催化氧化法生產(chǎn)聚硫酸鐵智能化控制系統(tǒng)的應(yīng)用

魏小兵 ，王明冬 ，鄒 宏 ，周生杰

（1.重慶盛清水處理科技有限公司，重慶401341；2.重慶藍潔自來水材料有限公司；3.重慶市水處理混凝劑工程技術(shù)研究中心）

聚硫酸鐵是一種優(yōu)良的絮凝劑、水凈化劑，可廣泛應(yīng)用于源水、飲用水、自然水、工業(yè)上水、工業(yè)污水、城市污水的處理［1］，是目前主流的水處理材料之一。隨著中國經(jīng)濟的發(fā)展和城市建設(shè)的加快，同時國家也加大了對環(huán)保的投入力度，聚硫酸鐵這類水處理材料也有著其必不可少的市場地位和龐大的需求量。在科技發(fā)展、工業(yè)智能化的大背景下［2-3］，應(yīng)用更先進的技術(shù)生產(chǎn)聚硫酸鐵來達到提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本、穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié)能減排的目的，也是一個重要的研究方向。

催化氧化法生產(chǎn)聚硫酸鐵工藝是在催化劑（如NaNO2、HNO3等）的作用下，利用空氣或氧氣將亞鐵離子氧化為鐵離子，經(jīng)過水解和聚合獲得聚硫酸鐵［4］。反應(yīng)方程式：

1 催化氧化法聚硫酸鐵生產(chǎn)工藝

1.1 反應(yīng)釜攪拌加熱生產(chǎn)工藝

將水、工業(yè)硫酸、七水硫酸亞鐵按照規(guī)定的順序和配方配制成基礎(chǔ)物料。將基礎(chǔ)物料泵入反應(yīng)釜，通入蒸汽將反應(yīng)釜內(nèi)的物料預(yù)熱到一定的溫度，然后通入氧氣、泵入按要求濃度溶解的催化劑溶液。啟動反應(yīng)釜攪拌器，關(guān)閉排氣閥，升高反應(yīng)釜溫度和壓力。待反應(yīng)釜內(nèi)的溶液呈紅褐色透明黏稠液體時，取樣檢測，判斷反應(yīng)終點。該反應(yīng)方式的優(yōu)點：設(shè)備投資少，可間斷性操作［5］。缺點：產(chǎn)能低，需要蒸汽加熱，反應(yīng)溫度高（最高可達100℃），反應(yīng)壓力最高可達0.4 MPa（需卸壓控制反應(yīng)釜內(nèi)的壓力），反應(yīng)終點判斷誤差大，安全保障度較差，人員操作受控度差，經(jīng)常出現(xiàn)氮氧化物尾氣排放的環(huán)保問題。

1.2 循環(huán)泵加射流器生產(chǎn)工藝

將水、工業(yè)硫酸、七水硫酸亞鐵按照規(guī)定的順序和配方配制成基礎(chǔ)物料。將基礎(chǔ)物料泵入反應(yīng)釜。通入氧氣，檢查氧氣管及亞硝酸鈉溶液管道是否堵塞，開啟循環(huán)泵。先開啟氧氣閥，帶壓投入催化劑溶液，觀察釜上壓力表及氧氣分汽缸壓力表，通過排壓閥的開閉控制氧氣的流量及釜內(nèi)的壓力，壓力控制為0.2～0.3 MPa，反應(yīng)溫度控制為60～70℃。從反應(yīng)釜視鏡上觀察紅色氮氧化物氣體的濃度來判斷亞硝酸鈉溶液的投加次數(shù)，亞硝酸鈉溶液的投加方式應(yīng)遵循單次少量投加、投加次數(shù)多的原則［6］。當(dāng)反應(yīng)釜內(nèi)的溶液呈紅褐色透明黏稠液體時，取樣檢測，決定反應(yīng)終點。該反應(yīng)方式的優(yōu)點：無需蒸汽加熱，反應(yīng)壓力和溫度大幅度降低，反應(yīng)溫和，安全和環(huán)保問題得到一定程度的解決。缺點：仍然需要人工操作，操作相對繁瑣，反應(yīng)壓力仍然偏高，反應(yīng)終點判定誤差大。

