基于雙堿法的煙廠廢氣脫硫裝置控制系統設計研究

康佩棟，趙澤鴻

基于雙堿法的煙廠廢氣脫硫裝置控制系統設計研究

康佩棟，趙澤鴻

（廣東博智林機器人有限公司，廣東 佛山 528312）

針對國內煙廠廢氣處理中存在的自動化水平低、成本高和對水資源浪費嚴重等缺點，設計了一套自動化水平高、成本低、效率高，并通過對循環水的使用達到了節約水資源目的的系統。對脫硫裝置系統的控制系統結構和下位機控制系統進行了設計，利用組態軟件進行了上位機可視化觸摸界面的設計，使其運行過程可視化，最后投入了實踐運用。

廢氣處理；PLC；組態軟件；自動化

目前，國內大多數廢氣處理系統自動化水平不高，安全性低，效率普遍低于世界標準。其中煙廠的日廢氣排放尤為突出，而在這些廢氣中主要的污染物就是SO2。因此，高效、快捷和低成本地除去這些SO2就顯得十分重要。

國內焦化廠當前焦爐加熱用焦爐煤氣中的硫化氫含量與配套運行的煤氣脫硫工藝及其脫硫效率有關，目前設計供焦爐加熱用的焦爐煤氣中硫化氫的質量濃度大多為200～ 1 000 mg/m3[1]。而國家對焦爐煙囪的排放要求卻越來越嚴格，具體如表1所示，但焦化行業焦爐煙囪排放濃度限值卻鮮有達者。

表1 歷年來《焦化行業準入條件》中大氣污染物硫化氫排放標準對比（單位：mg/m）

年份2004年2008年2012年2015年 準入條件H2S≤300H2S≤250H2S≤100H2S≤50

本課題通過對目前國內在廢氣處理中存在的問題進行分析，設計了一套自動化水平高、人性化、低成本以及完全開放的友好人機界面的系統，并投入了實踐運用。

1 除硫裝置系統簡介

1.1 雙堿法脫硫的基本原理

本文除硫系統所采用的方法是雙堿法[NaOH—Ca（OH）2]，采用鈉堿啟動、鈉堿吸收SO2、鈣堿再生的方法[3]。較之石灰石膏法等其他脫硫工藝，鈉堿吸收反應活性高、吸收速度快及運行費用低；鈉堿循環利用，損耗少；正常操作下吸收過程無廢水排放；脫硫渣無毒，溶解度極小，無二次污染，符合綠色生產標準；操作方便，系統可長期穩定運行[4]。

其基本化學原理可分為脫硫過程和再生過程。

脫硫過程如下：

2NaOH+SO2→NaSO3+H2O （1）

Na2SO3+SO2+H2O→2NaHSO3（2）

以上公式視吸收液酸堿度不同而異，式（1）為吸收啟動反應式，為主要反應；堿性較高時（pH＞9），為主要反應；堿性降低至中性甚至酸性時（7＜pH＜9），則按（2）式發生主要反應。總的化學反應速率由氣相中SO2的擴散（氣相阻力）和液相中脫硫劑固體溶解（液相阻力）控制[5]。

再生過程如下：

2NaHSO3+Ca（OH）2→Na2SO3+CaSO3↓+2H2O （3）

Na2SO3+Ca（OH）2→2NaOH+CaSO3↓ （4）

在Ca（OH）2漿液（Ca（OH）2達到飽和的狀態）中，中性（兩性）的NaHSO3很快與Ca（OH）2反應從而釋放出[Na+]，隨后生成的[SO32-]繼續跟Ca（OH）2反應，反應生成的CaSO3以半水化合物的形式慢慢沉淀下來，從而使[Na+]得到再生，吸收液恢復對SO2的吸收能力，循環使用。

1.2 煙廠廢氣脫硫裝置系統原理

煙廠廢氣脫硫裝置系統原理如圖1所示。在全自動控制模式下，系統自動檢測初次中和池中的水位，當水位達到預定高度，則進入自動循環處理過程：含SO2的污水被持續的排放到初次中和池，鼓風機和循環泵攪拌均勻后，pH計實時檢測初次中和池水的pH，根據pH計的值來判斷啟動酸/堿計量泵，當檢測到pH值滿足設定標準，如8≤pH≤10，則關閉計量泵，將水排放到二次中和池。此時二次中和池中液位計檢測到水位達到預定高度后則自動檢測其pH值，若滿足要求（8≤pH≤10），水被排放到儲蓄池；若不滿足要求，則水被排放到初次中和池，繼續處理。第一個循環過程就完成了。若在手動模式下，主要根據各水池pH值單獨對每個環節進行手動控制。

