馬紅鵬,齊永紅,武思拓,田磊,蔣靜波,陳文宜

（1.陜西省石油化工研究設計院，陜西西安710054；2.國家石油和化工行業(yè)含鹽廢水處理及資源化技術(shù)工程實驗室(國家工程實驗室)，陜西西安710054）

繼續(xù)教育

煤化工廢水零排放工程中結(jié)晶鹽固液分離的遠程控制技術(shù)研究*

馬紅鵬1,2*,齊永紅1,2,武思拓1,2,田磊1,2,蔣靜波1,2,陳文宜1,2

（1.陜西省石油化工研究設計院，陜西西安710054；2.國家石油和化工行業(yè)含鹽廢水處理及資源化技術(shù)工程實驗室(國家工程實驗室)，陜西西安710054）

隨著科技的發(fā)展，社會的需求，煤化工廢水已經(jīng)實現(xiàn)廢水零排放。煤化工廢水零排放中的溶解鹽蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)制約著整個零排放的運行穩(wěn)定性，其中結(jié)晶鹽的固液分離顯得尤為重要、本文論述了結(jié)晶鹽固液分離的遠程控制技術(shù)，通過自主研發(fā)的壓濾機運行步續(xù)，降低了Na2SO4·10H2O的結(jié)晶風險，提高系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。壓濾機全自動過程包括：監(jiān)控方式選擇、遠程監(jiān)控準備、壓濾系統(tǒng)的遠程啟停、板框壓緊、自動進料、壓縮氣反吹、角吹、回程卸料等步驟。通過壓濾機的自動化運行，使整個廢水零排放工程進入自動化運行狀態(tài)，滿足現(xiàn)代化煤化工的運行標準。

零排放；結(jié)晶鹽；分離

為了保證我國的國家資源安全、應對原油及基礎化工原料對外依存度逐漸提高的不利局面，我國大力開發(fā)新工藝、新技術(shù)，已經(jīng)建立了一批世界領先水平的煤制油、煤化工示范工程[1]。實現(xiàn)廢水零排放對現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要的意義。廢水零排放在國外稱之為零液體排放[2]。2008年國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局頒布GB/T 21534-2008《工業(yè)用水節(jié)水術(shù)語》中對于零排放的解釋：企業(yè)或主體單元的生產(chǎn)用水系統(tǒng)達到無工業(yè)廢水外排[3]。

隨著科技的發(fā)展，技術(shù)水平的進步，國際社會對于海水淡化后濃鹽水的排放進行了環(huán)境影響分析，對水的要求實現(xiàn)濃鹽水的零排放[4-7]。隨著社會的需求，各技術(shù)專家、學者對于水的技術(shù)研究亦上升了一個高度，我國的水處理技術(shù)亦得到了空前的發(fā)展，已經(jīng)達到國際先進水平。煤化工廢水“零排放”是以解決我國煤化工水資源及廢水處理難題為目標，形成的煤化工廢水處理及資源化利用重大技術(shù)研究領域[8]。針對“零排放”工藝路線中末端高鹽水處理技術(shù)，Turek等[9]提出了采用蒸發(fā)再濃縮與結(jié)晶器制鹽達到零排放的制鹽工藝。高鹽廢水濃液的妥善處理是真正實現(xiàn)廢水零排放的最重要環(huán)節(jié)，對于零排放的最終濃鹽水國內(nèi)外主要通過蒸發(fā)結(jié)晶、焚燒、沖灰、自然蒸發(fā)塘、深井灌注等方式。陜西延長中煤榆林能源化工有限公司對于高濃鹽水采用六效蒸發(fā)結(jié)晶裝置進行深度處理，最終實現(xiàn)煤化工廢水零排放。

