銅冶煉爐煙氣噴霧冷卻控制系統(tǒng)

賈華，陳佳

(內(nèi)蒙古科技大學(xué)信息工程學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭014010)

0 引言

銅是與人類(lèi)關(guān)系非常密切的有色金屬，被廣泛地應(yīng)用于電氣、輕工、機(jī)械制造、建筑工業(yè)、國(guó)防工業(yè)等領(lǐng)域，隨著對(duì)煉銅量需求的增加，在銅冶煉過(guò)程中產(chǎn)生的廢氣量也逐漸上升，其中，SO2在廢氣中所占的比重較大，而且SO2對(duì)空氣的危害最為嚴(yán)重?？紤]到工業(yè)制酸的原料是SO2，為了達(dá)到既降低對(duì)空氣的污染和危害，又可以對(duì)工業(yè)廢氣進(jìn)行二次利用、變廢為寶的目的，本課題的研究重點(diǎn)是通過(guò)噴霧冷卻技術(shù)提高對(duì)銅冶煉爐煙氣的處理及利用效率。

1 系統(tǒng)的硬件組成及總體設(shè)計(jì)

銅冶煉爐煙氣噴霧冷卻控制系統(tǒng)的工藝流程圖如圖1所示。

圖1 煙氣噴霧冷卻流程圖

從銅冶煉爐吹煉排出爐口的煙氣溫度在1 100℃左右，煙氣進(jìn)入噴霧冷卻器后，恒定壓力的水氣混合物以霧狀的形態(tài)由噴嘴進(jìn)入噴霧冷卻器中對(duì)煙氣進(jìn)行降溫，隨著煙氣量的增減，噴入的水量也隨之增減，使冷卻器出口處煙氣的溫度控制在300℃左右。由于在冷卻煙氣的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一定的塵渣，所以從冷卻器中排出的煙氣直接進(jìn)入除塵器進(jìn)行除塵，最后出來(lái)的煙氣進(jìn)入制酸系統(tǒng)進(jìn)行制酸。

本設(shè)計(jì)引入了PLC控制器和WINCC上位機(jī)監(jiān)控軟件，通過(guò)PLC和WINCC的連接來(lái)更好的監(jiān)控冷卻器內(nèi)溫度的變化，控制水量的增減，使出口溫度控制最佳。系統(tǒng)的硬件部分主要包括噴霧冷卻和恒壓供水供氣部分。

2 噴霧冷卻控制原理

與以往的冷卻設(shè)備相比，噴霧冷卻技術(shù)作為一種先進(jìn)的冷卻技術(shù)，在工業(yè)生產(chǎn)中已被廣泛的推廣應(yīng)用。在銅冶煉爐煙氣除塵中運(yùn)用噴霧冷卻技術(shù)降溫、調(diào)質(zhì)，近年來(lái)也得到了一些實(shí)際應(yīng)用。

銅冶煉爐煙氣具有溫度高、SO2含量高和煙塵多的特點(diǎn)，煙氣的波動(dòng)幅度較大和流量的頻繁波動(dòng)使得電除塵器處于不穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，再加上煙塵的比電阻較高，讓電收塵器的收塵效率比較低。要設(shè)法降低煙塵的比電阻，提高煙塵的收集率，其中一個(gè)方法就是在煙氣中通入有較好導(dǎo)電性能的調(diào)質(zhì)劑(如SO2、NH3及水蒸氣等)，比較方便的是對(duì)煙氣進(jìn)行增濕，此法對(duì)銅冶煉爐產(chǎn)生的高溫?zé)煔馓幚硇Ч?，在?jīng)過(guò)噴霧冷卻后，既能讓煙氣得到冷卻又能對(duì)煙氣起到很好的調(diào)質(zhì)作用，在煙氣中噴水的同時(shí)還可以對(duì)細(xì)塵起到凝聚作用，增大煙塵的直徑，加快離子的趨近速度，二次揚(yáng)塵減少，收塵效率大大提高。在實(shí)際的工藝?yán)鋮s技術(shù)中噴霧冷卻，隨著煙氣量的不斷實(shí)時(shí)變化和溫度的升高降低，采用PLC自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，將從冷卻器出來(lái)的溫度嚴(yán)格控制在一個(gè)恒定值附近，為后續(xù)設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行創(chuàng)造良好的條件。

