氧化鋁懸浮焙燒爐煙氣脫硝配液噴液系統(tǒng)及其過(guò)程控制

魯 鵬 劉成龍 高 峰

（沈陽(yáng)鑫博工業(yè)技術(shù)股份有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110000）

在氧化鋁制備工業(yè)，氫氧化鋁在焙燒過(guò)程中所需的熱源由燃料燃燒提供，燃料燃燒時(shí)，燃料中的N2和空氣中的N2在高溫下氧化產(chǎn)生NOx，NOx 主要是指NO、NO2及N2O3等氮氧化物。NOx 的危害性不僅在于它是酸性氣體，而且NO會(huì)顯著破壞臭氧層，NO 和NO2同時(shí)也是溫室氣體，NO 和烴在陽(yáng)光作用下反應(yīng)造成光化學(xué)污染，對(duì)人體有毒害作用。

目前的焙燒爐產(chǎn)生的煙氣中NOx 含量300～400mg/Nm3，隨著國(guó)家對(duì)環(huán)境治理的迫切要求，其中鋁行業(yè)特別排放限值參照《鋁工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)及修改單》(GB25465-2010)，粉塵排放小于5mg/Nm3、氮氧化物排放小于50mg/Nm3，因此有必要開(kāi)發(fā)一種脫硝裝置，在不影響氧化鋁質(zhì)量的前提下，對(duì)NOx 進(jìn)行有效的治理，本文闡述的是氧化鋁懸浮焙燒爐脫硝系統(tǒng)中的配液噴液系統(tǒng)及其過(guò)程控制。

1 配液噴液系統(tǒng)工藝設(shè)備構(gòu)成

配液噴液系統(tǒng)由如下16 部分組成：

1—溶解槽A、2—溶解槽B、3—溶解槽A 液位計(jì)、4—溶解槽B 液位計(jì)、5—溶解槽A 攪拌電機(jī)、6—溶解槽B 攪拌電機(jī)、7—溶解槽A 進(jìn)水調(diào)節(jié)閥門(mén)、8—溶解槽B 進(jìn)水調(diào)節(jié)閥門(mén)、9—總進(jìn)水流量計(jì)、10—尿素加料控制閥門(mén)、11—溶解槽A 出水閥門(mén)、12—溶解槽B 出水閥門(mén)、13—計(jì)量泵A、14—計(jì)量泵B、15—計(jì)量泵出口溶液流量計(jì)、16—尿素倉(cāng)

其中，為滿(mǎn)足工業(yè)生產(chǎn)需要，溶解槽A、B，計(jì)量泵A、B 為一備一用配置。

2 配液噴液系統(tǒng)過(guò)程控制

2.1 控制系統(tǒng)硬件組成

本控制系統(tǒng)采用和利時(shí)K 系列DCS 控制系統(tǒng),其中主要包括CPU 冗余模塊、IO-BUS 模塊、AI 模塊、AO 模塊、DI 模塊、DO 模塊等。

其中CPU 采用K-CU01，K-CU01 是K 系列硬件的控制器模塊，是系統(tǒng)的核心控制部件，主要工作是收集I/O 模塊上報(bào)的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，根據(jù)組態(tài)的控制方案完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制，同時(shí)負(fù)責(zé)提供數(shù)據(jù)到上層操作員站顯示?？刂破骰竟δ軌K主要包括：系統(tǒng)網(wǎng)通訊模塊、核心處理器、協(xié)處理器（IO-BUS 主站MCU）、現(xiàn)場(chǎng)通訊數(shù)據(jù)鏈路層、現(xiàn)場(chǎng)通訊物理層以及外圍一些輔助功能模塊。本控制系統(tǒng)K-CU01控制器模塊采用兩路冗余IO-BUS 和從站I/O 模塊進(jìn)行通訊。

其中IO-BUS 模塊采用冗余K-BUS02，K-BUS02 模塊是K 系列8 通道星形IO-BUS 模塊，同時(shí)作為IO-BUS 從站，將直流電源狀態(tài)、IO-BUS 鏈路故障、機(jī)柜溫度等信息上報(bào)給控制器。

其中AI 模塊采用K-AI01,AI01 為K 系列8 通道模擬量通道隔離輸入模塊，測(cè)量范圍0～22.7mA 模擬信號(hào)（默認(rèn)出廠(chǎng)量程4～20mA），可以接二線(xiàn)制儀表或四線(xiàn)制儀表。