在煤化工廢水零排放的末端蒸發(fā)系統(tǒng)，因來水水質(zhì)中存在部分難降解、難生化有機物，該類物質(zhì)的存在會使蒸發(fā)末端結(jié)晶鹽顆粒大小受限，無法采用離心機進行固液分離，故需要采用板框壓濾機進行分離。板框壓濾機的運行需要進行定時定點維護，對于現(xiàn)代化工企業(yè)需要實現(xiàn)自動化運行。本文章對煤化工末端蒸發(fā)系統(tǒng)的結(jié)晶鹽板框分離進行自動化遠程監(jiān)控說明，從而確保煤化工廢水零排放的整體運行處于一種現(xiàn)代自動化程度高的工程。

1 監(jiān)控方式選擇

本單元運行監(jiān)控分為就地電控柜上監(jiān)控和遠程控制室操作站上監(jiān)控，在就地電控柜上設有就地/遠程轉(zhuǎn)換開關(guān)，本單元設有二個電控柜，即二樓壓濾機電控柜和一樓變頻供料泵電控柜。當決定采用控制室操作站監(jiān)控時，要把二個控制柜上的就地/遠程轉(zhuǎn)換開關(guān)轉(zhuǎn)為遠程，自動/手動轉(zhuǎn)換開關(guān)轉(zhuǎn)為自動。本單元設有一用一備二套壓濾裝置，在運行之前要選擇A裝置或B裝置，人機接口畫面自動顯示所選裝置的監(jiān)控畫面。

2 遠程監(jiān)控準備

（1）監(jiān)控畫面（人機接口上）設有系統(tǒng)就緒指示燈，只有該指示燈轉(zhuǎn)為紅色，才表明可以進入壓濾運行程序，該燈為綠色時，指示系統(tǒng)尚未就緒；黃色時，指示運行系統(tǒng)內(nèi)存有故障點。系統(tǒng)就緒條件為：①外圍支持系統(tǒng)具備支持壓濾運行條件；②所選壓濾系統(tǒng)所有要投入運行的受控設備沒有故障；③壓濾機就地電控柜和供料變頻柜的就地/遠程轉(zhuǎn)換開關(guān)轉(zhuǎn)為遠程，④電控柜上的自動/手動轉(zhuǎn)換開關(guān)轉(zhuǎn)換為自動。監(jiān)控軟件將這四個條件串聯(lián)，滿足后給出就緒信號，即系統(tǒng)就緒指示燈為紅色。

（2）外圍支持系統(tǒng)具備條件壓濾系統(tǒng)運行需要在外圍支持滿足的條件下才能啟動，盡量避免中途停車待料的狀態(tài)出現(xiàn)。具體條件如下：

①出料罐具備出料條件；

②出料罐攪拌槳在正常運行，防止固含量不均勻；

③出料罐溫度應＞50℃；防止Na2SO4·10H2O成坨結(jié)塊現(xiàn)象出現(xiàn)。

④工藝氣要＞1MPa，確保氣吹和角吹工藝正常運行。它是保證出料固含量達到93%以上的關(guān)鍵，固含量太低（即水含量高），Na2SO4·10H2O會在鹽渣中形成，使鹽渣結(jié)坨而難以處理。

⑤儀表氣要＞0.7MPa確保各氣動截止閥能正常、可靠、穩(wěn)定地執(zhí)行指令；

⑥稠厚罐攪拌機運行，防止在稠厚罐中少量固體晶粒沉淀；

由于上述信號均在六效DCS控制器里，在六效DCS監(jiān)控軟件中，組織一組串聯(lián)信號得軟電路，當這些條件時，由DCS滿足要給壓濾機PLC S7-200提供一個合成的外圍系統(tǒng)正常信號，并在監(jiān)控畫面上顯示出來，即外圍支持系統(tǒng)具備條件指示燈變紅，該信號在運行期間由自保持電路信號。

