活性炭輸送凈化微型系統設計

朱凌宏， 李軍慶， 葉宏偉

（麗水職業技術學院機電工程學院，浙江 麗水 323000）

0 引言

活性炭是一種黑色多孔的固體炭質，主要成分為碳，比表面積在550～1800 m2/g之間，具有較強的化學吸附與物理吸附特性，利用此特性可將有機物進行雙重吸附，達到空氣/水質凈化、煙氣脫硫的目的[1-3]。現有市場上的活性炭輸送凈化系統普遍存在體積大、重量重、成本高的特點，一般的地方性中小型企業根本無法承受[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，開發具有體積小、重量輕、經濟實用、凈化效率高等特點的活性炭輸送凈化微型系統是當前經濟減排的迫切要求，是地方中小型企業轉型升級的必然要求，也是我國空氣保護、水質凈化的根據要求。

活性炭凈化技術已經非常成熟，國內外實際應用也較為廣泛，早期NORIT公司所開發的活性炭圓盤式加藥機，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，其特點是一機多控、連續作業，但存在輸送精度不高（采用變頻器控制）、價格較為昂貴（一般為80～180萬元人民幣）的不足[6-7]。國內浙江大學陸勝勇等率先嘗試設計葉片式活性炭給料輸送系統，該系統采用中心葉片旋轉方式驅動活性炭輸送，由于葉片與外圍管道間存在間隙，密封性不好，搭橋現象嚴重且易受焚燒爐煙道負壓影響，造成活性炭給料不均勻，影響凈化效果。謝高岳等開發的螺旋式活性炭給料輸送系統，采用鼓風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，且活性炭空庫現象嚴重。本文采用羅茨風機+送料機構組合方式，基于PLC模塊、稱重傳感器以及脈沖電動機完成活性炭的下料、輸送、稱重、信號反饋、精密控制等各項功能，徹底解決了搭橋與空庫問題，實現了活性炭的連續均勻性精確輸送控制，且體積小、重量輕、成本低。

1 試驗臺架結構及功能

根據活性炭輸送系統的實際需求，應用UG軟件建立試驗臺架的三維實體模型，實現活性炭儲料倉以及附屬件的安裝支承功能。

圖1 試驗臺架三維實體模型

圖1為試驗臺架的三維實體模型，圖2為各部件間的連接關系，試驗臺架主要部件包括支撐架、羅茨風機、活性炭儲料倉、指示信號燈、稱重傳感器、人機交互式界面、活性炭輸送管道以及伺服脈沖電動機。圖3為凈化系統工作原理示意圖，具體過程如下：電動機旋轉帶動送料機構，活性炭一方面經送料機構攪拌在文丘里負壓的作用下快速進入輸送管道，另一方面羅茨風機通過正壓驅動料倉中的活性炭快速進入活性炭輸送管道并與煙氣、廢氣進行充分混和、吸附、凈化，再隨羅茨風機的正負壓快速排出，具體凈化過程參照圖4。

圖2 各部件連接關系

圖3 凈化系統工作原理示意圖

圖4 凈化過程

所設計活性炭輸送凈化微型系統的主要性能參數如下：輸送精度為0.5～50 kg/h，羅茨風機流量為3.7 m3/min，靜風壓為19.6 kPa，傳感器分辨率為1/5000。

2 自動化控制系統設計

2.1 控制原理

活性炭輸送凈化控制系統主要由PLC模塊、稱重傳感器、伺服脈沖電動機三部份構成，活性炭通過送料機構進入輸送管道，稱重傳感器第一反應檢測單位時間內一個掃描周期過程中整套裝置前后的重量差，進行均值計算后將信號反饋給PLC模塊，經PLC邏輯運算后再將信號反饋給伺服電動機，從而達到調節送料機構工作轉速的目的，實現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 人機交互式界面設計