其中AO 模塊采用K-AO01，K-AO01 為K 系列硬件8通道模擬量通道隔離輸出模塊，最大輸出范圍0～22.7mA模擬信號(hào)（默認(rèn)出廠(chǎng)量程4～20mA）。

其中DI 模塊采用K-DI01,K-DI01 為K 系列硬件16 通道24VDC 數(shù)字量輸入模塊，既可以接有源觸點(diǎn)，也可以接無(wú)源觸點(diǎn)。

其中DO 模塊采用K-DO01,K-K-DO01 為K 系列硬件16 通道24VDC 數(shù)字量輸出模塊，支持多種輸出類(lèi)型：常開(kāi)或常閉，干觸點(diǎn)或濕觸點(diǎn)。模塊不直接驅(qū)動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與繼電器端子板配套使用。

上述模塊支持帶點(diǎn)熱插拔、支持冗余配置，具備完善斷線(xiàn)、短路、超量程診斷功能，面板設(shè)計(jì)有豐富的LED 指示燈，除指示模塊電源、故障、通訊信息外，每個(gè)通道也有指示燈，可以方便指示各通道的斷線(xiàn)、短路、超量程等信息。

本氧化鋁懸浮焙燒煙氣脫硝項(xiàng)目使用兩塊冗余K-CU01、兩塊冗余K-BUS02 模塊、2 塊K-AI01 模塊、1 塊K-AO01 模塊、3 塊K-DI01 模塊、2 塊K-DO01 模塊，用以采集現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備及儀表信號(hào)使用。

主要檢測(cè)儀表有：差壓液位計(jì)、電磁流量計(jì)、壓力變送器、NOx 分析儀、PT100 熱電阻、氨氣分析儀等。

2.2 控制系統(tǒng)過(guò)程控制

根據(jù)生產(chǎn)狀況和業(yè)主的需求，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系劃分為兩層，第一層為過(guò)程監(jiān)控層，第二層為過(guò)程控制層。

過(guò)程監(jiān)控層由上位機(jī)組態(tài)監(jiān)控、故障診斷、運(yùn)行管理組成。首先由DCS 完成系統(tǒng)所需數(shù)據(jù)的采集，通過(guò)通訊方式傳給上位機(jī)組態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，操作員根據(jù)組態(tài)畫(huà)面顯示進(jìn)行生產(chǎn)操作；故障診斷是對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中將要發(fā)生的事故和故障進(jìn)行預(yù)報(bào)，給操作員提供報(bào)警信息，使得生產(chǎn)能夠順利進(jìn)行；運(yùn)行管理包括設(shè)備管理、生產(chǎn)安全管理、報(bào)表生成與打印等功能，輔助生產(chǎn)管理者對(duì)生產(chǎn)情況進(jìn)行有效的分析，促進(jìn)更好的調(diào)整生產(chǎn)狀態(tài)。

過(guò)程控制層包括設(shè)備控制回路程序和邏輯聯(lián)鎖程序組成。其中設(shè)備控制回路分為兩大塊，一為尿素溶液配制，二為噴液系統(tǒng)自動(dòng)控制。

2.2.1 尿素溶液配制

尿素溶液配制程序主要涉及到溶解槽攪拌電機(jī)、溶解槽液位、溶解槽進(jìn)水閥門(mén)、溶解槽進(jìn)水流量計(jì)、尿素下料量等組成。本脫硝項(xiàng)目使用的是尿素溶液，需將溶液配制成濃度為15%-20%的尿素溶液，此濃度為質(zhì)量比。

本項(xiàng)目尿素使用噸包袋包裝，一袋重量為1t，故加入尿素質(zhì)量可以根據(jù)加入袋數(shù)得到。例如此次配液計(jì)劃加入2 袋尿素，則尿素質(zhì)量為2t，如果需要配置的尿素溶液濃度為20%，則需要加入8t 的工業(yè)軟水，此加入尿素和水的量公式已經(jīng)在DCS 程序里編寫(xiě)，操作員只需在上位機(jī)組態(tài)畫(huà)面輸入加入的尿素袋數(shù)控制程序會(huì)根據(jù)加入尿素量自動(dòng)計(jì)數(shù)出加入工業(yè)軟水的量，工業(yè)軟水加入量是由兩種方法計(jì)數(shù)得知：一為根據(jù)進(jìn)水流量計(jì)進(jìn)行流量累計(jì)得知；二為根據(jù)溶解槽的尺寸可以得知溶解槽底面積，溶解槽底面積x溶解槽液位（進(jìn)水高度）可以得到進(jìn)水體積，根據(jù)軟水的密度近似換算出進(jìn)水質(zhì)量。

