基于PCS7 的污泥熱解處理自動(dòng)化系統(tǒng)

趙 偉

（上海電力大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，上海 200090）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城鎮(zhèn)化速度突飛猛進(jìn)，伴隨而來(lái)的就是生活污水的大量排放，給社會(huì)帶來(lái)了巨大壓力。越來(lái)越多的大規(guī)模污水處理廠拔地而起，根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局最新數(shù)據(jù)，全國(guó)城市污水日處理能力達(dá)到19 171萬(wàn)m3（2019 年），根據(jù)污泥產(chǎn)量約為污水處理量的0.3%～0.5%（按污泥含水量97%計(jì)算），市政污泥日產(chǎn)量達(dá)到766 840 t，其年產(chǎn)量約2.8 億t[1]。污泥的妥當(dāng)處理與處置已經(jīng)成為了不可忽視的問(wèn)題。

市政污泥有許多危害。首先，污染物的含量嚴(yán)重超標(biāo)，如果不加以處理，會(huì)對(duì)環(huán)境安全、動(dòng)植物生長(zhǎng)以及人類(lèi)的健康帶來(lái)巨大的威脅。其次，污泥的產(chǎn)量高導(dǎo)致了污泥的存放面臨嚴(yán)重問(wèn)題，如果不能高效處理污泥，將會(huì)造成土地面積的浪費(fèi)，甚至是嚴(yán)重的污染。所以，污泥的減量化、穩(wěn)定化、無(wú)害化以及資源化是目前亟待解決的重要問(wèn)題[2]。

污泥干化和熱解工藝具有技術(shù)要求高、邏輯關(guān)系復(fù)雜、控制精度嚴(yán)格、成熟經(jīng)驗(yàn)十分少等特點(diǎn)。為了探究污泥熱解工藝，保證污泥熱解的運(yùn)行效果，本文通過(guò)搭建污泥處理自動(dòng)化系統(tǒng)，并使用大規(guī)模污泥處理設(shè)備進(jìn)行了污泥熱解實(shí)驗(yàn)。

1 熱解處理技術(shù)

污泥熱解處理技術(shù)是一項(xiàng)環(huán)境友好且資源化程度高的固廢處理技術(shù)，是在近年來(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的一種可以高效無(wú)污染處置污泥技術(shù)。該技術(shù)將脫水干化后的污泥放置在高溫?zé)o氧或缺氧條件下的容器中發(fā)生熱解反應(yīng)，污泥中的有機(jī)物大分子被分解為小分子物質(zhì)，并在反應(yīng)前期由固體轉(zhuǎn)化為液體和氣體，如果反應(yīng)進(jìn)行得徹底，最終產(chǎn)物應(yīng)為固體殘?jiān)涂扇細(xì)怏w兩種。熱解產(chǎn)物均具有良好的資源化應(yīng)用前景，同時(shí)污泥在熱解過(guò)程中，可以徹底地消除污泥中有機(jī)污染物和重金屬。由以上可知，熱解處理污泥具有廣闊的發(fā)展前景，采用熱解方法處理污泥是非常妥當(dāng)?shù)摹?/p>

2 污泥處理設(shè)備簡(jiǎn)介

整套設(shè)備主要分為：污泥儲(chǔ)存?zhèn)}、液壓泵系統(tǒng)、雙層干化機(jī)、導(dǎo)熱油系統(tǒng)、熱解爐、熱解反應(yīng)器、廢氣清洗裝置、殘?jiān)鋮s收集裝置、沉淀池以及生物濾池等部分構(gòu)成。其整套系統(tǒng)工作原理圖與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物圖如圖1 所示。

圖1 污泥熱解系統(tǒng)工作原理圖和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物圖

該系統(tǒng)具有污泥大規(guī)模一站式處理、干化程度可調(diào)、熱解效率高、過(guò)程清潔、產(chǎn)物可回收利用和安全保護(hù)程度高等優(yōu)點(diǎn)。

該設(shè)備真正實(shí)現(xiàn)了污泥干化、熱解、產(chǎn)物回收以及廢氣清洗一體化，可以將污水處理廠的污泥直接變廢為寶，實(shí)現(xiàn)了污泥處理處置的減量化、無(wú)害化、穩(wěn)定化以及資源化。同時(shí)，該設(shè)備處理污泥的規(guī)模達(dá)到了一定的工業(yè)水平，平均日處理污泥達(dá)到20 t。

