大型銅冶煉企業(yè)除塵設(shè)備全自動化技術(shù)的研究與應(yīng)用

方項林,周春虎,王煒博,呂鑫寬

(國投金城冶金有限責(zé)任公司,河南 靈寶 472500)

0 前言

隨著科技的進(jìn)步,大型化工企業(yè)規(guī)?；?、現(xiàn)代化的發(fā)展,PLC在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣。運用自動化控制的技術(shù)措施手段提高設(shè)備使用壽命,提高自動化程度,減少人員配置,優(yōu)化工藝指標(biāo)等是必然趨勢。

目前,大量依靠繼電器控制的各類設(shè)備設(shè)施仍在許多領(lǐng)域里廣為應(yīng)用,傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)必須使用大量的接觸器、中間繼電器、時間繼電器等電器元件,觸點頻繁動作,也會因為元件的老化導(dǎo)致繼電器接觸不良,頻繁出現(xiàn)故障,嚴(yán)重時會引起系統(tǒng)停產(chǎn)。傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)在實際使用和維護(hù)的成本也比較高；另外系統(tǒng)功能越多相對應(yīng)的線路也會越繁雜,在設(shè)備出現(xiàn)故障后,故障排查困難,無法第一時間內(nèi)消除故障,也會對正常生產(chǎn)造成不利影響。

隨著科技的發(fā)展,現(xiàn)在一般的可編程控制器(以下簡稱PLC)不僅能夠靈活按需編程,也可以實現(xiàn)非常復(fù)雜的控制功能。它和相同功能的繼電器控制系統(tǒng)比較,具有以下優(yōu)良特點：①開發(fā)簡單,調(diào)試容易,可以在線修改程序,改變控制方案；②具有一定的帶負(fù)載能力,可直接驅(qū)動一般的電磁網(wǎng)和小型接觸器；因為軟件功能取代了繼電器控制系統(tǒng)中各類繼電器,因此控制柜的設(shè)計、安裝、接線乃至運行維護(hù)工作量都會大大減少；③故障減少,排除故障簡單,對生產(chǎn)的影響小,使生產(chǎn)效率得以提高；④PLC控制系統(tǒng)通過通信聯(lián)網(wǎng),實現(xiàn)分散控制,集中管理等。

因此,利用先進(jìn)成熟的PLC控制系統(tǒng)技術(shù)改進(jìn)由傳統(tǒng)繼電器控制系統(tǒng)的技術(shù)具有廣泛應(yīng)用的空間。國投金城冶金有限責(zé)任公司吹煉電收塵將刮板機(jī)、溢流螺旋、灰斗防閉塞裝置、陰陽極振打裝置控制系統(tǒng)開展自動化的研究與應(yīng)用實踐。

1 改造背景及需求

1.1 改造背景

國投金城冶金有限責(zé)任公司成立于2013年8月,是國家開發(fā)投資集團(tuán)有限公司全資子公司國投礦業(yè)投資有限公司控股投資企業(yè)。公司采用富氧底吹造锍捕金自熱熔煉技術(shù),主要由熔煉底吹爐、吹煉爐、陽極爐三聯(lián)爐,熔煉收塵、吹煉收塵、環(huán)保收塵、精煉收塵四套收塵系統(tǒng)以及硫酸工段、制氧站、電解車間、陽極泥等車間組成。因工藝需求不同,熔煉及吹煉收塵系統(tǒng)采用電除塵設(shè)備,環(huán)保及精煉收塵采用布袋除塵器。由于熔煉底吹爐處理的礦源雜、處理量大,產(chǎn)生的煙氣量比較多,熔煉電塵采用24小時不間斷進(jìn)行集中排灰打包,而吹煉爐所產(chǎn)生的灰量較少,吹煉電塵不需要24小時連續(xù)排灰。因此對吹煉排灰控制系統(tǒng)進(jìn)行改造。

1.2 電除塵器的優(yōu)勢

電除塵器是以靜電除塵進(jìn)行收捕煙氣中粉塵的裝置,是凈化熔煉爐及吹煉爐冶煉產(chǎn)生煙氣的理想設(shè)備。它的凈化工作主要依靠放電極和沉淀極這兩個系統(tǒng)來完成。在電除塵器各電場中,利用高壓直流電(負(fù)高壓)使氣體電離,產(chǎn)生陰、陽離子。含塵的煙氣通過含有大量電子、正負(fù)離子的電場,使煙塵顆粒荷電,在高壓電場作用下,根據(jù)同性相斥、異性相吸的原理,大量的帶負(fù)電荷的塵粒在收塵電極(陽極板)上沉積,放出電荷,而少量的帶正電荷的塵粒在電暈極(陰極線)上沉積,達(dá)到收塵目的。利用機(jī)械振打,振打錘周期性地敲打兩極裝置時,粘附在其上的粉塵被抖落,落入下部灰斗經(jīng)排灰裝置排出機(jī)外,經(jīng)過倉式泵使用高壓氮氣輸送至白煙塵打包站灰倉,利用自動包裝機(jī)進(jìn)行打包回收儲存。電除塵器具有除塵效率高；阻力損耗??；能處理高溫?zé)煔?；運行費用低等優(yōu)點。

