分類號 密級 U D C 編號 碩士學(xué)位論文 論文題目 煙氣制酸過程智能控制 系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā) 學(xué)科、專業(yè) 控 制 工 程 研究生姓名 邵 雄 奇 導(dǎo)師姓名及 專業(yè)技術(shù)職務(wù) 桂衛(wèi)華 教授 盧沛光 高級工程師 摘 要 冶煉煙氣制酸是硫酸生產(chǎn)的一種重要方法， 它具有硫鐵礦制酸和硫磺制酸所不具有的優(yōu)勢。 但目前國內(nèi)煙氣制酸過程主要是手動控制， 控制精度低、 效果差。如何針對煙氣制酸過程不易建立準確數(shù)學(xué)模型，具有非線性、大時滯、時變和干擾性強的特點，把智能控制等先進控制思想運用到煙氣制酸過程，最終達到轉(zhuǎn)化器內(nèi)四段溫度基本恒定、熱量保持平衡，從而降低能耗，已經(jīng)成為一項意義重大的研究和開發(fā)課題。 本論文探討了應(yīng)用智能控制方法達到煙氣制酸過程控制目標的控制系統(tǒng)設(shè)計方法。 論文首先介紹課題的研究背景及來源， 綜述目前國內(nèi)外冶煉煙氣制酸過程的研究現(xiàn)狀，指出煙氣制酸過程在控制上的難點，然后給出研究的問題和基本的解決思路。通過對煙氣制酸生產(chǎn)過程基本原理的的具體介紹，說明制酸系統(tǒng)風(fēng)量調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)化器內(nèi)四段溫度所需要達到的具體性能指標。 接下來對所設(shè)計的控制系統(tǒng)從理論上探討設(shè)計的方法。在介紹控制系統(tǒng)設(shè)計目標的基礎(chǔ)上，提出了控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，通過專家控制策略實現(xiàn)了風(fēng)量閥門的準確調(diào)節(jié)，為保證閥門的正確動作，根據(jù)閥門在不同開度的動作特性，對閥門開度的控制量進行了專家修正；通過模糊控制策略實現(xiàn)了風(fēng)機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)， 該模糊控制器以轉(zhuǎn)化器四段溫度的整體偏移量為輸入，以風(fēng)機轉(zhuǎn)速為輸出，最終通過坐標變換將風(fēng)機轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為變頻器的輸出。最后探討了智能控制系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，說明風(fēng)機驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的方案選擇與實現(xiàn)， 給出系統(tǒng)應(yīng)用軟件的程序框架、 控制算法流程和系統(tǒng)通訊流程，應(yīng)用 訊技術(shù)實現(xiàn)了應(yīng)用軟件與底層集散控制系統(tǒng)的無縫連接。實際運行結(jié)果表明：論文提出的煙氣制酸過程智能控制系統(tǒng)，完全能夠達到控制性能指標的要求。論文最后在總結(jié)系統(tǒng)設(shè)計和應(yīng)用的基礎(chǔ)上，指出了智能控制系統(tǒng)在冶煉企業(yè)中廣闊的應(yīng)用前景。 關(guān)鍵詞 ： 冶煉煙氣，硫酸生產(chǎn)，模糊控制，風(fēng)機，二氧化硫 is an of it to in is on to to of in a in A of is in in to of to of of of is on of of of is of is is to In to at is is to of of be to of At of is of of is of PC of of of On of of of of is at 目 錄 第一章 緒論 . 1 究背景 . 1 究目的與意義 . 3 內(nèi)外研究現(xiàn)狀 . 4 究內(nèi)容及論文結(jié)構(gòu) . 5 第二章 煙氣制酸過程的生產(chǎn)工藝需求 . 7 酸生產(chǎn)的種類 . 7 鐵礦制酸 . 7 磺制酸 . 7 煉煙氣制酸 . 8 種原料制酸的綜合比較 . 8 氣制酸的基本原理 . 10 酸系統(tǒng)的風(fēng)量調(diào)節(jié) . 12 化器內(nèi)四段溫度控制 . 14 . 16 結(jié) . 17 第三章 煙氣制酸過程智能控制系統(tǒng)設(shè)計 . 18 制系統(tǒng)整體設(shè)計 . 