鋰電池負(fù)極材料生產(chǎn)中VOC廢氣處理的自動(dòng)控制應(yīng)用

王曉飛

（內(nèi)蒙古杉杉科技有限公司，內(nèi)蒙古 包頭 014030）

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，工業(yè)產(chǎn)業(yè)的振興，我國(guó)受到不同程度的環(huán)境污染。經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展中，影響了大氣環(huán)境，使我國(guó)21世紀(jì)以來(lái)出現(xiàn)較為嚴(yán)重的大氣污染情況，如臭氧污染、霧霾嚴(yán)重等。其中VOC氣體不僅會(huì)造成大氣污染，并且還會(huì)威脅人體健康，是環(huán)境污染的一個(gè)重要原因。所以，保護(hù)環(huán)境不受污染首要治理VOC，降低污染廢氣排放、按照環(huán)保局要求合理，保護(hù)我國(guó)的大氣環(huán)境，為社會(huì)發(fā)展和生活質(zhì)量提供基礎(chǔ)保障。本文為鋰電池負(fù)極生產(chǎn)廢氣處理設(shè)備分析，采用西門(mén)子1200系列CPU控制廢氣處理設(shè)備的運(yùn)行。

1 鋰電池負(fù)極石墨材料

1.1 石墨材料的廢氣產(chǎn)生過(guò)程及成分

將石墨原料與瀝青按不同比例混合，進(jìn)入混料機(jī)混合一段時(shí)間后，投料至反應(yīng)釜系統(tǒng)，在高溫作業(yè)下使用螺帶攪拌，反應(yīng)過(guò)程中空氣置換為氮?dú)?，反?yīng)釜屬于密閉空間，在設(shè)定目標(biāo)壓力的條件下，按照工藝設(shè)定溫度曲線，使用電阻絲加熱爐體，反應(yīng)釜反應(yīng)過(guò)程會(huì)產(chǎn)生的大量的廢氣，由離心風(fēng)機(jī)抽出，通入殘夜罐冷凝焦油，其余廢氣由廢氣站離心風(fēng)機(jī)，抽至廢氣站處理，廢氣成分經(jīng)檢測(cè),石墨生產(chǎn)過(guò)程中廢氣參考成分如表1。

表1 廢氣參考成分表

1.2 VOC廢氣的危害

VOC是揮發(fā)性有機(jī)物，包括除金屬碳化物、金屬碳酸鹽、CO2、CO、H2CO3和碳酸銨外，參與大氣進(jìn)行光學(xué)反應(yīng)的碳化合物，包括含氮有機(jī)物、含氯有機(jī)物、含硫有機(jī)物、非甲烷烴類（炔烴、烯烴、烷烴、芳香烴等）、含氧有機(jī)物（醛、醇、酮等）等，是產(chǎn)生細(xì)顆粒物PM2.5和污染破壞臭氧O3的重要前體物。VOC不僅對(duì)大氣造成破壞，還會(huì)影響人體健康。如大氣中VOC超標(biāo)，人體若長(zhǎng)期接觸或吸入，將會(huì)給神經(jīng)系統(tǒng)及造血功能帶來(lái)危害，危害人的肝腎和神經(jīng)，造成嚴(yán)重后果。

2 沸石轉(zhuǎn)輪吸附濃縮+RTO的應(yīng)用

2.1 沸石轉(zhuǎn)輪吸附濃縮+RTO處理工藝

沸石轉(zhuǎn)輪吸附濃縮+RTO處理工藝是目前有機(jī)廢氣處理中處理低濃度、大風(fēng)量的主流技術(shù)。由于低濃度廢氣用RTO廢氣處理工藝直接燃燒需要補(bǔ)充天然氣等大量燃料，運(yùn)行成本很高經(jīng)濟(jì)上不劃算。因此需要把低濃度的廢氣濃縮后，變成高濃度的廢氣再進(jìn)行燃燒。這樣既節(jié)約了能源又減小了設(shè)備的尺寸，如80000風(fēng)量廢氣需要很大的處理設(shè)備，但通過(guò)濃縮后的廢氣風(fēng)量會(huì)變得很小，一般根據(jù)沸石的濃縮比確定濃縮后的風(fēng)量。對(duì)沸石轉(zhuǎn)輪而言，80000風(fēng)量的大風(fēng)量、低濃度廢氣經(jīng)吸附后脫附出來(lái)只需要5000風(fēng)量的RTO設(shè)備即可處理，這樣就大大節(jié)約了成本和運(yùn)行費(fèi)用。

2.2 控制系統(tǒng)硬件配置

本廢氣處理項(xiàng)目使用西門(mén)子1215C可編程PLC處理器，搭配1個(gè)ET200SP從站擴(kuò)展機(jī)架，使用的信號(hào)包括數(shù)字量DO輸出信號(hào)26個(gè)，數(shù)字量DI輸入94個(gè)，模擬量AI輸入信號(hào)24個(gè)，模擬量AO輸出信號(hào)4個(gè)。配置KTP1200觸摸屏來(lái)操作系統(tǒng)，編程使用博圖V16編譯下載（圖1）。