（3）壓濾機系統(tǒng)具備條件壓濾機系統(tǒng)具備條件有工藝和儀表氣壓力正常、壓濾機遠控、壓濾機自動、進料泵遠控和電磁閥遠控五個信號。壓濾機系統(tǒng)正常是由壓濾機PLC控制系統(tǒng)給出信號，具體表現(xiàn)為所有受控設備都沒有故障信號，它是由所有故障信號并聯(lián)合成的信號；壓濾機遠程、壓濾機自動這兩個信號由壓濾機控制柜遠程/就地手動轉(zhuǎn)換開關(guān)提供，電磁閥遠程由二樓壓濾機電磁閥箱和一樓4個電磁閥的遠程/就地開關(guān)提供給PLC，由軟電路串聯(lián)組合后提供的信號。

3 壓濾系統(tǒng)的遠程啟動、停操作

本壓濾系統(tǒng)的遠程監(jiān)控操作不設單設備操作，只設全自動和步進組操二種運行方式，這是因為壓濾機系統(tǒng)的運行有嚴格程序，誤操作會有一定的危險性。

在監(jiān)控畫面上設有啟動、暫停和停止3個按鈕，還設有翻板關(guān)閉/板框壓緊、進料、原水反洗、壓縮氣反吹、角吹（左右吹）、角洗、卸壓回程七個步進組操。在系統(tǒng)就緒燈變紅后，可以進入遠程操作。

本壓濾系統(tǒng)設有二種運行方式：（1）全自動運行，（2）單步組操運行。

點擊啟動按鈕，在確認后，系統(tǒng)進入全自動運行，即嚴格按上述7個步進順序依次運行，直到壓濾結(jié)束。單步組操除壓緊步和卸壓回程步外都必須在壓濾機有保壓指示的壓緊狀態(tài)下進行，否則點動無效。單步組操運行時先點擊某個組操步（例如角吹），再點擊“啟動”按鈕，在確認后，系統(tǒng)進入某個組操步運行（例如自動進入角吹程序運行）。在全自動或組操運行期間，如果需要暫停，則點擊“暫?！卑粹o，確認后，壓濾系統(tǒng)自動停止運行，如果再點擊“啟動”按鈕，在確認后，系統(tǒng)又自動在原程序運行基礎上繼續(xù)全自動運行或組操運行。如果需要停止，則點擊“停止”按鈕，在確認后，系統(tǒng)停止運行，它和暫停的區(qū)別是再次啟動后不再按原程序繼續(xù)運行，而是重新進入全自動運行或某個組操步程序運行。

4 壓濾系統(tǒng)的組操(1)自動翻板關(guān)閉和板框壓緊

組操（1）包括二個連續(xù)的工藝步序，即翻板關(guān)閉和板框壓緊，具體程序如下：

①啟動翻板油泵電機；

②啟動翻板關(guān)閉電磁閥，翻板伸縮油缸伸展，翻板進入關(guān)閉動作；

③在一定的時間間隔內(nèi)（10s）給出關(guān)到位信號，關(guān)信號由綠變紅，表示翻板關(guān)閉完成；

④如果超時15s翻板關(guān)到位信號還不能給出，則自動發(fā)出報警信號，告知翻板關(guān)閉系統(tǒng)出現(xiàn)故障，要求相關(guān)人員去現(xiàn)場檢查和修復；

⑤翻板關(guān)到位信號給出后控制系統(tǒng)自動進入板框壓緊程序；

⑥低壓油泵、高壓油泵和壓緊電磁閥同時啟動和開啟，指示燈均由綠變紅，油壓迅速上升，液壓油經(jīng)壓緊電磁閥進入壓緊板框伸縮缸的伸展端，令缸體自動伸展，板框開始進入壓緊狀態(tài)；