18 統(tǒng)設(shè)計要求 . 19 統(tǒng)結(jié)構(gòu) . 19 量閥門的專家控制系統(tǒng) . 22 家控制系統(tǒng)基本概念 . 22 家控制系統(tǒng)設(shè)計 . 23 門開度專家修正規(guī)則 . 28 機轉(zhuǎn)速的模糊控制 . 29 訊技術(shù) . 34 結(jié) . 36 第四章 煙氣制酸過程智能控制系統(tǒng)的實現(xiàn) . 37 機節(jié)能控制的實現(xiàn) . 37 機運行狀態(tài)分析 . 37 機調(diào)速的實現(xiàn)方法 . 38 統(tǒng)工作流程 . 39 散控制系統(tǒng)介紹 . 40 統(tǒng)簡介 . 41 統(tǒng)硬件及功能 . 43 制系統(tǒng)應(yīng)用軟件整體框架 . 45 訊機制的實現(xiàn) . 48 制算法流程 . 51 統(tǒng)通訊流程 . 53 統(tǒng)運行效果 . 56 結(jié) . 57 第五章 系統(tǒng)運行結(jié)論與展望 . 58 參考文獻 . 60 致 謝 . 65 攻讀學(xué)位期間的主要成果 . 66 附圖 1 . 67 中南大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第一章 緒論 1第一章 緒論 隨著國家環(huán)保政策的日益嚴格，近幾年，有色金屬冶煉企業(yè)花費了大量投資，引進世界先進技術(shù)，加強煙氣制酸，使硫的利用率有很大程度的提高，極大的減少了對環(huán)境的污染。在進行技改的同時又有生產(chǎn)規(guī)模的擴大，因而由冶煉煙氣制酸產(chǎn)量近年有了較快的增長。我國現(xiàn)有硫酸生產(chǎn)廠家約 500 多家，主要采用硫鐵礦制酸，冶煉煙氣制酸、硫磺制酸三種生產(chǎn)方法，年生產(chǎn)能力在 2400 萬噸以上。韶關(guān)冶煉廠共有兩套硫酸生產(chǎn)系統(tǒng)，硫酸年產(chǎn)量每系統(tǒng) 14 萬噸，兩個系統(tǒng)共 28 萬噸。 2000 年的產(chǎn)量約占世界總產(chǎn)量的 12，僅低于美國，居世界第二位。 為滿足硫的利用率和排放煙氣的國家要求，各個鋼鐵集團自行研制或引進了大批的先進設(shè)備，以提高勞動生產(chǎn)率，擴大利潤，獲得好的生產(chǎn)效益。在韶關(guān)冶煉廠煙氣制酸生產(chǎn)中，將原來的風(fēng)機液力偶合器調(diào)速裝置替換為變頻器調(diào)速裝置。這就引入了一個新的矛盾：新的先進設(shè)備和原有的基礎(chǔ)設(shè)施的矛盾。在韶關(guān)冶煉廠燒結(jié)廠的煙氣制酸系統(tǒng)中，這個矛盾主要體現(xiàn)在改造后采用先進變頻器系統(tǒng)和過于簡單的控制策略上。為滿足轉(zhuǎn)化器內(nèi)四段溫度的恒定，并且保證冶煉煙氣中的硫達到較高的利用率，簡單的靠 控制手段是不夠的，必須提出新的控制策略。 煙氣制酸過程是一個分布參數(shù)、耦合嚴重、非線性過程，是一個高度復(fù)雜的工業(yè)過程。韶關(guān)冶煉廠為滿足廢氣排放的國家標準，采用了“兩轉(zhuǎn)兩吸”過程：即 使得煙氣制酸的過程更加復(fù)雜。本文就轉(zhuǎn)化器內(nèi)四段溫度的恒定，盡可能的提高 出了風(fēng)量自動控制系統(tǒng)的設(shè)計方法。 本章首先從研究背景、研究目的與意義和國內(nèi)外研究現(xiàn)狀三方面闡明課題的相關(guān)背景，最后對論文構(gòu)成進行介紹。 究背景 硫酸作為我國國民經(jīng)濟和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料的重要基礎(chǔ)原料和物資，已廣泛應(yīng)用于機械、電子、化工、材料、冶金、農(nóng)業(yè)等各個行業(yè)，在國民經(jīng)濟發(fā)展中具有十分重要的地位。與國際上發(fā)達國家相比，我國硫酸生產(chǎn)企業(yè)在質(zhì)量、成本、規(guī)模、效益、中南大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第一章 緒論 2品種、環(huán)境保護等方面尚存在較大的差距，如勞動生產(chǎn)率低、成本和能耗高、環(huán)境污染嚴重、對國際硫磺市場依賴較重等，這些差距嚴重威脅到我國硫酸工業(yè)的生存和發(fā)展，大大削弱了其參與國際市場競爭的能力。差距產(chǎn)生的原因是多方面的，但生產(chǎn)過程控制技術(shù)落后、自動化程度低是最主要原因之一。