硫銨滾筒干燥器自動測控系統(tǒng)的應(yīng)用研究

張偉平

(山西省自動化研究所，山西 太原 030012)

當(dāng)前，冶金行業(yè)和焦化行業(yè)基于環(huán)保的高標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的整體指導(dǎo)思想，多數(shù)鋼廠和電廠均通過脫硫及焦化廠回收焦?fàn)t煤氣中的氨來制取副產(chǎn)品硫酸銨，既減少了環(huán)境污染，又變廢為寶，增加收益。由于硫銨顆粒細(xì)，含水4%以上，而且具有結(jié)晶特性，需要經(jīng)過干燥工藝方可使用，用傳統(tǒng)的振動流化床干燥系統(tǒng)能耗很高，對物料干燥的均勻性較差，經(jīng)過綜合實(shí)踐嘗試和比較，采用滾筒干燥器，運(yùn)用順流干燥工藝，并將智能測控系統(tǒng)應(yīng)用于生產(chǎn)，取得很好的干燥效果。滾筒干燥器就是一種熱傳導(dǎo)型連續(xù)干燥除濕設(shè)備，待干燥物料在內(nèi)部隨著滾筒轉(zhuǎn)動，與熱空氣充分接觸、受熱，經(jīng)干燥脫水后達(dá)到所要求的濕含量，滾筒干燥器具有熱效率高、干燥速率大、產(chǎn)品干燥質(zhì)量穩(wěn)定的特點(diǎn)［1］，通過融合應(yīng)用自動測控技術(shù)，進(jìn)一步擴(kuò)大了滾筒干燥器的使用范圍，可以廣泛用于水泥、礦山、建材、化工工業(yè)，煤粉、石灰石、糧食、黏土等物料的干燥需求。

1 設(shè)備工藝流程簡述

硫銨干燥系統(tǒng)的整體工藝流程圖如圖1 所示，干燥器圓筒是一個與水平線略成傾斜的旋轉(zhuǎn)圓筒，從離心機(jī)送來的硫銨晶體顆粒，經(jīng)過螺旋輸送機(jī)，將物料從較高一端加入，空氣加熱器將加熱后的熱空氣通過鼓風(fēng)機(jī)吹入滾筒干燥器，與物料一起流入筒體內(nèi)，隨著圓筒的轉(zhuǎn)動，物料受重力作用，從圓筒較底的一端流出。濕物料在筒體內(nèi)向前移動過程中，直接或間接得到了載熱體(熱空氣)的給熱，使?jié)裎锪辖?jīng)過受熱、脫水后得以干燥，然后在出料端經(jīng)收料管流至成品硫銨貯料斗。在筒體內(nèi)壁上裝有抄板，它的作用是把物料抄起來又撒下，使物料與氣流的接觸表面增大，以提高干燥速率并促進(jìn)物料前進(jìn)［2］。載熱體經(jīng)過滾筒以后，通過靜壓環(huán)旋風(fēng)集塵器將氣體內(nèi)所帶物料捕集下來，經(jīng)下料口排出至硫銨貯料斗，為進(jìn)一步減少尾氣含塵量，將夾帶硫銨顆粒的風(fēng)引入水溶霧沫除塵器，利用硫銨易溶于水的特點(diǎn)，風(fēng)與水充分接觸，吸收風(fēng)中所夾帶的硫銨顆粒，凈化后的尾氣從排風(fēng)口排入大氣。

圖1 硫銨干燥系統(tǒng)工藝流程圖

2 自動測控系統(tǒng)

2.1 測控對象及控制要求

硫銨晶體顆粒較細(xì)，而且具有結(jié)晶特性，為保證物料成品質(zhì)量干燥率和干燥的均勻性，必須對其經(jīng)過干燥后對含水量的精度進(jìn)行有效的控制;對影響含水量控制的主要因素?zé)犸L(fēng)風(fēng)量和溫度進(jìn)行穩(wěn)定的調(diào)節(jié)，以減少干燥過程中的波動對最終產(chǎn)品的質(zhì)量造成影響。各主要環(huán)節(jié)的總體控制要求包括以下幾個方面:

1)為控制硫銨出口含水量，要求干燥器入口熱風(fēng)溫度≤120 ℃，出口溫度控制在35 ℃≤T≤45 ℃，有效防止硫銨顆粒發(fā)生板結(jié)。

2)物料為含水量≤5%的濕硫銨晶體，成品硫銨晶體的含水量要求最低0.03%，最高不到0.2%，達(dá)到國家優(yōu)等品的標(biāo)準(zhǔn)。

3)系統(tǒng)調(diào)節(jié)以滾筒干燥機(jī)硫銨出口處微負(fù)壓為合適。

4)采用物料與熱風(fēng)順流接觸干燥方式，蒸發(fā)強(qiáng)度高，當(dāng)滾筒干燥器的溫度降至40 ℃以下時方可停車。

5)以出風(fēng)量調(diào)節(jié)水溶霧沫除塵器的液位高度、以出風(fēng)口不帶水為宜。

主要的測控對象包括:鼓風(fēng)風(fēng)量控制、滾筒干燥器入口和出口溫度控制、硫銨晶體顆粒含水量控制、干燥器出口微負(fù)壓控制、水溶霧沫除塵器的液位控制。

