基于大气环境监测与治理技术设备的研究

罗林

【摘 要】对传统大气环境监测与治理技术的研究，发现传统的大气监测与治理技术设备存在着可靠性低、稳定差、故障率高、系统更新成本高等缺点，提出了先进的大气环境监测与治理技术设备应具备的硬件组成、技术指标、控制工艺、电气控制、PLC模拟量的应用、污染因子的监测等 ，希望能为当今大气环境的治理技术提供一定的技术参考。

【关键词】PLC；设备；控制；污染；治理

中图分类号： X830；X505 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）16-0149-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.16.068

0 引言

当前，我国大气污染状况十分严重，主要呈现为煤烟型污染特征。城市大气环境中总悬浮颗粒物浓度普遍超标；二氧化硫污染保持在较高水平；机动车尾气污染物排放总量迅速增加；氮氧化物污染呈加重趋势，特别是以北方城市颗粒物和南方城市酸雨为特征的城市大气污染依然比较严重，大量燃煤工业造成煤烟型污染， 二氧化硫浓度年均值达不到国家的标准，城市空气中颗粒物常年居高不下，而且机动车数量快速上涨， 污染物排放总量仍在增加。北京、上海、广州、武汉、郑州、沈阳等城市氮氧化物污染较重， 交通干线两侧一氧化碳严重超标， 部分城市的大气污染类型已经由煤烟型转变为复合型。大气污染时刻威胁着人们的生活和健康，因此治理大气污染、提高城市清洁能源比例，减少环境的污染，实现科学健康的发展，急需要一套先进的大气环境监测与治理技术设备和先进的控制技术。

1 传统大气环境监测与治理技术

1.1 传统大气环境的监测

我国《大气污染防治法》最早颁布于1987年，而传统的大气环境污染物监测是由政府部门下设的环境监测部门，根据污染物的存在状态，大气污染监测项目也分粒状污染物监测和气态污染物监测两大监测项目。其中，粒状污染物监测又分总悬浮微粒监测、飘尘监测、降尘监测和粒状污染物成分监测；气态污染物监测包括二氧化硫、氮氧化物、-氧化碳、光化学氧化剂（O3）、氯化氢、氟化氢、总烃等。实际上，在大气环境监测中，总悬浮微粒、二氧化硫、氮氧化物三项是必测项目，其他项目则要根据实际情况和监测目的进行选择。

根据污染物在大气中的存在形态、浓度和分析方法灵敏度的不同，气样采集方法分非浓缩采样法和浓缩采样法两种。非浓缩采样法亦称直接采样法：当待测物在大氣中的含量较大或分析方法的灵敏度较高时，用塑料袋、注射器或其它合适的容器，采集少量气样，即可供分析测定使用；浓缩采样法：当待测物在大气中的浓度较低或分析方法的灵敏度不够高时，要使用浓缩采样法采集气样。使用最广的浓缩采样法有过滤法或溶液吸收法。（1）过滤法。此法用于粒子状污染物的采集。采样时，将滤纸或有机滤膜夹持在专用的采样头上，将采样头与流量计、抽气泵连接。启动抽气泵后，气体分子透过滤纸（或滤膜）经流量计计量，再经抽气泵外排，粒状物则被阻留在滤纸或滤膜上，抽气时间越长，滤纸上阻留的粒状物也越多。（2）溶液吸收法。多用于分子状或蒸气污染物采集，捕集待测物质的仪器为吸收管，吸收管中盛有能与待测物质发生作用的吸收液，将吸收管与流量计和抽气泵连接。启动抽气泵，当大气以气泡形式通过盛有吸收管的吸收液时，在气-液界面上，发生待测气体的溶解作用或与吸收液的化学反应，使待测物留在吸收液中。与此同时，气泡内的分子因本身的热运动而迅速扩散到气泡表面，继续发生溶解作用或化学反应，如此继续下去，即完成待测物的吸收过程。显然，通气时间越长，吸收液中待测物的浓度就越大，因此，采样过程就是被测物的浓缩过程。浓缩采样法除过滤法和溶液吸收法外，还有固体采样管阻留法、低温冷凝法等

