基于大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)與治理技術(shù)設(shè)備的研究

羅林

【摘 要】對(duì)傳統(tǒng)大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)與治理技術(shù)的研究，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的大氣監(jiān)測(cè)與治理技術(shù)設(shè)備存在著可靠性低、穩(wěn)定差、故障率高、系統(tǒng)更新成本高等缺點(diǎn)，提出了先進(jìn)的大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)與治理技術(shù)設(shè)備應(yīng)具備的硬件組成、技術(shù)指標(biāo)、控制工藝、電氣控制、PLC模擬量的應(yīng)用、污染因子的監(jiān)測(cè)等 ，希望能為當(dāng)今大氣環(huán)境的治理技術(shù)提供一定的技術(shù)參考。

【關(guān)鍵詞】PLC；設(shè)備；控制；污染；治理

中圖分類(lèi)號(hào)： X830；X505 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）16-0149-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.16.068

0 引言

當(dāng)前，我國(guó)大氣污染狀況十分嚴(yán)重，主要呈現(xiàn)為煤煙型污染特征。城市大氣環(huán)境中總懸浮顆粒物濃度普遍超標(biāo)；二氧化硫污染保持在較高水平；機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣污染物排放總量迅速增加；氮氧化物污染呈加重趨勢(shì)，特別是以北方城市顆粒物和南方城市酸雨為特征的城市大氣污染依然比較嚴(yán)重，大量燃煤工業(yè)造成煤煙型污染， 二氧化硫濃度年均值達(dá)不到國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)，城市空氣中顆粒物常年居高不下，而且機(jī)動(dòng)車(chē)數(shù)量快速上漲， 污染物排放總量仍在增加。北京、上海、廣州、武漢、鄭州、沈陽(yáng)等城市氮氧化物污染較重， 交通干線(xiàn)兩側(cè)一氧化碳嚴(yán)重超標(biāo)， 部分城市的大氣污染類(lèi)型已經(jīng)由煤煙型轉(zhuǎn)變?yōu)閺?fù)合型。大氣污染時(shí)刻威脅著人們的生活和健康，因此治理大氣污染、提高城市清潔能源比例，減少環(huán)境的污染，實(shí)現(xiàn)科學(xué)健康的發(fā)展，急需要一套先進(jìn)的大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)與治理技術(shù)設(shè)備和先進(jìn)的控制技術(shù)。

1 傳統(tǒng)大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)與治理技術(shù)

1.1 傳統(tǒng)大氣環(huán)境的監(jiān)測(cè)

我國(guó)《大氣污染防治法》最早頒布于1987年，而傳統(tǒng)的大氣環(huán)境污染物監(jiān)測(cè)是由政府部門(mén)下設(shè)的環(huán)境監(jiān)測(cè)部門(mén)，根據(jù)污染物的存在狀態(tài)，大氣污染監(jiān)測(cè)項(xiàng)目也分粒狀污染物監(jiān)測(cè)和氣態(tài)污染物監(jiān)測(cè)兩大監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。其中，粒狀污染物監(jiān)測(cè)又分總懸浮微粒監(jiān)測(cè)、飄塵監(jiān)測(cè)、降塵監(jiān)測(cè)和粒狀污染物成分監(jiān)測(cè)；氣態(tài)污染物監(jiān)測(cè)包括二氧化硫、氮氧化物、-氧化碳、光化學(xué)氧化劑（O3）、氯化氫、氟化氫、總烴等。實(shí)際上，在大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)中，總懸浮微粒、二氧化硫、氮氧化物三項(xiàng)是必測(cè)項(xiàng)目，其他項(xiàng)目則要根據(jù)實(shí)際情況和監(jiān)測(cè)目的進(jìn)行選擇。