2.2 控制系統(tǒng)方案配置

滾筒干燥器各個模擬量的調(diào)節(jié)也是比較復(fù)雜的控制過程，需要多個設(shè)備的協(xié)調(diào)配合，采用智能控制模式才能保證生產(chǎn)工藝條件的穩(wěn)定。依據(jù)本干燥器的整體工藝特點(diǎn)，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用西門子S7-300 系列PLC 為系統(tǒng)控制的核心，采集溫度、壓力、含水量、流量、液位等模擬信號，根據(jù)控制要求，經(jīng)過控制軟件智能調(diào)節(jié)器的運(yùn)算及數(shù)據(jù)處理，給出模擬信號來調(diào)節(jié)閥門開度、變頻器轉(zhuǎn)速等控制量，實(shí)現(xiàn)完整的多閉環(huán)控制系統(tǒng)來滿足工藝條件的智能調(diào)節(jié)，構(gòu)成變頻控制、儀表控制、PLC 控制的智能測控系統(tǒng)［3］。該系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)采集、閉環(huán)控制、連鎖控制、報警等功能，人機(jī)界面采用西門子觸摸屏進(jìn)行畫面的組態(tài)和顯示，完成對生產(chǎn)過程的顯示、控制、操作和管理。

為了滿足控制要求，需要設(shè)置的模擬量采集點(diǎn)包括:鼓風(fēng)風(fēng)量、中壓蒸汽的壓力和溫度、滾筒干燥器入口溫度和出口溫度、硫銨晶體顆粒含水量、干燥器出口壓力、引風(fēng)機(jī)出口尾氣風(fēng)量、水溶霧沫除塵器的液位。需要調(diào)節(jié)的模擬控制量有蒸汽量的閥門開度、鼓風(fēng)機(jī)的變頻調(diào)速、抽風(fēng)機(jī)的變頻調(diào)速?？刂葡到y(tǒng)方案框圖如圖2 所示。

圖2 控制系統(tǒng)方案框圖

1)PLC 核心控制單元:采用西門子S7-300CPU，配置模擬量輸入和輸出模塊，開關(guān)量輸入和輸出模塊，采集溫度、壓力、含水量、風(fēng)量、液位等模擬量信號，完成生產(chǎn)過程所有自控設(shè)備的控制和調(diào)節(jié)，依據(jù)生產(chǎn)工藝條件要求，通過控制軟件的綜合計(jì)算，給出變頻器轉(zhuǎn)速、閥門開度調(diào)節(jié)信號，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)工藝環(huán)境的穩(wěn)定，從而保證生產(chǎn)出高質(zhì)量的產(chǎn)品。

2)觸摸屏:作為人機(jī)對話設(shè)備，采用MPI 通訊方式與PLC 相連，組態(tài)所需要的操作畫面、監(jiān)視畫面、控制畫面、報警畫面、趨勢曲線等，并進(jìn)行數(shù)據(jù)管理，完成相關(guān)控制參數(shù)的設(shè)置與顯示。

3)變頻調(diào)速控制部分:接收PLC 控制單元發(fā)出的4～20 mA 調(diào)節(jié)信號，完成變頻器對鼓風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)對鼓風(fēng)風(fēng)量和出口尾氣壓力的控制。

4)低壓配電部分:對離心機(jī)、螺旋輸送機(jī)、滾筒干燥器輸送機(jī)等相關(guān)設(shè)備進(jìn)行配電，并接收PLC 控制單元的開關(guān)量控制信號，完成工藝設(shè)備的連鎖起?？刂撇僮鳌?/p>

5)模擬量信號采集部分:溫度變送器、壓力變送器、流量變送器、水分儀變送器、液位變送器將采集到的溫度、壓力、風(fēng)量、物料含水量等模擬量信號，通過4～20 mA 傳輸給PLC，供PLC 控制軟件分析計(jì)算使用。

2.3 重點(diǎn)環(huán)節(jié)測控原理及過程

2.3.1 硫銨含水量控制調(diào)節(jié)