該設(shè)備的雙層干化機(jī)，通過(guò)導(dǎo)熱油循環(huán)系統(tǒng)加熱，可以維持在200～220℃。通過(guò)調(diào)節(jié)干化機(jī)螺旋槳葉轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)濕污泥的干化時(shí)間，達(dá)到調(diào)節(jié)干污泥含水率的目的。該特性可以靈活應(yīng)對(duì)不同含水率的污泥，從而在熱解系統(tǒng)中得到穩(wěn)定且固定的產(chǎn)物。

熱解反應(yīng)器與熱解爐是整套設(shè)備的核心裝置。經(jīng)過(guò)干化機(jī)后的污泥，可以簡(jiǎn)稱(chēng)為“干污泥”。干污泥經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)下料機(jī)進(jìn)入熱解反應(yīng)器中，同樣，通過(guò)調(diào)節(jié)熱解反應(yīng)器中轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速可以調(diào)節(jié)干污泥在反應(yīng)器中的停留時(shí)間。其中旋轉(zhuǎn)下料機(jī)的作用就是保持熱解反應(yīng)器中無(wú)氧密閉的環(huán)境。以往經(jīng)驗(yàn)中，污泥經(jīng)過(guò)該設(shè)備的減量程度可以達(dá)到10%，并且可以回收殘?jiān)涂扇夹詺怏w，資源化程度較高?；厥盏目扇夹詺怏w，即熱解氣，可以直接通入熱解爐內(nèi)燃燒，為熱解反應(yīng)器提供熱源。這一特性可以極大地節(jié)約設(shè)備運(yùn)行成本，為該設(shè)備的后期改進(jìn)和研發(fā)以及未來(lái)市場(chǎng)的開(kāi)拓奠定了較好的基礎(chǔ)。同時(shí)，該設(shè)備的安全保護(hù)程度極高，熱解爐在點(diǎn)燃時(shí)，首先進(jìn)行空氣吹掃，然后通入天然氣進(jìn)行點(diǎn)火，在3 s 內(nèi)火焰探針檢測(cè)有無(wú)發(fā)現(xiàn)火焰，如果沒(méi)有發(fā)現(xiàn)將自動(dòng)關(guān)閉天然氣閥門(mén)，之后經(jīng)過(guò)一系列檢查操作后，重復(fù)以上操作，直到熱解爐點(diǎn)燃或者手動(dòng)停止其動(dòng)作。該安全保護(hù)裝置極大地保證了設(shè)備的安全運(yùn)行，防止熱解爐在通入過(guò)多天然氣后，引起爆炸事故。

該設(shè)備還具有一個(gè)明顯的優(yōu)勢(shì)，即在污泥熱解處理過(guò)程中真正實(shí)現(xiàn)了環(huán)境友好的特點(diǎn)。熱解氣經(jīng)過(guò)洗滌塔和活性炭吸附處理，干化機(jī)中的水蒸氣和臭氣經(jīng)過(guò)廢氣清洗容器洗滌，污泥倉(cāng)臭氣經(jīng)過(guò)廢氣清洗容器洗滌。然后，廢氣清洗容器中的氣體要通入生物濾池中做進(jìn)一步的凈化，最終排入空氣中。其實(shí)，污泥熱解處理技術(shù)相比于其他污泥處理技術(shù)，如焚燒技術(shù)，其本身就是一項(xiàng)無(wú)害化程度極高的技術(shù)手段。

3 污泥熱解自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目采用西門(mén)子PCS7 進(jìn)行自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。西門(mén)子自動(dòng)化產(chǎn)品具有許多優(yōu)勢(shì)，如可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、產(chǎn)品配套齊全、功能完善、適用性強(qiáng)、維護(hù)方便和容易改造等。所以本項(xiàng)目采用西門(mén)子系列產(chǎn)品，同時(shí)采用西門(mén)子PCS7 軟件進(jìn)行項(xiàng)目自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

3.1 設(shè)備選型與硬件組態(tài)

