大型銅冶煉企業除塵設備全自動化技術的研究與應用

方項林,周春虎,王煒博,呂鑫寬

(國投金城冶金有限責任公司,河南 靈寶 472500)

0 前言

隨著科技的進步,大型化工企業規模化、現代化的發展,PLC在工業控制領域的應用越來越廣。運用自動化控制的技術措施手段提高設備使用壽命,提高自動化程度,減少人員配置,優化工藝指標等是必然趨勢。

目前,大量依靠繼電器控制的各類設備設施仍在許多領域里廣為應用,傳統的繼電器控制系統必須使用大量的接觸器、中間繼電器、時間繼電器等電器元件,觸點頻繁動作,也會因為元件的老化導致繼電器接觸不良,頻繁出現故障,嚴重時會引起系統停產。傳統的繼電器控制系統在實際使用和維護的成本也比較高；另外系統功能越多相對應的線路也會越繁雜,在設備出現故障后,故障排查困難,無法第一時間內消除故障,也會對正常生產造成不利影響。

隨著科技的發展,現在一般的可編程控制器(以下簡稱PLC)不僅能夠靈活按需編程,也可以實現非常復雜的控制功能。它和相同功能的繼電器控制系統比較,具有以下優良特點：①開發簡單,調試容易,可以在線修改程序,改變控制方案；②具有一定的帶負載能力,可直接驅動一般的電磁網和小型接觸器；因為軟件功能取代了繼電器控制系統中各類繼電器,因此控制柜的設計、安裝、接線乃至運行維護工作量都會大大減少；③故障減少,排除故障簡單,對生產的影響小,使生產效率得以提高；④PLC控制系統通過通信聯網,實現分散控制,集中管理等。

因此,利用先進成熟的PLC控制系統技術改進由傳統繼電器控制系統的技術具有廣泛應用的空間。國投金城冶金有限責任公司吹煉電收塵將刮板機、溢流螺旋、灰斗防閉塞裝置、陰陽極振打裝置控制系統開展自動化的研究與應用實踐。

1 改造背景及需求

1.1 改造背景

國投金城冶金有限責任公司成立于2013年8月,是國家開發投資集團有限公司全資子公司國投礦業投資有限公司控股投資企業。公司采用富氧底吹造锍捕金自熱熔煉技術,主要由熔煉底吹爐、吹煉爐、陽極爐三聯爐,熔煉收塵、吹煉收塵、環保收塵、精煉收塵四套收塵系統以及硫酸工段、制氧站、電解車間、陽極泥等車間組成。因工藝需求不同,熔煉及吹煉收塵系統采用電除塵設備,環保及精煉收塵采用布袋除塵器。由于熔煉底吹爐處理的礦源雜、處理量大,產生的煙氣量比較多,熔煉電塵采用24小時不間斷進行集中排灰打包,而吹煉爐所產生的灰量較少,吹煉電塵不需要24小時連續排灰。因此對吹煉排灰控制系統進行改造。

1.2 電除塵器的優勢

電除塵器是以靜電除塵進行收捕煙氣中粉塵的裝置,是凈化熔煉爐及吹煉爐冶煉產生煙氣的理想設備。它的凈化工作主要依靠放電極和沉淀極這兩個系統來完成。在電除塵器各電場中,利用高壓直流電(負高壓)使氣體電離,產生陰、陽離子。含塵的煙氣通過含有大量電子、正負離子的電場,使煙塵顆粒荷電,在高壓電場作用下,根據同性相斥、異性相吸的原理,大量的帶負電荷的塵粒在收塵電極(陽極板)上沉積,放出電荷,而少量的帶正電荷的塵粒在電暈極(陰極線)上沉積,達到收塵目的。利用機械振打,振打錘周期性地敲打兩極裝置時,粘附在其上的粉塵被抖落,落入下部灰斗經排灰裝置排出機外,經過倉式泵使用高壓氮氣輸送至白煙塵打包站灰倉,利用自動包裝機進行打包回收儲存。電除塵器具有除塵效率高；阻力損耗小；能處理高溫煙氣；運行費用低等優點。