1.3 吹煉電塵排灰原理

國投金城冶金有限責(zé)任公司吹煉電除塵器崗位的排灰系統(tǒng)由1臺熱埋刮板機(jī)、5臺溢流螺旋、10臺灰斗防閉塞裝置、4個陽極振打裝置以及8個陰極振打裝置組成。在運行過程中,主要由4個陽極振打裝置將陽極板上吸附的煙灰震落至灰斗內(nèi),積存灰斗中的煙灰在自身的重力以及防閉塞裝置的作用下進(jìn)一步將煙灰抖落到溢流螺旋設(shè)備內(nèi),螺旋內(nèi)的煙塵在旋片轉(zhuǎn)動的作用下進(jìn)入熱埋刮板機(jī)內(nèi),最終通過刮板機(jī)輸送到倉式泵設(shè)備后,由氮氣作為動能,將煙灰打至白煙塵打包站內(nèi)進(jìn)行集中包裝。

1.4 吹煉電除塵器改造需求

企業(yè)的快速發(fā)展,使得設(shè)備的自動化運行勢在必行。國投金城冶金有限責(zé)任公司吹煉電除塵器的刮板機(jī)、溢流螺旋、防閉塞裝置改造之前的控制及操作是：原控制方式為就地/遠(yuǎn)程一對一啟動方式,運行方式為連續(xù)運行,現(xiàn)場必須安排人員進(jìn)行操作和巡檢。因吹煉電除塵器處理的煙氣量并不是太大,在灰量較小的情況時,如果沒及時停止設(shè)備的運行,會加大電能的消耗,溢流螺旋減速機(jī)與旋片連接處的盤根也會被磨碎變形,油杯中的潤滑油變質(zhì),導(dǎo)致含金物料灑落、現(xiàn)場環(huán)境變差、增加操作人員勞動量、設(shè)備的使用壽命縮短,同時在沒灰的情況下溢流螺旋長時間的運行,絞龍抽空,大量的冷空氣在負(fù)壓的作用下進(jìn)入系統(tǒng)內(nèi),經(jīng)過與煙塵內(nèi)的二氧化硫氣體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生稀酸進(jìn)而腐蝕設(shè)備,同時倉式泵設(shè)備也需24小時不間斷進(jìn)行輸灰,浪費大量的電能。結(jié)合本公司生產(chǎn)實際,吹煉系統(tǒng)的生產(chǎn)情況總結(jié),吹煉電除塵器收集的電塵灰每天產(chǎn)量2包計2 m3左右,平均產(chǎn)量0.08 m3/h,一、二電場的產(chǎn)量約為0.06 m3/h,三、四電場的產(chǎn)量約為0.02 m3/h,其排灰系統(tǒng)溢流螺旋的輸送能力為10 m3/h,刮板機(jī)的輸送能力為15～20 m3/h,在目前生產(chǎn)中1#溢流螺旋為間歇性開啟(每班開啟一次,運行10分鐘),2～5#溢流螺旋及刮板機(jī)、電收塵器的陰陽極振打為常開狀態(tài),灰斗防閉塞裝置運行周期為4分鐘振5秒。

根據(jù)每天的產(chǎn)量來看,目前的排灰方式造成了極大的動能資源浪費,降低了設(shè)備的使用壽命,增加了操作人員的勞動量。為了使動能資源有效利用,達(dá)到設(shè)備使用效率的最大化,降低設(shè)備使用壽命損耗,本著不影響電除塵器的工作效率及降低操作人員勞動強(qiáng)度制定以下整改建議及措施。

2 改造方案要求及引用

在原有抽屜柜控制線路的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造,改為：(1)保留原有的手動就地模式開停,便于單臺設(shè)備的操作與維護(hù)；(2)在原有的基礎(chǔ)上將吹煉電除塵的排灰系統(tǒng)16臺電動機(jī)控制方式改為PLC自動控制、聯(lián)動控制的運行方式。具體改造如下：

改造材料：一臺S7-1200系列PLC控制器,型號為：1215DCDCRLY、7只直流中間繼電器、7只交流中間繼電器、3只微型斷路器、1臺220V/24v開關(guān)電源、控制電纜若干,現(xiàn)場配備一臺操作箱。

改造方案：將吹煉電除塵排灰系統(tǒng)的16臺設(shè)備運行方式的時間進(jìn)行間斷性控制；其中包括1臺埋式刮板機(jī)、5臺溢流螺旋輸送機(jī)、10臺倉壁振動器,現(xiàn)場操作箱配備系統(tǒng)運行指示燈作為顯示,便于巡檢人員查看,紅色指示燈表示停止?fàn)顟B(tài),綠色指示燈表示運行狀態(tài),操作方式分為手動模式和自動模式。手動模式：將現(xiàn)場各設(shè)備通過現(xiàn)場操作箱轉(zhuǎn)換開關(guān)轉(zhuǎn)至就地位置,自由按下各操作箱啟動、停止按鈕進(jìn)行操作；自動模式：將現(xiàn)場轉(zhuǎn)換開關(guān)包括(溢流螺旋、刮板機(jī)、防閉塞裝置)轉(zhuǎn)至遠(yuǎn)程位傳給PLC作為啟動備妥條件,操作人員只需要按下啟動按鈕,運行指示燈亮起,溢流螺旋輸送機(jī)、埋式刮板機(jī)6臺設(shè)備將進(jìn)入運行狀態(tài),首次啟動開機(jī)先運行10分鐘,灰斗防閉塞裝置為每一分鐘從第56秒開啟振動器,并持續(xù)振動5秒,運行10分鐘后停止16臺設(shè)備,休眠間隔30分鐘后,再次自動進(jìn)入運行狀態(tài),運行10分鐘,依次循環(huán),每天共運行360分鐘。