1.2 传统大气环境的治理

传统大气污染的主要来源，是散布在大气中的锅炉燃煤和民用燃煤的污染物及机动车废气污染物，污染物主要是烟尘颗粒物、SO2、CO、NOx等。传统的去处污染物主要采用了烟气湿法脱硫工艺，即含硫烟气的预处理（如降温、增湿、除尘），吸收，氧化，富液处理（灰水处理），除雾（气水分离），被净化后的气体再加热，以及产品浓缩和分离等工艺。

1.3 传统大气环境监测与治理设备的缺点

湿法烟气脱硫主要设备是指脱硫塔（或洗涤塔、洗涤器）和脱硫除尘器，这种设备系统复杂，维护费用高、耗水量大，脱硫后排烟温度低影响大气扩散等。而且，湿法烟气脱硫通常存在富液难以处理、沉淀、结垢及堵塞、腐蚀及磨损等等棘手的问题。这些问题如解决的不好，便会造成二次污染、运转效率低下或不能运行等特点。

所以，传统的烟气湿法脱硫工艺设备庞大、系统复杂，而且烟气湿法脱硫控制多采用继电器接触器控制和XDPS集散控制，继电器接触器控制系统和XDPS集散控制系统线路布局复杂、故障率高、稳定性和可靠性较等缺点。

2 先进大气环境监测与治理技术设备应具备的组成

大气环境监测与治理技术的设备应能够监测燃煤发电厂烟气、燃煤工业锅炉和窑炉锅炉中的烟气、大气中的颗粒物，而且能够将污染气体进行除尘、烟气进行脱硫等技术。主要应由以下几部分组成：

（1）烟气监测系统：主要是通过多种在线传感技术，进行数据采集、信号传输、信息显示和系统反馈，由上位机工程对整个系统进行监控、预警和诊断。由触控一体机、铂热电阻、温湿度传感器、风速传感器、压力变送器、微差压传感器、粉尘传感器、二氧化硫传感器、氮氧化合物传感器、氧气传感器、一氧化碳传感器、二氧化碳传感器、在线PH仪、物位仪、采样枪、粉尘采样器和皮托管等组成监测系统。

（2）烟气除尘系统：采用机械式与过滤式的除尘装置，对空气或者锅炉烟道气中的颗粒物进行净化处理。由旋风除尘器、布袋除尘器和粉尘回收装置组成除尘系统。

（3）烟气脱硫系统：采用化学吸收与物理吸附的方法，对锅炉烟道气中的气态污染物进行净化处理。能够采用氨-亚硫酸氨法脱硫、湿式脱硫、活性炭吸附塔和烟囱等组成脱硫系统。

（4）电气控制系统：采用西门子S7-1200 SMART系列主机和模拟量输入输出模块组成，完成设备运行控制及传感器的数据采集和计算。采用三菱 FR-D700 系列变频器控制引风机，已达到节能环保的效果。同时，控制系统中包含设备保护措施如漏电保护器、中间继电器、隔离变压器等。

3 先进的大气环境监测及治理技术设备应具备的功能

通过PLC控制的大气环境监测及治理技术设备可以在线监测烟道气体取样分析，可以对风速、风量、压力、温度、浓度等参数进行调节和控制，可以对相关仪表的参数进行设定和校正。该控制可以对固定污染源——锅炉烟气的各个污染因子进行净化处理和实时监测，对旋风除尘技术、布袋除尘技术、烟气脱硫技术、活性炭吸附技术、烟道及烟囱的取样监测技术、污染因子在线监测技术的应用和分析，进而可以进行环境监测与评价、城市监测与工程技术分析、室内监测和工业环保与安全技术等环境方面的研制。

4 先进的大气环境监测及治理技术设备应具备的工艺流程

先进的大气污染监测与治理设备应采用旋风除尘技术→布袋除尘→氨-亚硫酸氨法脱硫、湿法脱硫→物理吸附的组合工艺，对以烟尘和酸性气体为主要污染因子的烟气进行有效处理，其工艺流程如下：

5 先进的大气环境监测及治理技术设备应具备的控制系统

先进的大气环境监测及治理技术设备应采用西门子PLC作为主要控制设备，通过PLC对继电器和接触器等辅助电气元件的控制来完成设备的逻辑控制，以及各类传感器的数据采集。同时，控制系统还采用变频控制的手段来完成对大功率设备的控制，以实现节能环保的目标。