硫銨晶體顆粒的含水量是整個控制過程的關(guān)鍵點(diǎn)及難點(diǎn)，是一個復(fù)雜的控制過程，具有時變性和非線性，主要依靠流入滾筒干燥器熱風(fēng)風(fēng)量和熱風(fēng)溫度兩個因素來進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，溫度的控制通過調(diào)節(jié)蒸汽管道上的電動調(diào)節(jié)閥的閥門開度，改變蒸汽的流量，進(jìn)而達(dá)到控制熱風(fēng)溫度的目的，熱風(fēng)風(fēng)量的控制通過調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)。依據(jù)生產(chǎn)工藝要求，需要二者進(jìn)行最佳參數(shù)配比，方能使硫銨晶體達(dá)到高質(zhì)量的干燥效果。風(fēng)量太大，空氣的流速增加，通過空氣加熱器時不能與蒸汽充分熱量交換，達(dá)不到溫度控制要求;風(fēng)量太小，滾筒干燥器為了保證物料含水量達(dá)到控制要求，勢必需要增加熱風(fēng)的溫度，而溫度太高，這又是不允許的?；诳刂埔?，對于含水量的控制，本設(shè)計(jì)參考比值閉環(huán)控制系統(tǒng)模式［4］，在軟件上加入了配比參數(shù)智能調(diào)節(jié)方式，調(diào)節(jié)器原理如圖3 所示?？紤]到外來中壓蒸汽的壓力和溫度的波動變化，將直接影響到空氣加熱器送出的熱風(fēng)溫度，進(jìn)而影響到滾筒干燥器中溫度的平穩(wěn)性，為了提高控制質(zhì)量，加入前饋調(diào)節(jié)器，首先測量蒸汽的壓力和溫度的波動情況，然后前饋調(diào)節(jié)器依據(jù)一定的調(diào)節(jié)規(guī)律改變調(diào)節(jié)閥，保證了空氣加熱器出口熱風(fēng)溫度的穩(wěn)定性，由于溫度的慣性和純滯性，通過前饋控制器對擾動進(jìn)行補(bǔ)償，就可以使被控量(含水量)不會因?yàn)閿_動作用產(chǎn)生明顯的偏差。含水量控制調(diào)節(jié)原理圖如圖3 所示。

圖3 含水量控制調(diào)節(jié)原理圖

2.3.2 干燥器出口微負(fù)壓控制調(diào)節(jié)

干燥器出口采用微負(fù)壓可以避免夾帶硫銨顆粒的尾氣熱風(fēng)擴(kuò)散到大氣中，造成環(huán)境污染?；谖锪虾績?yōu)先調(diào)節(jié)控制的原則，系統(tǒng)熱風(fēng)風(fēng)量必然會隨著生產(chǎn)波動，進(jìn)而反應(yīng)到干燥器出口壓力的變化，為了保證干燥器出口微負(fù)壓的穩(wěn)定，就需要通過閉環(huán)控制方式，由PLC 采集出口壓力信號，通過控制軟件的自動調(diào)節(jié)運(yùn)算，給出引風(fēng)機(jī)調(diào)速信號，從而將出口壓力控制在所需要的負(fù)壓值上?？刂剖疽馊鐖D4。

圖4 干燥器出口壓力控制示意圖

2.3.3 水溶霧沫除塵器控制過程

為保證尾氣中夾帶的硫銨顆粒被水充分吸收，需要以出風(fēng)量依據(jù)一定的調(diào)節(jié)規(guī)律控制霧沫除塵器中硫銨母液液位的高度和擋風(fēng)板的開度，以使出風(fēng)口尾氣不帶水為宜。當(dāng)風(fēng)量加大時，液位降低、擋風(fēng)控制板提高;風(fēng)量減小時，液位提高、擋風(fēng)控制板降低。

3 滾筒干燥器的功能特點(diǎn)

1)熱效率高，熱風(fēng)的熱量除少數(shù)熱輻射和筒體散熱損失外，大部分的熱量用于了物料濕分汽化。

2)干燥速率大，采用順流接觸干燥方式，方向一致，溫度梯度較大，可使料膜表面保持較高的蒸發(fā)強(qiáng)度。

3)用于硫銨干燥時，物料出口溫度低于45℃，不用冷風(fēng)進(jìn)行冷卻，且硫銨不易發(fā)生板結(jié)。

4)采用PLC 作為智能測控系統(tǒng)的核心，可以充分發(fā)揮控制軟件的算法優(yōu)勢，從而達(dá)到工藝條件預(yù)期的控制調(diào)節(jié)目標(biāo)。

5)載熱體介質(zhì)簡單，常用飽和水蒸汽，壓力范圍0.2 MPa～0.6 MPa。

6)操作簡單，易于控制，運(yùn)行穩(wěn)定，干燥效果好，密封性能優(yōu)良，節(jié)能效果顯著。

7)應(yīng)用范圍廣，可根據(jù)干燥物料性質(zhì)不同調(diào)整運(yùn)行參數(shù)，充分質(zhì)熱交換，達(dá)到良好的脫水效果。

4 結(jié)束語

目前在干燥技術(shù)領(lǐng)域，大多數(shù)操作仍然是通過試驗(yàn)取得相關(guān)數(shù)據(jù)來指導(dǎo)生產(chǎn)，將智能化測控技術(shù)應(yīng)用其中的能力還十分有限。隨著對干燥操作技術(shù)有更高的要求，不僅要保證產(chǎn)品質(zhì)量，而且要環(huán)保節(jié)能。通過本自動測控系統(tǒng)在滾筒干燥器上的應(yīng)用研究，將對干燥操作技術(shù)的發(fā)展形成有益的促進(jìn)，具有良好的社會和經(jīng)濟(jì)效益。

［1］金國淼.干燥設(shè)備［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

［2］劉廣文.干燥設(shè)備設(shè)計(jì)手冊［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

［3］張歆，張小薊.測控技術(shù)［M］.西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2013.

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