銅冶煉爐煙氣噴霧冷卻控制系統

賈華，陳佳

(內蒙古科技大學信息工程學院，內蒙古包頭014010)

0 引言

銅是與人類關系非常密切的有色金屬，被廣泛地應用于電氣、輕工、機械制造、建筑工業、國防工業等領域，隨著對煉銅量需求的增加，在銅冶煉過程中產生的廢氣量也逐漸上升，其中，SO2在廢氣中所占的比重較大，而且SO2對空氣的危害最為嚴重。考慮到工業制酸的原料是SO2，為了達到既降低對空氣的污染和危害，又可以對工業廢氣進行二次利用、變廢為寶的目的，本課題的研究重點是通過噴霧冷卻技術提高對銅冶煉爐煙氣的處理及利用效率。

1 系統的硬件組成及總體設計

銅冶煉爐煙氣噴霧冷卻控制系統的工藝流程圖如圖1所示。

圖1 煙氣噴霧冷卻流程圖

從銅冶煉爐吹煉排出爐口的煙氣溫度在1 100℃左右，煙氣進入噴霧冷卻器后，恒定壓力的水氣混合物以霧狀的形態由噴嘴進入噴霧冷卻器中對煙氣進行降溫，隨著煙氣量的增減，噴入的水量也隨之增減，使冷卻器出口處煙氣的溫度控制在300℃左右。由于在冷卻煙氣的過程中會產生一定的塵渣，所以從冷卻器中排出的煙氣直接進入除塵器進行除塵，最后出來的煙氣進入制酸系統進行制酸。

本設計引入了PLC控制器和WINCC上位機監控軟件，通過PLC和WINCC的連接來更好的監控冷卻器內溫度的變化，控制水量的增減，使出口溫度控制最佳。系統的硬件部分主要包括噴霧冷卻和恒壓供水供氣部分。

2 噴霧冷卻控制原理

與以往的冷卻設備相比，噴霧冷卻技術作為一種先進的冷卻技術，在工業生產中已被廣泛的推廣應用。在銅冶煉爐煙氣除塵中運用噴霧冷卻技術降溫、調質，近年來也得到了一些實際應用。

銅冶煉爐煙氣具有溫度高、SO2含量高和煙塵多的特點，煙氣的波動幅度較大和流量的頻繁波動使得電除塵器處于不穩定運行狀態，再加上煙塵的比電阻較高，讓電收塵器的收塵效率比較低。要設法降低煙塵的比電阻，提高煙塵的收集率，其中一個方法就是在煙氣中通入有較好導電性能的調質劑(如SO2、NH3及水蒸氣等)，比較方便的是對煙氣進行增濕，此法對銅冶煉爐產生的高溫煙氣處理效果更好，在經過噴霧冷卻后，既能讓煙氣得到冷卻又能對煙氣起到很好的調質作用，在煙氣中噴水的同時還可以對細塵起到凝聚作用，增大煙塵的直徑，加快離子的趨近速度，二次揚塵減少，收塵效率大大提高。在實際的工藝冷卻技術中噴霧冷卻，隨著煙氣量的不斷實時變化和溫度的升高降低，采用PLC自動跟蹤系統，將從冷卻器出來的溫度嚴格控制在一個恒定值附近，為后續設備的穩定運行創造良好的條件。

噴霧冷卻需要把微量水混入壓力氣流中，通過噴嘴的高壓噴射形成霧狀的氣液兩相流體，噴射到冷卻器內，使煙氣與霧狀液滴充分接觸并進行熱交換，達到降低煙氣溫度的目的。

從冶煉爐內出來的高溫煙氣進入噴霧冷卻器中，經過噴霧冷卻器的噴霧冷卻之后，溫度降低，為了將出口處的溫度控制在所要求的恒定值范圍內，在出口處加入溫度變送器和控制器，將檢測到的信號傳給PID控制器，經過PID控制器內部的比較運算后再把結果反饋給調節閥，進而控制閥門的開度，形成一個閉環控制。噴霧冷卻溫度控制原理圖如圖2所示。