以某型號PLC一體式模塊為平臺，搭建故障報警、設備狀態、內部調試、設備主控等四大人機交互式工作界面。故障報警主要提示在缺料時與超出物料設置值時報警，設備狀態主要顯示各電動機的工作狀態與參數，可實現實時在線單控與關停，內部調試主要設置系統初始化、計時時長、重量、下料流量，設備主控界面主要顯示時間、日期、罐料總重量、設置流速、系統啟動/停止等信息。四大工作界面配合使用（也可根據用戶實際需求進行個性化人機交互式界面設置）、最終實現活性炭輸送連續性、均勻性的在線互動功能。在使用本界面之前需完成以下5步操作、調試：

第1步：稱重調試。1）稱體標零。清空罐體，保持空罐狀態（即不放料的狀態），此時對稱體進行零位標定，單擊稱零位標定，此時當前稱重重量變為0。2）額定克重標定。選取一個固定重量的砝碼（5 kg），在當前選定砝碼重量里輸入5 kg，按標定重量寫入，此時將砝碼放在罐體內，注意物料穩定后，按住標定開始1 s以上，松開標定開始，等待5 s左右，稱體標定完成，當前稱重重量顯示為選定砝碼重量，此時標定完成。

圖6 稱重標定界面

第2步：參數設定。送料機構的最大轉速不能超過3r/min，如果已知送料比例則可以設定，如果不知道則可以在下一步中進行送料比例測試，報警克重指低于此克重時系統自動停機，根據送料顆粒的情況一般設定為55 kg左右，風機延時指風機啟動停止的延時時間，一般設置2～3 s。屏幕校正為當前屏幕按鍵不靈敏的時候可以點擊進行校正。

圖7 參數設定

第3步：稱重比例測試。輸入1 r/min，測試時間設為1 min，點擊測試開始，則系統可以自動測量出送料比例。此系統設有遠程控制功能即PS打開本機控制，則遠程不能控制設備啟動停止，打開遠程控制，則本機上不能控制設備啟動停止。

圖8 稱重比例測試

圖9 啟動停止界面

第4步：設備啟動停止。在本機控制下，按啟動鍵，風機先啟動，延時時間到，送料啟動。按停機鍵，送料先停止，然后風機停止。

第5步：設備監控。系統一旦出現問題，人機交互式界面會第一時間顯示報警，同時指示燈變亮，圖10為功能報警提示，圖11所示為報警明細。人機交互式操作主界面如圖12所示。

圖10 報警提示

圖11 報警明細

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動電動機、稱重傳感器以及送料裝置三部份決定。常用的電動機驅動方式是控制頻率，控制精度不高[10-12]，本系統選用伺服電動機，采用發脈沖方式進行轉速控制，電動機轉1圈可以設置300～12 000個脈沖，大大提升了電動機轉速的控制精度，有力地保障了活性炭輸送的均勻性[13-15]。新系統中設有多個重力傳感器，均勻分布在稱重料盤的周圍，經傳感器采集的信號最終通過取均值的方式進行信號反饋，控制精度由原來的1/3000變為1/5000，大大提升了新系統的抗干擾性。采用單一棒料刮盤旋轉柔性送料機構保障給料過程的密封性和均勻性，同時配備羅茨風機輸送活性炭，提高了活性炭給料過程的連續性。通過上述三大措施，活性炭輸送新系統的精度可以保證控制在0.5～50 kg/h，此精度已為當前國內所能達到的最高精度。

圖13 樣機

3 樣機與測試參數

圖13所示為活性炭輸送凈化微型系統樣機，表1所示為樣機的各項性能測試參數。

表1 樣機性能參數

4 結論

1）提出活性炭輸送凈化微型系統設計的概念，從系統試驗臺架的體積、重量著手，進行優化，輸送凈化功能保持不變，成本降低60%；2）采用脈沖電動機、傳感信號處理、送料機構優化三大措施保障活性炭輸送的最高精度控制在0.5 kg/h，此精度已為當前國內所能達到的最高精度；3）設計人機交互式界面方便人機對話，用戶可根據實際要求進行個性化私人設制。

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