消石灰溶液添加閥的選型及控制方案的優(yōu)化

楊瑞東

（江西銅業(yè)集團(tuán)有限公司 貴溪冶煉廠，江西 貴溪 335424）

1 引言

隨著人們對(duì)環(huán)保意識(shí)的不斷增強(qiáng)，以及國(guó)家對(duì)環(huán)保要求的不斷提高，廢水處理問題已是影響社會(huì)進(jìn)步的一個(gè)重要問題［1］，做好工業(yè)廢水的處理工作已然成為現(xiàn)代化工廠的重中之重。貴溪冶煉廠的工業(yè)廢水集中至硫酸車間廢水處理工序進(jìn)行處理，其中pH控制系統(tǒng)是廢水中和工序中不可或缺的一部分，為了讓pH控制系統(tǒng)更加穩(wěn)定、高效，消石灰溶液添加閥的選型和控制方案就起到了關(guān)鍵作用。本文將介紹貴冶使用過多種閥門類型后對(duì)消石灰溶液添加閥的最終選擇，即襯四氟蝶閥，以及對(duì)閥門控制方案的優(yōu)化。原先閥門的控制方案是基于PID輸出的定位器控制，經(jīng)過優(yōu)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(wěn)定，中和反應(yīng)更加徹底。

2 廢水處理工藝簡(jiǎn)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(zhì)，首先讓濾液中的大部分廢酸和石灰石乳液反應(yīng)生成石膏，生成的石膏在石膏濃密機(jī)及離心機(jī)中進(jìn)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(xué)中和處理工序中，主要處理來自預(yù)處理濃密機(jī)底流濾液、西場(chǎng)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(jìn)入氧化槽，隨后溢流到濃密機(jī)濃密，再進(jìn)入凝聚槽添加凝聚劑，將沉淀物凝聚，最后進(jìn)入澄清池進(jìn)一步澄清，澄清器上清液排放，下部漿液返回中和濃密機(jī)。

貴冶采用電化學(xué)中和處理工藝，即在沒有化學(xué)藥品添加的情況下使用電解法進(jìn)行處理［2］。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工藝的實(shí)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(yīng)槽，此時(shí)反應(yīng)槽中不同成分的液體充分混合，進(jìn)行中和反應(yīng)。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(tǒng)是否穩(wěn)定，反應(yīng)槽里的反應(yīng)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(guān)鍵作用。

3 消石灰溶液添加閥的選型

儀表自動(dòng)化是科技發(fā)展的產(chǎn)物，通過儀表自動(dòng)化可以提升工廠生產(chǎn)的質(zhì)量和效率，減少人力資源的應(yīng)用［3］，節(jié)約生產(chǎn)成本。閥門，作為工業(yè)儀表的組成部分，是生產(chǎn)過程中不可或缺的重要一環(huán)，在正常生產(chǎn)中，最合適的閥門類型應(yīng)用在最正確的地方。在選擇閥門類型時(shí)，主要考慮以下幾個(gè)因素：一是所選閥門在工藝上的用途，以及現(xiàn)場(chǎng)的工況； 二是介質(zhì)的相關(guān)性質(zhì)，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(guān)的特性，比如：流量特性，密封等級(jí)等；五是對(duì)閥門的可靠性要有合理的評(píng)估。

貴冶電化學(xué)中和設(shè)備上線后，消石灰溶液添加閥的選型經(jīng)歷過幾次變更。首先，選用過球閥，但是因?yàn)橄胰芤簝?nèi)含有雜質(zhì)，所以經(jīng)過一段時(shí)間的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后發(fā)現(xiàn)球閥的閥體容易被雜質(zhì)堵塞，導(dǎo)致閥門無法正常工作。隨后選用直通單座閥，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后發(fā)現(xiàn)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(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，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(zhì)和閥體、閥板隔離，消除介質(zhì)對(duì)閥門的腐蝕。同時(shí)，蝶閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，可用于帶懸浮固體顆粒的介質(zhì)，流量調(diào)節(jié)范圍大，能夠開關(guān)迅速，流阻小。雖然其密封性沒有球閥那么好，但是根據(jù)閥門選型的依據(jù)分析，加上現(xiàn)場(chǎng)工藝實(shí)踐，完全能夠滿足此工況。所以，經(jīng)過一年多時(shí)間的不斷摸索，最終選擇襯四氟蝶閥為電化學(xué)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(yōu)化