2 脫硫裝置控制系統設計

2.1 控制系統結構設計

脫硫裝置控制系統主要包括檢測裝置（pH計）、運算處理裝置（PLC）、人機界面和執行裝置（電動閥/泵）四部分。檢測部分主要是將測量的pH值通過A/D模塊轉換后，傳遞到PLC并呈現到人機界面；HMI將設定值傳遞給PLC；PLC將接收來的信號進行相關計算后，給電動閥/泵傳遞指令，控制其動作。其結構如圖2所示。

圖1 脫硫裝置系統原理圖

圖2 控制系統結構框圖

2.2 下位機控制系統的設計

2.2.1 硬件選型

本文以貴州龍里創奇裝備制造有限公司所生產的CQXST-2.5B型全玻璃鋼脫硫塔為例，作選型說明。

2.2.1.1 PLC的選型

脫硫裝置系統的控制模塊是采用邏輯順序來進行控制的。所采用的PLC共需要9/8個I/O個接口，6個繼電器接口，供電電壓220 V，要求可靠性高、環境適應性好（在高濕度環境可正常工作）、性價比要高，其安裝尺寸應小于500 mm×400 mm×250 mm。綜合以上要求，該系統采用了步科電器公司生產的PLC，型號為KINCO-K506-24AR，其相關性能參數如表2所示。

表2 KINCO-K506-24AR相關性能參數

參數性能 供電電壓AC 85-265V 集成點數24點I/O，其中DI 14 DC 24V，DO 10 繼電器 安裝尺寸125 mm×114 mm×70 mm（長×寬×高）

2.2.1.2 pH傳感器的選擇

pH值（8≤pH≤10）在很大程度上決定所添加的堿量和所排出的氣體是否達標。本課題的pH值測量需要將pH傳感器浸入到水中，可以測量0～14范圍內的pH值，精度需要達到±0.05，具有較強的穩定性。綜合以上要求，選用了隆泰興環?？萍加邢薰旧a的pH傳感器，型號為VOTEC-VT6000（含探頭），其相關性能參數如表3所示。

2.2.1.3 液位傳感器的選擇

本課題液位傳感器主要用于檢測兩個水池（1 000 mm× 1 000 mm×1 200 mm）的最低（200 mm）和最高（1 000 mm）液位。液位傳感器量程應大于1.2 m；連接方便，易于操作；具有較高的穩定性。

綜合以上要求，選擇了上海龍瑞斯電子有限公司生產的液位傳感器，型號為1011投入式液位變送器（量程為0～ 6 m）。

表3 VOTEC-VT6000 主要性能參數

參數性能 測量范圍0～14 精度±0.02 分辨率0.01 0～14 工作電壓DC24V

2.2.2 KINCO-K506-24AR通道分配

所設計的控制系統需要有緊急停止、測量液位和pH值、自動/手動切換模式、控制閥門、攪拌等功能，其（I/O）點分配如表4所示。

表4 PLC地址分配表

設備地址設備地址 啟動開關SW01I0.0液位計LIT01AIW 4 啟動開關SW02I0.1液位計LIT02AIW 6 自動I0.2液位計LIT03AIW 8 手動I0.3液位計LIT03AIW 10 鼓風機B01Q0.0電動閥1Q1.0 循環泵P01Q0.1電動閥2Q1.1 計量泵P02Q0.2電動閥3Q1.2 計量泵P03Q0.3電動閥4Q1.3 pH計AIT01AIW 0電動閥5Q1.4 pH計AIT02AIW 2輔助繼電器1M0.0 輔助繼電器2M0.1輔助繼電器3M0.2 輔助繼電器4M0.3輔助繼電器5M0.4 輔助繼電器6M0.5

注：M0.0LIT01液位值低于下限值時接通，M0.1LIT01液位值高于上限值時接通，M0.2LIT02液位值低于下限值時接通，M0.3LIT02液位值高于上限值時接通，M0.4LIT03液位值低于下限值時接通，M0.5LIT03液位值高于上限值時接通。