根據(jù)污染物在大氣中的存在形態(tài)、濃度和分析方法靈敏度的不同，氣樣采集方法分非濃縮采樣法和濃縮采樣法兩種。非濃縮采樣法亦稱(chēng)直接采樣法：當(dāng)待測(cè)物在大氣中的含量較大或分析方法的靈敏度較高時(shí)，用塑料袋、注射器或其它合適的容器，采集少量氣樣，即可供分析測(cè)定使用；濃縮采樣法：當(dāng)待測(cè)物在大氣中的濃度較低或分析方法的靈敏度不夠高時(shí)，要使用濃縮采樣法采集氣樣。使用最廣的濃縮采樣法有過(guò)濾法或溶液吸收法。（1）過(guò)濾法。此法用于粒子狀污染物的采集。采樣時(shí)，將濾紙或有機(jī)濾膜夾持在專(zhuān)用的采樣頭上，將采樣頭與流量計(jì)、抽氣泵連接。啟動(dòng)抽氣泵后，氣體分子透過(guò)濾紙（或?yàn)V膜）經(jīng)流量計(jì)計(jì)量，再經(jīng)抽氣泵外排，粒狀物則被阻留在濾紙或?yàn)V膜上，抽氣時(shí)間越長(zhǎng)，濾紙上阻留的粒狀物也越多。（2）溶液吸收法。多用于分子狀或蒸氣污染物采集，捕集待測(cè)物質(zhì)的儀器為吸收管，吸收管中盛有能與待測(cè)物質(zhì)發(fā)生作用的吸收液，將吸收管與流量計(jì)和抽氣泵連接。啟動(dòng)抽氣泵，當(dāng)大氣以氣泡形式通過(guò)盛有吸收管的吸收液時(shí)，在氣-液界面上，發(fā)生待測(cè)氣體的溶解作用或與吸收液的化學(xué)反應(yīng)，使待測(cè)物留在吸收液中。與此同時(shí)，氣泡內(nèi)的分子因本身的熱運(yùn)動(dòng)而迅速擴(kuò)散到氣泡表面，繼續(xù)發(fā)生溶解作用或化學(xué)反應(yīng)，如此繼續(xù)下去，即完成待測(cè)物的吸收過(guò)程。顯然，通氣時(shí)間越長(zhǎng)，吸收液中待測(cè)物的濃度就越大，因此，采樣過(guò)程就是被測(cè)物的濃縮過(guò)程。濃縮采樣法除過(guò)濾法和溶液吸收法外，還有固體采樣管阻留法、低溫冷凝法等

1.2 傳統(tǒng)大氣環(huán)境的治理

傳統(tǒng)大氣污染的主要來(lái)源，是散布在大氣中的鍋爐燃煤和民用燃煤的污染物及機(jī)動(dòng)車(chē)廢氣污染物，污染物主要是煙塵顆粒物、SO2、CO、NOx等。傳統(tǒng)的去處污染物主要采用了煙氣濕法脫硫工藝，即含硫煙氣的預(yù)處理（如降溫、增濕、除塵），吸收，氧化，富液處理（灰水處理），除霧（氣水分離），被凈化后的氣體再加熱，以及產(chǎn)品濃縮和分離等工藝。

1.3 傳統(tǒng)大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)與治理設(shè)備的缺點(diǎn)

濕法煙氣脫硫主要設(shè)備是指脫硫塔（或洗滌塔、洗滌器）和脫硫除塵器，這種設(shè)備系統(tǒng)復(fù)雜，維護(hù)費(fèi)用高、耗水量大，脫硫后排煙溫度低影響大氣擴(kuò)散等。而且，濕法煙氣脫硫通常存在富液難以處理、沉淀、結(jié)垢及堵塞、腐蝕及磨損等等棘手的問(wèn)題。這些問(wèn)題如解決的不好，便會(huì)造成二次污染、運(yùn)轉(zhuǎn)效率低下或不能運(yùn)行等特點(diǎn)。

所以，傳統(tǒng)的煙氣濕法脫硫工藝設(shè)備龐大、系統(tǒng)復(fù)雜，而且煙氣濕法脫硫控制多采用繼電器接觸器控制和XDPS集散控制，繼電器接觸器控制系統(tǒng)和XDPS集散控制系統(tǒng)線(xiàn)路布局復(fù)雜、故障率高、穩(wěn)定性和可靠性較等缺點(diǎn)。