⑦油壓上升至20MPa，低壓限位指示燈由綠變紅，低壓油泵電機自動停止工作；

⑧油壓繼續(xù)上升至25MPa，高壓限位指示燈由綠變紅，高壓油泵電機自動停止工作，油壓系統(tǒng)進入保壓狀態(tài)，保壓指示燈由綠變紅。

⑨自高壓油泵啟動到伸縮油缸油壓達到25MPa上限，保壓指示燈亮，高壓油泵自動停機，如果30s后，油壓還達不到25MPa上限，則壓緊報警燈自動閃爍，同時應該有報警聲指示壓緊油路燈系統(tǒng)故障，需有人檢查修復，整個壓濾系統(tǒng)轉(zhuǎn)入暫停狀態(tài)。如果不能很快修復，則該壓濾機組要停止運行，進入檢修狀態(tài)，啟動另一組壓濾機。

⑩在保壓階段，由于油路系統(tǒng)不可避免地會有少量的漏油，壓力會由25MPa開始逐漸，低于25MPa時高壓指示燈由紅變綠，當下降到20MPa以下，低壓指示燈由紅變綠表示保壓結(jié)束，該段保壓時間有時間信號指示，新設備密封系統(tǒng)完好。保壓時間一般為4h以上，使用時間長了，密封墊圈的陳舊和老化，高壓油的漏油量增加，保壓時間也會由4h逐漸降到低于30min，會發(fā)出保壓報警信號，提醒維護人員對該壓濾機高壓油路系統(tǒng)進行維護。

當?shù)蛪海?0MPa）指示燈由紅變綠時，系統(tǒng)自動啟動高壓油泵，低壓指示燈很快由綠變紅，30s內(nèi)，高壓（25MPa）指示燈由綠變紅，液壓系統(tǒng)再次進入保壓狀態(tài)，如果超時，則自動提供補壓壓緊超時報警，處理方式如⑨所示，系統(tǒng)進入暫停狀態(tài)，檢查故障性質(zhì)并進行排除，如果能及時排除，則繼續(xù)運行，不能排除則啟動備用壓濾系統(tǒng)。

5 壓濾系統(tǒng)組操(2)-自動進料

（1）進料條件確認本壓濾系統(tǒng)在某種運行條件因某種原因變化而不具備連續(xù)運行的情況下，壓濾機具備有在一個壓濾周期內(nèi)中途暫停，待條件具備后再繼續(xù)運行的間隙運行能力。但從系統(tǒng)自動運行、運行成本和系統(tǒng)設備使用壽命角度，最好在一個壓濾周期內(nèi)盡量不要中途暫停。要做到這一點，必須有一個進料條件確認的環(huán)節(jié)。進料條件確認包含外圍支持系統(tǒng)的條件確認和壓濾系統(tǒng)內(nèi)部的條件確認。外圍支持系統(tǒng)條件確認在本文2.2節(jié)中有詳細說明，其最終以發(fā)出外圍支持系統(tǒng)具備條件信號（DCS提供）來確認，壓濾系統(tǒng)內(nèi)部的條件確認，包括兩方面，一是系統(tǒng)就緒中包含的內(nèi)容；二是進料閥自動控制到處于開到位狀態(tài)，自動控制到處于關(guān)狀態(tài)。只有上述條件都得滿足，系統(tǒng)才能進入自動進料程序。

當然還存在這種情況，當上述條件中的個別條件不具備，例如出料罐中物料不夠、稠厚罐接納濾液的空間不夠等，這時從系統(tǒng)運行角度還要求壓濾進料運行，這時需要具備更改條件參數(shù)資格的人員更改條件參數(shù)設定使系統(tǒng)進入就緒狀態(tài)，同時運行操控人員也會特別注意個別條件不具備的環(huán)節(jié)，或者盡量在壓濾期間去創(chuàng)造和改善條件使壓濾機能夠持續(xù)進行下去，或者在處于臨界狀態(tài)時及時暫停壓濾系統(tǒng)。當系統(tǒng)外圍條件或其他條件不滿足要求時，系統(tǒng)就緒指示自動變綠，壓濾系統(tǒng)處于暫停但保壓狀態(tài)繼續(xù)不變。