采用先進的控制技術(shù)解決包括制酸工業(yè)在內(nèi)的流程工業(yè)優(yōu)化控制問題，改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，提高我國流程工業(yè)的市場競爭能力已成為共識。 煙氣制酸過程是一個分布參數(shù)、耦合嚴重、非線性過程，是一個高度復(fù)雜的工業(yè)過程。由于其復(fù)雜性，目前國內(nèi)很多冶煉煙氣制酸企業(yè)的生產(chǎn)過程依靠人工控制。就韶關(guān)冶煉廠而言，煙氣制酸過程所存在的問題，可概述為以下兩個方面： 首先， 轉(zhuǎn)化流程的核心設(shè)備是轉(zhuǎn)化器， 核心目標是 為了保證 須使轉(zhuǎn)化器的四段溫度穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)，即需要控制一段進口、一段出口、二段進口、三段進口、四段進口的溫度。這幾個溫度指標與以下一些因素相關(guān)：轉(zhuǎn)化反應(yīng)的反應(yīng)狀況、煙氣管道和轉(zhuǎn)化器的保溫情況、貫穿轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的系統(tǒng)風(fēng)量、各段煙氣參與熱交換的情況以及煙氣中 些因素中能進行控制的只有系統(tǒng)風(fēng)量和參與熱交換的情況，而系統(tǒng)風(fēng)量又牽涉到整個轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的熱平衡，因此，穩(wěn)定轉(zhuǎn)化器的四段溫度，只能依靠調(diào)節(jié)各段煙氣參與熱交換的程度，即調(diào)節(jié)控制熱交換程度的煙氣管道上的閥門的開度。但是，這些煙氣的熱交換是相互耦合的，閥門的開度調(diào)節(jié)難以簡單定量進行，由于滯后性的影響，錯誤的調(diào)節(jié)還會使四段溫度狀況惡化。這些調(diào)節(jié)都需要操作人員的豐富的經(jīng)驗。這樣一來，四段溫度的調(diào)節(jié)就會有較大的隨意性，控制效果較差。 其次，對于整個轉(zhuǎn)化系統(tǒng)而言，轉(zhuǎn)化和吸收都是放熱反應(yīng)，但熱量也會有很多方式流失，維持系統(tǒng)的熱平衡對于節(jié)能降耗具有重要的意義。系統(tǒng)熱平衡一旦打破并積累，就需要補熱或釀成工藝事故。系統(tǒng)損失的能量有較大部分是由煙氣（尾氣）帶走的，這樣一來就需要結(jié)合 據(jù)經(jīng)驗和資料，轉(zhuǎn)化器四段溫度整體偏低時需要減小風(fēng)量，反之亦然。當然這些都需要考慮 目前來說，對于風(fēng)量的調(diào)節(jié)，也只能依靠操作人員的經(jīng)驗，調(diào)節(jié)的程度也只是模糊的。 綜上所述，冶煉煙氣制酸過程的控制是分布參數(shù)、耦合嚴重、非線性系統(tǒng)的控制，這導(dǎo)致了很難求得系統(tǒng)精確的數(shù)學(xué)模型，采用傳統(tǒng)的經(jīng)典控制手段也難以達到中南大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第一章 緒論 3控制要求，必須采用新型的智能控制方法來解決這一問題。 智能化技術(shù)的發(fā)展為解決復(fù)雜工業(yè)過程建模和優(yōu)化控制問題提供了一種很好的解決方案，逐漸成為工業(yè)過程控制研究的熱點。智能化技術(shù)能對復(fù)雜系統(tǒng)（如非線性、快時變、復(fù)雜多變量、環(huán)境擾動等）進行有效的全局控制，并具有較強的容錯能力；定性決策和定量控制相結(jié)合的多模態(tài)組合控制，其基本目的是從系統(tǒng)的功能和整體優(yōu)化的角度來分析和綜合系統(tǒng)，以實現(xiàn)預(yù)定的目標，并應(yīng)具有自組織能力；同時具有以知識表示的非數(shù)學(xué)廣義模型和以數(shù)學(xué)模型表示的混合控制過程，人的知識在控制中起著重要的協(xié)調(diào)作用，系統(tǒng)在信息處理上既有數(shù)學(xué)運算，又有邏輯和知識推理。智能化技術(shù)主要包括：人工智能、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)、模糊控制、軟測量技術(shù)、預(yù)測技術(shù)、進化算法等，已廣泛應(yīng)用在機器人學(xué)、機械制造、電力電子、工業(yè)過程控制等領(lǐng)域。 