煤化工废水零排放工程中结晶盐固液分离的远程控制技术研究*

马红鹏,齐永红,武思拓,田磊,蒋静波,陈文宜

（1.陕西省石油化工研究设计院，陕西西安710054；2.国家石油和化工行业含盐废水处理及资源化技术工程实验室(国家工程实验室)，陕西西安710054）

继续教育

煤化工废水零排放工程中结晶盐固液分离的远程控制技术研究*

马红鹏1,2*,齐永红1,2,武思拓1,2,田磊1,2,蒋静波1,2,陈文宜1,2

（1.陕西省石油化工研究设计院，陕西西安710054；2.国家石油和化工行业含盐废水处理及资源化技术工程实验室(国家工程实验室)，陕西西安710054）

随着科技的发展，社会的需求，煤化工废水已经实现废水零排放。煤化工废水零排放中的溶解盐蒸发结晶系统制约着整个零排放的运行稳定性，其中结晶盐的固液分离显得尤为重要、本文论述了结晶盐固液分离的远程控制技术，通过自主研发的压滤机运行步续，降低了Na2SO4·10H2O的结晶风险，提高系统运行的稳定性。压滤机全自动过程包括：监控方式选择、远程监控准备、压滤系统的远程启停、板框压紧、自动进料、压缩气反吹、角吹、回程卸料等步骤。通过压滤机的自动化运行，使整个废水零排放工程进入自动化运行状态，满足现代化煤化工的运行标准。

零排放；结晶盐；分离

为了保证我国的国家资源安全、应对原油及基础化工原料对外依存度逐渐提高的不利局面，我国大力开发新工艺、新技术，已经建立了一批世界领先水平的煤制油、煤化工示范工程[1]。实现废水零排放对现代煤化工产业发展具有重要的意义。废水零排放在国外称之为零液体排放[2]。2008年国家质量监督检验检疫总局颁布GB/T 21534-2008《工业用水节水术语》中对于零排放的解释：企业或主体单元的生产用水系统达到无工业废水外排[3]。

随着科技的发展，技术水平的进步，国际社会对于海水淡化后浓盐水的排放进行了环境影响分析，对水的要求实现浓盐水的零排放[4-7]。随着社会的需求，各技术专家、学者对于水的技术研究亦上升了一个高度，我国的水处理技术亦得到了空前的发展，已经达到国际先进水平。煤化工废水“零排放”是以解决我国煤化工水资源及废水处理难题为目标，形成的煤化工废水处理及资源化利用重大技术研究领域[8]。针对“零排放”工艺路线中末端高盐水处理技术，Turek等[9]提出了采用蒸发再浓缩与结晶器制盐达到零排放的制盐工艺。高盐废水浓液的妥善处理是真正实现废水零排放的最重要环节，对于零排放的最终浓盐水国内外主要通过蒸发结晶、焚烧、冲灰、自然蒸发塘、深井灌注等方式。陕西延长中煤榆林能源化工有限公司对于高浓盐水采用六效蒸发结晶装置进行深度处理，最终实现煤化工废水零排放。

在煤化工废水零排放的末端蒸发系统，因来水水质中存在部分难降解、难生化有机物，该类物质的存在会使蒸发末端结晶盐颗粒大小受限，无法采用离心机进行固液分离，故需要采用板框压滤机进行分离。板框压滤机的运行需要进行定时定点维护，对于现代化工企业需要实现自动化运行。本文章对煤化工末端蒸发系统的结晶盐板框分离进行自动化远程监控说明，从而确保煤化工废水零排放的整体运行处于一种现代自动化程度高的工程。

1 监控方式选择

本单元运行监控分为就地电控柜上监控和远程控制室操作站上监控，在就地电控柜上设有就地/远程转换开关，本单元设有二个电控柜，即二楼压滤机电控柜和一楼变频供料泵电控柜。当决定采用控制室操作站监控时，要把二个控制柜上的就地/远程转换开关转为远程，自动/手动转换开关转为自动。本单元设有一用一备二套压滤装置，在运行之前要选择A装置或B装置，人机接口画面自动显示所选装置的监控画面。

