消石灰溶液添加閥的選型及控制方案的優化

楊瑞東

（江西銅業集團有限公司 貴溪冶煉廠，江西 貴溪 335424）

1 引言

隨著人們對環保意識的不斷增強，以及國家對環保要求的不斷提高，廢水處理問題已是影響社會進步的一個重要問題［1］，做好工業廢水的處理工作已然成為現代化工廠的重中之重。貴溪冶煉廠的工業廢水集中至硫酸車間廢水處理工序進行處理，其中pH控制系統是廢水中和工序中不可或缺的一部分，為了讓pH控制系統更加穩定、高效，消石灰溶液添加閥的選型和控制方案就起到了關鍵作用。本文將介紹貴冶使用過多種閥門類型后對消石灰溶液添加閥的最終選擇，即襯四氟蝶閥，以及對閥門控制方案的優化。原先閥門的控制方案是基于PID輸出的定位器控制，經過優化，我們得出了基于PID輸出后加入占空比方式，作用于電磁閥控制的控制方案，此方案相比于原先的控制方案，pH控制更加穩定，中和反應更加徹底。

2 廢水處理工藝簡介

貴溪冶煉廠硫酸車間廢水處理工序分為石膏制造和中和處理兩大部分。該工序中的濾液含有較多的廢酸和少量的金屬雜質，首先讓濾液中的大部分廢酸和石灰石乳液反應生成石膏，生成的石膏在石膏濃密機及離心機中進行沉降濃縮以及過濾分離，隨后石膏濾液送到中和工序處理。在電化學中和處理工序中，主要處理來自預處理濃密機底流濾液、西場面水廢水、澄清池底泥以及石膏濾液。這些濾液首先在中和槽中用消石灰溶液處理，之后進入氧化槽，隨后溢流到濃密機濃密，再進入凝聚槽添加凝聚劑，將沉淀物凝聚，最后進入澄清池進一步澄清，澄清器上清液排放，下部漿液返回中和濃密機。

貴冶采用電化學中和處理工藝，即在沒有化學藥品添加的情況下使用電解法進行處理［2］。根據現場工藝的實際要求，所需要處理的廢水由提升泵打入廢水的輸送管道，消石灰溶液由添加閥控制加入反應槽，此時反應槽中不同成分的液體充分混合，進行中和反應。由于輸送至中和工序的廢水的pH值和流量都是不斷變化的，所以pH控制系統是否穩定，反應槽里的反應是否徹底，消石灰溶液添加閥的選型及其控制方案就起到了關鍵作用。

3 消石灰溶液添加閥的選型

儀表自動化是科技發展的產物，通過儀表自動化可以提升工廠生產的質量和效率，減少人力資源的應用［3］，節約生產成本。閥門，作為工業儀表的組成部分，是生產過程中不可或缺的重要一環，在正常生產中，最合適的閥門類型應用在最正確的地方。在選擇閥門類型時，主要考慮以下幾個因素：一是所選閥門在工藝上的用途，以及現場的工況； 二是介質的相關性質，比如：工作壓力，溫度，是否易燃易爆等；三是閥門安裝的尺寸，管道尺寸多種多樣，要選擇合適管道口徑的尺寸；四是解相關的特性，比如：流量特性，密封等級等；五是對閥門的可靠性要有合理的評估。

貴冶電化學中和設備上線后，消石灰溶液添加閥的選型經歷過幾次變更。首先，選用過球閥，但是因為消石灰溶液內含有雜質，所以經過一段時間的現場應用后發現球閥的閥體容易被雜質堵塞，導致閥門無法正常工作。隨后選用直通單座閥，現場應用后發現其防堵性能差，而且閥門整體比較笨重，不適合作為消石灰的添加閥。最終，經過長時間的現場實驗，襯四氟蝶閥最適合此工況。

襯四氟蝶閥是在普通蝶閥的閥體、閥板上襯聚四氟，使介質和閥體、閥板隔離，消除介質對閥門的腐蝕。同時，蝶閥結構簡單，體積小，可用于帶懸浮固體顆粒的介質，流量調節范圍大，能夠開關迅速，流阻小。雖然其密封性沒有球閥那么好，但是根據閥門選型的依據分析，加上現場工藝實踐，完全能夠滿足此工況。所以，經過一年多時間的不斷摸索，最終選擇襯四氟蝶閥為電化學中和消石灰溶液添加閥。