5.1 控制系统应具备的组成单元

设备控制系统应包含以下部分：电源控制单元、调控单元、主控单元和控制对象。

（1）电源控制单元：作为整个设备的电源控制中心，提供220V的交流电和24V的直流电，控制单元中还有短路漏电保护功能。

（2）调控单元：由电机调速器和PH计组成，电机调速器主要完成对电机的启停控制和电机转速的显示。PH计完成对碱液池溶液的PH值检测显示，并对检测值做变松和报警输出。

（3）主控单元：由按钮、西门子PLC主机、模拟量输入模块和模拟量输入输出模块组成。按钮作为系统的启停输入信号，西门子PLC主机完成设备的逻辑控制，模拟量输入输出模块完成传感器的数据采集和对调节阀阀门开度的控制。

（4）控制对象单元：主要是用图形描述系统的流程和设备的连线。

5.2 控制系统的输入输出I/O

大气环境监测及治理技术设备中的I/O点，数字量的输入I0.0-I0.7可以作为手动控制按钮，Q0.0-Q0.7分别用作补气泵、灯、振动电机、喷淋泵2#、喷淋泵1#、清洗泵、电磁阀YV2、电磁阀YV1。模拟量输入AI1+和AI1—用作排放NOX浓度+和排放NOX浓度—，AI2+和AI2—用作排放SO2浓度+和排放SO2浓度—，AI3+和AI3—用作排放O2浓度+和排放O2浓度—，AI4+和AI4—用作排放CO2浓度+和排放CO2浓度—，AI5+和AI5—用作排放CO浓度+和排放CO浓度—，AI6+和AI6—用作起始SO2浓度+和起始SO2浓度—，AI7+和AI7—用作排放颗粒物浓度+和排放颗粒物浓度—，AO1+和AO1—用作阀控信号+和阀控信号—，AO2+和AO2—用作调控信号+和调控信号—。

6 技术设备应具备的监控系统

系统应采用工控组态软件MCGS制作系统监测界面，采用工业以太网实现监控中心与远程设备的数据交换和远程监控，使控制模式更贴近实际工业现场。监控系统主要具备以下三个方面：

（1）系统调试界面：完成单个设备的手动调试、各传感器在线显示，以及监控中心与PLC主机的通讯状态。

（2）系统总图：在线显示整个系统运行流程，以及各单元设备工作状态和在线显示烟气排放各项指标。

（3）数据存盘：对烟气排放各项指标进行定时存盘显示，并做打印输出及Excel报表输出，实现对烟气排放的综合记录和规律总结。

7 技术设备中的PLC选型和模拟控制

在大气环境监测及治理技术设备中 PLC是核心就像人的大脑一样起到逻辑控制功能，PLC采用当前比较流行的西门子S7-1200 SMART CPUSR40的主机，模拟量模块EMAE04和EMAM06。具体控制包括两个方面：

（1）PLC的通讯：与普通的西门子PLC的通讯不一样，SMART PLC采用网线通讯，打开软件在项目树中双击“通信”，单击“查找CPU”，当出现CPU 地址后点击确认。

（2）PLC的编程：大气环境监测及治理技术设备中的PLC编程难点在于模拟量的编程，而模拟量的编程要会模拟量值和A/D转换值的转换。其转换原理：假设模拟量的标准电信号是A0-Am（如：4-20mA），A/D转换后数值为D0-Dm（如：5530-27648），设模拟量的标准电信号是A，A/D转换后的相应数值为D，由于是线性关系，函数关系A=f（D）可表示為数学方程：A=（D-D0）×（Am-A0）/（Dm-D0）+A0，由该方程可以得出函数关系D=f（A）数学方程：D=（A-A0）×（Dm-D0）/（Am-A0）+D0；如某温度传感器输出为4-20mA，量程为-10-60℃，以T表示温度值，AIW16为PLC模拟量采样值，则根据上式直接代入得出：T=70×（AIW16-5539）/22118-10，然后通过PLC中的实数的乘除法指令进行编程，达到控制的目的。

8 实验结果

实验结果表明先进大气环境监测与治理技术设备能够自动化监测大气环境中各种污染因子和除尘净化处理，为当今大气环境污染的治理提供一定的技术参考。

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