以A 側(cè)溶解槽配液為例，具體控制程序如下：操作員關(guān)閉溶解槽出水閥門(mén)，在上位機(jī)組態(tài)畫(huà)面輸入配液使用尿素袋數(shù)，點(diǎn)擊組態(tài)畫(huà)面上的配液按鈕，則DCS 的配液程序開(kāi)始工作，首先DCS 發(fā)出指令打開(kāi)溶解槽進(jìn)水閥門(mén)V401,進(jìn)水流量計(jì)FT402 開(kāi)始進(jìn)行進(jìn)水流量累計(jì)，溶解槽液位計(jì)也同時(shí)進(jìn)行差值運(yùn)算，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)溶解槽側(cè)壁安裝的PT100鉑熱電阻的測(cè)量的軟水溫度值和當(dāng)?shù)卮髿鈮褐颠M(jìn)行工業(yè)軟水溫度和壓力補(bǔ)償計(jì)算，得出當(dāng)時(shí)的工業(yè)軟水密度，計(jì)算出所需水的體積，當(dāng)進(jìn)水流量計(jì)FT402 進(jìn)水流量累計(jì)值或者溶解槽液位差值x 溶解槽底面積得到的進(jìn)水量達(dá)到所需體積的99%時(shí)，DCS 關(guān)閉進(jìn)水閥門(mén)V401，根據(jù)生產(chǎn)觀測(cè)，當(dāng)V401 完全關(guān)閉時(shí)正好達(dá)到所需進(jìn)水量。

2.2.2 噴液系統(tǒng)自動(dòng)控制

噴液系統(tǒng)主要涉及到計(jì)量泵A、計(jì)量泵B、泵出口溶液流量計(jì)、安裝在煙氣檢測(cè)點(diǎn)的NOx 分析儀和氨氣分析儀。

噴液系統(tǒng)控制方式采用模糊控制PID 調(diào)節(jié)?；灸：齈ID 控制，即利用模糊邏輯并根據(jù)一定的模糊規(guī)則對(duì)PID 的參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的優(yōu)化，以克服傳統(tǒng)PID 參數(shù)無(wú)法實(shí)時(shí)調(diào)整PID 參數(shù)的缺點(diǎn)[1]。模糊PID 控制包括模糊化、確定模糊規(guī)則、解模糊等組成部分。本控制系統(tǒng)根據(jù)裝在煙氣檢測(cè)點(diǎn)的NOx 分析儀和氨氣分析儀反饋到DCS 的數(shù)據(jù)，根據(jù)給定的模糊規(guī)則進(jìn)行模糊推理，最后對(duì)模糊參數(shù)進(jìn)行解模糊，輸出PID 控制參數(shù)，通過(guò)調(diào)節(jié)計(jì)量泵變頻器的輸出大小控制出口流量，以達(dá)到控制NOx 及氨氣排放要求，模糊PID控制系統(tǒng)組成如圖1 所示。

圖1

2.2.3 邏輯聯(lián)鎖程序

首先以單個(gè)設(shè)備為主體，從啟動(dòng)、安全、操作和停車(chē)等方面考慮設(shè)備的聯(lián)鎖要求并建立相應(yīng)的聯(lián)鎖關(guān)系，建立聯(lián)鎖模型，邏輯聯(lián)鎖程序包括單體設(shè)備安全聯(lián)鎖、溶解槽液位低限聯(lián)鎖、溶解槽液位高限聯(lián)鎖、尿素倉(cāng)進(jìn)料選擇聯(lián)鎖、溶解槽AB 配液選擇聯(lián)鎖、計(jì)量泵AB 使用選擇聯(lián)鎖等。邏輯聯(lián)鎖程序可以保證操作人員及生產(chǎn)設(shè)備的安全[2]。

3 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)氧化鋁懸浮焙燒爐煙氣脫硝系統(tǒng)中的配液噴液系統(tǒng)特點(diǎn)和控制要求，提出了過(guò)程監(jiān)控與過(guò)程控制的系統(tǒng)架構(gòu)，并進(jìn)行了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)。

自2017 年以來(lái)公司已先后完成近40 臺(tái)氧化鋁懸浮焙燒爐煙氣脫硝改造，取得了良好的減排效果。本過(guò)程控制系統(tǒng)的自動(dòng)運(yùn)行也提高了氧化鋁懸浮焙燒爐的生產(chǎn)效率，安全邏輯聯(lián)鎖功能給操作人員和生產(chǎn)設(shè)備提供了安裝保障。