活性炭輸送凈化微型系統(tǒng)設(shè)計(jì)

朱凌宏， 李軍慶， 葉宏偉

（麗水職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，浙江 麗水 323000）

0 引言

活性炭是一種黑色多孔的固體炭質(zhì)，主要成分為碳，比表面積在550～1800 m2/g之間，具有較強(qiáng)的化學(xué)吸附與物理吸附特性，利用此特性可將有機(jī)物進(jìn)行雙重吸附，達(dá)到空氣/水質(zhì)凈化、煙氣脫硫的目的[1-3]?，F(xiàn)有市場上的活性炭輸送凈化系統(tǒng)普遍存在體積大、重量重、成本高的特點(diǎn)，一般的地方性中小型企業(yè)根本無法承受[4-5]，在國家最新修訂的大氣污染防治法（2016年）以及浙江省五水共治的大背景大前提下，開發(fā)具有體積小、重量輕、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、凈化效率高等特點(diǎn)的活性炭輸送凈化微型系統(tǒng)是當(dāng)前經(jīng)濟(jì)減排的迫切要求，是地方中小型企業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的必然要求，也是我國空氣保護(hù)、水質(zhì)凈化的根據(jù)要求。

活性炭凈化技術(shù)已經(jīng)非常成熟，國內(nèi)外實(shí)際應(yīng)用也較為廣泛，早期NORIT公司所開發(fā)的活性炭圓盤式加藥機(jī)，開啟了城市垃圾、固廢焚燒過程中煙氣、污染物排放凈化的先河，該裝置具備投料、稱重、輸送、凈化四大功能，其特點(diǎn)是一機(jī)多控、連續(xù)作業(yè)，但存在輸送精度不高（采用變頻器控制）、價(jià)格較為昂貴（一般為80～180萬元人民幣）的不足[6-7]。國內(nèi)浙江大學(xué)陸勝勇等率先嘗試設(shè)計(jì)葉片式活性炭給料輸送系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用中心葉片旋轉(zhuǎn)方式驅(qū)動(dòng)活性炭輸送，由于葉片與外圍管道間存在間隙，密封性不好，搭橋現(xiàn)象嚴(yán)重且易受焚燒爐煙道負(fù)壓影響，造成活性炭給料不均勻，影響凈化效果。謝高岳等開發(fā)的螺旋式活性炭給料輸送系統(tǒng)，采用鼓風(fēng)噴謝方法輸送活性炭，輸送量較大，但在輸送過程中均勻性得不到保障，該系統(tǒng)只適合于大噸位活性炭的輸送場合，精密控制還不能完全做到，且活性炭空庫現(xiàn)象嚴(yán)重。本文采用羅茨風(fēng)機(jī)+送料機(jī)構(gòu)組合方式，基于PLC模塊、稱重傳感器以及脈沖電動(dòng)機(jī)完成活性炭的下料、輸送、稱重、信號(hào)反饋、精密控制等各項(xiàng)功能，徹底解決了搭橋與空庫問題，實(shí)現(xiàn)了活性炭的連續(xù)均勻性精確輸送控制，且體積小、重量輕、成本低。

1 試驗(yàn)臺(tái)架結(jié)構(gòu)及功能

根據(jù)活性炭輸送系統(tǒng)的實(shí)際需求，應(yīng)用UG軟件建立試驗(yàn)臺(tái)架的三維實(shí)體模型，實(shí)現(xiàn)活性炭儲(chǔ)料倉以及附屬件的安裝支承功能。

圖1 試驗(yàn)臺(tái)架三維實(shí)體模型

圖1為試驗(yàn)臺(tái)架的三維實(shí)體模型，圖2為各部件間的連接關(guān)系，試驗(yàn)臺(tái)架主要部件包括支撐架、羅茨風(fēng)機(jī)、活性炭儲(chǔ)料倉、指示信號(hào)燈、稱重傳感器、人機(jī)交互式界面、活性炭輸送管道以及伺服脈沖電動(dòng)機(jī)。圖3為凈化系統(tǒng)工作原理示意圖，具體過程如下：電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)送料機(jī)構(gòu)，活性炭一方面經(jīng)送料機(jī)構(gòu)攪拌在文丘里負(fù)壓的作用下快速進(jìn)入輸送管道，另一方面羅茨風(fēng)機(jī)通過正壓驅(qū)動(dòng)料倉中的活性炭快速進(jìn)入活性炭輸送管道并與煙氣、廢氣進(jìn)行充分混和、吸附、凈化，再隨羅茨風(fēng)機(jī)的正負(fù)壓快速排出，具體凈化過程參照?qǐng)D4。

