铜冶炼炉烟气喷雾冷却控制系统

贾华，陈佳

(内蒙古科技大学信息工程学院，内蒙古包头014010)

0 引言

铜是与人类关系非常密切的有色金属，被广泛地应用于电气、轻工、机械制造、建筑工业、国防工业等领域，随着对炼铜量需求的增加，在铜冶炼过程中产生的废气量也逐渐上升，其中，SO2在废气中所占的比重较大，而且SO2对空气的危害最为严重。考虑到工业制酸的原料是SO2，为了达到既降低对空气的污染和危害，又可以对工业废气进行二次利用、变废为宝的目的，本课题的研究重点是通过喷雾冷却技术提高对铜冶炼炉烟气的处理及利用效率。

1 系统的硬件组成及总体设计

铜冶炼炉烟气喷雾冷却控制系统的工艺流程图如图1所示。

图1 烟气喷雾冷却流程图

从铜冶炼炉吹炼排出炉口的烟气温度在1 100℃左右，烟气进入喷雾冷却器后，恒定压力的水气混合物以雾状的形态由喷嘴进入喷雾冷却器中对烟气进行降温，随着烟气量的增减，喷入的水量也随之增减，使冷却器出口处烟气的温度控制在300℃左右。由于在冷却烟气的过程中会产生一定的尘渣，所以从冷却器中排出的烟气直接进入除尘器进行除尘，最后出来的烟气进入制酸系统进行制酸。

本设计引入了PLC控制器和WINCC上位机监控软件，通过PLC和WINCC的连接来更好的监控冷却器内温度的变化，控制水量的增减，使出口温度控制最佳。系统的硬件部分主要包括喷雾冷却和恒压供水供气部分。

2 喷雾冷却控制原理

与以往的冷却设备相比，喷雾冷却技术作为一种先进的冷却技术，在工业生产中已被广泛的推广应用。在铜冶炼炉烟气除尘中运用喷雾冷却技术降温、调质，近年来也得到了一些实际应用。

铜冶炼炉烟气具有温度高、SO2含量高和烟尘多的特点，烟气的波动幅度较大和流量的频繁波动使得电除尘器处于不稳定运行状态，再加上烟尘的比电阻较高，让电收尘器的收尘效率比较低。要设法降低烟尘的比电阻，提高烟尘的收集率，其中一个方法就是在烟气中通入有较好导电性能的调质剂(如SO2、NH3及水蒸气等)，比较方便的是对烟气进行增湿，此法对铜冶炼炉产生的高温烟气处理效果更好，在经过喷雾冷却后，既能让烟气得到冷却又能对烟气起到很好的调质作用，在烟气中喷水的同时还可以对细尘起到凝聚作用，增大烟尘的直径，加快离子的趋近速度，二次扬尘减少，收尘效率大大提高。在实际的工艺冷却技术中喷雾冷却，随着烟气量的不断实时变化和温度的升高降低，采用PLC自动跟踪系统，将从冷却器出来的温度严格控制在一个恒定值附近，为后续设备的稳定运行创造良好的条件。

喷雾冷却需要把微量水混入压力气流中，通过喷嘴的高压喷射形成雾状的气液两相流体，喷射到冷却器内，使烟气与雾状液滴充分接触并进行热交换，达到降低烟气温度的目的。

从冶炼炉内出来的高温烟气进入喷雾冷却器中，经过喷雾冷却器的喷雾冷却之后，温度降低，为了将出口处的温度控制在所要求的恒定值范围内，在出口处加入温度变送器和控制器，将检测到的信号传给PID控制器，经过PID控制器内部的比较运算后再把结果反馈给调节阀，进而控制阀门的开度，形成一个闭环控制。喷雾冷却温度控制原理图如图2所示。

图2 喷雾冷却温度控制原理图

3 恒压供水供气设计

喷雾冷却是把水和气的混合物以雾状的形式喷入冷却器中，以此来达到降温的目的，因此必须给系统提供恒定压力的水和气来保证冷却液的充足。由于恒压供气和恒压供水原理类似，在此只阐述恒压供水。