噴霧冷卻需要把微量水混入壓力氣流中，通過(guò)噴嘴的高壓噴射形成霧狀的氣液兩相流體，噴射到冷卻器內(nèi)，使煙氣與霧狀液滴充分接觸并進(jìn)行熱交換，達(dá)到降低煙氣溫度的目的。

從冶煉爐內(nèi)出來(lái)的高溫?zé)煔膺M(jìn)入噴霧冷卻器中，經(jīng)過(guò)噴霧冷卻器的噴霧冷卻之后，溫度降低，為了將出口處的溫度控制在所要求的恒定值范圍內(nèi)，在出口處加入溫度變送器和控制器，將檢測(cè)到的信號(hào)傳給PID控制器，經(jīng)過(guò)PID控制器內(nèi)部的比較運(yùn)算后再把結(jié)果反饋給調(diào)節(jié)閥，進(jìn)而控制閥門(mén)的開(kāi)度，形成一個(gè)閉環(huán)控制。噴霧冷卻溫度控制原理圖如圖2所示。

圖2 噴霧冷卻溫度控制原理圖

3 恒壓供水供氣設(shè)計(jì)

噴霧冷卻是把水和氣的混合物以霧狀的形式噴入冷卻器中，以此來(lái)達(dá)到降溫的目的，因此必須給系統(tǒng)提供恒定壓力的水和氣來(lái)保證冷卻液的充足。由于恒壓供氣和恒壓供水原理類(lèi)似，在此只闡述恒壓供水。

恒壓供水系統(tǒng)如圖3所示，主要由水泵電機(jī)、壓力變送器、變頻器、PLC、液位傳感器組成?？刂葡到y(tǒng)在不同階段的運(yùn)行情況可以通過(guò)控制面板上的指示燈和按鈕以及轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)來(lái)顯示。變頻器內(nèi)置的PID調(diào)節(jié)器接收由管網(wǎng)上的壓力變送器傳來(lái)的壓力信號(hào)，并將其變成4～20mA的電信號(hào)，經(jīng)過(guò)內(nèi)部PID的運(yùn)算和比較以后，將信號(hào)送至變頻器。在整個(gè)控制系統(tǒng)中，水量的調(diào)節(jié)是通過(guò)變頻器來(lái)控制水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)的，在不同時(shí)期，隨著用水量的不同，水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速也就不同，工作頻率也不同。為了更好、更方便地控制，在變頻器中設(shè)置了頻率的極限值用來(lái)檢測(cè)水量。若用水量相對(duì)較大時(shí)，變頻器則跳轉(zhuǎn)到最高極限值，并且有一個(gè)開(kāi)關(guān)信號(hào)送給PLC。若用水量隨之減小時(shí)，則變頻器跳轉(zhuǎn)到最低極限值處，同樣也可以由PLC中接收到一個(gè)開(kāi)關(guān)信號(hào)。由于用水量不可能同時(shí)為最大或最小，所以，這兩個(gè)極限頻率值不可能同時(shí)達(dá)到。固然兩個(gè)信號(hào)亦不會(huì)同時(shí)產(chǎn)生。當(dāng)任何一個(gè)信號(hào)產(chǎn)生時(shí)，信號(hào)立馬反饋給PLC，PLC通過(guò)已經(jīng)設(shè)定好的內(nèi)部驅(qū)動(dòng)程序驅(qū)動(dòng)I/O端口開(kāi)關(guān)量的輸出來(lái)實(shí)現(xiàn)交流接觸器組的切換，用這種方法來(lái)協(xié)調(diào)工作中的水泵電機(jī)的臺(tái)數(shù)，并完成電機(jī)的啟停、變頻與工頻的切換。通過(guò)調(diào)整工作中的水泵電機(jī)的臺(tái)數(shù)和控制電機(jī)組中一臺(tái)電機(jī)的變頻轉(zhuǎn)速，保持系統(tǒng)管網(wǎng)的工作壓力始終穩(wěn)定，從而達(dá)到恒壓供水的目的。

