硫铵滚筒干燥器自动测控系统的应用研究

张伟平

(山西省自动化研究所，山西 太原 030012)

当前，冶金行业和焦化行业基于环保的高标准和实现循环经济的整体指导思想，多数钢厂和电厂均通过脱硫及焦化厂回收焦炉煤气中的氨来制取副产品硫酸铵，既减少了环境污染，又变废为宝，增加收益。由于硫铵颗粒细，含水4%以上，而且具有结晶特性，需要经过干燥工艺方可使用，用传统的振动流化床干燥系统能耗很高，对物料干燥的均匀性较差，经过综合实践尝试和比较，采用滚筒干燥器，运用顺流干燥工艺，并将智能测控系统应用于生产，取得很好的干燥效果。滚筒干燥器就是一种热传导型连续干燥除湿设备，待干燥物料在内部随着滚筒转动，与热空气充分接触、受热，经干燥脱水后达到所要求的湿含量，滚筒干燥器具有热效率高、干燥速率大、产品干燥质量稳定的特点［1］，通过融合应用自动测控技术，进一步扩大了滚筒干燥器的使用范围，可以广泛用于水泥、矿山、建材、化工工业，煤粉、石灰石、粮食、黏土等物料的干燥需求。

1 设备工艺流程简述

硫铵干燥系统的整体工艺流程图如图1 所示，干燥器圆筒是一个与水平线略成倾斜的旋转圆筒，从离心机送来的硫铵晶体颗粒，经过螺旋输送机，将物料从较高一端加入，空气加热器将加热后的热空气通过鼓风机吹入滚筒干燥器，与物料一起流入筒体内，随着圆筒的转动，物料受重力作用，从圆筒较底的一端流出。湿物料在筒体内向前移动过程中，直接或间接得到了载热体(热空气)的给热，使湿物料经过受热、脱水后得以干燥，然后在出料端经收料管流至成品硫铵贮料斗。在筒体内壁上装有抄板，它的作用是把物料抄起来又撒下，使物料与气流的接触表面增大，以提高干燥速率并促进物料前进［2］。载热体经过滚筒以后，通过静压环旋风集尘器将气体内所带物料捕集下来，经下料口排出至硫铵贮料斗，为进一步减少尾气含尘量，将夹带硫铵颗粒的风引入水溶雾沫除尘器，利用硫铵易溶于水的特点，风与水充分接触，吸收风中所夹带的硫铵颗粒，净化后的尾气从排风口排入大气。

图1 硫铵干燥系统工艺流程图

2 自动测控系统

2.1 测控对象及控制要求

硫铵晶体颗粒较细，而且具有结晶特性，为保证物料成品质量干燥率和干燥的均匀性，必须对其经过干燥后对含水量的精度进行有效的控制;对影响含水量控制的主要因素热风风量和温度进行稳定的调节，以减少干燥过程中的波动对最终产品的质量造成影响。各主要环节的总体控制要求包括以下几个方面:

1)为控制硫铵出口含水量，要求干燥器入口热风温度≤120 ℃，出口温度控制在35 ℃≤T≤45 ℃，有效防止硫铵颗粒发生板结。

2)物料为含水量≤5%的湿硫铵晶体，成品硫铵晶体的含水量要求最低0.03%，最高不到0.2%，达到国家优等品的标准。

3)系统调节以滚筒干燥机硫铵出口处微负压为合适。

4)采用物料与热风顺流接触干燥方式，蒸发强度高，当滚筒干燥器的温度降至40 ℃以下时方可停车。

5)以出风量调节水溶雾沫除尘器的液位高度、以出风口不带水为宜。

主要的测控对象包括:鼓风风量控制、滚筒干燥器入口和出口温度控制、硫铵晶体颗粒含水量控制、干燥器出口微负压控制、水溶雾沫除尘器的液位控制。

2.2 控制系统方案配置

滚筒干燥器各个模拟量的调节也是比较复杂的控制过程，需要多个设备的协调配合，采用智能控制模式才能保证生产工艺条件的稳定。依据本干燥器的整体工艺特点，计算机控制系统设计采用西门子S7-300 系列PLC 为系统控制的核心，采集温度、压力、含水量、流量、液位等模拟信号，根据控制要求，经过控制软件智能调节器的运算及数据处理，给出模拟信号来调节阀门开度、变频器转速等控制量，实现完整的多闭环控制系统来满足工艺条件的智能调节，构成变频控制、仪表控制、PLC 控制的智能测控系统［3］。该系统具有数据采集、闭环控制、连锁控制、报警等功能，人机界面采用西门子触摸屏进行画面的组态和显示，完成对生产过程的显示、控制、操作和管理。

为了满足控制要求，需要设置的模拟量采集点包括:鼓风风量、中压蒸汽的压力和温度、滚筒干燥器入口温度和出口温度、硫铵晶体颗粒含水量、干燥器出口压力、引风机出口尾气风量、水溶雾沫除尘器的液位。需要调节的模拟控制量有蒸汽量的阀门开度、鼓风机的变频调速、抽风机的变频调速。控制系统方案框图如图2 所示。

图2 控制系统方案框图

1)PLC 核心控制单元:采用西门子S7-300CPU，配置模拟量输入和输出模块，开关量输入和输出模块，采集温度、压力、含水量、风量、液位等模拟量信号，完成生产过程所有自控设备的控制和调节，依据生产工艺条件要求，通过控制软件的综合计算，给出变频器转速、阀门开度调节信号，实现生产工艺环境的稳定，从而保证生产出高质量的产品。

