孟 冉

(遼寧機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧 丹東 118009)

0 引言

1987年9月5日，我國出臺了《中華人民共和國大氣污染防治法》，經(jīng)過2000年和2015年兩次修訂，法案中明確規(guī)定了大氣污染防治標(biāo)準(zhǔn)和限期達(dá)標(biāo)規(guī)劃。隨著我國科技的發(fā)展，人民生活水平不斷提高，人們對環(huán)境保護(hù)，尤其是大氣環(huán)境保護(hù)更加關(guān)注。校園是培養(yǎng)“祖國花朵”的場所，隨著國家辦學(xué)水平的提高，學(xué)生動手實踐的機(jī)會日益增多，學(xué)校興辦了很多實驗室，讓學(xué)生探索科學(xué)的奧妙，化學(xué)實驗室在大中專、本科院校是很普遍的[1]?；瘜W(xué)實驗室多分布在高校或者城市，具有占地空間有限、周圍人員密集等特點，化學(xué)實驗室的廢氣處理、達(dá)標(biāo)排放更加需要關(guān)注。

實驗室的酸堿廢氣處理必須采用易于操作管理的分類處理凈化工藝，整個處理過程是環(huán)保、安全、穩(wěn)定、無劇烈的能量轉(zhuǎn)換，處理系統(tǒng)操作、管理及維護(hù)要簡便，投資、運行費用低[2-5]。對于實驗室廢氣處理，現(xiàn)有的廢氣處理技術(shù)主要有：氧化處理法、生化處理法、物理吸附法、燃燒法、低溫等離子法等。對于化學(xué)實驗室，有些廢氣治理工藝不可以使用，如生化處理法、低溫等離子法、燃燒法等，這些方法均需要一批專業(yè)的運行及維護(hù)人員，這類方法比較適用于污染物種類和濃度變化不大的有機(jī)類廢氣處理；氧化處理法和物理吸附法處理方式存在處理效率低、成本較高、工藝復(fù)雜、設(shè)備巨大、易形成二次污染等缺點，因此，在實驗室酸堿廢氣處理領(lǐng)域推廣過程中容易受到阻礙[6]。噴淋凈化塔具有處理廢氣和降塵的功能，在各大廠礦企業(yè)應(yīng)用非常廣泛，多采用立式塔，具有凈化效率高、處理容量大的優(yōu)點，但是在使用過程中，也暴露出占用空間大、噪聲大、易滲漏、自動化水平低且需要專業(yè)人員維護(hù)的問題，不易于城市或校園加裝使用。針對上述問題，提出了一種以組態(tài)王軟件和智能板卡硬件為核心的實驗室用濕法臥式噴淋凈化塔在線監(jiān)控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體方案

臥式噴淋凈化塔系統(tǒng)包括噴淋凈化塔、通風(fēng)櫥、室內(nèi)通風(fēng)口、室內(nèi)管道、室外管道、尾氣管道和煙囪，如圖1所示?；瘜W(xué)實驗安排在通風(fēng)櫥內(nèi)進(jìn)行，實驗過程中生成或者藥液揮發(fā)的有害氣體或者粉塵均通過通風(fēng)櫥通風(fēng)口排出室外，有效降低了實驗室內(nèi)有害廢氣濃度?；瘜W(xué)實驗室常見易揮發(fā)藥品，無論是在儲藏、轉(zhuǎn)運或者在實驗過程中，藥液揮發(fā)在所難免，因此，在室內(nèi)儲藥柜附近和實驗室角落安裝室內(nèi)通風(fēng)口，加快室內(nèi)空氣循環(huán)速度，避免長時間揮發(fā)導(dǎo)致室內(nèi)有害氣體濃度上升而發(fā)生安全事故。在室內(nèi)搜集的有害廢氣通過風(fēng)機(jī)作用，吸收到噴淋凈化塔中，吸收液在塔底經(jīng)水泵增壓后從塔頂噴淋而下，吸收液均勻噴灑在填料層中，廢氣與吸收液進(jìn)行氣液兩相充分接觸吸收中和反應(yīng)，廢氣經(jīng)過凈化后，可防止出風(fēng)口帶走過量吸收溶液造成環(huán)境污染。在出風(fēng)口處設(shè)置旋流除霧器，凈化后的氣體經(jīng)除霧板脫水除霧后，由風(fēng)機(jī)和煙囪排入大氣。在安裝通風(fēng)櫥或室內(nèi)通風(fēng)口時，不受位置和數(shù)量的限制，不會影響實驗室的原有布局，本系統(tǒng)可以應(yīng)用于原有化學(xué)實驗室的改擴(kuò)建工程，為了節(jié)省空間，將塔器至于房頂。為了防止?jié)B漏，將塔體底部進(jìn)行封閉，同時進(jìn)行耐腐處理，確保不會對原有建筑造成二次傷害。

