淺析電解鋁煙氣凈化自動控制系統設計

解安偉 吳生杰

青海北捷新材料科技有限公司，青海西寧 810021

國家經濟的快速發展與工程建設需求逐漸增多，我國電解鋁行業投產量大，項目建設多。但電解鋁過程所產生的有害電解煙氣對作業人員的身心健康和環境的影響不可忽視，我國對電解鋁所產生的有害煙氣治理力度逐漸嚴格細化。目前，以干法凈化技術進行煙氣治理被多數國內電解鋁企業所采用，可以達到煙氣排放國家標準。本設計以青海某企業的電解車間建設工程的煙氣凈化為設計背景，設計一套煙氣凈化控制系統，這樣可以提高煙氣凈化過程中的自動化水平，為環境治理和企業的可持續發展提供一定的基礎。設計采用集散控制系統結構，以“集中管理，分散控制，數據共享”原則，實現生產過程自動控制、自動報警、自動凋節，對鋁電解廠內各系統工藝流程中的重要參數、重要設備進行計算機在線集中實時監控，從而確保電解鋁煙氣排放達到國家允許排放標準。

1 電解鋁煙氣凈化工藝流程

煙氣凈化主要靠主排煙機抽吸到凈化系統，使整個系統處于負壓狀態，煙氣經過排煙總管、地下煙道，進入除塵器的入口立管與來自VRI反應器均勻溢流出來的新鮮氧化鋁發生表面吸附生成的載氟氧化鋁，再由袋式除塵器進行氣固分離，分離后的載氟氧化鋁經風動溜槽與氣力提升機將其提升到貯槽供電解使用。分離后的煙氣由主排煙機送至煙囪排入大氣中。煙氣干法凈化工藝流程如圖1所示。

圖1 煙氣干法凈化工藝流程

2 整體控制方案設計

煙氣凈化自動控制系統是由排煙機控制系統、氧化鋁投料控制系統、布袋除塵器監測控制系統等多個子系統組成，根據煙氣凈化工藝要求，選擇各類系統中過程檢測級設備以及壓力傳感器、溫度傳感器、流量傳感器等。

2.1 布袋除塵器監測控制系統

布袋除塵器監測控制系統主要進行壓差監測與脈沖控制。利用纖維織物過濾作用的布袋除塵器實現對載氟氧化鋁的煙氣與顆粒過濾分離，因顆粒大、比重大的粉塵無法穿過濾料而落入灰斗，細小粉塵的氣體則通過，達到煙氣與顆粒過濾分離效果。但長時間使用后，粉塵在濾料表面積聚成一層灰層，導致過濾效率低和分離阻力大，造成濾料兩側壓差有較大變化，影響布袋除塵器的除塵效果。可通過監測濾料兩側的壓差值輸入給PLC與上位機軟件實施監控，再利用脈沖控制，改變壓差，保證布袋除塵器的過濾分離效果。

2.2 排煙機控制系統

排煙機是煙氣凈化自動控制系統的主動力源。煙氣輸送、凈化后排放等都在負壓狀態下控制操作，系統采用變頻器——異步電機拖動控制，其優勢為可實現就地控制和控制室的遠程控制，再者變頻器控制能節約電能、控制可靠性。此外，為保證系統穩定運行應進行冗余設計，即2臺變頻器和2臺異步電機，一用一備。

2.3 氧化鋁投料控制系統

氧化鋁粉能吸收電解鋁煙氣中的氟化氫氣體，再生成載氟氧化鋁固體顆粒。為充分吸收與接觸煙氣中的氟化氫氣體，需在煙氣凈化自動控制系統中加入新鮮的氧化鋁粉。但氧化鋁投料量的多少，決定了氟化氫凈化指標和凈化節能效果。合理設計新鮮氧化鋁投料控制系統和匹配的載氟氧化鋁過濾控制系統，是設計側重點。