圖1

2.3 沸石轉(zhuǎn)輪吸附濃縮+RTO的工作過(guò)程（圖2）

圖2 運(yùn)行控制流程圖

蓄熱式燃燒爐+沸石轉(zhuǎn)輪，其中沸石轉(zhuǎn)輪一區(qū)為吸附區(qū)域，負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)輪吸附VOC成分；二區(qū)為脫附區(qū)域，為脫附氣體流通空間；脫附溫度要求180～300℃，三區(qū)為冷卻區(qū)域，負(fù)責(zé)通入室外新風(fēng)，降低沸石溫度恢復(fù)分活性，蓄熱式燃燒爐安裝脫附風(fēng)機(jī)，由脫附風(fēng)機(jī)循環(huán)脫附沸石上的VOC，排放至蓄熱式燃燒爐高溫分解處理，分解要求溫度750～900℃，蓄熱式燃燒爐分上下兩層，上層VOC分解氧化區(qū)，下層蓄熱區(qū)，吸收維持爐內(nèi)溫度，降低燃?xì)饽茉聪模翱刂葡到y(tǒng)等。

沸石轉(zhuǎn)輪運(yùn)行流程，廢氣經(jīng)過(guò)濾器后進(jìn)入轉(zhuǎn)輪的吸附區(qū)，沸石吸附VOC氣體，轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)行至脫附區(qū)后，經(jīng)過(guò)180～350℃的脫附氣流脫附，脫附后濃縮VOC廢氣進(jìn)入下一工序處理。轉(zhuǎn)輪沸石分子在冷卻區(qū)中通過(guò)冷氣降溫恢復(fù)活性，循環(huán)工作，其中沸石轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)對(duì)VOC廢氣按照濃縮比例1:10吸附濃縮。

蓄熱式燃燒爐運(yùn)行流程，高濃度VOC廢氣通過(guò)脫附風(fēng)機(jī)進(jìn)入蓄熱式燃燒爐，首先流經(jīng)蓄熱A塔的蓄熱層，蓄熱磚釋放熱量加熱途徑的VOC廢氣，廢氣離開(kāi)蓄熱層進(jìn)入750～900℃的高溫分解室。在分解室中，VOC廢氣高溫中分解完成后排放。

蓄熱式燃燒爐處理流程，廢氣首先流入燃燒爐A塔蓄熱層，升溫后進(jìn)入分解室氧化分解，處理后的廢氣離開(kāi)分解室，進(jìn)入B塔蓄熱層，釋放熱量后降溫排放，而蓄熱B塔蓄熱層吸收熱量后升溫，同時(shí)吹掃蓄熱C塔。完成往復(fù)后，進(jìn)氣提升閥與出氣提升閥門(mén)完成切換，然后，廢氣流入B塔蓄熱層、分解室，由蓄熱C塔排放，吹掃蓄熱A塔。循環(huán)運(yùn)行。由于廢氣先進(jìn)入蓄熱層內(nèi)預(yù)熱升溫，可大幅度節(jié)約燃?xì)饽茉础?/p>

2.4 沸石轉(zhuǎn)輪吸附濃縮+RTO的閥門(mén)組成及作用

如圖，TV108是沸石過(guò)濾器的入口閥門(mén)，此閥門(mén)常開(kāi)；TV109為沸石轉(zhuǎn)輪的旁通閥，此閥門(mén)常閉，調(diào)試時(shí)使用，生產(chǎn)中禁止開(kāi)啟；SV08和SV09是沸石轉(zhuǎn)輪著火后的消防水和氮?dú)忾y門(mén)；TV101為新風(fēng)冷氣去換熱器換熱的閥門(mén)；TV102是脫附旁通比例閥，通過(guò)PID來(lái)控制保持脫附溫度；TV103為換熱器出口比例閥，PID控制保持換熱器出口溫度，為脫附溫度提供熱量來(lái)源；TV105為RTO新風(fēng)入口比例閥，根據(jù)RTO溫度PID控制閥門(mén)開(kāi)度；RTO有中A、B、C三個(gè)蓄熱室，每個(gè)蓄熱室分為上中下三層，共9個(gè)溫區(qū)，底部為提升閥，切換A、B、C三塔中廢氣。

2.5 脫附溫度的自動(dòng)控制

脫附溫度設(shè)定值為180℃，如果溫度低脫附效果下降，VOC會(huì)積留在沸石上面，如果溫度高，降低沸石的吸附效率和使用壽命。脫附溫度低于180℃時(shí)，根據(jù)實(shí)際脫附溫度PID控制，脫附旁通比例閥TV102開(kāi)度降低，脫附新風(fēng)閥TV101開(kāi)度增大。圖3和圖4是控制程序。