4 消石灰溶液添加閥控制方案的優化

4.1 控制方案的優化

貴冶廢水中和的pH控制系統中，pH值的精準控制有利于作業效率的提高［4］。在該控制回路中，消石灰溶液添加閥主要采取基于PID輸出的定位器控制的控制方案。PID控制是一種廣泛用于工業過程控制和電力驅動，以及保持線性和非線性系統穩定工作的技術［5］，在調節過程中可以解決系統的穩定性、快速性以及準確性［6］，其中P為比例控制，I為積分控制，D為微分控制，PID則為這三種控制規律的簡稱。貴冶的DCS系統通過PID模塊的輸出控制消石灰溶液添加閥定位器的開度，從而控制消石灰溶液的添加。

在經過長時間的應用后，發現使用此控制方案，pH控制系統的波動比較大，通過原理和現場工況分析，主要有兩點原因。第一，在廢水處理的中和工序中，pH控制對象的非線性、pH 反應過程的滯后性和干擾的多樣性決定了要設計的控制系統的復雜性（如采用變參數控制或自適應控制等）。而把對象看成單容加遲延環節, 采用P 和PI的調節器, 一般不能滿足對象特性變化大和高質量調節的要求。雖然采用PD的調節器能夠調節系統中的動態特性，對有較大慣性或滯后的被控對象有良好的調節作用，但是pH反應過程的干擾性太大，用PID模塊始終不能滿足要求。第二，pH控制系統添加的物料為消石灰溶液，消石灰化學名為氫氧化鈣，其在常溫下是細膩的白色粉末，微溶于水。當添加閥采用基于PID輸出的定位器控制時，閥門加料的開度變化不會太大，長時間工作后，消石灰溶液下層會不斷有白色顆粒析出，出現沉淀，對管道造成堵塞，同時管道中的沉淀越來越多，也容易造成閥門的蝶板動作不暢，從而影響pH控制系統的穩定。

為了解決這兩個問題，我們立足理論和現場工藝，得出基于PID輸出后加入占空比方式，作用于電磁閥來控制閥門的開關的控制方案（如圖1所示）。占空比是指脈沖信號的通電時間與通電周期之比。此方案的優點：第一，在一個占空比周期中，電磁閥什么時間都可以動作，從而提高了可調的精度，同時占空比的工作方式能夠調節的范圍足夠大；第二，相比于定位器來控制閥門的開度，電磁閥工作脈沖動作的方式，不會造成消石灰溶液的長時間沉淀，不容易堵塞管路。

圖1 優化控制方案的簡示圖

4.2 現場工藝數據對比

兩種控制方案在貴冶電化學中和pH反應槽的實際應用數據對比。

（1）1#反應槽采用優化前控制方案，2#反應槽采用優化后控制方案。

通過圖2和圖3現場工藝采集的數據曲線可以看出，在同一時段，pH設定值都為9.5，2#反應槽pH值的曲線波動在-0.1至0.1之間，1#反應槽pH值的曲線波動在-0.2至0.2之間。2#反應槽的pH值比1#反應槽的pH值更加穩定。

圖2 1#反應槽pH值（2020年7月2日0時至24時）

圖3 2#反應槽pH值（2020年7月2日0時至24時）

（2）1#反應槽也采用優化后控制方案。

通過圖2和圖4的pH值對比來看，圖4的pH值波動明顯小于圖2的pH值波動。

圖4 1#反應槽pH值（2020年8月2日0時至24時）

綜上所述，對比兩種控制方案在同一時間，作用于不同反應槽的pH值的變化，及不同時間，作用于相同反應槽的pH值的變化，得出優化后的控制方案下的pH控制系統更加穩定。

5 結束語

做好廢水處理工作是一個現代化工廠在環保方面的重中之重。其中任何一個環節都不容忽視，只有將每一個環節都做到最好，才能使整個系統達到最高的效率。廢水中和工序的pH控制系統就是其中非常重要的一個環節，其難點為控制變量消石灰溶液的添加。在選擇消石灰溶液添加閥時，充分考慮閥門選型的五大要點，以及現場反復試驗后得出襯四氟蝶閥為最佳選擇。同時本文提出對原先控制方案的優化，通過實踐數據和現場工況的對比，證明優化后的控制方案，即基于PID輸出后加入占空比方式，作用于電磁閥控制的方案，能很好的降低pH值的波動，從而保證廢水中和環節的效率。