圖1 臥式噴淋凈化塔系統(tǒng)總體方案設(shè)計

為了提高實驗室用噴淋凈化塔自動化程度，經(jīng)過調(diào)研，本文提出了以組態(tài)王和智能板卡為核心的在線監(jiān)控系統(tǒng)，為了方便使用與維護(hù)，建立了設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)。監(jiān)控系統(tǒng)功能主要包括：排放氣體污染檢測、吸收液的pH酸堿度檢測、吸收液的液位檢測、儲液箱溫度檢測、吸收液噴淋流量檢測，將數(shù)據(jù)傳回計算機(jī)進(jìn)行顯示，利用組態(tài)王軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行實時顯示，設(shè)置pH酸堿度報警、儲液箱液位偏低報警，提醒維護(hù)人員更換吸收液或者補(bǔ)充吸收液。設(shè)置噴淋流量報警，提醒用戶檢測噴嘴是否結(jié)晶堵塞。冬天溫度較低，晝夜溫差較大，吸收液易出現(xiàn)結(jié)晶，一方面堵塞噴嘴，提高故障率；另一方面，因結(jié)晶致使吸收液濃度降低，影響凈化效率，因此，在儲液箱中設(shè)計伴熱控制系統(tǒng)，保證溫度處于正常。在維護(hù)人員更換吸收液或者補(bǔ)充吸收液時，不易觀察儲液箱內(nèi)液位，需要設(shè)計儲液箱防溢流控制。根據(jù)化學(xué)實驗室工作規(guī)律，在線監(jiān)控系統(tǒng)的控制模式分為兩種：一是實驗?zāi)Ｊ?，設(shè)備連續(xù)運行；二是揮發(fā)模式，定時間歇通風(fēng)，防止污染實驗室。

2 硬件設(shè)計

監(jiān)控系統(tǒng)硬件主要包括各種傳感器及智能板卡、按鍵及旋鈕、指示燈、聲光報警器、報電動調(diào)節(jié)閥、加熱管、通信接口和工控機(jī)PC及其附件等。該系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)組成，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

監(jiān)控系統(tǒng)以精準(zhǔn)節(jié)能為原則，氣體污染物檢測傳感器安裝在廢氣排放口，檢測實驗室排放氣體污染物濃度，將廢氣數(shù)據(jù)通過鴻格I7017智能模塊傳回計算機(jī)，通過組態(tài)王程序控制鴻格I7024智能板卡控制噴淋系統(tǒng)主管道電動調(diào)節(jié)閥開度控制噴淋吸收液流量，確保實驗室廢氣達(dá)標(biāo)排放。流量傳感器安裝在噴淋系統(tǒng)噴淋口處，用于測量每個噴淋口流量，目的一是檢測噴淋系統(tǒng)是否均勻噴灑吸收液，二是檢測噴淋口是否結(jié)晶堵塞，將檢測數(shù)據(jù)通過鴻格I7017智能模塊傳回計算機(jī)，經(jīng)計算機(jī)計算處理，如出現(xiàn)噴灑不均或者結(jié)晶堵塞，系統(tǒng)自動報警處理。液位傳感器安裝在儲液箱中，檢測吸收液的液位變化，將采集數(shù)據(jù)通過鴻格I7017智能模塊傳回計算機(jī)，以此數(shù)據(jù)判定儲液箱中是否需要補(bǔ)充吸收液，同時可以根據(jù)吸收液的液位變化判定儲液箱是否出現(xiàn)漏液并自動報警。溫度傳感器用于測量儲液箱內(nèi)吸收液溫度，將檢測數(shù)據(jù)通過鴻格I7017智能模塊傳回計算機(jī)，經(jīng)計算機(jī)程序判定為低溫，則通過組態(tài)王程序控制鴻格I7024智能板卡控制可控硅電壓調(diào)制器啟動加熱管，并實時調(diào)節(jié)儲液箱內(nèi)溫度保持吸收液溫度。通過pH計來測量吸收液實時pH酸堿度，將采集數(shù)據(jù)通過鴻格I7017智能模塊傳回計算機(jī)，經(jīng)計算機(jī)計算處理，判定是否需要更換或者添加吸收液。鴻格I7055是采集操作信號并進(jìn)行電源指示的模塊，功能簡單，目的明確。