圖2 噴霧冷卻溫度控制原理圖

3 恒壓供水供氣設計

噴霧冷卻是把水和氣的混合物以霧狀的形式噴入冷卻器中，以此來達到降溫的目的，因此必須給系統提供恒定壓力的水和氣來保證冷卻液的充足。由于恒壓供氣和恒壓供水原理類似，在此只闡述恒壓供水。

恒壓供水系統如圖3所示，主要由水泵電機、壓力變送器、變頻器、PLC、液位傳感器組成。控制系統在不同階段的運行情況可以通過控制面板上的指示燈和按鈕以及轉換開關來顯示。變頻器內置的PID調節器接收由管網上的壓力變送器傳來的壓力信號，并將其變成4～20mA的電信號，經過內部PID的運算和比較以后，將信號送至變頻器。在整個控制系統中，水量的調節是通過變頻器來控制水泵電機的轉速實現的，在不同時期，隨著用水量的不同，水泵電機的轉速也就不同，工作頻率也不同。為了更好、更方便地控制，在變頻器中設置了頻率的極限值用來檢測水量。若用水量相對較大時，變頻器則跳轉到最高極限值，并且有一個開關信號送給PLC。若用水量隨之減小時，則變頻器跳轉到最低極限值處，同樣也可以由PLC中接收到一個開關信號。由于用水量不可能同時為最大或最小，所以，這兩個極限頻率值不可能同時達到。固然兩個信號亦不會同時產生。當任何一個信號產生時，信號立馬反饋給PLC，PLC通過已經設定好的內部驅動程序驅動I/O端口開關量的輸出來實現交流接觸器組的切換，用這種方法來協調工作中的水泵電機的臺數，并完成電機的啟停、變頻與工頻的切換。通過調整工作中的水泵電機的臺數和控制電機組中一臺電機的變頻轉速，保持系統管網的工作壓力始終穩定，從而達到恒壓供水的目的。

圖3中，M1、M2和M3分別為三臺電機，兩用一備，FR1、FR2和FR3為熱繼電器，接在電機之上用來保護電機，三個電流表分別裝在電機上用來檢測電機的正反轉以及電機故障，電壓表連接在電路中用來檢測當空氣開關QS閉合以后，電路中是否有電。當主觸點KM5、KM6和KM7閉合的時候，電機運行在變頻狀態，當主觸點KM2、KM3和KM4閉合的時候，電機運行在工頻狀態。

圖3 恒壓供水系統原理圖

4 系統的軟件設計

PLC在系統中的作用是控制電動調節閥，起到維持溫度恒定的作用；控制電磁閥釋放恒壓氣體；在恒壓供水中控制水泵的增減、倒泵。PLC的軟件設計流程如圖4所示。

溫度的控制采用PLC自帶的PID調節器。STEP7編程軟件為PID的編程提供了方便，可以利用PID設置向導方便地完成PID調節規律的編程。PID設置向導包括了定義需要配置的PID回路號、PID參數的設定、設定回路輸出輸入值、設定回路報警選項等，為編程提供了諸多方便。

5 監控畫面的設計

WinCC是一款功能強大的組態軟件，可在標準PC及Windows NT環境下完成人機界面的組態。SIMATICWinCC對過程事件有極快的反應，靈活性也很高，是PCS7過程控制系統及西門子其他系統的重要組件。WinCC還也是一款開放式、通用型軟件，可與西門子以外的多種控制器進行數據通訊，并且適合所有工業領域，可集成所有的自動控制方案，且集成簡便，擴展能力強，通訊接口豐富，可以保證設備的最優化運行，提高工業生產過程的實時效率。

本系統的上位機軟件選用WinCC軟件組態，執行顯示、報警、存儲、打印等功能。WinCC軟件具有強大的組態功能，適合于多種用途的控制系統，主要監控畫面如圖5所示。

圖4 軟件設計流程圖

圖5 WINCC過程監控畫面圖

6 結語

在傳統銅冶煉工藝煙氣處理方法的基礎上，引入噴霧冷卻技術，通過可編程控制器及WINCC組態軟件的應用，進行改進和創新，設計了一整套噴霧冷卻系統，對煙氣溫度進行有效的控制，與此同時還實現了SO2的二次利用，既對環保做出了貢獻，也為工業生產硫酸節省了原料。

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