（2）進料操控壓濾機進入進料組操步，在確認了進料條件，開啟了進料閥，確認排料閥處于關(guān)閉狀態(tài)后，進料泵自動進入啟動運行程序。

本項目的進料泵是壓濾機專用進料泵，采用變頻自動控制，可以根據(jù)運行實際情況調(diào)整變頻設置，能使壓濾運行處于最佳狀態(tài)。變頻控制采用三段控制方案，第一、二段采用頻率控制，第三段采用穩(wěn)壓控制。具體控制方案由控制工程師根據(jù)工藝要求編制變頻調(diào)節(jié)軟件。其基本原則如下述：

①變頻啟動階段該階段變頻電機的工作頻率由0Hz上升到35Hz。其啟動時間間隔不到20S（由變頻器內(nèi)部設定）。由于此階段濾布上沒有濾渣，阻力較小，流量很大，全頻（50Hz）工作時最大流量可能達到130m3·h-1，為把最大流量控制到不超過100m3·h-1，防止進料壓力上升太快，令工作頻率啟動不超過額定值得70%，即35Hz。

②升頻保流量階段該階段變頻電機的工作頻率由35Hz逐漸增大到50Hz，該階段隨濾渣的增加，阻力增大，為使流量盡量大些，使壓濾時間（也即壓濾周期）可以縮短一些，采用升頻的辦法來保住原來的流量和減少流量降低速度。由于本泵輸送是固液混合物，流量很難測，儀表很貴又不一定準確，此處的升頻時間采用根據(jù)進料泵特性曲線和工程經(jīng)驗相結(jié)合的方法，由工藝確定一個時間段，以均速升頻方法實現(xiàn)，顯然它不是最佳的，但它是相對合理的。

③保壓運行階段隨鹽渣在濾布上的堆積，阻力不斷增大，為盡可能減少流量的下降，通過增加進料泵運行頻率，使進料壓力不斷增高。當進料壓力達到1MPa時，變頻泵自動進入保壓調(diào)節(jié)運行階段。該階段采用進料管上的壓力變送表反饋調(diào)節(jié)變頻泵頻率。即隨鹽渣層進一步增厚，阻力進一步加大，為防止進料壓力繼續(xù)增大，只能用降低頻率減少流量的方法來維持1MPa的保壓工作狀態(tài)，當頻率下降到15Hz時，認為壓濾機壓濾壓濾腔體內(nèi)已被鹽渣塞滿，停止進料泵運行。

（4）停泵排料當在保壓運行階段，變頻泵的運行頻率降到15Hz時，給料泵自動轉(zhuǎn)入停泵排料程序，進料泵自動停止運行，泵指示由紅變綠，進料閥自動關(guān)閉、指示燈由紅變綠、自動打開指示燈由綠變紅，把進料管道中含15%固鹽飽和液的料液全部排入地溝，進入落地水池，進而回流入調(diào)節(jié)池，防止在進料管道中由于溫度降低引起Na2SO4·10H2O的結(jié)坨堵塞。

6 壓濾系統(tǒng)組操（3）-壓縮氣反吹

該組操工序是用工藝壓縮氣（0.7MPa）吹掃濾腔母管內(nèi)表面和進料管道里殘剩的漿料和原水，并將其沖到落地水池。

7 壓濾系統(tǒng)組操（4）-角吹

角吹組操程序的功能是進一步將濾腔內(nèi)的鹽渣含固率由60%左右提高到93%，達到NaCl、Na2SO4混鹽晶渣可以順利排出堆放的目的。如果鹽渣中含水率＞7%，會使部分Na2SO4帶足夠結(jié)晶水冷卻后出現(xiàn)結(jié)坨或板結(jié)在地面、容器里，使鹽渣處理難度加大。

角吹分左角吹和右角吹二步，相關(guān)閥門成組開啟。

左角吹和右角吹的時間各20min，具體時間由工藝調(diào)試時確定，左角吹時間到后，自動轉(zhuǎn)入右角吹，右角吹時間到后，自動停止角吹工序，所有角吹氣動閥門均關(guān)閉，指示燈由紅變綠。在自動運行條件下，壓濾系統(tǒng)自動進入角洗組操工序。