恒压供水系统如图3所示，主要由水泵电机、压力变送器、变频器、PLC、液位传感器组成。控制系统在不同阶段的运行情况可以通过控制面板上的指示灯和按钮以及转换开关来显示。变频器内置的PID调节器接收由管网上的压力变送器传来的压力信号，并将其变成4～20mA的电信号，经过内部PID的运算和比较以后，将信号送至变频器。在整个控制系统中，水量的调节是通过变频器来控制水泵电机的转速实现的，在不同时期，随着用水量的不同，水泵电机的转速也就不同，工作频率也不同。为了更好、更方便地控制，在变频器中设置了频率的极限值用来检测水量。若用水量相对较大时，变频器则跳转到最高极限值，并且有一个开关信号送给PLC。若用水量随之减小时，则变频器跳转到最低极限值处，同样也可以由PLC中接收到一个开关信号。由于用水量不可能同时为最大或最小，所以，这两个极限频率值不可能同时达到。固然两个信号亦不会同时产生。当任何一个信号产生时，信号立马反馈给PLC，PLC通过已经设定好的内部驱动程序驱动I/O端口开关量的输出来实现交流接触器组的切换，用这种方法来协调工作中的水泵电机的台数，并完成电机的启停、变频与工频的切换。通过调整工作中的水泵电机的台数和控制电机组中一台电机的变频转速，保持系统管网的工作压力始终稳定，从而达到恒压供水的目的。

图3中，M1、M2和M3分别为三台电机，两用一备，FR1、FR2和FR3为热继电器，接在电机之上用来保护电机，三个电流表分别装在电机上用来检测电机的正反转以及电机故障，电压表连接在电路中用来检测当空气开关QS闭合以后，电路中是否有电。当主触点KM5、KM6和KM7闭合的时候，电机运行在变频状态，当主触点KM2、KM3和KM4闭合的时候，电机运行在工频状态。

图3 恒压供水系统原理图

4 系统的软件设计

PLC在系统中的作用是控制电动调节阀，起到维持温度恒定的作用；控制电磁阀释放恒压气体；在恒压供水中控制水泵的增减、倒泵。PLC的软件设计流程如图4所示。

温度的控制采用PLC自带的PID调节器。STEP7编程软件为PID的编程提供了方便，可以利用PID设置向导方便地完成PID调节规律的编程。PID设置向导包括了定义需要配置的PID回路号、PID参数的设定、设定回路输出输入值、设定回路报警选项等，为编程提供了诸多方便。

5 监控画面的设计

WinCC是一款功能强大的组态软件，可在标准PC及Windows NT环境下完成人机界面的组态。SIMATICWinCC对过程事件有极快的反应，灵活性也很高，是PCS7过程控制系统及西门子其他系统的重要组件。WinCC还也是一款开放式、通用型软件，可与西门子以外的多种控制器进行数据通讯，并且适合所有工业领域，可集成所有的自动控制方案，且集成简便，扩展能力强，通讯接口丰富，可以保证设备的最优化运行，提高工业生产过程的实时效率。

本系统的上位机软件选用WinCC软件组态，执行显示、报警、存储、打印等功能。WinCC软件具有强大的组态功能，适合于多种用途的控制系统，主要监控画面如图5所示。

图4 软件设计流程图

图5 WINCC过程监控画面图

6 结语

在传统铜冶炼工艺烟气处理方法的基础上，引入喷雾冷却技术，通过可编程控制器及WINCC组态软件的应用，进行改进和创新，设计了一整套喷雾冷却系统，对烟气温度进行有效的控制，与此同时还实现了SO2的二次利用，既对环保做出了贡献，也为工业生产硫酸节省了原料。

［1］张学才，陈明功.中小型锅炉烟气汽流喷雾干燥法脱硫的研究［J］.环境工程，1999.

［2］翁维琴，孙洪程.过程控制系统及工程［M］.北京:化学工业出版社，2002.

［3］殷华文，朱清慧.可编程序控制器及工业控制网络［M］.西安:西安地图出版社，2001.

［4］徐滤非.PLC在温度控制系统中的应用［J］.现代电子技术，2004.

［5］汪晓光、孙晓英、王艳月.可编程控制器原理及应用［M］.北京:机械工业出版社，1994.

［6］西门子公司.WinCC组态手册［D］.西门子公司，1999.

［7］胡寿松.自动控制原理［M］.北京:国防工业出版社，1994.

［8］董艳丽.PLC和WinCC在饲料配料中的应用［J］.工控机与集散控制系统，2007.