2 远程监控准备

（1）监控画面（人机接口上）设有系统就绪指示灯，只有该指示灯转为红色，才表明可以进入压滤运行程序，该灯为绿色时，指示系统尚未就绪；黄色时，指示运行系统内存有故障点。系统就绪条件为：①外围支持系统具备支持压滤运行条件；②所选压滤系统所有要投入运行的受控设备没有故障；③压滤机就地电控柜和供料变频柜的就地/远程转换开关转为远程，④电控柜上的自动/手动转换开关转换为自动。监控软件将这四个条件串联，满足后给出就绪信号，即系统就绪指示灯为红色。

（2）外围支持系统具备条件压滤系统运行需要在外围支持满足的条件下才能启动，尽量避免中途停车待料的状态出现。具体条件如下：

①出料罐具备出料条件；

②出料罐搅拌桨在正常运行，防止固含量不均匀；

③出料罐温度应＞50℃；防止Na2SO4·10H2O成坨结块现象出现。

④工艺气要＞1MPa，确保气吹和角吹工艺正常运行。它是保证出料固含量达到93%以上的关键，固含量太低（即水含量高），Na2SO4·10H2O会在盐渣中形成，使盐渣结坨而难以处理。

⑤仪表气要＞0.7MPa确保各气动截止阀能正常、可靠、稳定地执行指令；

⑥稠厚罐搅拌机运行，防止在稠厚罐中少量固体晶粒沉淀；

由于上述信号均在六效DCS控制器里，在六效DCS监控软件中，组织一组串联信号得软电路，当这些条件时，由DCS满足要给压滤机PLC S7-200提供一个合成的外围系统正常信号，并在监控画面上显示出来，即外围支持系统具备条件指示灯变红，该信号在运行期间由自保持电路信号。

（3）压滤机系统具备条件压滤机系统具备条件有工艺和仪表气压力正常、压滤机远控、压滤机自动、进料泵远控和电磁阀远控五个信号。压滤机系统正常是由压滤机PLC控制系统给出信号，具体表现为所有受控设备都没有故障信号，它是由所有故障信号并联合成的信号；压滤机远程、压滤机自动这两个信号由压滤机控制柜远程/就地手动转换开关提供，电磁阀远程由二楼压滤机电磁阀箱和一楼4个电磁阀的远程/就地开关提供给PLC，由软电路串联组合后提供的信号。

3 压滤系统的远程启动、停操作

本压滤系统的远程监控操作不设单设备操作，只设全自动和步进组操二种运行方式，这是因为压滤机系统的运行有严格程序，误操作会有一定的危险性。

在监控画面上设有启动、暂停和停止3个按钮，还设有翻板关闭/板框压紧、进料、原水反洗、压缩气反吹、角吹（左右吹）、角洗、卸压回程七个步进组操。在系统就绪灯变红后，可以进入远程操作。

本压滤系统设有二种运行方式：（1）全自动运行，（2）单步组操运行。

点击启动按钮，在确认后，系统进入全自动运行，即严格按上述7个步进顺序依次运行，直到压滤结束。单步组操除压紧步和卸压回程步外都必须在压滤机有保压指示的压紧状态下进行，否则点动无效。单步组操运行时先点击某个组操步（例如角吹），再点击“启动”按钮，在确认后，系统进入某个组操步运行（例如自动进入角吹程序运行）。在全自动或组操运行期间，如果需要暂停，则点击“暂停”按钮，确认后，压滤系统自动停止运行，如果再点击“启动”按钮，在确认后，系统又自动在原程序运行基础上继续全自动运行或组操运行。如果需要停止，则点击“停止”按钮，在确认后，系统停止运行，它和暂停的区别是再次启动后不再按原程序继续运行，而是重新进入全自动运行或某个组操步程序运行。

