朱 誠(chéng),袁 鈞,史 進(jìn),何 堅(jiān),周 平

(1.寶山鋼鐵股份有限公司冷軋板廠，上海 200431;2.復(fù)旦大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系，上海 200433;3.復(fù)旦大學(xué)高分子科學(xué)系,聚合物分子工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200433)

0 引言

廂式自動(dòng)壓濾機(jī)(Plate-and-Frame Filter Press,PFP)是一種間歇性操作的加壓過(guò)濾設(shè)備,由供料泵將泥水壓入濾室,在濾布上形成濾渣,直至充滿濾室。壓濾過(guò)程中,濾液穿過(guò)濾布并沿濾板溝槽流至板框邊角通道,經(jīng)明流(或暗流)方式排出壓濾系統(tǒng)。為了提高濾餅的含固率,利于運(yùn)輸,常在壓濾機(jī)的進(jìn)料管內(nèi)通入壓縮空氣將濾料進(jìn)一步吹干,隨后關(guān)閉壓縮空氣,打開壓濾機(jī)卸除濾渣,清洗濾布,重新壓緊板、框,開始下一工作循環(huán)。壓濾機(jī)的工作過(guò)程如圖1所示。

圖1 壓濾機(jī)的工作過(guò)程Fig.1 Work process of PFP

近年來(lái)對(duì)廂式壓濾機(jī)的自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的研究較多,如楊佳珠[1]、劉建民[2]等介紹了利用PLC(Programmable Logic Controller)實(shí)現(xiàn)壓濾機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn),實(shí)現(xiàn)了對(duì)壓濾過(guò)程的全自動(dòng)控制和監(jiān)測(cè)。毛偉高[3]闡述了污泥脫水的工藝流程,并介紹了自控儀表和PLC組成控制系統(tǒng)的控制過(guò)程。因板框內(nèi)物料的含水率在壓濾過(guò)程中無(wú)法在線監(jiān)測(cè),使得壓濾設(shè)備不能自動(dòng)判斷板框內(nèi)物料含水率的變化而自動(dòng)設(shè)置壓濾時(shí)間參數(shù),在上述研究中,壓濾工藝各階段運(yùn)行的時(shí)間一般由現(xiàn)場(chǎng)操作人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來(lái)設(shè)定其參數(shù)。由于系統(tǒng)內(nèi)固液分離時(shí)間受介質(zhì)濃度、粒度組成性及介質(zhì)特性(黏度)等影響較大[4],需要人工及時(shí)調(diào)整工藝運(yùn)行參數(shù)的設(shè)定,否則可能經(jīng)常出現(xiàn)壓濾泥餅含水率不理想的情況,所以,廂式壓濾機(jī)系統(tǒng)的適時(shí)自動(dòng)停機(jī)的控制迄今仍屬于業(yè)內(nèi)的難題。

筆者發(fā)現(xiàn)壓濾出水的速率可以間接地表征系統(tǒng)內(nèi)固液分離的情況。本文通過(guò)對(duì)壓濾出水速率的在線監(jiān)測(cè),實(shí)現(xiàn)了廂式壓濾機(jī)自動(dòng)控制的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 現(xiàn)有系統(tǒng)存在的問(wèn)題

以某冷軋薄板廠的廂式壓濾機(jī)污泥脫水系統(tǒng)為例。污泥濃縮池每天產(chǎn)生大量的含水率約為97%左右的酸堿污泥,經(jīng)過(guò)廠內(nèi)的廂式壓濾機(jī)車間壓縮處理至含水率為65%后外運(yùn),其壓濾系統(tǒng)的工藝流程圖如圖2所示。當(dāng)壓濾工況開始時(shí),系統(tǒng)進(jìn)料,壓濾出大量水,并被引入地坑中。其后,壓濾泵保壓進(jìn)料,壓濾出水逐漸減少,保壓一段時(shí)間后,關(guān)閉進(jìn)料泵。為了達(dá)到污泥外運(yùn)的含水率要求,壓濾系統(tǒng)在壓榨吹脫階段向進(jìn)料口通入壓縮空氣進(jìn)行吹壓,將濾餅內(nèi)殘留的部分水分吹脫出來(lái)以提高濾餅的含固率。隨著時(shí)間的延長(zhǎng),壓濾出水的速率逐漸下降至某一數(shù)值以內(nèi),壓濾工況結(jié)束。