2.2.3 PLC硬件接線圖

該PLC的硬件接線圖主要是根據通道的分配表來完成的，如圖3所示，共有9個輸入和8個輸出。出于安全考慮，設計了急停開關。

圖3 PLC硬件接線圖

2.2.4 脫硫裝置系統流程圖

如圖4所示，用pH計實時檢測初次中和池中水的pH值，來判斷水是被排放到二次中和池還是啟動酸/堿計量泵來調節pH值。實時檢測排放到二次中和池的水的pH值，判斷水是排放到儲蓄池還是返回初次中和池，確保排入蓄水池的水已達標。

圖4 脫硫裝置流程圖

2.3 上位機界面的設計

2.3.1 組態軟件的選型

由于本課題所選的PLC是步科電器公司生產的KINCO-K506-24AR，為了與之匹配以及更好地兼容，組態軟件也選擇步科電器有限公司自主開發的組態軟件，型號為Kinco MT4210T，其主要參數如表5所示。

表5 Kinco MT4210T人機界面主要參數

參數性能 顯示尺寸4.3"TFT 液晶壽命50 000 h 通訊接口COM0：PLC RS485-2W/4W，PLCRS232；COM2：PC/PLC RS232

2.3.2 控制系統的界面的設計

HMI界面主要是按照污水處理工藝進行設計，這樣一方面可以理清工藝流程，另一方面便于操作。主要實現的功能：觸控界面右下角的模式按鈕可以切換到不同的控制頁面；實時監測各環節的運行狀態，例如電動閥關閉時顯示為紅色，開時顯示為白色，各種泵的工作情況也是如此；為了操作員準確地操作機器，在各機器下方有其對應的機器名稱、狀態等提示信息。PLC與HMI接線如圖5所示。

圖5 PLC與HMI接線圖

HMI內部判斷酸堿性程序如下：

自動控制界面如圖6所示。

圖6 HMI自動控制界面

手動控制界面如圖7所示。報警控制界面如圖8所示。

圖7 HMI手動控制界面

圖8 HMI報警顯示界面

3 應用

該系統已于2020年年初在貴州龍里創奇裝備制造有限公司得到了應用。與之前脫硫塔對水的一次性使用相比，該系統基本不需要二次注水，極大地減少了水資源的浪費；與之前用pH試紙測pH值，然后通過加入大量燒堿來控制pH值的粗放式調節相比，該系統只需加入適量的燒堿就能精確地控制pH值，降低了成本；處理系統的自動化程度也得到了提高。

經試驗驗證，該系統的脫硫效率達到了90%以上，SO2排放濃度約為45 mg/m3，粉塵排放濃度約為50 mg/m3，格林曼黑度（煙氣黑度）小于等于1，均達到了2015年國家對于廢氣的排放標準。

4 結語

系統有以下特點：①人性化，有全自動和手動兩種操作方式，可以滿足不同的需求；②低成本，提供了一個完全開放的友好人際界面，符合現代控制的需要；③原理簡單，節約資源。

但還存在一些缺點：①該系統的設計基礎是通過對排出的廢氣噴灑水來吸收SO2，對含有SO2的水的處理來實現對廢氣的處理，在后續工作中，可以改進這種方法；②在人機界面的報警設計中，只能對系統做出故障報警處理，不能對故障進行有效的判別，僅依靠人工分析，因此設想可以設立故障診斷系統，來提高系統的可靠性和實用性。

［1］楊光麗，王玉偉. 新《煉焦化學工業污染物排放標準》中焦爐廢氣SO2達標排放的分析與探討［J］.決策與信息，2015（21）：213.

［2］山西省環境保護廳，山西省環境科學研究院，山西省環境監測中心站.GB 16171—2012 煉焦化學工業污染物排放標準［S］.北京：中國環境科學出版社，2012.

［3］徐永生.雙堿法煙氣脫硫技術新進展［J］.城市環境與城市生態，1997，4（2）：45-48.

［4］王杰斌，蘆廣起，牛曰響.淺析雙堿法進行煙氣脫硫技術的應用［J］.化學工程與裝備，2013（8）：145-146.

［5］吳永霞.濕法煙氣脫硫技術探討［G］//上海市化學化工學會2009年度學術年會論文集，2009.

TG166

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2021.01.007

2095－6835（2021）01－0020－04

康佩棟（1992—），男，碩士，工程師，研究方向為控制系統開發。

〔編輯：王霞〕