4 压滤系统的组操(1)自动翻板关闭和板框压紧

组操（1）包括二个连续的工艺步序，即翻板关闭和板框压紧，具体程序如下：

①启动翻板油泵电机；

②启动翻板关闭电磁阀，翻板伸缩油缸伸展，翻板进入关闭动作；

③在一定的时间间隔内（10s）给出关到位信号，关信号由绿变红，表示翻板关闭完成；

④如果超时15s翻板关到位信号还不能给出，则自动发出报警信号，告知翻板关闭系统出现故障，要求相关人员去现场检查和修复；

⑤翻板关到位信号给出后控制系统自动进入板框压紧程序；

⑥低压油泵、高压油泵和压紧电磁阀同时启动和开启，指示灯均由绿变红，油压迅速上升，液压油经压紧电磁阀进入压紧板框伸缩缸的伸展端，令缸体自动伸展，板框开始进入压紧状态；

⑦油压上升至20MPa，低压限位指示灯由绿变红，低压油泵电机自动停止工作；

⑧油压继续上升至25MPa，高压限位指示灯由绿变红，高压油泵电机自动停止工作，油压系统进入保压状态，保压指示灯由绿变红。

⑨自高压油泵启动到伸缩油缸油压达到25MPa上限，保压指示灯亮，高压油泵自动停机，如果30s后，油压还达不到25MPa上限，则压紧报警灯自动闪烁，同时应该有报警声指示压紧油路灯系统故障，需有人检查修复，整个压滤系统转入暂停状态。如果不能很快修复，则该压滤机组要停止运行，进入检修状态，启动另一组压滤机。

⑩在保压阶段，由于油路系统不可避免地会有少量的漏油，压力会由25MPa开始逐渐，低于25MPa时高压指示灯由红变绿，当下降到20MPa以下，低压指示灯由红变绿表示保压结束，该段保压时间有时间信号指示，新设备密封系统完好。保压时间一般为4h以上，使用时间长了，密封垫圈的陈旧和老化，高压油的漏油量增加，保压时间也会由4h逐渐降到低于30min，会发出保压报警信号，提醒维护人员对该压滤机高压油路系统进行维护。

当低压（20MPa）指示灯由红变绿时，系统自动启动高压油泵，低压指示灯很快由绿变红，30s内，高压（25MPa）指示灯由绿变红，液压系统再次进入保压状态，如果超时，则自动提供补压压紧超时报警，处理方式如⑨所示，系统进入暂停状态，检查故障性质并进行排除，如果能及时排除，则继续运行，不能排除则启动备用压滤系统。

5 压滤系统组操(2)-自动进料

（1）进料条件确认本压滤系统在某种运行条件因某种原因变化而不具备连续运行的情况下，压滤机具备有在一个压滤周期内中途暂停，待条件具备后再继续运行的间隙运行能力。但从系统自动运行、运行成本和系统设备使用寿命角度，最好在一个压滤周期内尽量不要中途暂停。要做到这一点，必须有一个进料条件确认的环节。进料条件确认包含外围支持系统的条件确认和压滤系统内部的条件确认。外围支持系统条件确认在本文2.2节中有详细说明，其最终以发出外围支持系统具备条件信号（DCS提供）来确认，压滤系统内部的条件确认，包括两方面，一是系统就绪中包含的内容；二是进料阀自动控制到处于开到位状态，自动控制到处于关状态。只有上述条件都得满足，系统才能进入自动进料程序。

当然还存在这种情况，当上述条件中的个别条件不具备，例如出料罐中物料不够、稠厚罐接纳滤液的空间不够等，这时从系统运行角度还要求压滤进料运行，这时需要具备更改条件参数资格的人员更改条件参数设定使系统进入就绪状态，同时运行操控人员也会特别注意个别条件不具备的环节，或者尽量在压滤期间去创造和改善条件使压滤机能够持续进行下去，或者在处于临界状态时及时暂停压滤系统。当系统外围条件或其他条件不满足要求时，系统就绪指示自动变绿，压滤系统处于暂停但保压状态继续不变。

