張偉平

(山西省自動化研究所，山西 太原 030012)

當前，冶金行業(yè)和焦化行業(yè)基于環(huán)保的高標準和實現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟的整體指導思想，多數(shù)鋼廠和電廠均通過脫硫及焦化廠回收焦爐煤氣中的氨來制取副產(chǎn)品硫酸銨，既減少了環(huán)境污染，又變廢為寶，增加收益。由于硫銨顆粒細，含水4%以上，而且具有結(jié)晶特性，需要經(jīng)過干燥工藝方可使用，用傳統(tǒng)的振動流化床干燥系統(tǒng)能耗很高，對物料干燥的均勻性較差，經(jīng)過綜合實踐嘗試和比較，采用滾筒干燥器，運用順流干燥工藝，并將智能測控系統(tǒng)應用于生產(chǎn)，取得很好的干燥效果。滾筒干燥器就是一種熱傳導型連續(xù)干燥除濕設備，待干燥物料在內(nèi)部隨著滾筒轉(zhuǎn)動，與熱空氣充分接觸、受熱，經(jīng)干燥脫水后達到所要求的濕含量，滾筒干燥器具有熱效率高、干燥速率大、產(chǎn)品干燥質(zhì)量穩(wěn)定的特點［1］，通過融合應用自動測控技術(shù)，進一步擴大了滾筒干燥器的使用范圍，可以廣泛用于水泥、礦山、建材、化工工業(yè)，煤粉、石灰石、糧食、黏土等物料的干燥需求。

1 設備工藝流程簡述

硫銨干燥系統(tǒng)的整體工藝流程圖如圖1 所示，干燥器圓筒是一個與水平線略成傾斜的旋轉(zhuǎn)圓筒，從離心機送來的硫銨晶體顆粒，經(jīng)過螺旋輸送機，將物料從較高一端加入，空氣加熱器將加熱后的熱空氣通過鼓風機吹入滾筒干燥器，與物料一起流入筒體內(nèi)，隨著圓筒的轉(zhuǎn)動，物料受重力作用，從圓筒較底的一端流出。濕物料在筒體內(nèi)向前移動過程中，直接或間接得到了載熱體(熱空氣)的給熱，使?jié)裎锪辖?jīng)過受熱、脫水后得以干燥，然后在出料端經(jīng)收料管流至成品硫銨貯料斗。在筒體內(nèi)壁上裝有抄板，它的作用是把物料抄起來又撒下，使物料與氣流的接觸表面增大，以提高干燥速率并促進物料前進［2］。載熱體經(jīng)過滾筒以后，通過靜壓環(huán)旋風集塵器將氣體內(nèi)所帶物料捕集下來，經(jīng)下料口排出至硫銨貯料斗，為進一步減少尾氣含塵量，將夾帶硫銨顆粒的風引入水溶霧沫除塵器，利用硫銨易溶于水的特點，風與水充分接觸，吸收風中所夾帶的硫銨顆粒，凈化后的尾氣從排風口排入大氣。

圖1 硫銨干燥系統(tǒng)工藝流程圖

2 自動測控系統(tǒng)

2.1 測控對象及控制要求

硫銨晶體顆粒較細，而且具有結(jié)晶特性，為保證物料成品質(zhì)量干燥率和干燥的均勻性，必須對其經(jīng)過干燥后對含水量的精度進行有效的控制;對影響含水量控制的主要因素熱風風量和溫度進行穩(wěn)定的調(diào)節(jié)，以減少干燥過程中的波動對最終產(chǎn)品的質(zhì)量造成影響。各主要環(huán)節(jié)的總體控制要求包括以下幾個方面:

1)為控制硫銨出口含水量，要求干燥器入口熱風溫度≤120 ℃，出口溫度控制在35 ℃≤T≤45 ℃，有效防止硫銨顆粒發(fā)生板結(jié)。

2)物料為含水量≤5%的濕硫銨晶體，成品硫銨晶體的含水量要求最低0.03%，最高不到0.2%，達到國家優(yōu)等品的標準。

3)系統(tǒng)調(diào)節(jié)以滾筒干燥機硫銨出口處微負壓為合適。

4)采用物料與熱風順流接觸干燥方式，蒸發(fā)強度高，當滾筒干燥器的溫度降至40 ℃以下時方可停車。

5)以出風量調(diào)節(jié)水溶霧沫除塵器的液位高度、以出風口不帶水為宜。

主要的測控對象包括:鼓風風量控制、滾筒干燥器入口和出口溫度控制、硫銨晶體顆粒含水量控制、干燥器出口微負壓控制、水溶霧沫除塵器的液位控制。

2.2 控制系統(tǒng)方案配置

滾筒干燥器各個模擬量的調(diào)節(jié)也是比較復雜的控制過程，需要多個設備的協(xié)調(diào)配合，采用智能控制模式才能保證生產(chǎn)工藝條件的穩(wěn)定。依據(jù)本干燥器的整體工藝特點，計算機控制系統(tǒng)設計采用西門子S7-300 系列PLC 為系統(tǒng)控制的核心，采集溫度、壓力、含水量、流量、液位等模擬信號，根據(jù)控制要求，經(jīng)過控制軟件智能調(diào)節(jié)器的運算及數(shù)據(jù)處理，給出模擬信號來調(diào)節(jié)閥門開度、變頻器轉(zhuǎn)速等控制量，實現(xiàn)完整的多閉環(huán)控制系統(tǒng)來滿足工藝條件的智能調(diào)節(jié)，構(gòu)成變頻控制、儀表控制、PLC 控制的智能測控系統(tǒng)［3］。該系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)采集、閉環(huán)控制、連鎖控制、報警等功能，人機界面采用西門子觸摸屏進行畫面的組態(tài)和顯示，完成對生產(chǎn)過程的顯示、控制、操作和管理。

為了滿足控制要求，需要設置的模擬量采集點包括:鼓風風量、中壓蒸汽的壓力和溫度、滾筒干燥器入口溫度和出口溫度、硫銨晶體顆粒含水量、干燥器出口壓力、引風機出口尾氣風量、水溶霧沫除塵器的液位。需要調(diào)節(jié)的模擬控制量有蒸汽量的閥門開度、鼓風機的變頻調(diào)速、抽風機的變頻調(diào)速。控制系統(tǒng)方案框圖如圖2 所示。

圖2 控制系統(tǒng)方案框圖

1)PLC 核心控制單元:采用西門子S7-300CPU，配置模擬量輸入和輸出模塊，開關(guān)量輸入和輸出模塊，采集溫度、壓力、含水量、風量、液位等模擬量信號，完成生產(chǎn)過程所有自控設備的控制和調(diào)節(jié)，依據(jù)生產(chǎn)工藝條件要求，通過控制軟件的綜合計算，給出變頻器轉(zhuǎn)速、閥門開度調(diào)節(jié)信號，實現(xiàn)生產(chǎn)工藝環(huán)境的穩(wěn)定，從而保證生產(chǎn)出高質(zhì)量的產(chǎn)品。

2)觸摸屏:作為人機對話設備，采用MPI 通訊方式與PLC 相連，組態(tài)所需要的操作畫面、監(jiān)視畫面、控制畫面、報警畫面、趨勢曲線等，并進行數(shù)據(jù)管理，完成相關(guān)控制參數(shù)的設置與顯示。

3)變頻調(diào)速控制部分:接收PLC 控制單元發(fā)出的4～20 mA 調(diào)節(jié)信號，完成變頻器對鼓風機和引風機的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)對鼓風風量和出口尾氣壓力的控制。

4)低壓配電部分:對離心機、螺旋輸送機、滾筒干燥器輸送機等相關(guān)設備進行配電，并接收PLC 控制單元的開關(guān)量控制信號，完成工藝設備的連鎖起?？刂撇僮?。

5)模擬量信號采集部分:溫度變送器、壓力變送器、流量變送器、水分儀變送器、液位變送器將采集到的溫度、壓力、風量、物料含水量等模擬量信號，通過4～20 mA 傳輸給PLC，供PLC 控制軟件分析計算使用。

2.3 重點環(huán)節(jié)測控原理及過程

2.3.1 硫銨含水量控制調(diào)節(jié)