1.3 吹煉電塵排灰原理

國投金城冶金有限責任公司吹煉電除塵器崗位的排灰系統由1臺熱埋刮板機、5臺溢流螺旋、10臺灰斗防閉塞裝置、4個陽極振打裝置以及8個陰極振打裝置組成。在運行過程中,主要由4個陽極振打裝置將陽極板上吸附的煙灰震落至灰斗內,積存灰斗中的煙灰在自身的重力以及防閉塞裝置的作用下進一步將煙灰抖落到溢流螺旋設備內,螺旋內的煙塵在旋片轉動的作用下進入熱埋刮板機內,最終通過刮板機輸送到倉式泵設備后,由氮氣作為動能,將煙灰打至白煙塵打包站內進行集中包裝。

1.4 吹煉電除塵器改造需求

企業的快速發展,使得設備的自動化運行勢在必行。國投金城冶金有限責任公司吹煉電除塵器的刮板機、溢流螺旋、防閉塞裝置改造之前的控制及操作是：原控制方式為就地/遠程一對一啟動方式,運行方式為連續運行,現場必須安排人員進行操作和巡檢。因吹煉電除塵器處理的煙氣量并不是太大,在灰量較小的情況時,如果沒及時停止設備的運行,會加大電能的消耗,溢流螺旋減速機與旋片連接處的盤根也會被磨碎變形,油杯中的潤滑油變質,導致含金物料灑落、現場環境變差、增加操作人員勞動量、設備的使用壽命縮短,同時在沒灰的情況下溢流螺旋長時間的運行,絞龍抽空,大量的冷空氣在負壓的作用下進入系統內,經過與煙塵內的二氧化硫氣體發生化學反應產生稀酸進而腐蝕設備,同時倉式泵設備也需24小時不間斷進行輸灰,浪費大量的電能。結合本公司生產實際,吹煉系統的生產情況總結,吹煉電除塵器收集的電塵灰每天產量2包計2 m3左右,平均產量0.08 m3/h,一、二電場的產量約為0.06 m3/h,三、四電場的產量約為0.02 m3/h,其排灰系統溢流螺旋的輸送能力為10 m3/h,刮板機的輸送能力為15～20 m3/h,在目前生產中1#溢流螺旋為間歇性開啟(每班開啟一次,運行10分鐘),2～5#溢流螺旋及刮板機、電收塵器的陰陽極振打為常開狀態,灰斗防閉塞裝置運行周期為4分鐘振5秒。

根據每天的產量來看,目前的排灰方式造成了極大的動能資源浪費,降低了設備的使用壽命,增加了操作人員的勞動量。為了使動能資源有效利用,達到設備使用效率的最大化,降低設備使用壽命損耗,本著不影響電除塵器的工作效率及降低操作人員勞動強度制定以下整改建議及措施。

2 改造方案要求及引用

在原有抽屜柜控制線路的基礎上進行改造,改為：(1)保留原有的手動就地模式開停,便于單臺設備的操作與維護；(2)在原有的基礎上將吹煉電除塵的排灰系統16臺電動機控制方式改為PLC自動控制、聯動控制的運行方式。具體改造如下：

改造材料：一臺S7-1200系列PLC控制器,型號為：1215DCDCRLY、7只直流中間繼電器、7只交流中間繼電器、3只微型斷路器、1臺220V/24v開關電源、控制電纜若干,現場配備一臺操作箱。

改造方案：將吹煉電除塵排灰系統的16臺設備運行方式的時間進行間斷性控制；其中包括1臺埋式刮板機、5臺溢流螺旋輸送機、10臺倉壁振動器,現場操作箱配備系統運行指示燈作為顯示,便于巡檢人員查看,紅色指示燈表示停止狀態,綠色指示燈表示運行狀態,操作方式分為手動模式和自動模式。手動模式：將現場各設備通過現場操作箱轉換開關轉至就地位置,自由按下各操作箱啟動、停止按鈕進行操作；自動模式：將現場轉換開關包括(溢流螺旋、刮板機、防閉塞裝置)轉至遠程位傳給PLC作為啟動備妥條件,操作人員只需要按下啟動按鈕,運行指示燈亮起,溢流螺旋輸送機、埋式刮板機6臺設備將進入運行狀態,首次啟動開機先運行10分鐘,灰斗防閉塞裝置為每一分鐘從第56秒開啟振動器,并持續振動5秒,運行10分鐘后停止16臺設備,休眠間隔30分鐘后,再次自動進入運行狀態,運行10分鐘,依次循環,每天共運行360分鐘。