8 壓濾系統(tǒng)組操（5）-卸壓回程和卸料

壓濾系統(tǒng)組操5是一連串連續(xù)的程序動作，由于與外圍系統(tǒng)無關(guān)，又與壓濾系統(tǒng)內(nèi)部系統(tǒng)相關(guān)，過程相對復雜，為防止程序錯亂，要求盡量減少操作員干預。具體程序如下：在自動程序情況下角吹或角洗完成后，自動轉(zhuǎn)入卸壓回程和卸料程序，具體程序如下：

（1）卸壓電磁閥開啟壓力很快下落，12s后回程電磁閥開啟；回程電磁閥指示燈由綠變紅；低壓油泵開放，指示燈由綠變紅，在規(guī)定的230s左右回程時間內(nèi)，回程到位指示燈由綠變紅，表明回程完成，油泵電機自動停止運行，回程電磁閥關(guān)閉。如果超過300s回程到位指示燈還不亮，則自動報警，表明液壓油路出現(xiàn)故障；

（2）回程電磁閥發(fā)出到位信號，翻板油泵電機自動開啟，指示燈由綠變紅，翻板開電磁閥開啟，在規(guī)定時間10S左右開到位信號發(fā)出，表明翻板開啟完成，如果超出15s還未發(fā)出開到位信號，表明翻板油路系統(tǒng)有問題，發(fā)出報警信號，派相關(guān)人員去處理；（3）翻板開到位信號發(fā)出后，系統(tǒng)自動進入拉板程序，拉板變頻電機自動運行，指示燈由綠變紅，拉板卸料是一個全自動過程，拉板前進后退指示燈交替由綠變紅和由紅變綠，表明整個拉板卸料過程在進行，在進入最后一塊板框拉板時，位置傳感器發(fā)出拉板返回信號，當把最后一塊板拉回后，拉板機構(gòu)自動進入拉板機構(gòu)停止位，并發(fā)出拉板停到位信號，該信號指示由綠變紅，拉板電機自動停止，指示燈由紅變綠，拉板返回指示燈也由紅變綠，表明拉板卸料過程結(jié)束，也是一個壓濾周期結(jié)束。壓濾系統(tǒng)自動運行結(jié)束，如果再要啟動壓濾機，在得到系統(tǒng)就緒信號后，需要重新點擊壓濾啟動按鈕。

9 總結(jié)

現(xiàn)代煤化工企業(yè)是全自動化工程，煤化工廢水零排放是保證現(xiàn)代煤化工企業(yè)穩(wěn)定運行的前提。在實現(xiàn)煤化工廢水中水中溶解鹽的結(jié)晶分離過程中，壓濾機起著至關(guān)重要的作用和扮演著不可替代的位置。通過監(jiān)控方式選擇、遠程監(jiān)控準備、遠程系統(tǒng)自動啟動、壓濾機喂料泵的變頻給料、壓濾機的恒速過濾和恒壓過濾、自動反吹系統(tǒng)等步驟，將煤化工廢水中的溶解鹽水含量降低至5%，從而確保結(jié)晶鹽的封裝。通過該自動化的步驟確保了易板結(jié)Na2SO4· 10H2O的熱結(jié)晶與分離，保證煤化工零排放系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，系統(tǒng)可以連續(xù)不斷實現(xiàn)熱結(jié)晶鹽的分離，從而更進一步實現(xiàn)了現(xiàn)代煤化工企業(yè)廢水零排放工程的全自動運行。

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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

陜西延長石油(集團)有限責任公司科技項目(ycsy2016ky-A -29)

馬紅鵬（1990-），男，助理工程師，2014年畢業(yè)于四川大學化學工程專業(yè)，主要研究方向：能源化工廢水資源化。