（2）进料操控压滤机进入进料组操步，在确认了进料条件，开启了进料阀，确认排料阀处于关闭状态后，进料泵自动进入启动运行程序。

本项目的进料泵是压滤机专用进料泵，采用变频自动控制，可以根据运行实际情况调整变频设置，能使压滤运行处于最佳状态。变频控制采用三段控制方案，第一、二段采用频率控制，第三段采用稳压控制。具体控制方案由控制工程师根据工艺要求编制变频调节软件。其基本原则如下述：

①变频启动阶段该阶段变频电机的工作频率由0Hz上升到35Hz。其启动时间间隔不到20S（由变频器内部设定）。由于此阶段滤布上没有滤渣，阻力较小，流量很大，全频（50Hz）工作时最大流量可能达到130m3·h-1，为把最大流量控制到不超过100m3·h-1，防止进料压力上升太快，令工作频率启动不超过额定值得70%，即35Hz。

②升频保流量阶段该阶段变频电机的工作频率由35Hz逐渐增大到50Hz，该阶段随滤渣的增加，阻力增大，为使流量尽量大些，使压滤时间（也即压滤周期）可以缩短一些，采用升频的办法来保住原来的流量和减少流量降低速度。由于本泵输送是固液混合物，流量很难测，仪表很贵又不一定准确，此处的升频时间采用根据进料泵特性曲线和工程经验相结合的方法，由工艺确定一个时间段，以均速升频方法实现，显然它不是最佳的，但它是相对合理的。

③保压运行阶段随盐渣在滤布上的堆积，阻力不断增大，为尽可能减少流量的下降，通过增加进料泵运行频率，使进料压力不断增高。当进料压力达到1MPa时，变频泵自动进入保压调节运行阶段。该阶段采用进料管上的压力变送表反馈调节变频泵频率。即随盐渣层进一步增厚，阻力进一步加大，为防止进料压力继续增大，只能用降低频率减少流量的方法来维持1MPa的保压工作状态，当频率下降到15Hz时，认为压滤机压滤压滤腔体内已被盐渣塞满，停止进料泵运行。

（4）停泵排料当在保压运行阶段，变频泵的运行频率降到15Hz时，给料泵自动转入停泵排料程序，进料泵自动停止运行，泵指示由红变绿，进料阀自动关闭、指示灯由红变绿、自动打开指示灯由绿变红，把进料管道中含15%固盐饱和液的料液全部排入地沟，进入落地水池，进而回流入调节池，防止在进料管道中由于温度降低引起Na2SO4·10H2O的结坨堵塞。

6 压滤系统组操（3）-压缩气反吹

该组操工序是用工艺压缩气（0.7MPa）吹扫滤腔母管内表面和进料管道里残剩的浆料和原水，并将其冲到落地水池。

7 压滤系统组操（4）-角吹

角吹组操程序的功能是进一步将滤腔内的盐渣含固率由60%左右提高到93%，达到NaCl、Na2SO4混盐晶渣可以顺利排出堆放的目的。如果盐渣中含水率＞7%，会使部分Na2SO4带足够结晶水冷却后出现结坨或板结在地面、容器里，使盐渣处理难度加大。

角吹分左角吹和右角吹二步，相关阀门成组开启。

左角吹和右角吹的时间各20min，具体时间由工艺调试时确定，左角吹时间到后，自动转入右角吹，右角吹时间到后，自动停止角吹工序，所有角吹气动阀门均关闭，指示灯由红变绿。在自动运行条件下，压滤系统自动进入角洗组操工序。

8 压滤系统组操（5）-卸压回程和卸料

压滤系统组操5是一连串连续的程序动作，由于与外围系统无关，又与压滤系统内部系统相关，过程相对复杂，为防止程序错乱，要求尽量减少操作员干预。具体程序如下：在自动程序情况下角吹或角洗完成后，自动转入卸压回程和卸料程序，具体程序如下：