4.1 控制方案的優(yōu)化

貴冶廢水中和的pH控制系統(tǒng)中，pH值的精準(zhǔn)控制有利于作業(yè)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(yè)過程控制和電力驅(qū)動(dòng)，以及保持線性和非線性系統(tǒng)穩(wěn)定工作的技術(shù)［5］，在調(diào)節(jié)過程中可以解決系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性以及準(zhǔn)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(guī)律的簡(jiǎn)稱。貴冶的DCS系統(tǒng)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(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的應(yīng)用后，發(fā)現(xiàn)使用此控制方案，pH控制系統(tǒng)的波動(dòng)比較大，通過原理和現(xiàn)場(chǎng)工況分析，主要有兩點(diǎn)原因。第一，在廢水處理的中和工序中，pH控制對(duì)象的非線性、pH 反應(yīng)過程的滯后性和干擾的多樣性決定了要設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)的復(fù)雜性（如采用變參數(shù)控制或自適應(yīng)控制等）。而把對(duì)象看成單容加遲延環(huán)節(jié), 采用P 和PI的調(diào)節(jié)器, 一般不能滿足對(duì)象特性變化大和高質(zhì)量調(diào)節(jié)的要求。雖然采用PD的調(diào)節(jié)器能夠調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的動(dòng)態(tài)特性，對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)象有良好的調(diào)節(jié)作用，但是pH反應(yīng)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(tǒng)添加的物料為消石灰溶液，消石灰化學(xué)名為氫氧化鈣，其在常溫下是細(xì)膩的白色粉末，微溶于水。當(dāng)添加閥采用基于PID輸出的定位器控制時(shí)，閥門加料的開度變化不會(huì)太大，長(zhǎng)時(shí)間工作后，消石灰溶液下層會(huì)不斷有白色顆粒析出，出現(xiàn)沉淀，對(duì)管道造成堵塞，同時(shí)管道中的沉淀越來越多，也容易造成閥門的蝶板動(dòng)作不暢，從而影響pH控制系統(tǒng)的穩(wěn)定。

為了解決這兩個(gè)問題，我們立足理論和現(xiàn)場(chǎng)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(guān)的控制方案（如圖1所示）。占空比是指脈沖信號(hào)的通電時(shí)間與通電周期之比。此方案的優(yōu)點(diǎn)：第一，在一個(gè)占空比周期中，電磁閥什么時(shí)間都可以動(dòng)作，從而提高了可調(diào)的精度，同時(shí)占空比的工作方式能夠調(diào)節(jié)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(dòng)作的方式，不會(huì)造成消石灰溶液的長(zhǎng)時(shí)間沉淀，不容易堵塞管路。

圖1 優(yōu)化控制方案的簡(jiǎn)示圖

4.2 現(xiàn)場(chǎng)工藝數(shù)據(jù)對(duì)比

兩種控制方案在貴冶電化學(xué)中和pH反應(yīng)槽的實(shí)際應(yīng)用數(shù)據(jù)對(duì)比。

（1）1#反應(yīng)槽采用優(yōu)化前控制方案，2#反應(yīng)槽采用優(yōu)化后控制方案。

通過圖2和圖3現(xiàn)場(chǎng)工藝采集的數(shù)據(jù)曲線可以看出，在同一時(shí)段，pH設(shè)定值都為9.5，2#反應(yīng)槽pH值的曲線波動(dòng)在-0.1至0.1之間，1#反應(yīng)槽pH值的曲線波動(dòng)在-0.2至0.2之間。2#反應(yīng)槽的pH值比1#反應(yīng)槽的pH值更加穩(wěn)定。

圖2 1#反應(yīng)槽pH值（2020年7月2日0時(shí)至24時(shí)）

圖3 2#反應(yīng)槽pH值（2020年7月2日0時(shí)至24時(shí)）

（2）1#反應(yīng)槽也采用優(yōu)化后控制方案。

通過圖2和圖4的pH值對(duì)比來看，圖4的pH值波動(dòng)明顯小于圖2的pH值波動(dòng)。

圖4 1#反應(yīng)槽pH值（2020年8月2日0時(shí)至24時(shí)）

綜上所述，對(duì)比兩種控制方案在同一時(shí)間，作用于不同反應(yīng)槽的pH值的變化，及不同時(shí)間，作用于相同反應(yīng)槽的pH值的變化，得出優(yōu)化后的控制方案下的pH控制系統(tǒng)更加穩(wěn)定。

5 結(jié)束語(yǔ)

做好廢水處理工作是一個(gè)現(xiàn)代化工廠在環(huán)保方面的重中之重。其中任何一個(gè)環(huán)節(jié)都不容忽視，只有將每一個(gè)環(huán)節(jié)都做到最好，才能使整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到最高的效率。廢水中和工序的pH控制系統(tǒng)就是其中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，其難點(diǎn)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(shí)，充分考慮閥門選型的五大要點(diǎn)，以及現(xiàn)場(chǎng)反復(fù)試驗(yàn)后得出襯四氟蝶閥為最佳選擇。同時(shí)本文提出對(duì)原先控制方案的優(yōu)化，通過實(shí)踐數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)工況的對(duì)比，證明優(yōu)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(dòng)，從而保證廢水中和環(huán)節(jié)的效率。