同時將電除塵器的一、二電場陽極振打周期設(shè)置為運行10分鐘停止20分鐘,三、四電場陽極振打周期設(shè)置為運行10分鐘停止30分鐘,避免了在震動清灰過程中的二次揚塵,提高了收塵效率。

改造控制圖,如圖1所示。

改造后的優(yōu)勢：(1)按照圖1所示各元件線路接好后,先用模擬軟件對程序模擬進(jìn)行測試,確認(rèn)無誤后下載至控制箱內(nèi)PLC加載運行。從實際運行情況來看本改造方案成本低廉、簡便可行、效果良好、改造時間短,未對系統(tǒng)生產(chǎn)造成延誤影響；改造后的控制系統(tǒng)可靠性高。陰陽極振打間歇性運行,保障了電塵阻力不影響系統(tǒng),使極板極線得以有效排灰,同時避免了二次揚塵,使收塵效率由98%提高至99.5%。

圖1 吹煉收塵除塵系統(tǒng)

(2)將灰斗倉壁防閉塞裝置與溢流螺旋、刮板機(jī)設(shè)置為連鎖狀態(tài),通過PLC自動控制,設(shè)置為間斷運行,有效地降低了人員操作頻率、勞動強(qiáng)度及溢流螺旋漏風(fēng)率,同時降低了灰斗堵塞的概率,該項技術(shù)投入使用12個月,未出現(xiàn)灰斗堵塞等現(xiàn)象。

(3)設(shè)備的間斷運行滿足電塵灰產(chǎn)量有效排灰的同時,提高了動能的有效利用,同時電能的消耗降低了一大部分。吹煉除塵器改造前與改造后電量對比：

吹煉刮板機(jī)：數(shù)量1臺、電動機(jī)15 kW,運行電流為12 A,運行功率約7 kW。

溢流螺旋輸送機(jī)：數(shù)量5臺、電動機(jī)單臺功率5.5 kW,單臺運行功率約4.5 kW。

防閉塞裝置：數(shù)量10臺、振動器單臺0.25 kW,共計2.5 kW。

陽極振打：數(shù)量4臺,單臺運行功率約0.55 kW,共計2.2 kW。

所有設(shè)備每小時總功率計算如下：7+(5×4.5)+2.5+2.2=34.2 kW·h。

全年按設(shè)備運行330天計算：34.2×24×330=270 864 kW·h。

按市價0.67元/kW：計算270 864×0.67=181 478.88元。

改造后開10分鐘停30分鐘計算共計6 h。

運行功率不變：34.2×6×330=67 716 kW·h。

按市價0.67元計算：67 116×0.67=45 369.72元。

結(jié)論：改造前與改造后全年(按330天)節(jié)約270 864-67 716=203 148 kW·h,節(jié)約電費約203 148×0.67=136 109.16元。

表1 裝機(jī)功率明細(xì)表

(4)此項技術(shù)改造降低了勞動強(qiáng)度,之前需要4名人員完成的工作,現(xiàn)在僅需1人即可完成,減少人員3名,可節(jié)約人力成本20萬元/年。

(5)此項技術(shù)改造縮短了倉式泵設(shè)備的使用時間,將之前24小時不間斷輸灰變?yōu)槊刻靸H需1小時輸灰,延長了設(shè)備的使用壽命,同時在氮氣使用方面也節(jié)約一大筆開支(倉式泵工作的氣源動力為氮氣)。

吹煉電除塵器自動化控制的改造不僅在電耗方面節(jié)約了一大筆開支,同時也延長了設(shè)備的使用壽命。由于設(shè)計合理,設(shè)備運行周期可根據(jù)工藝需求進(jìn)行調(diào)整,優(yōu)化了生產(chǎn)工藝,因此本次吹煉電除塵器排灰系統(tǒng)的改造是可行的,可以在類似企業(yè)進(jìn)行推廣應(yīng)用。

4 結(jié)語

實踐證明,大型銅冶煉電除塵設(shè)備全自動化技術(shù)的研究與應(yīng)用完全可行,利用PLC在化工控制領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用空間,大力推廣對傳統(tǒng)控制方式的設(shè)備設(shè)施進(jìn)行類似技術(shù)的改造,對經(jīng)濟(jì)效益的提升都有較好的作用,國投金城有限責(zé)任公司將會在其他崗位及設(shè)備上繼續(xù)探索。