（1）卸压电磁阀开启压力很快下落，12s后回程电磁阀开启；回程电磁阀指示灯由绿变红；低压油泵开放，指示灯由绿变红，在规定的230s左右回程时间内，回程到位指示灯由绿变红，表明回程完成，油泵电机自动停止运行，回程电磁阀关闭。如果超过300s回程到位指示灯还不亮，则自动报警，表明液压油路出现故障；

（2）回程电磁阀发出到位信号，翻板油泵电机自动开启，指示灯由绿变红，翻板开电磁阀开启，在规定时间10S左右开到位信号发出，表明翻板开启完成，如果超出15s还未发出开到位信号，表明翻板油路系统有问题，发出报警信号，派相关人员去处理；（3）翻板开到位信号发出后，系统自动进入拉板程序，拉板变频电机自动运行，指示灯由绿变红，拉板卸料是一个全自动过程，拉板前进后退指示灯交替由绿变红和由红变绿，表明整个拉板卸料过程在进行，在进入最后一块板框拉板时，位置传感器发出拉板返回信号，当把最后一块板拉回后，拉板机构自动进入拉板机构停止位，并发出拉板停到位信号，该信号指示由绿变红，拉板电机自动停止，指示灯由红变绿，拉板返回指示灯也由红变绿，表明拉板卸料过程结束，也是一个压滤周期结束。压滤系统自动运行结束，如果再要启动压滤机，在得到系统就绪信号后，需要重新点击压滤启动按钮。

9 总结

现代煤化工企业是全自动化工程，煤化工废水零排放是保证现代煤化工企业稳定运行的前提。在实现煤化工废水中水中溶解盐的结晶分离过程中，压滤机起着至关重要的作用和扮演着不可替代的位置。通过监控方式选择、远程监控准备、远程系统自动启动、压滤机喂料泵的变频给料、压滤机的恒速过滤和恒压过滤、自动反吹系统等步骤，将煤化工废水中的溶解盐水含量降低至5%，从而确保结晶盐的封装。通过该自动化的步骤确保了易板结Na2SO4· 10H2O的热结晶与分离，保证煤化工零排放系统的稳定运行，系统可以连续不断实现热结晶盐的分离，从而更进一步实现了现代煤化工企业废水零排放工程的全自动运行。

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Research of remote control technology liguid-solid separation on crystalline salt of wastewater“zero liguid discharge”in coal chemical industry*

MA Hong-peng1,2*,QI Yong-hong1,2,WU Si-tuo1,2，TIAN Lei1,2，JIANG Jing-bo1,2，CHEN Wen-yi1,2
（1.Shaanxi Research Design Institute of Petroleum and Chemical Industry,Xi'an 710054,China; 2.National petroleum and chemical industry saline wastewater treatment and resource technology engineering laboratory(national engineering laboratory,Xi'an 710054,China）

With the development of science and technology,the wastewater“zero liguid discharge”has been achieved undering the needs of society.It is play an important roles is that evaporation and crystallization system of the crystalline salt in coal chemical industry,especially the liguid-solid sepatation.This paper discusses the remote control technology which is about liguid-solid sepatationg on crystalline salt wastewater"zero liguid discharge". Through the deeply research of the filter press,On one hand to improve the stability of“zero liguid discharge”,on the other hand to induce the crystallizating probility of Na2SO4·10H2O.The process of automatic filter pressure including:the choice of monitoring mode,the preparation of remote monitoring,the remote control of the filter pressure system,frame compressing,automatic feeding,reversed compressed air,diagonally compressed air,returned discharge and so on.Meeting demand of the morderning chemical industry standard,though the automatic filter pressure stabled operation.

zero liquid discharge；crystalline salt；separation

TP29

B

10.16247/j.cnki.23-1171/tq.20170820

2017-06-23

陕西延长石油(集团)有限责任公司科技项目(ycsy2016ky-A -29)

马红鹏（1990-），男，助理工程师，2014年毕业于四川大学化学工程专业，主要研究方向：能源化工废水资源化。