有机固废干式厌氧发酵平台的自控系统

张华

(中船第九设计研究院工程有限公司 ,上海 200090)

0 引 言

我国是世界上最大的农业国家,在农业生产过程中,要产生大量的农业废弃物-作物秸秆。我国作物秸秆年产生总量约7.1亿吨。秸秆品种以水稻、小麦和玉米等为主。其中,稻草约2.11亿吨,麦秸约1.54亿吨,玉米秸约2.73亿吨,棉秆约2 600万吨,油料作物秸秆(主要为油菜和花生)约3 700万吨,豆类秸秆约2 800万吨,薯类秸秆约2 300万吨。过去,农作物秸秆未得到有效的处理和利用,不仅浪费了资源,而且还由于大量秸秆的露天焚烧,导致严重的大气污染、并引发火灾和影响高速公路与民航的运行安全。秸秆的处理与利用是我国农村面临的主要资源环境问题之一,迫切需要寻找新的利用途径。

发展农业生产→秸秆发酵→生物天然气生产→有机肥生产→农业生产循环的经济新模式,有利于加快发展现代农业循环经济,可以生产高品质生物质天然气和有机肥,提高了秸秆的资源化利用。在“双碳”目标下,我国能源消费进行结构调整,增加清洁能源占比。生物天然气作为清洁能源的一种,是国家大力鼓励支持的产业。

有机固废发酵是将有机固废包括农业废弃物(禽畜粪便、秸秆、烂蔬果)、餐厨余垃圾和市政污泥等通过厌氧菌发酵产生生物天然气和有机肥料。采用干式厌氧发酵系统发酵过程中干物质含量高于35%,是一种较先进的工艺,可以减少沼液等副产物［1］。

对于干式厌氧发酵系统的设备过去都是由工人手动现场控制,自动化水平低。为了实现工厂高质量的精细化、数字化管理,采用有机固废干式厌氧发酵系统平台,对系统内设备的运行自动控制和实时监控,提升了企业数字化管理效率和水平。

1 干式厌氧发酵系统的工艺

干式厌氧发酵工艺流程主要包括预处理系统、厌氧发酵系统、沼气净化系统和发酵残留物处理系统。工艺流程见图1。

图1 干式厌氧发酵工艺流程图

2 有机固废干式厌氧发酵平台的自控系统

根据干式厌氧发酵的工艺流程,设计了有机固废干式厌氧发酵平台的自控系统,该系统从预处理系统、厌氧发酵系统、沼气净化系统和发酵残留物处理系统采集各种信号数据,并对各个设备的运行进行监控。具体如下。

(1)预处理系统。秸秆(方捆)由运输车辆运到厂,破捆后用铲车将秸秆送到破碎机入料口,经过两级破碎后由皮带输出,用铲车运输到预处理区水解工艺区添加菌剂处理,处理后的秸秆经皮带运进混合罐。粪污由专用运输车到厂后直接卸入地下储池。粪污通过螺杆泵输送到混合罐与预处理后秸秆混合,混合罐混合物经皮带进入制浆机制浆,浆料由皮带机送入厌氧发酵罐。自控系统主要是采集粪污池液位计的液位信号和设备的运行、故障信号,通过粪污池液位计的液位信号控制粪污池搅拌机和粪污进料螺杆泵的运行。预处理粪污上料系统流程见图2。

图2 预处理粪污上料系统流程图

(2) 厌氧发酵系统。原料和菌剂加入发酵罐后,经过充分搅拌,发酵时间为20天,发酵温度为55 ℃,发酵后有两部分产物:一部分是沼渣,通过发酵罐尾部的螺旋输送机输出到固液分离机;另一部分是沼气,通过管道输送到沼气净化单元。沼渣处理系统处理流程为:沼渣经过固液分离机后的沼液回流到混合罐,部分沼液作为液肥外售;沼渣外运输送到有机肥厂。自控系统主要由监控搅拌机、固液分离机等设备采集厌氧发酵罐内的温度、压力、沼气的压力、热水流量和沼渣的流量和补水流量的信号,通过热水流量控制发酵温度,统计沼气量和沼渣量。干式厌氧发酵系统流程见图3。

图3 干式厌氧发酵系统流程图

(3) 沼气净化系统。沼气首先经脱水脱硫系统将沼气中的水汽、二氧化碳和硫化氢等杂质去除,再输送到储气柜储存,最后输送到天然气管网。自控系统主要采集沼气的压力和沼气处理前后的硫化氢含量,采用四合一气体检测仪检测气体处理前后的沼气、氧气、硫化氢和二氧化碳的含量,监控脱硫系统的风机和阀门等设备的运行。沼气净化系统流程见图4。

图4 沼气净化系统流程图

3 控制系统的配置

有机固废干式厌氧发酵平台的自控系统采用集散型系统,控制系统主机了采用西门子S7-1500,PLC柜和操作员站放在机柜间及控制室［2］。操作员站和其他现场设备的控制系统通过光纤连接,通信方式采用以太网。PLC系统的配置,充分考虑了系统的硬件软件的可靠性、主流性和先进性,满足系统的可扩展性、网络开放性、网络通信硬软件平台的相应接口,PLC配置时预留20%～30%的备用量［3］。控制系统网络拓扑图见图5。

图5 控制系统网络拓扑图

采用这种结构可使生产过程中的信息能够集中管理,以实现整体操作、管理和优化,同时也使得控制危险分散,提高系统可靠性［4］。整个系统分为二级管理,系统包括中控室计算机管理系统、各个分控制室控制单元及现场在线测量仪表。现场各种数据通过PLC控制单元采集,并通过通信线传送到中控室工作站和操作站进行集中监视和管理。同样,中控室主机的控制命令也通过通信线传送到各控制单元,实现分散控制［5］。同时,系统预留网络通信接口,通过通信网络管理部门可以实时了解现场的运行情况。

通过对有机固废干式厌氧发酵平台的运行,将厂区的视频监控系统的接入平台,实现设备现场无人值守,大幅提升了自动化的水平。通过对固废消耗量、菌液投入量、沼气产出量和有机肥产出量等的统计及分析,提升了平台数据库内容的准确性和量化指标,为将来的智慧管理平台的发展提供了基础。

4 结束语

通过在有机固废干式厌氧发酵平台采用自控系统,实现了对设备自动控制运行和实时监控的要求,满足了系统的安全可靠要求。该系统能提升生产管理的自动化水平,建立生产数据库,存贮生产原始数据;建立故障数据库,记录设备故障、系统错误及事故信息;利用数据库中的数据进行统计、分析和计算各种生产指标,相关数据至少保存一年以上。