圖3中，M1、M2和M3分別為三臺(tái)電機(jī)，兩用一備，F(xiàn)R1、FR2和FR3為熱繼電器，接在電機(jī)之上用來(lái)保護(hù)電機(jī)，三個(gè)電流表分別裝在電機(jī)上用來(lái)檢測(cè)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)以及電機(jī)故障，電壓表連接在電路中用來(lái)檢測(cè)當(dāng)空氣開(kāi)關(guān)QS閉合以后，電路中是否有電。當(dāng)主觸點(diǎn)KM5、KM6和KM7閉合的時(shí)候，電機(jī)運(yùn)行在變頻狀態(tài)，當(dāng)主觸點(diǎn)KM2、KM3和KM4閉合的時(shí)候，電機(jī)運(yùn)行在工頻狀態(tài)。

圖3 恒壓供水系統(tǒng)原理圖

4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

PLC在系統(tǒng)中的作用是控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，起到維持溫度恒定的作用；控制電磁閥釋放恒壓氣體；在恒壓供水中控制水泵的增減、倒泵。PLC的軟件設(shè)計(jì)流程如圖4所示。

溫度的控制采用PLC自帶的PID調(diào)節(jié)器。STEP7編程軟件為PID的編程提供了方便，可以利用PID設(shè)置向?qū)Х奖愕赝瓿蒔ID調(diào)節(jié)規(guī)律的編程。PID設(shè)置向?qū)О硕x需要配置的PID回路號(hào)、PID參數(shù)的設(shè)定、設(shè)定回路輸出輸入值、設(shè)定回路報(bào)警選項(xiàng)等，為編程提供了諸多方便。

5 監(jiān)控畫(huà)面的設(shè)計(jì)

WinCC是一款功能強(qiáng)大的組態(tài)軟件，可在標(biāo)準(zhǔn)PC及Windows NT環(huán)境下完成人機(jī)界面的組態(tài)。SIMATICWinCC對(duì)過(guò)程事件有極快的反應(yīng)，靈活性也很高，是PCS7過(guò)程控制系統(tǒng)及西門(mén)子其他系統(tǒng)的重要組件。WinCC還也是一款開(kāi)放式、通用型軟件，可與西門(mén)子以外的多種控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，并且適合所有工業(yè)領(lǐng)域，可集成所有的自動(dòng)控制方案，且集成簡(jiǎn)便，擴(kuò)展能力強(qiáng)，通訊接口豐富，可以保證設(shè)備的最優(yōu)化運(yùn)行，提高工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)效率。

本系統(tǒng)的上位機(jī)軟件選用WinCC軟件組態(tài)，執(zhí)行顯示、報(bào)警、存儲(chǔ)、打印等功能。WinCC軟件具有強(qiáng)大的組態(tài)功能，適合于多種用途的控制系統(tǒng)，主要監(jiān)控畫(huà)面如圖5所示。

圖4 軟件設(shè)計(jì)流程圖

圖5 WINCC過(guò)程監(jiān)控畫(huà)面圖

6 結(jié)語(yǔ)

在傳統(tǒng)銅冶煉工藝煙氣處理方法的基礎(chǔ)上，引入噴霧冷卻技術(shù)，通過(guò)可編程控制器及WINCC組態(tài)軟件的應(yīng)用，進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新，設(shè)計(jì)了一整套噴霧冷卻系統(tǒng)，對(duì)煙氣溫度進(jìn)行有效的控制，與此同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了SO2的二次利用，既對(duì)環(huán)保做出了貢獻(xiàn)，也為工業(yè)生產(chǎn)硫酸節(jié)省了原料。

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