2 先進(jìn)大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)與治理技術(shù)設(shè)備應(yīng)具備的組成

大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)與治理技術(shù)的設(shè)備應(yīng)能夠監(jiān)測(cè)燃煤發(fā)電廠(chǎng)煙氣、燃煤工業(yè)鍋爐和窯爐鍋爐中的煙氣、大氣中的顆粒物，而且能夠?qū)⑽廴練怏w進(jìn)行除塵、煙氣進(jìn)行脫硫等技術(shù)。主要應(yīng)由以下幾部分組成：

（1）煙氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)：主要是通過(guò)多種在線(xiàn)傳感技術(shù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、信號(hào)傳輸、信息顯示和系統(tǒng)反饋，由上位機(jī)工程對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控、預(yù)警和診斷。由觸控一體機(jī)、鉑熱電阻、溫濕度傳感器、風(fēng)速傳感器、壓力變送器、微差壓傳感器、粉塵傳感器、二氧化硫傳感器、氮氧化合物傳感器、氧氣傳感器、一氧化碳傳感器、二氧化碳傳感器、在線(xiàn)PH儀、物位儀、采樣槍、粉塵采樣器和皮托管等組成監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

（2）煙氣除塵系統(tǒng)：采用機(jī)械式與過(guò)濾式的除塵裝置，對(duì)空氣或者鍋爐煙道氣中的顆粒物進(jìn)行凈化處理。由旋風(fēng)除塵器、布袋除塵器和粉塵回收裝置組成除塵系統(tǒng)。

（3）煙氣脫硫系統(tǒng)：采用化學(xué)吸收與物理吸附的方法，對(duì)鍋爐煙道氣中的氣態(tài)污染物進(jìn)行凈化處理。能夠采用氨-亞硫酸氨法脫硫、濕式脫硫、活性炭吸附塔和煙囪等組成脫硫系統(tǒng)。

（4）電氣控制系統(tǒng)：采用西門(mén)子S7-1200 SMART系列主機(jī)和模擬量輸入輸出模塊組成，完成設(shè)備運(yùn)行控制及傳感器的數(shù)據(jù)采集和計(jì)算。采用三菱 FR-D700 系列變頻器控制引風(fēng)機(jī)，已達(dá)到節(jié)能環(huán)保的效果。同時(shí)，控制系統(tǒng)中包含設(shè)備保護(hù)措施如漏電保護(hù)器、中間繼電器、隔離變壓器等。

3 先進(jìn)的大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)及治理技術(shù)設(shè)備應(yīng)具備的功能

通過(guò)PLC控制的大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)及治理技術(shù)設(shè)備可以在線(xiàn)監(jiān)測(cè)煙道氣體取樣分析，可以對(duì)風(fēng)速、風(fēng)量、壓力、溫度、濃度等參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制，可以對(duì)相關(guān)儀表的參數(shù)進(jìn)行設(shè)定和校正。該控制可以對(duì)固定污染源——鍋爐煙氣的各個(gè)污染因子進(jìn)行凈化處理和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)旋風(fēng)除塵技術(shù)、布袋除塵技術(shù)、煙氣脫硫技術(shù)、活性炭吸附技術(shù)、煙道及煙囪的取樣監(jiān)測(cè)技術(shù)、污染因子在線(xiàn)監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用和分析，進(jìn)而可以進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)、城市監(jiān)測(cè)與工程技術(shù)分析、室內(nèi)監(jiān)測(cè)和工業(yè)環(huán)保與安全技術(shù)等環(huán)境方面的研制。

4 先進(jìn)的大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)及治理技術(shù)設(shè)備應(yīng)具備的工藝流程

先進(jìn)的大氣污染監(jiān)測(cè)與治理設(shè)備應(yīng)采用旋風(fēng)除塵技術(shù)→布袋除塵→氨-亞硫酸氨法脫硫、濕法脫硫→物理吸附的組合工藝，對(duì)以煙塵和酸性氣體為主要污染因子的煙氣進(jìn)行有效處理，其工藝流程如下：