硫銨晶體顆粒的含水量是整個控制過程的關(guān)鍵點及難點，是一個復雜的控制過程，具有時變性和非線性，主要依靠流入滾筒干燥器熱風風量和熱風溫度兩個因素來進行調(diào)節(jié)控制，溫度的控制通過調(diào)節(jié)蒸汽管道上的電動調(diào)節(jié)閥的閥門開度，改變蒸汽的流量，進而達到控制熱風溫度的目的，熱風風量的控制通過調(diào)節(jié)鼓風機的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)。依據(jù)生產(chǎn)工藝要求，需要二者進行最佳參數(shù)配比，方能使硫銨晶體達到高質(zhì)量的干燥效果。風量太大，空氣的流速增加，通過空氣加熱器時不能與蒸汽充分熱量交換，達不到溫度控制要求;風量太小，滾筒干燥器為了保證物料含水量達到控制要求，勢必需要增加熱風的溫度，而溫度太高，這又是不允許的?；诳刂埔?，對于含水量的控制，本設計參考比值閉環(huán)控制系統(tǒng)模式［4］，在軟件上加入了配比參數(shù)智能調(diào)節(jié)方式，調(diào)節(jié)器原理如圖3 所示?？紤]到外來中壓蒸汽的壓力和溫度的波動變化，將直接影響到空氣加熱器送出的熱風溫度，進而影響到滾筒干燥器中溫度的平穩(wěn)性，為了提高控制質(zhì)量，加入前饋調(diào)節(jié)器，首先測量蒸汽的壓力和溫度的波動情況，然后前饋調(diào)節(jié)器依據(jù)一定的調(diào)節(jié)規(guī)律改變調(diào)節(jié)閥，保證了空氣加熱器出口熱風溫度的穩(wěn)定性，由于溫度的慣性和純滯性，通過前饋控制器對擾動進行補償，就可以使被控量(含水量)不會因為擾動作用產(chǎn)生明顯的偏差。含水量控制調(diào)節(jié)原理圖如圖3 所示。

圖3 含水量控制調(diào)節(jié)原理圖

2.3.2 干燥器出口微負壓控制調(diào)節(jié)

干燥器出口采用微負壓可以避免夾帶硫銨顆粒的尾氣熱風擴散到大氣中，造成環(huán)境污染?；谖锪虾績?yōu)先調(diào)節(jié)控制的原則，系統(tǒng)熱風風量必然會隨著生產(chǎn)波動，進而反應到干燥器出口壓力的變化，為了保證干燥器出口微負壓的穩(wěn)定，就需要通過閉環(huán)控制方式，由PLC 采集出口壓力信號，通過控制軟件的自動調(diào)節(jié)運算，給出引風機調(diào)速信號，從而將出口壓力控制在所需要的負壓值上?？刂剖疽馊鐖D4。

圖4 干燥器出口壓力控制示意圖

2.3.3 水溶霧沫除塵器控制過程

為保證尾氣中夾帶的硫銨顆粒被水充分吸收，需要以出風量依據(jù)一定的調(diào)節(jié)規(guī)律控制霧沫除塵器中硫銨母液液位的高度和擋風板的開度，以使出風口尾氣不帶水為宜。當風量加大時，液位降低、擋風控制板提高;風量減小時，液位提高、擋風控制板降低。

3 滾筒干燥器的功能特點

1)熱效率高，熱風的熱量除少數(shù)熱輻射和筒體散熱損失外，大部分的熱量用于了物料濕分汽化。

2)干燥速率大，采用順流接觸干燥方式，方向一致，溫度梯度較大，可使料膜表面保持較高的蒸發(fā)強度。

3)用于硫銨干燥時，物料出口溫度低于45℃，不用冷風進行冷卻，且硫銨不易發(fā)生板結(jié)。

4)采用PLC 作為智能測控系統(tǒng)的核心，可以充分發(fā)揮控制軟件的算法優(yōu)勢，從而達到工藝條件預期的控制調(diào)節(jié)目標。

5)載熱體介質(zhì)簡單，常用飽和水蒸汽，壓力范圍0.2 MPa～0.6 MPa。

6)操作簡單，易于控制，運行穩(wěn)定，干燥效果好，密封性能優(yōu)良，節(jié)能效果顯著。

7)應用范圍廣，可根據(jù)干燥物料性質(zhì)不同調(diào)整運行參數(shù)，充分質(zhì)熱交換，達到良好的脫水效果。

4 結(jié)束語

目前在干燥技術(shù)領(lǐng)域，大多數(shù)操作仍然是通過試驗取得相關(guān)數(shù)據(jù)來指導生產(chǎn)，將智能化測控技術(shù)應用其中的能力還十分有限。隨著對干燥操作技術(shù)有更高的要求，不僅要保證產(chǎn)品質(zhì)量，而且要環(huán)保節(jié)能。通過本自動測控系統(tǒng)在滾筒干燥器上的應用研究，將對干燥操作技術(shù)的發(fā)展形成有益的促進，具有良好的社會和經(jīng)濟效益。

［1］金國淼.干燥設備［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2005.

［2］劉廣文.干燥設備設計手冊［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2009.

［3］張歆，張小薊.測控技術(shù)［M］.西安：西北工業(yè)大學出版社，2013.

［4］夏德鈐，翁貽方.自動控制理論［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2007.