圖3 脫附溫度控制圖

圖4 脫附溫度控制程序

2.6 換熱器溫度的自動(dòng)控制

換熱器設(shè)置溫度為400℃，需要PID調(diào)節(jié)換熱器出口比例閥TV103的開(kāi)度來(lái)控制換熱器溫，圖5是控制程序。

圖5 換熱器溫度PID控制程序

2.7 蓄熱室中A、B、C塔中溫差較大的解決方法

項(xiàng)目統(tǒng)計(jì)一般提升閥切換時(shí)間固定在120～200s，但是如果A、B、C塔的溫度相差較大，則需要程序?qū)崿F(xiàn)提升閥切換時(shí)間自動(dòng)調(diào)節(jié)，程序如圖6和圖7。

圖6 RTO運(yùn)行流程圖

圖7 陶瓷溫度調(diào)節(jié)控制程序

3 廢氣中可燃?xì)怏w暴增應(yīng)對(duì)方法

3.1 可燃?xì)怏w暴增后的安全措施

生產(chǎn)中因成分比例的調(diào)節(jié)，可燃?xì)怏w增加到一定條件會(huì)發(fā)生燃爆，實(shí)際監(jiān)測(cè)尾氣中H2和甲烷烴類監(jiān)測(cè)中超過(guò)11%，RTO中廢氣可自燃，超過(guò)一周未通天然氣，溫度穩(wěn)定在700～800℃。

沸石轉(zhuǎn)輪和RTO增加2000Pa的卸爆片，消防水和氮?dú)庾詣?dòng)閥門(mén)，如果沸石轉(zhuǎn)輪溫度高自動(dòng)噴消防水和填充氮?dú)狻?/p>

增加在線可燃其他監(jiān)測(cè)，在尾氣入口前增加氮?dú)夤艿垒斎胱詣?dòng)比例閥門(mén)，如果超過(guò)可燃其他比例超過(guò)安全值，自動(dòng)打開(kāi)氮?dú)忾y門(mén)補(bǔ)充氮?dú)?，降低可燃?xì)怏w濃度，氮?dú)忾y門(mén)開(kāi)度大小，由實(shí)際可燃其他測(cè)量值和安全設(shè)定值PID控制。

3.2 可燃?xì)怏w暴增后蓄熱室溫度異常解決方法

可燃?xì)怏w暴增后脫附溫度不能低于下限，如果溫度低于下限，脫附效率降低，沸石轉(zhuǎn)輪積留大量VOC，溫度突然升高后容易著火。

蓄熱室因可燃?xì)怏w濃度高，溫度位于設(shè)定范圍內(nèi)，天然氣不需要輸入，此時(shí)若蓄熱下層溫度達(dá)到450℃以上，廢氣會(huì)在下層直接燃燒，短時(shí)間內(nèi)下層溫度超過(guò)上層溫度，下層為預(yù)熱溫度如果溫度太高，會(huì)燒壞提升閥及反吹閥門(mén)。解決方法：監(jiān)控下層溫度，達(dá)到300℃時(shí)打開(kāi)RTO新風(fēng)閥補(bǔ)充新風(fēng)降低RTO溫度。

蓄熱室上層溫度如果超過(guò)850℃，換熱器溫度會(huì)升高，為避免換熱器燒壞，需要關(guān)閉換熱器出口閥門(mén)，并打開(kāi)RTO新風(fēng)閥對(duì)RTO進(jìn)行降溫。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，VOC治理是環(huán)境治理中的重點(diǎn)工作，但是VOC治理還存在很多問(wèn)題，尤其是設(shè)備的穩(wěn)定性，不同行業(yè)產(chǎn)生出不同成分的廢氣，處理需要采用不同的工藝和設(shè)備，可燃?xì)怏w含量偏高時(shí)，應(yīng)優(yōu)先考慮安全的問(wèn)題，并增加在線監(jiān)測(cè)設(shè)備，實(shí)時(shí)分析上報(bào)廢氣排放成分及濃度，加強(qiáng)廢氣治理宣傳力度，完善廢氣管控措施。保護(hù)環(huán)境已列為世界各國(guó)政府和人類的共同行動(dòng)目標(biāo)和主要任務(wù)之一，中國(guó)已把保護(hù)環(huán)境列為中國(guó)的一項(xiàng)基本國(guó)策，如果環(huán)境污染問(wèn)題得到解決，我國(guó)的環(huán)境質(zhì)量將有進(jìn)一步的提升，我國(guó)環(huán)境管理也會(huì)達(dá)到更高的標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)促使我國(guó)環(huán)境管理工作進(jìn)一步提升，對(duì)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展、建設(shè)小康社會(huì)、最終實(shí)現(xiàn)人類社會(huì)的全面和諧有著重大理論和實(shí)踐意義。