5 先進(jìn)的大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)及治理技術(shù)設(shè)備應(yīng)具備的控制系統(tǒng)

先進(jìn)的大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)及治理技術(shù)設(shè)備應(yīng)采用西門(mén)子PLC作為主要控制設(shè)備，通過(guò)PLC對(duì)繼電器和接觸器等輔助電氣元件的控制來(lái)完成設(shè)備的邏輯控制，以及各類(lèi)傳感器的數(shù)據(jù)采集。同時(shí)，控制系統(tǒng)還采用變頻控制的手段來(lái)完成對(duì)大功率設(shè)備的控制，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的目標(biāo)。

5.1 控制系統(tǒng)應(yīng)具備的組成單元

設(shè)備控制系統(tǒng)應(yīng)包含以下部分：電源控制單元、調(diào)控單元、主控單元和控制對(duì)象。

（1）電源控制單元：作為整個(gè)設(shè)備的電源控制中心，提供220V的交流電和24V的直流電，控制單元中還有短路漏電保護(hù)功能。

（2）調(diào)控單元：由電機(jī)調(diào)速器和PH計(jì)組成，電機(jī)調(diào)速器主要完成對(duì)電機(jī)的啟停控制和電機(jī)轉(zhuǎn)速的顯示。PH計(jì)完成對(duì)堿液池溶液的PH值檢測(cè)顯示，并對(duì)檢測(cè)值做變松和報(bào)警輸出。

（3）主控單元：由按鈕、西門(mén)子PLC主機(jī)、模擬量輸入模塊和模擬量輸入輸出模塊組成。按鈕作為系統(tǒng)的啟停輸入信號(hào)，西門(mén)子PLC主機(jī)完成設(shè)備的邏輯控制，模擬量輸入輸出模塊完成傳感器的數(shù)據(jù)采集和對(duì)調(diào)節(jié)閥閥門(mén)開(kāi)度的控制。

（4）控制對(duì)象單元：主要是用圖形描述系統(tǒng)的流程和設(shè)備的連線(xiàn)。

5.2 控制系統(tǒng)的輸入輸出I/O

大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)及治理技術(shù)設(shè)備中的I/O點(diǎn)，數(shù)字量的輸入I0.0-I0.7可以作為手動(dòng)控制按鈕，Q0.0-Q0.7分別用作補(bǔ)氣泵、燈、振動(dòng)電機(jī)、噴淋泵2#、噴淋泵1#、清洗泵、電磁閥YV2、電磁閥YV1。模擬量輸入AI1+和AI1—用作排放NOX濃度+和排放NOX濃度—，AI2+和AI2—用作排放SO2濃度+和排放SO2濃度—，AI3+和AI3—用作排放O2濃度+和排放O2濃度—，AI4+和AI4—用作排放CO2濃度+和排放CO2濃度—，AI5+和AI5—用作排放CO濃度+和排放CO濃度—，AI6+和AI6—用作起始SO2濃度+和起始SO2濃度—，AI7+和AI7—用作排放顆粒物濃度+和排放顆粒物濃度—，AO1+和AO1—用作閥控信號(hào)+和閥控信號(hào)—，AO2+和AO2—用作調(diào)控信號(hào)+和調(diào)控信號(hào)—。

6 技術(shù)設(shè)備應(yīng)具備的監(jiān)控系統(tǒng)

系統(tǒng)應(yīng)采用工控組態(tài)軟件MCGS制作系統(tǒng)監(jiān)測(cè)界面，采用工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控中心與遠(yuǎn)程設(shè)備的數(shù)據(jù)交換和遠(yuǎn)程監(jiān)控，使控制模式更貼近實(shí)際工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。監(jiān)控系統(tǒng)主要具備以下三個(gè)方面：