圖2 各部件連接關(guān)系

圖3 凈化系統(tǒng)工作原理示意圖

圖4 凈化過程

所設(shè)計(jì)活性炭輸送凈化微型系統(tǒng)的主要性能參數(shù)如下：輸送精度為0.5～50 kg/h，羅茨風(fēng)機(jī)流量為3.7 m3/min，靜風(fēng)壓為19.6 kPa，傳感器分辨率為1/5000。

2 自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制原理

活性炭輸送凈化控制系統(tǒng)主要由PLC模塊、稱重傳感器、伺服脈沖電動(dòng)機(jī)三部份構(gòu)成，活性炭通過送料機(jī)構(gòu)進(jìn)入輸送管道，稱重傳感器第一反應(yīng)檢測單位時(shí)間內(nèi)一個(gè)掃描周期過程中整套裝置前后的重量差，進(jìn)行均值計(jì)算后將信號(hào)反饋給PLC模塊，經(jīng)PLC邏輯運(yùn)算后再將信號(hào)反饋給伺服電動(dòng)機(jī)，從而達(dá)到調(diào)節(jié)送料機(jī)構(gòu)工作轉(zhuǎn)速的目的，實(shí)現(xiàn)活性炭輸送的精確控制，控制流程如圖5所示。

圖5 控制流程

2.2 人機(jī)交互式界面設(shè)計(jì)

以某型號(hào)PLC一體式模塊為平臺(tái)，搭建故障報(bào)警、設(shè)備狀態(tài)、內(nèi)部調(diào)試、設(shè)備主控等四大人機(jī)交互式工作界面。故障報(bào)警主要提示在缺料時(shí)與超出物料設(shè)置值時(shí)報(bào)警，設(shè)備狀態(tài)主要顯示各電動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)與參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線單控與關(guān)停，內(nèi)部調(diào)試主要設(shè)置系統(tǒng)初始化、計(jì)時(shí)時(shí)長、重量、下料流量，設(shè)備主控界面主要顯示時(shí)間、日期、罐料總重量、設(shè)置流速、系統(tǒng)啟動(dòng)/停止等信息。四大工作界面配合使用（也可根據(jù)用戶實(shí)際需求進(jìn)行個(gè)性化人機(jī)交互式界面設(shè)置）、最終實(shí)現(xiàn)活性炭輸送連續(xù)性、均勻性的在線互動(dòng)功能。在使用本界面之前需完成以下5步操作、調(diào)試：

第1步：稱重調(diào)試。1）稱體標(biāo)零。清空罐體，保持空罐狀態(tài)（即不放料的狀態(tài)），此時(shí)對(duì)稱體進(jìn)行零位標(biāo)定，單擊稱零位標(biāo)定，此時(shí)當(dāng)前稱重重量變?yōu)?。2）額定克重標(biāo)定。選取一個(gè)固定重量的砝碼（5 kg），在當(dāng)前選定砝碼重量里輸入5 kg，按標(biāo)定重量寫入，此時(shí)將砝碼放在罐體內(nèi)，注意物料穩(wěn)定后，按住標(biāo)定開始1 s以上，松開標(biāo)定開始，等待5 s左右，稱體標(biāo)定完成，當(dāng)前稱重重量顯示為選定砝碼重量，此時(shí)標(biāo)定完成。

