浅析电解铝烟气净化自动控制系统设计

解安伟 吴生杰

青海北捷新材料科技有限公司，青海西宁 810021

国家经济的快速发展与工程建设需求逐渐增多，我国电解铝行业投产量大，项目建设多。但电解铝过程所产生的有害电解烟气对作业人员的身心健康和环境的影响不可忽视，我国对电解铝所产生的有害烟气治理力度逐渐严格细化。目前，以干法净化技术进行烟气治理被多数国内电解铝企业所采用，可以达到烟气排放国家标准。本设计以青海某企业的电解车间建设工程的烟气净化为设计背景，设计一套烟气净化控制系统，这样可以提高烟气净化过程中的自动化水平，为环境治理和企业的可持续发展提供一定的基础。设计采用集散控制系统结构，以“集中管理，分散控制，数据共享”原则，实现生产过程自动控制、自动报警、自动凋节，对铝电解厂内各系统工艺流程中的重要参数、重要设备进行计算机在线集中实时监控，从而确保电解铝烟气排放达到国家允许排放标准。

1 电解铝烟气净化工艺流程

烟气净化主要靠主排烟机抽吸到净化系统，使整个系统处于负压状态，烟气经过排烟总管、地下烟道，进入除尘器的入口立管与来自VRI反应器均匀溢流出来的新鲜氧化铝发生表面吸附生成的载氟氧化铝，再由袋式除尘器进行气固分离，分离后的载氟氧化铝经风动溜槽与气力提升机将其提升到贮槽供电解使用。分离后的烟气由主排烟机送至烟囱排入大气中。烟气干法净化工艺流程如图1所示。

图1 烟气干法净化工艺流程

2 整体控制方案设计

烟气净化自动控制系统是由排烟机控制系统、氧化铝投料控制系统、布袋除尘器监测控制系统等多个子系统组成，根据烟气净化工艺要求，选择各类系统中过程检测级设备以及压力传感器、温度传感器、流量传感器等。

2.1 布袋除尘器监测控制系统

布袋除尘器监测控制系统主要进行压差监测与脉冲控制。利用纤维织物过滤作用的布袋除尘器实现对载氟氧化铝的烟气与颗粒过滤分离，因颗粒大、比重大的粉尘无法穿过滤料而落入灰斗，细小粉尘的气体则通过，达到烟气与颗粒过滤分离效果。但长时间使用后，粉尘在滤料表面积聚成一层灰层，导致过滤效率低和分离阻力大，造成滤料两侧压差有较大变化，影响布袋除尘器的除尘效果。可通过监测滤料两侧的压差值输入给PLC与上位机软件实施监控，再利用脉冲控制，改变压差，保证布袋除尘器的过滤分离效果。

2.2 排烟机控制系统

排烟机是烟气净化自动控制系统的主动力源。烟气输送、净化后排放等都在负压状态下控制操作，系统采用变频器——异步电机拖动控制，其优势为可实现就地控制和控制室的远程控制，再者变频器控制能节约电能、控制可靠性。此外，为保证系统稳定运行应进行冗余设计，即2台变频器和2台异步电机，一用一备。

2.3 氧化铝投料控制系统

氧化铝粉能吸收电解铝烟气中的氟化氢气体，再生成载氟氧化铝固体颗粒。为充分吸收与接触烟气中的氟化氢气体，需在烟气净化自动控制系统中加入新鲜的氧化铝粉。但氧化铝投料量的多少，决定了氟化氢净化指标和净化节能效果。合理设计新鲜氧化铝投料控制系统和匹配的载氟氧化铝过滤控制系统，是设计侧重点。

3 系统整体硬件设计

3.1 系统硬件配置

根据烟气净化工艺控制要求应采用集散控制（DCS）系统，由过程检测与执行级、过程控制级、现场监控级组成。各级采用的硬件设备类型说明如下：

过程检测与执行级是指烟气检测系统、布袋除尘器压差检测与脉冲控制系统、温度检测等所应用的温度传感器、压力传感器、流量传感器、料位传感器等检测元件和变频器、电磁阀等控制元件。实现烟气净化自动控制现场各类参数，实时检测计量和控制。

过程控制级实现现场参数与上位机通信、完成现场参数采集和预处理，为上位机提供数据，上位机控制信号的下达执行、实现为上位机控制运算提供辅助数据和信息，由3台S7-300PLC组成。

现场监控级即为上位机或者操作员站，实现过程监视、过程控制操作，操作员站提供良好的人机交互界面，用以实现集中显示、集中操作和集中管理等功能。

3.2 网络通信

电解铝烟气净化控制系统以Profibus现场总线和工业以太网进行网络通信，Profibus现场总线以灵活多样的分布式I/O接收现场传感检测信号，实现过程检测中各类检测元件间的通信，工业以太网实现系统子站间的数据通信，但上位机与PLC采用的是RS232串行通信接口，PLC与现场检测点之间的通信是通过Profibus总线来完成的。现场的所有监测点都是挂在Profibus总线上，Profibus总线上面连接的是S7-300模块，这样可以实现数据的最快传输，使整套生产线达到最优效果。

采用Profibus总线是因为其优势：一是节省硬件数量与投资，分散在设备前端的多功能智能设备可以减少变送器的数量，不再需要单独的控制器、计算单元及DCS系统的信号调理、转换、隔离等功能单元，减少接线，节省硬件投资，减少了控制室的占地面积；二是节省安装费用，现场总线系统的一对双绞线或一条电缆上通常可挂接多个设备，因此电缆、端子、槽盒、桥架的用量大大减少，连线设计与接头校对的工作量也大大减少；三是用户具有高度的系统集成主动权，不同产品的互可操作性与互用性使用户可以自由选择设备来集成系统，不会为选择范围的局限、协议接口的不兼容而，使系统集成过程中的主动权完全掌握在用户手中；四是提高了系统的准确性与可靠性，数字信号与模拟信号相比，测量精度高，传送误差减少，控制的准确度也高。由于系统结构简化，现场仪表内部功能加强，信号往返传输少，提高了系统的工作可靠性。

4 系统可靠性设计

电解铝烟气净化自动控制系统的另一个设计重点就是控制系统的可靠性，应从几个方面来提高系统可靠性和稳定性：一是电缆选型，多数选用屏蔽电缆，避免信号干扰或衰减；二是PLC应单独安装，远离动力电源避免强干扰源；三是信号线与电力电缆分别走线，不同类型的线分别装入不同的电缆槽中，避免磁场干扰；四是冗余技术的应用，包括变频器、电机等设备或系统的冗余设计，一旦工作单元发生故障，通过故障检测控制机制，及时将处于待机状态的单元投入运行，保障生产设备能够安全可靠运行。

5 结语

烟气净化系统的建立可以有效地改善铝电解作业环境和大气环境，在烟气净化系统中加入自动化控制可以提高烟气净化的效率，有效地改善排放到大气中有害气体。根据电解铝的烟气净化控制过程，控制系统采用目前应用广泛的集散控制系统结构，发挥了“集中管理、分散控制”的优点。工业以太网来实现工厂管理级与过程控制级之间的通讯。而过程控制级与过程检测及执行级之间的通讯由西门子公司的Profibus总线进行连接通讯，实现生产过程自动控制、自动报警、自动凋节，对铝电解厂内各系统工艺流程中的重要参数、重要设备进行计算机在线集中实时监控，从而确保铝电解厂的烟气排放达到国家的排放标准。