2)触摸屏:作为人机对话设备，采用MPI 通讯方式与PLC 相连，组态所需要的操作画面、监视画面、控制画面、报警画面、趋势曲线等，并进行数据管理，完成相关控制参数的设置与显示。

3)变频调速控制部分:接收PLC 控制单元发出的4～20 mA 调节信号，完成变频器对鼓风机和引风机的转速调节，从而实现对鼓风风量和出口尾气压力的控制。

4)低压配电部分:对离心机、螺旋输送机、滚筒干燥器输送机等相关设备进行配电，并接收PLC 控制单元的开关量控制信号，完成工艺设备的连锁起停控制操作。

5)模拟量信号采集部分:温度变送器、压力变送器、流量变送器、水分仪变送器、液位变送器将采集到的温度、压力、风量、物料含水量等模拟量信号，通过4～20 mA 传输给PLC，供PLC 控制软件分析计算使用。

2.3 重点环节测控原理及过程

2.3.1 硫铵含水量控制调节

硫铵晶体颗粒的含水量是整个控制过程的关键点及难点，是一个复杂的控制过程，具有时变性和非线性，主要依靠流入滚筒干燥器热风风量和热风温度两个因素来进行调节控制，温度的控制通过调节蒸汽管道上的电动调节阀的阀门开度，改变蒸汽的流量，进而达到控制热风温度的目的，热风风量的控制通过调节鼓风机的转速来实现。依据生产工艺要求，需要二者进行最佳参数配比，方能使硫铵晶体达到高质量的干燥效果。风量太大，空气的流速增加，通过空气加热器时不能与蒸汽充分热量交换，达不到温度控制要求;风量太小，滚筒干燥器为了保证物料含水量达到控制要求，势必需要增加热风的温度，而温度太高，这又是不允许的。基于控制要求，对于含水量的控制，本设计参考比值闭环控制系统模式［4］，在软件上加入了配比参数智能调节方式，调节器原理如图3 所示。考虑到外来中压蒸汽的压力和温度的波动变化，将直接影响到空气加热器送出的热风温度，进而影响到滚筒干燥器中温度的平稳性，为了提高控制质量，加入前馈调节器，首先测量蒸汽的压力和温度的波动情况，然后前馈调节器依据一定的调节规律改变调节阀，保证了空气加热器出口热风温度的稳定性，由于温度的惯性和纯滞性，通过前馈控制器对扰动进行补偿，就可以使被控量(含水量)不会因为扰动作用产生明显的偏差。含水量控制调节原理图如图3 所示。

图3 含水量控制调节原理图

2.3.2 干燥器出口微负压控制调节

干燥器出口采用微负压可以避免夹带硫铵颗粒的尾气热风扩散到大气中，造成环境污染。基于物料含水量优先调节控制的原则，系统热风风量必然会随着生产波动，进而反应到干燥器出口压力的变化，为了保证干燥器出口微负压的稳定，就需要通过闭环控制方式，由PLC 采集出口压力信号，通过控制软件的自动调节运算，给出引风机调速信号，从而将出口压力控制在所需要的负压值上。控制示意如图4。

图4 干燥器出口压力控制示意图

2.3.3 水溶雾沫除尘器控制过程

为保证尾气中夹带的硫铵颗粒被水充分吸收，需要以出风量依据一定的调节规律控制雾沫除尘器中硫铵母液液位的高度和挡风板的开度，以使出风口尾气不带水为宜。当风量加大时，液位降低、挡风控制板提高;风量减小时，液位提高、挡风控制板降低。

3 滚筒干燥器的功能特点

1)热效率高，热风的热量除少数热辐射和筒体散热损失外，大部分的热量用于了物料湿分汽化。

2)干燥速率大，采用顺流接触干燥方式，方向一致，温度梯度较大，可使料膜表面保持较高的蒸发强度。

3)用于硫铵干燥时，物料出口温度低于45℃，不用冷风进行冷却，且硫铵不易发生板结。

4)采用PLC 作为智能测控系统的核心，可以充分发挥控制软件的算法优势，从而达到工艺条件预期的控制调节目标。

5)载热体介质简单，常用饱和水蒸汽，压力范围0.2 MPa～0.6 MPa。

6)操作简单，易于控制，运行稳定，干燥效果好，密封性能优良，节能效果显著。

7)应用范围广，可根据干燥物料性质不同调整运行参数，充分质热交换，达到良好的脱水效果。

4 结束语

目前在干燥技术领域，大多数操作仍然是通过试验取得相关数据来指导生产，将智能化测控技术应用其中的能力还十分有限。随着对干燥操作技术有更高的要求，不仅要保证产品质量，而且要环保节能。通过本自动测控系统在滚筒干燥器上的应用研究，将对干燥操作技术的发展形成有益的促进，具有良好的社会和经济效益。

［1］金国淼.干燥设备［M］.北京：化学工业出版社，2005.

［2］刘广文.干燥设备设计手册［M］.北京：机械工业出版社，2009.

［3］张歆，张小蓟.测控技术［M］.西安：西北工业大学出版社，2013.

［4］夏德钤，翁贻方.自动控制理论［M］.北京：机械工业出版社，2007.