圖2 壓濾系統(tǒng)工藝流程圖Fig.2 Process scheme of PFP system

由于系統(tǒng)進(jìn)水污泥的含固率經(jīng)常變化,目前被壓濾后的泥餅含固率是否達(dá)到了外運(yùn)的標(biāo)準(zhǔn),主要靠操作人員的目測(cè),造成了操作上的諸多不便。以100 t含水率為97%的污泥在壓縮過(guò)程中污泥總量和含水率變化的關(guān)系為例,污泥在壓縮過(guò)程中一開始產(chǎn)生大量的污水,隨著壓濾時(shí)間的延長(zhǎng),單位時(shí)間內(nèi)壓濾出水量越來(lái)越少,污泥的含水率在壓濾過(guò)程中也逐漸降低,如圖3所示。

圖3 污泥的含水率與壓濾系統(tǒng)出水量的關(guān)系圖Fig.3 Effect of sludge moisture content and water exhaust rate

圖4 壓濾出水收集坑的典型水位變化Fig.4 Typical water level changes in PFP effluent collection pit

操作人員主要根據(jù)壓濾系統(tǒng)中出水量的多少來(lái)評(píng)判被壓濾的污泥是否已經(jīng)達(dá)到了外運(yùn)含水率的要求。由于壓濾過(guò)程中單位時(shí)間內(nèi)的濾出水量隨著時(shí)間的延長(zhǎng)越來(lái)越少(如圖3所示,污泥的含水率在85%之后系統(tǒng)的出水速率較小),隨著泥餅含水率的降低,泥餅每降低1%的含水率所需要消耗的時(shí)間更長(zhǎng),這一階段因系統(tǒng)的出水量較少,人工難以判斷,為了保證污泥的含水率達(dá)到外運(yùn)標(biāo)準(zhǔn),經(jīng)常會(huì)造成壓濾的泥餅過(guò)干而浪費(fèi)大量的壓縮空氣的現(xiàn)象。

2 解決方案

2.1 優(yōu)化控制的原理

如圖3所示,壓濾出水速率隨著時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸減少,并且與壓濾泥餅的含水率具有相關(guān)性?，F(xiàn)場(chǎng)觀察壓濾出水地坑的水位,發(fā)現(xiàn)壓濾出水收集坑的典型水位變化如圖4所示。在壓濾開始的5min內(nèi),濾液地坑液位由A點(diǎn)上升至B點(diǎn),達(dá)到坑內(nèi)水泵的自動(dòng)啟動(dòng)排水水位,排水泵啟動(dòng),液位由B點(diǎn)下降至C點(diǎn),排水水泵停止;隨著壓濾的進(jìn)行,坑內(nèi)水位由C點(diǎn)上升至D點(diǎn),到達(dá)水泵啟動(dòng)液位后水泵啟動(dòng),水位再次下降至E點(diǎn),如此反復(fù),直到水位再次下降至G點(diǎn),其后水位上升緩慢。由A至H點(diǎn)的水位變化曲線可以看出,在水位的上升段AB、CD、EF和GH段,隨著壓濾時(shí)間的延長(zhǎng),地坑內(nèi)水位的上升逐漸緩慢,顯示系統(tǒng)內(nèi)的壓濾出水的速率逐漸降低,壓濾機(jī)中泥餅的含水率變化減小。而在BC、DE和FG段,水位的變化較大則是由水泵排水而引起。

根據(jù)上述情況,可利用濾坑液位的變化來(lái)間接地表征壓濾機(jī)內(nèi)泥餅的含水率的變化,當(dāng)濾坑液位的變化小于某一值時(shí),即 ＜c(?h表示在時(shí)間?t秒時(shí)段內(nèi)濾坑液位的變化,單位為m;c為某一常量,單位為m)時(shí)即可停機(jī)。當(dāng)濾坑中液位的變化小于c的情況下,即使再延長(zhǎng)壓濾時(shí)間進(jìn)行壓濾,系統(tǒng)總體出水水量還是不多(見圖4中的GH段水位上升得很緩慢),壓濾機(jī)內(nèi)泥餅的含固率變化不大,從運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性的角度來(lái)考慮,可以停止該壓濾周期。c值可由操作人員根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)人員運(yùn)行調(diào)試的情況而設(shè)定,該方法可替代傳統(tǒng)的在壓榨吹脫工藝段設(shè)置時(shí)間參數(shù)的做法。

2.2 廂式壓濾機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的優(yōu)化

根據(jù)上述分析,可對(duì)壓濾工藝的壓榨吹脫階段的自動(dòng)控制流程做如下優(yōu)化:

(1)打開吹氣閥,壓濾出水進(jìn)入濾液坑內(nèi),濾坑液位開始變化,取液位瞬時(shí)值作為基準(zhǔn)液位H0(每隔30 s取1次)。

(2)設(shè)定一比較值c(如5 mm,可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整),將瞬時(shí)變化量?c(瞬時(shí)值－基準(zhǔn)值)與比較值進(jìn)行比較。

(3)當(dāng)瞬時(shí)變化量大于比較值時(shí),說(shuō)明濾坑液位變化較大,污泥的含水率還在一個(gè)較高的水平,繼續(xù)保持壓濾狀態(tài)。

(4)當(dāng)瞬時(shí)變化量小于比較值時(shí),說(shuō)明濾坑液位變化已趨于平穩(wěn),污泥含水率的壓濾已接近完成,如果在一設(shè)定時(shí)間t1(如5min,可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整)內(nèi),液位情況繼續(xù)保持“瞬時(shí)變化量小于比較值”狀態(tài),則再延時(shí)一設(shè)定時(shí)間t2(如5min)后,程序自動(dòng)關(guān)閉吹氣閥,污泥壓濾過(guò)程結(jié)束。

(5)同時(shí),當(dāng)瞬時(shí)變化量?c為負(fù)值時(shí),說(shuō)明坑中液位下降,即立式排污泵啟動(dòng)階段,該階段不計(jì)入有效控制程序內(nèi)。

吹脫階段的工藝流程圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)壓榨吹脫階段控制流程圖Fig.5 Control scheme of process 4 in PFP system

2.3 板框式壓濾機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的運(yùn)用情況

在對(duì)原先廂式壓濾機(jī)的自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化整合后,壓濾后的污泥含水率可穩(wěn)定在65%以下,同時(shí)大大提升了板框的運(yùn)行效率,節(jié)省了人工操作的成本。原先的程序需要操作人員在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行停泵、切換壓縮空氣閥門等操作,一旦忘記操作就會(huì)浪費(fèi)大量的壓縮空氣。改造后的系統(tǒng)壓濾過(guò)程完全由程序自動(dòng)控制,不需要靠人工來(lái)識(shí)別系統(tǒng)的停機(jī)時(shí)間,板框系統(tǒng)啟動(dòng)后操作人員即可做其他工作,大大提高了勞動(dòng)效率。

從系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)上來(lái)看,原先該系統(tǒng)的空氣使用量為494558 m3/月,廢水處理量為58650 t/月,單位廢水壓縮空氣耗量為8.43 m3/t,改造后3個(gè)月的平均數(shù)據(jù)僅為6.79 m3/t,節(jié)約了15%以上的壓縮空氣用量?？梢?本自動(dòng)控制系統(tǒng)的優(yōu)化改造是成功有效的,為廂式壓濾機(jī)的自動(dòng)運(yùn)行控制提供了一種可選擇的技術(shù)路線。

3 結(jié)論與建議

通過(guò)對(duì)廂式壓濾機(jī)系統(tǒng)濾液收集坑中水位的在線監(jiān)測(cè),發(fā)現(xiàn)了廂式壓濾機(jī)工作狀態(tài)與出水速率之間的規(guī)律,從而采用壓濾出水速率作為壓濾機(jī)運(yùn)行控制的重要指標(biāo),并在此基礎(chǔ)上優(yōu)化了廂式壓濾系統(tǒng)的自動(dòng)控制。優(yōu)化后的廂式壓濾機(jī)控制系統(tǒng)與原先的控制系統(tǒng)相比,可節(jié)省15%以上的壓縮空氣用量,并可實(shí)現(xiàn)壓濾過(guò)程的全程自控。

由于近年剛研究開發(fā)的高壓隔膜壓濾機(jī)的控制系統(tǒng)亦存在設(shè)備無(wú)法自動(dòng)識(shí)別壓濾終止的問(wèn)題,本優(yōu)化方案不僅適用于廂式壓濾機(jī),也適用于高壓隔膜廂式壓濾機(jī)系統(tǒng)。

[1]楊佳珠,趙來(lái)燕.精煤壓濾機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[J].選煤技術(shù),2003(3):46-48.

[2]劉建民.用PLC實(shí)現(xiàn)立式壓濾機(jī)的全自動(dòng)控制[J].自動(dòng)化應(yīng)用,2010(3):36-38.

[3]毛偉高.污泥脫水系統(tǒng)的自動(dòng)化控制[J].城市公用事業(yè),2007,21(1):13-16.

[4]薛宗科.ZKG2500/1500型快開式高壓隔膜壓濾機(jī)電氣自動(dòng)控制系統(tǒng)改造[J].煤礦現(xiàn)代化,2010(4):67-69.