1.3 循環(huán)泵加射流器-PLC智能化控制生產(chǎn)工藝

2017年，重慶藍潔自來水材料有限公司為擴大產(chǎn)能將催化氧化法生產(chǎn)聚硫酸鐵的產(chǎn)能提高到13萬t/a，在重慶市巴南區(qū)新建一條聚硫酸鐵生產(chǎn)線（重慶盛清水處理科技有限公司），在已經(jīng)成熟穩(wěn)定運行4 a的循環(huán)泵加射流器生產(chǎn)工藝基礎(chǔ)上，接入PLC智能化控制系統(tǒng)，對催化氧化聚硫酸鐵生產(chǎn)工藝做了根本性的調(diào)整。

改進后的工藝流程：在配料池中將水、工業(yè)硫酸、七水硫酸亞鐵按照規(guī)定的順序和配方配制成基礎(chǔ)物料。將基礎(chǔ)物料泵入反應(yīng)釜中，啟動循環(huán)泵進行循環(huán)反應(yīng)，同時預(yù)先將催化劑在溶解罐中配制成質(zhì)量分數(shù)為40%的催化劑溶液。通過控制系統(tǒng)設(shè)定的程序和參數(shù)向反應(yīng)釜中穩(wěn)定地通入氧氣，分次投加催化劑溶液。整個反應(yīng)過程的反應(yīng)溫度≤60℃、反應(yīng)壓力≤0.2 MPa。通過控制系統(tǒng)的程序和參數(shù)來控制排壓閥的開閉以達到控制反應(yīng)溫度和反應(yīng)壓力的目的，若反應(yīng)釜內(nèi)的壓力超過0.2 MPa，程序反饋自動開啟排壓閥將壓力泄壓至要求值以下。通過觀察程序自動生成的反應(yīng)溫度和反應(yīng)壓力曲線，在溫度和壓力升高到最高值并下降至平穩(wěn)的情況下，結(jié)合采樣檢測指標(biāo)來確定反應(yīng)終點。產(chǎn)生的廢氣進入尾氣處理系統(tǒng)，經(jīng)過氧化、還原、中和處理后排放。待反應(yīng)完成后，將物料放入聚硫酸鐵產(chǎn)品中轉(zhuǎn)池中。工藝流程示意圖見圖1。

圖1 聚硫酸鐵催化氧化法生產(chǎn)工藝流程示意圖

圖2 配料池操作界面

2 智能化控制系統(tǒng)實際應(yīng)用

2.1 智能化控制配料

前述工藝流程中介紹，主要原料水、硫酸和七水硫酸亞鐵需在配料池中完成配料。在實際操作中，操作人員需要打開PLC智能化控制系統(tǒng)，開啟配料操作界面（見圖2）。在圖2的操作界面上，操作人員按照配方的規(guī)定量輸入水量和硫酸量，設(shè)置好加料順序即硫酸泵延時啟動時間。點擊自動配料，PLC智能化控制系統(tǒng)可準確地完成各種物料的投加。

2.2 智能化控制反應(yīng)過程

將PLC智能化控制系統(tǒng)調(diào)換到反應(yīng)釜控制界面，見圖3。通過該界面可以觀察反應(yīng)過程（溫度、壓力）、電機運轉(zhuǎn)、尾氣配套系統(tǒng)運轉(zhuǎn)情況。加料可以通過反應(yīng)釜計算機操作控制界面進行參數(shù)設(shè)置完成。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定程序完成基礎(chǔ)物料一次性投加到位、氧氣連續(xù)投加、催化劑溶液分次投加等過程。通過壓力參數(shù)設(shè)定和壓力反饋值觀察，當(dāng)壓力反饋值大于設(shè)定值時氧氣閥關(guān)閉，停止通入氧氣；對催化劑溶液總量、投加次數(shù)及單次投加量完成參數(shù)設(shè)定并由程序自動完成相關(guān)操作；在反應(yīng)完成之前，當(dāng)釜內(nèi)反應(yīng)溫度和壓力突變并穩(wěn)定的時候表示反應(yīng)終點基本到達。

圖3 反應(yīng)釜控制界面

2.3 智能化控制反應(yīng)終點

催化氧化法聚硫酸鐵的反應(yīng)終點通常可以從反應(yīng)溫度和壓力的變化上來判斷，但是采用就地儀表和人工觀察存在一定的誤差。采用PLC智能化控制系統(tǒng)后，反應(yīng)終點可以通過反應(yīng)溫度和壓力的變化來給予準確判斷。當(dāng)聚硫酸鐵聚合反應(yīng)完成后，反應(yīng)溫度會降低且穩(wěn)定，反應(yīng)壓力則會發(fā)生突變且穩(wěn)定，通過PLC智能化系統(tǒng)可對反應(yīng)溫度和壓力的變化進行實時記錄，見圖4和圖5。操作人員可以通過觀察溫度和壓力曲線的變化來判斷反應(yīng)終點。