CPU 選用S7-400 高端CPU，另外連接4 個(gè)DP 從站和一個(gè)PC 站。4 個(gè)DP 從站中提供了DI、DO、AI、AO 接口，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)硬件實(shí)物，對(duì)其進(jìn)行軟件工程中的硬件組態(tài)，組態(tài)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 硬件組態(tài)界面和組件視圖界面

其中，CPU 與4 個(gè)DP 從站之間的通信采用PROFIBUS，CPU 與PC 端之間的通信采用以太網(wǎng)。

3.2 自動(dòng)化控制系統(tǒng)的編程與WINCC 畫(huà)面

PCS7 軟件具有一個(gè)相比于博途和STEP7＋WINCC軟件的巨大優(yōu)勢(shì)，那就是PCS7 在編寫(xiě)完程序后，可自動(dòng)生成WINCC 畫(huà)面對(duì)象，節(jié)省了大量的工程設(shè)計(jì)時(shí)間成本。所以本項(xiàng)目，通過(guò)對(duì)PCS7 進(jìn)行CFC（連續(xù)功能圖）和SFC（順序功能圖）編程，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化系統(tǒng)的搭建。本項(xiàng)目程序主要分為2 個(gè)部分，第1 部分是上泥與產(chǎn)物收集過(guò)程控制，第2 部分是熱解爐與熱解反應(yīng)器的過(guò)程控制。2 個(gè)部分的過(guò)程控制畫(huà)面如圖3 所示。

圖3 上泥與產(chǎn)物收集和熱解爐控制

4 實(shí)驗(yàn)

4.1 操作步驟

打開(kāi)循環(huán)水系統(tǒng)。打開(kāi)氮?dú)忾y門(mén)，排空熱解反應(yīng)器中的氧氣。點(diǎn)燃熱解爐，對(duì)熱解反應(yīng)器進(jìn)行加熱升溫。點(diǎn)燃導(dǎo)熱油爐，對(duì)導(dǎo)熱油進(jìn)行加熱升溫，從而升高雙層干化機(jī)中的溫度。待熱解反應(yīng)器與干化機(jī)升溫至預(yù)定溫度后，打開(kāi)液壓泵，開(kāi)啟柱塞推動(dòng)桿，開(kāi)始從污泥儲(chǔ)存?zhèn)}將污泥通過(guò)液壓裝置推入干化機(jī)中。

4.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，要時(shí)刻注意設(shè)備運(yùn)行狀況、各部分溫度傳感器數(shù)值以及系統(tǒng)報(bào)警信息。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程總歷時(shí)17 h，除去設(shè)備升溫時(shí)間5 h，污泥上料時(shí)間為12 h，共消耗10 t 污泥。

4.3 實(shí)驗(yàn)分析

本次實(shí)驗(yàn)污泥初始含水率大約為80%，該污泥具有惡臭氣味，含水率較高，通過(guò)鏟車(chē)將污泥送入污泥存儲(chǔ)倉(cāng)中。實(shí)驗(yàn)的未處理污泥與污泥處理產(chǎn)物如圖4 所示，該產(chǎn)物成沙狀，含水率接近于0%。同時(shí)，污泥量大大減少，10 t污泥產(chǎn)出0.5 t 殘?jiān)a(chǎn)物與大量可燃?xì)怏w。

從圖4 中可以看出，該設(shè)備對(duì)污泥處理效果明顯，并且能夠?qū)崿F(xiàn)污泥的減量化、穩(wěn)定化、無(wú)害化以及資源化。同時(shí)，該自動(dòng)化系統(tǒng)運(yùn)行良好，能夠勝任污泥處理過(guò)程。

圖4 未處理污泥和處理完剩余污泥殘?jiān)?/p>

5 結(jié)論

通過(guò)搭建自動(dòng)化系統(tǒng)，完成了污泥熱解實(shí)驗(yàn)，并且實(shí)驗(yàn)效果明顯。結(jié)果表明，污泥熱解技術(shù)不僅不產(chǎn)生CO2，具有環(huán)境友好的特點(diǎn)，同時(shí)還有效地實(shí)現(xiàn)了污泥的無(wú)害化、減量化、穩(wěn)定化和資源化，在未來(lái)污泥處理處置領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展前景。