3 系統整體硬件設計

3.1 系統硬件配置

根據煙氣凈化工藝控制要求應采用集散控制（DCS）系統，由過程檢測與執行級、過程控制級、現場監控級組成。各級采用的硬件設備類型說明如下：

過程檢測與執行級是指煙氣檢測系統、布袋除塵器壓差檢測與脈沖控制系統、溫度檢測等所應用的溫度傳感器、壓力傳感器、流量傳感器、料位傳感器等檢測元件和變頻器、電磁閥等控制元件。實現煙氣凈化自動控制現場各類參數，實時檢測計量和控制。

過程控制級實現現場參數與上位機通信、完成現場參數采集和預處理，為上位機提供數據，上位機控制信號的下達執行、實現為上位機控制運算提供輔助數據和信息，由3臺S7-300PLC組成。

現場監控級即為上位機或者操作員站，實現過程監視、過程控制操作，操作員站提供良好的人機交互界面，用以實現集中顯示、集中操作和集中管理等功能。

3.2 網絡通信

電解鋁煙氣凈化控制系統以Profibus現場總線和工業以太網進行網絡通信，Profibus現場總線以靈活多樣的分布式I/O接收現場傳感檢測信號，實現過程檢測中各類檢測元件間的通信，工業以太網實現系統子站間的數據通信，但上位機與PLC采用的是RS232串行通信接口，PLC與現場檢測點之間的通信是通過Profibus總線來完成的。現場的所有監測點都是掛在Profibus總線上，Profibus總線上面連接的是S7-300模塊，這樣可以實現數據的最快傳輸，使整套生產線達到最優效果。

采用Profibus總線是因為其優勢：一是節省硬件數量與投資，分散在設備前端的多功能智能設備可以減少變送器的數量，不再需要單獨的控制器、計算單元及DCS系統的信號調理、轉換、隔離等功能單元，減少接線，節省硬件投資，減少了控制室的占地面積；二是節省安裝費用，現場總線系統的一對雙絞線或一條電纜上通常可掛接多個設備，因此電纜、端子、槽盒、橋架的用量大大減少，連線設計與接頭校對的工作量也大大減少；三是用戶具有高度的系統集成主動權，不同產品的互可操作性與互用性使用戶可以自由選擇設備來集成系統，不會為選擇范圍的局限、協議接口的不兼容而，使系統集成過程中的主動權完全掌握在用戶手中；四是提高了系統的準確性與可靠性，數字信號與模擬信號相比，測量精度高，傳送誤差減少，控制的準確度也高。由于系統結構簡化，現場儀表內部功能加強，信號往返傳輸少，提高了系統的工作可靠性。

4 系統可靠性設計

電解鋁煙氣凈化自動控制系統的另一個設計重點就是控制系統的可靠性，應從幾個方面來提高系統可靠性和穩定性：一是電纜選型，多數選用屏蔽電纜，避免信號干擾或衰減；二是PLC應單獨安裝，遠離動力電源避免強干擾源；三是信號線與電力電纜分別走線，不同類型的線分別裝入不同的電纜槽中，避免磁場干擾；四是冗余技術的應用，包括變頻器、電機等設備或系統的冗余設計，一旦工作單元發生故障，通過故障檢測控制機制，及時將處于待機狀態的單元投入運行，保障生產設備能夠安全可靠運行。

5 結語

煙氣凈化系統的建立可以有效地改善鋁電解作業環境和大氣環境，在煙氣凈化系統中加入自動化控制可以提高煙氣凈化的效率，有效地改善排放到大氣中有害氣體。根據電解鋁的煙氣凈化控制過程，控制系統采用目前應用廣泛的集散控制系統結構，發揮了“集中管理、分散控制”的優點。工業以太網來實現工廠管理級與過程控制級之間的通訊。而過程控制級與過程檢測及執行級之間的通訊由西門子公司的Profibus總線進行連接通訊，實現生產過程自動控制、自動報警、自動凋節，對鋁電解廠內各系統工藝流程中的重要參數、重要設備進行計算機在線集中實時監控，從而確保鋁電解廠的煙氣排放達到國家的排放標準。