圖4 反應(yīng)溫度曲線畫面

2.4 智能化控制尾氣排放

在催化氧化聚硫酸鐵的反應(yīng)過程中，催化劑采用亞硝酸鹽［7-9］，且其催化氧化過程主要為亞硝酸鈉離解成NO，NO再與 O2反應(yīng)生成NO2，NO2再氧化Fe2+直至完全氧化為止。若反應(yīng)完成時NO大量殘留、O2不能及時補充，反應(yīng)壓力將會升高。為保證安全，必須采取排壓操作排放一定量的NO，NO進入大氣中將和氧氣發(fā)生反應(yīng)生成紅棕色的煙氣發(fā)生環(huán)保事故。而PLC智能化控制系統(tǒng)能夠確保亞硝酸鈉不過量而且確保氧氣壓力恒定和流量穩(wěn)定，反應(yīng)過程中壓力和溫度穩(wěn)定則不發(fā)生卸壓操作，從而消除了NO進入大氣的環(huán)保隱患。待反應(yīng)完成后在排氣之前，通過PLC智能化控制系統(tǒng)程序設(shè)定先開啟尾氣處理系統(tǒng)。聚硫酸鐵反應(yīng)完成后打開圖3中的尾氣排氣閥，排放完成后關(guān)閉氣閥。尾氣處理系統(tǒng)操作界面見圖3。

圖5 反應(yīng)壓力曲線畫面

3 催化氧化法聚硫酸鐵不同生產(chǎn)工藝對比

3.1 智能化控制與普通生產(chǎn)工藝對比

不同工藝生產(chǎn)聚硫酸鐵對比見表1。從表1看出，PLC智能化控制系統(tǒng)生產(chǎn)聚硫酸鐵與另外兩種反應(yīng)方式相比，其優(yōu)勢在于產(chǎn)能大、自動化程度高、有效降低人工成本和材料成本。由于PLC智能化控制系統(tǒng)能夠全程監(jiān)控整個反應(yīng)系統(tǒng)的運行狀況，而且出現(xiàn)異常時能夠及時報警、程序調(diào)整并記錄，安全和環(huán)保保障程度也更高。

表1 不同方式生產(chǎn)聚硫酸鐵對比

3.2 產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)比較

聚硫酸鐵生產(chǎn)過程中，主要控制指標(biāo)是全鐵含量和鹽基度。不同生產(chǎn)方式生產(chǎn)聚硫酸鐵主要質(zhì)量指標(biāo)數(shù)據(jù)分析結(jié)果見表2。其中：反應(yīng)釜加熱攪拌生產(chǎn)工藝的生產(chǎn)數(shù)據(jù)選擇于2014年12月；循環(huán)泵加射流器生產(chǎn)工藝的生產(chǎn)數(shù)據(jù)選擇于2016年12月；PLC智能化控制系統(tǒng)生產(chǎn)工藝的生產(chǎn)數(shù)據(jù)選擇于2018年12月。通過比較表2數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，智能化生產(chǎn)聚硫酸鐵，無論是全鐵含量還是鹽基度，其產(chǎn)品主要質(zhì)量指標(biāo)數(shù)據(jù)的波動大幅度降低。

表2 智能化與普通方式生產(chǎn)聚硫酸鐵數(shù)據(jù)分析

4 結(jié)束語

重慶藍潔自來水材料有限公司從事水處理藥劑的生產(chǎn)、研發(fā)、銷售多年，各類產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝技術(shù)持續(xù)地改進與提升，旨在提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本、提高安全和環(huán)保保障度、生產(chǎn)更穩(wěn)定優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品。公司新建的聚硫酸鐵生產(chǎn)線，充分利用PLC控制系統(tǒng)的功能，不僅實現(xiàn)了13萬t/a聚硫酸鐵生產(chǎn)線的高效、低耗、安全、環(huán)保、穩(wěn)定運行，而且在一定程度上將安防管理系統(tǒng)、消防管理系統(tǒng)、環(huán)保管理系統(tǒng)、防雷系統(tǒng)等進行了有機地結(jié)合，為水處理藥劑的智能化生產(chǎn)探索出新的途徑。