同時將電除塵器的一、二電場陽極振打周期設置為運行10分鐘停止20分鐘,三、四電場陽極振打周期設置為運行10分鐘停止30分鐘,避免了在震動清灰過程中的二次揚塵,提高了收塵效率。

改造控制圖,如圖1所示。

改造后的優勢：(1)按照圖1所示各元件線路接好后,先用模擬軟件對程序模擬進行測試,確認無誤后下載至控制箱內PLC加載運行。從實際運行情況來看本改造方案成本低廉、簡便可行、效果良好、改造時間短,未對系統生產造成延誤影響；改造后的控制系統可靠性高。陰陽極振打間歇性運行,保障了電塵阻力不影響系統,使極板極線得以有效排灰,同時避免了二次揚塵,使收塵效率由98%提高至99.5%。

圖1 吹煉收塵除塵系統

(2)將灰斗倉壁防閉塞裝置與溢流螺旋、刮板機設置為連鎖狀態,通過PLC自動控制,設置為間斷運行,有效地降低了人員操作頻率、勞動強度及溢流螺旋漏風率,同時降低了灰斗堵塞的概率,該項技術投入使用12個月,未出現灰斗堵塞等現象。

(3)設備的間斷運行滿足電塵灰產量有效排灰的同時,提高了動能的有效利用,同時電能的消耗降低了一大部分。吹煉除塵器改造前與改造后電量對比：

吹煉刮板機：數量1臺、電動機15 kW,運行電流為12 A,運行功率約7 kW。

溢流螺旋輸送機：數量5臺、電動機單臺功率5.5 kW,單臺運行功率約4.5 kW。

防閉塞裝置：數量10臺、振動器單臺0.25 kW,共計2.5 kW。

陽極振打：數量4臺,單臺運行功率約0.55 kW,共計2.2 kW。

所有設備每小時總功率計算如下：7+(5×4.5)+2.5+2.2=34.2 kW·h。

全年按設備運行330天計算：34.2×24×330=270 864 kW·h。

按市價0.67元/kW：計算270 864×0.67=181 478.88元。

改造后開10分鐘停30分鐘計算共計6 h。

運行功率不變：34.2×6×330=67 716 kW·h。

按市價0.67元計算：67 116×0.67=45 369.72元。

結論：改造前與改造后全年(按330天)節約270 864-67 716=203 148 kW·h,節約電費約203 148×0.67=136 109.16元。

表1 裝機功率明細表

(4)此項技術改造降低了勞動強度,之前需要4名人員完成的工作,現在僅需1人即可完成,減少人員3名,可節約人力成本20萬元/年。

(5)此項技術改造縮短了倉式泵設備的使用時間,將之前24小時不間斷輸灰變為每天僅需1小時輸灰,延長了設備的使用壽命,同時在氮氣使用方面也節約一大筆開支(倉式泵工作的氣源動力為氮氣)。

吹煉電除塵器自動化控制的改造不僅在電耗方面節約了一大筆開支,同時也延長了設備的使用壽命。由于設計合理,設備運行周期可根據工藝需求進行調整,優化了生產工藝,因此本次吹煉電除塵器排灰系統的改造是可行的,可以在類似企業進行推廣應用。

4 結語

實踐證明,大型銅冶煉電除塵設備全自動化技術的研究與應用完全可行,利用PLC在化工控制領域有著廣闊的應用空間,大力推廣對傳統控制方式的設備設施進行類似技術的改造,對經濟效益的提升都有較好的作用,國投金城有限責任公司將會在其他崗位及設備上繼續探索。