圖6 稱重標(biāo)定界面

第2步：參數(shù)設(shè)定。送料機(jī)構(gòu)的最大轉(zhuǎn)速不能超過3r/min，如果已知送料比例則可以設(shè)定，如果不知道則可以在下一步中進(jìn)行送料比例測試，報(bào)警克重指低于此克重時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)停機(jī)，根據(jù)送料顆粒的情況一般設(shè)定為55 kg左右，風(fēng)機(jī)延時(shí)指風(fēng)機(jī)啟動(dòng)停止的延時(shí)時(shí)間，一般設(shè)置2～3 s。屏幕校正為當(dāng)前屏幕按鍵不靈敏的時(shí)候可以點(diǎn)擊進(jìn)行校正。

圖7 參數(shù)設(shè)定

第3步：稱重比例測試。輸入1 r/min，測試時(shí)間設(shè)為1 min，點(diǎn)擊測試開始，則系統(tǒng)可以自動(dòng)測量出送料比例。此系統(tǒng)設(shè)有遠(yuǎn)程控制功能即PS打開本機(jī)控制，則遠(yuǎn)程不能控制設(shè)備啟動(dòng)停止，打開遠(yuǎn)程控制，則本機(jī)上不能控制設(shè)備啟動(dòng)停止。

圖8 稱重比例測試

圖9 啟動(dòng)停止界面

第4步：設(shè)備啟動(dòng)停止。在本機(jī)控制下，按啟動(dòng)鍵，風(fēng)機(jī)先啟動(dòng)，延時(shí)時(shí)間到，送料啟動(dòng)。按停機(jī)鍵，送料先停止，然后風(fēng)機(jī)停止。

第5步：設(shè)備監(jiān)控。系統(tǒng)一旦出現(xiàn)問題，人機(jī)交互式界面會(huì)第一時(shí)間顯示報(bào)警，同時(shí)指示燈變亮，圖10為功能報(bào)警提示，圖11所示為報(bào)警明細(xì)。人機(jī)交互式操作主界面如圖12所示。

圖10 報(bào)警提示

圖11 報(bào)警明細(xì)

圖12 主界面

2.3 控制精度分析

活性炭輸送的均勻性精度主要由驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)、稱重傳感器以及送料裝置三部份決定。常用的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方式是控制頻率，控制精度不高[10-12]，本系統(tǒng)選用伺服電動(dòng)機(jī)，采用發(fā)脈沖方式進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)1圈可以設(shè)置300～12 000個(gè)脈沖，大大提升了電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制精度，有力地保障了活性炭輸送的均勻性[13-15]。新系統(tǒng)中設(shè)有多個(gè)重力傳感器，均勻分布在稱重料盤的周圍，經(jīng)傳感器采集的信號(hào)最終通過取均值的方式進(jìn)行信號(hào)反饋，控制精度由原來的1/3000變?yōu)?/5000，大大提升了新系統(tǒng)的抗干擾性。采用單一棒料刮盤旋轉(zhuǎn)柔性送料機(jī)構(gòu)保障給料過程的密封性和均勻性，同時(shí)配備羅茨風(fēng)機(jī)輸送活性炭，提高了活性炭給料過程的連續(xù)性。通過上述三大措施，活性炭輸送新系統(tǒng)的精度可以保證控制在0.5～50 kg/h，此精度已為當(dāng)前國內(nèi)所能達(dá)到的最高精度。

圖13 樣機(jī)

3 樣機(jī)與測試參數(shù)

圖13所示為活性炭輸送凈化微型系統(tǒng)樣機(jī)，表1所示為樣機(jī)的各項(xiàng)性能測試參數(shù)。

表1 樣機(jī)性能參數(shù)

4 結(jié)論

1）提出活性炭輸送凈化微型系統(tǒng)設(shè)計(jì)的概念，從系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)架的體積、重量著手，進(jìn)行優(yōu)化，輸送凈化功能保持不變，成本降低60%；2）采用脈沖電動(dòng)機(jī)、傳感信號(hào)處理、送料機(jī)構(gòu)優(yōu)化三大措施保障活性炭輸送的最高精度控制在0.5 kg/h，此精度已為當(dāng)前國內(nèi)所能達(dá)到的最高精度；3）設(shè)計(jì)人機(jī)交互式界面方便人機(jī)對(duì)話，用戶可根據(jù)實(shí)際要求進(jìn)行個(gè)性化私人設(shè)制。

[參 考 文 獻(xiàn)]

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