（1）系統(tǒng)調(diào)試界面：完成單個(gè)設(shè)備的手動(dòng)調(diào)試、各傳感器在線(xiàn)顯示，以及監(jiān)控中心與PLC主機(jī)的通訊狀態(tài)。

（2）系統(tǒng)總圖：在線(xiàn)顯示整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行流程，以及各單元設(shè)備工作狀態(tài)和在線(xiàn)顯示煙氣排放各項(xiàng)指標(biāo)。

（3）數(shù)據(jù)存盤(pán)：對(duì)煙氣排放各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行定時(shí)存盤(pán)顯示，并做打印輸出及Excel報(bào)表輸出，實(shí)現(xiàn)對(duì)煙氣排放的綜合記錄和規(guī)律總結(jié)。

7 技術(shù)設(shè)備中的PLC選型和模擬控制

在大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)及治理技術(shù)設(shè)備中 PLC是核心就像人的大腦一樣起到邏輯控制功能，PLC采用當(dāng)前比較流行的西門(mén)子S7-1200 SMART CPUSR40的主機(jī)，模擬量模塊EMAE04和EMAM06。具體控制包括兩個(gè)方面：

（1）PLC的通訊：與普通的西門(mén)子PLC的通訊不一樣，SMART PLC采用網(wǎng)線(xiàn)通訊，打開(kāi)軟件在項(xiàng)目樹(shù)中雙擊“通信”，單擊“查找CPU”，當(dāng)出現(xiàn)CPU 地址后點(diǎn)擊確認(rèn)。

（2）PLC的編程：大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)及治理技術(shù)設(shè)備中的PLC編程難點(diǎn)在于模擬量的編程，而模擬量的編程要會(huì)模擬量值和A/D轉(zhuǎn)換值的轉(zhuǎn)換。其轉(zhuǎn)換原理：假設(shè)模擬量的標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)是A0-Am（如：4-20mA），A/D轉(zhuǎn)換后數(shù)值為D0-Dm（如：5530-27648），設(shè)模擬量的標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)是A，A/D轉(zhuǎn)換后的相應(yīng)數(shù)值為D，由于是線(xiàn)性關(guān)系，函數(shù)關(guān)系A(chǔ)=f（D）可表示為數(shù)學(xué)方程：A=（D-D0）×（Am-A0）/（Dm-D0）+A0，由該方程可以得出函數(shù)關(guān)系D=f（A）數(shù)學(xué)方程：D=（A-A0）×（Dm-D0）/（Am-A0）+D0；如某溫度傳感器輸出為4-20mA，量程為-10-60℃，以T表示溫度值，AIW16為PLC模擬量采樣值，則根據(jù)上式直接代入得出：T=70×（AIW16-5539）/22118-10，然后通過(guò)PLC中的實(shí)數(shù)的乘除法指令進(jìn)行編程，達(dá)到控制的目的。

8 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明先進(jìn)大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)與治理技術(shù)設(shè)備能夠自動(dòng)化監(jiān)測(cè)大氣環(huán)境中各種污染因子和除塵凈化處理，為當(dāng)今大氣環(huán)境污染的治理提供一定的技術(shù)參考。

【參考文獻(xiàn)】

[1]鞏倩汝.北京市霧霾治理政策措施研究[J].企業(yè)改革與管理，2014（12）：128—129.

[2]徐曼，張璇，張曉彤.石家莊市冬季典型污染過(guò)程分析[J]河北工業(yè)科技，2015，321（4）：364-370.

[3]任毅斌.基于倫敦治療經(jīng)驗(yàn)的中國(guó)城市空氣污染治理探討[J].河北工業(yè)科技，2013，30（5）：386-390.

[4]郭新彪.大氣污染對(duì)健康影響研究的一些新進(jìn)展[J].北京大學(xué)學(xué)報(bào)：醫(yī)學(xué)版，，2007，（2）：117-119.

[5]中華人民共和國(guó)環(huán)境保護(hù)部科技標(biāo)準(zhǔn)司.污染防治技術(shù)政策與技術(shù)指南[M].北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2014.