3 軟件設(shè)計

3.1 下位機(jī)軟件設(shè)計

3.1.1 一鍵啟動

接通電源，按下噴淋凈化塔啟動按鈕，監(jiān)控系統(tǒng)通過采集儲液箱液位傳感器信號判定儲液箱中吸收液液位是否滿足要求，若液位較低，自動報警儲液箱吸收液不足，補(bǔ)充吸收液。通過pH計采集吸收液的pH酸堿度，判定吸收液是否滿足工作最低限要求，若不滿足條件則提示更換吸收液；若均可正常工作，打開電動調(diào)節(jié)閥開度為50%，啟動噴淋泵；通過流量傳感器檢測各個噴淋口流量，比較各個噴淋口流量，保證均勻噴灑吸收液，若某些噴淋口流量偏小甚至為零，系統(tǒng)結(jié)晶報警；若能夠保證均勻噴灑吸收液，待儲液箱液位穩(wěn)定即可啟動風(fēng)機(jī)，完成噴淋凈化塔一鍵啟動，流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)一鍵啟動流程

3.1.2 儲液箱伴熱控制

據(jù)調(diào)研，噴淋口在嚴(yán)寒地區(qū)容易出現(xiàn)噴淋口結(jié)晶等問題，主要原因在于環(huán)境低溫，致使吸收液溶解度降低，溶質(zhì)結(jié)晶吸收，堆積在噴淋口導(dǎo)致噴淋口堵塞。因此，為了解決噴淋口低溫結(jié)晶的問題，設(shè)計了儲液箱伴熱控制程序。監(jiān)控系統(tǒng)一鍵啟動后，儲液箱溫度傳感器檢測吸收液溫度，采集溫度數(shù)據(jù)與溫度設(shè)定值進(jìn)行比較，判斷吸收液是否有結(jié)晶風(fēng)險，若吸收液溫度低于設(shè)定值，監(jiān)控系統(tǒng)調(diào)節(jié)可控硅電壓調(diào)制器輸出，調(diào)節(jié)防腐加熱棒加熱功率進(jìn)行儲液箱伴熱控制。

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計

監(jiān)控軟件選用北京亞控KingView6.55軟件，其具有開放性良好，功能模塊豐富，人機(jī)界面友好，編程簡單，安全可靠的特點，可以快速地構(gòu)建數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)[7]。該軟件與智能板卡模塊通過串口通信，將采集的數(shù)據(jù)顯示在監(jiān)控界面上，可通過程序設(shè)置報警權(quán)限、儲存數(shù)據(jù)和動態(tài)顯示，配合動畫仿真演示，顯示更加直觀。監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)界面如圖4所示。

圖4 上位機(jī)界面

4 結(jié)語

本文提出的噴淋凈化塔監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)了化學(xué)實驗室廢氣排放的自動監(jiān)測、噴淋凈化塔的一鍵啟動、儲液箱伴熱控制和在線監(jiān)看功能。系統(tǒng)采用的鴻格智能板卡具有控制可靠、成本低廉、組網(wǎng)方便和擴(kuò)展能力強(qiáng)的特點，上位機(jī)組態(tài)王軟件操作簡單，維護(hù)方便，人機(jī)交互性好，實現(xiàn)了噴淋凈化塔的自動監(jiān)測、一鍵啟動、伴熱控制、故障自診斷和在線監(jiān)看功能。該系統(tǒng)可以提高噴淋凈化塔處理酸堿廢氣的穩(wěn)定性和自動監(jiān)控水平，減少實驗室設(shè)備維護(hù)負(fù)擔(dān)，為設(shè)備日常維護(hù)與管理提供依據(jù)。