖2。

圖2 爐內(nèi)氣氛氧化性強(qiáng)度控制原理

1.3 爐膛壓力控制

爐膛壓力過(guò)高，則：1)安全性差，火焰容易往爐墻外噴出，可能危及人身安全等;2)火焰對(duì)燒嘴的噴口、火焰探測(cè)器、點(diǎn)火電極等灼燒強(qiáng)度大，造成燒嘴等損壞速度快，使用壽命減少。反之，如果爐膛壓力過(guò)低，則說(shuō)明煙氣排放速度過(guò)快，熱煙氣在爐內(nèi)滯留時(shí)間過(guò)短，未能與被加熱物料進(jìn)行充分換熱，熱效率低，燃?xì)庀牧看?，不夠?jié)約;且對(duì)大氣污染大。

所以，爐膛壓力(煙氣排放速度)應(yīng)該維持在一個(gè)比較合適的水平。一般來(lái)說(shuō)，爐膛壓力應(yīng)為負(fù)壓。為此，系統(tǒng)配備了爐膛壓力在線檢測(cè)和自動(dòng)控制系統(tǒng)。

爐膛壓力控制是通過(guò)調(diào)節(jié)煙道蝶閥的開度來(lái)實(shí)現(xiàn)的?？梢栽跔t墻上靠近煙道出口處開1個(gè)氣氛導(dǎo)流孔，插入并焊接耐熱不銹鋼管，在鋼管的引出段(進(jìn)行煙氣降溫)上安裝壓力傳感器、變送器，將壓力變送器的標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)送給1只PID調(diào)節(jié)器，再由PID調(diào)節(jié)器控制1個(gè)電動(dòng)執(zhí)行器，該電動(dòng)執(zhí)行器調(diào)節(jié)煙道蝶閥的開度，這樣就可以控制爐膛壓力。該部分控制系統(tǒng)的物理構(gòu)成見圖3。

圖3 爐膛壓力在線測(cè)量與控制原理

壓力變送器的作用是把壓力傳感器的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成與壓力大小乘線性比例關(guān)系的標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)(例如 DC 0～10 mA、DC 4～20 mA、DC 0～5 V、DC 1～5 V。我們選擇DC 4～20 mA信號(hào)，便于長(zhǎng)距離傳輸而不衰減，且抗干擾能力強(qiáng))，以便PLC能夠很方便地進(jìn)行壓力大小的換算和顯示，以及進(jìn)行輸出控制量的運(yùn)算。有的壓力傳感器已經(jīng)集成了變送電路，那就不需要另外的壓力變送器了。

1.4 干燥料漿濃度控制

干燥料漿的量和濃度的變化可能引起整個(gè)干燥的工況較大的波動(dòng)，盡量保持料漿量和濃度穩(wěn)定，為此，將料漿泵流量保持不變，料漿濃度只能通過(guò)人工盡可能讓其波動(dòng)小些。這里選用HYD-ZS在線水份儀，提供濃度范圍報(bào)警。

2 系統(tǒng)硬軟配置

利用兼容性較強(qiáng)的 PLC系統(tǒng)，選取西門子PLCS7－200CPU226作為控制核心，同時(shí)擴(kuò)展2個(gè)EM231模擬量輸入模塊和1個(gè)CP243－1以太網(wǎng)模塊。S7－200的PPI接口的物理特性為RS-485，可在PPI、MPI和自由通訊口方式下工作，為實(shí)現(xiàn)PLC與上位機(jī)的通訊提供了多種選擇。

控制程序采用STEP7-Micro/win軟件梯形圖方式編寫。

3 結(jié)語(yǔ)

采用西門子半自動(dòng)化PLC智能控制系統(tǒng)，對(duì)四氧化三錳干燥系統(tǒng)的代表性參數(shù)，爐膛氧化氣氛強(qiáng)度，干燥尾氣溫度，爐膛壓力進(jìn)行控制，同時(shí)，通過(guò)維持料漿流量和濃度的基本穩(wěn)定，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)干燥系統(tǒng)的安全穩(wěn)定和高效運(yùn)行。

［1］梅光貴，張文山，曾湘波，等.中國(guó)錳業(yè)技術(shù)［M］.長(zhǎng)沙：中南大學(xué)出版社，2011.

［2］翁維勤，周慶海.過(guò)程控制系統(tǒng)及工程［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1996.