由于復(fù)雜工業(yè)過程構(gòu)成復(fù)雜、 功能多樣， 隨著環(huán)境變化和工業(yè)過程本身的發(fā)展，工業(yè)過程控制目的、目標、邊界約束條件也隨著改變，從而使其研究更加艱難。盡管各單項技術(shù)各具特色，但要實現(xiàn)對實際工業(yè)過程尤其是復(fù)雜工業(yè)過程有效控制是相當困難的。各種智能化技術(shù)，如模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)等本身都具有一定的適應(yīng)面和局限性，很難用一種技術(shù)來實現(xiàn)復(fù)雜工業(yè)過程中的優(yōu)化控制問題。采用集成化思想綜合多種智能化技術(shù)優(yōu)點的智能集成控制技術(shù)已經(jīng)成為復(fù)雜工業(yè)過程控制研究和發(fā)展的方向。 本論文針對煙氣制酸過程中“兩轉(zhuǎn)兩吸”的生產(chǎn)條件，針對控制閥門眾多，風(fēng)機盡可能低速運行的要求，進行了煙氣制酸過程的智能控制技術(shù)及其應(yīng)用研究，提出了轉(zhuǎn)化器內(nèi)四段溫度恒定控制的閥門專家控制技術(shù)，建立了風(fēng)機風(fēng)量自動調(diào)節(jié)過程智能控制系統(tǒng)。該項目的研究成功，將會對冶煉企業(yè)煙氣制酸過程控制起到重要的推動作用。 究目的與意義 為了解決煙氣制酸過程中存在的主要問題，本論文將主要研究以下幾個相關(guān)問題： （ 1）研究模糊控制、專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能化技術(shù)在煙氣制酸過程中的應(yīng)用，主要針對煙氣制酸過程中轉(zhuǎn)化器內(nèi)化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)屬性，選擇合適的目標溫度，中南大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第一章 緒論 4通過調(diào)節(jié)相關(guān)的閥門，使轉(zhuǎn)化器內(nèi)四段溫度保持基本恒定。選擇最符合實際情況的控制模型，在轉(zhuǎn)化器內(nèi)四段溫度整體偏離目標溫度的情況下如何通過變頻器調(diào)節(jié)風(fēng)機的轉(zhuǎn)速，并且盡可能的達到節(jié)能的目的。 （ 2）研究專家控制在風(fēng)量閥門控制中的應(yīng)用，在總結(jié)現(xiàn)場操作人員調(diào)節(jié)風(fēng)量閥門專家經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，總結(jié)出閥門控制的專家規(guī)則模型，通過該模型指導(dǎo)四段轉(zhuǎn)化器風(fēng)量控制閥門開度的控制。 （ 3）研究該智能控制系統(tǒng)與原橫河 散控制系統(tǒng)的連接。智能控制算法在上層應(yīng)用軟件中實現(xiàn)，控制算法所需獲得的生產(chǎn)過程參數(shù)通過 術(shù)從 計算所得的控制量的輸出同樣通過 術(shù)下發(fā)到組態(tài)軟件并控制現(xiàn)場的閥門控制器以及變頻器的輸出。 研究煙氣制酸過程智能控制系統(tǒng)的工業(yè)化實現(xiàn)方法和技術(shù)， 研究 訊技術(shù)在本系統(tǒng)的應(yīng)用，保證控制的實時性、準確性。 內(nèi)外研究現(xiàn)狀 冶煉煙氣制酸是一個復(fù)雜的物理化學(xué)過程，隨機干擾因素的影響嚴重，物理化學(xué)反應(yīng)過程千變?nèi)f化，不同的生產(chǎn)過程對各個控制量的要求也不盡相同，因此如何保持四段轉(zhuǎn)化器內(nèi)溫度的基本恒定，如何盡可能的提高 目前國內(nèi)的煙氣制酸過程控制系統(tǒng)相對落后，大部分冶煉企業(yè)大多還是依靠工藝改造來達到較好控制效果的目的。國內(nèi)有專家提出通過增強轉(zhuǎn)化器的蓄熱作用，增加催化劑用量，采用高效熱交換器及選擇合適的保溫材料等來保持轉(zhuǎn)化器內(nèi)的熱平衡，但是對閥門的控制很簡 單，只采取簡單的全開全閉12。金昌冶煉廠采取類似的工藝措施保持轉(zhuǎn)化器內(nèi)的熱平衡3。某些企業(yè)在兩轉(zhuǎn)兩吸生產(chǎn)情況下采用設(shè)置直接進二段的冷副線、在干燥塔前設(shè)置空氣放入管線以及設(shè)計上考慮一、二段的觸媒分配以及各段轉(zhuǎn)化率等措施保持轉(zhuǎn)化器內(nèi)的熱平衡4。對一些企業(yè)，例如云南銅業(yè)股份有限公司來說，冶煉煙氣制酸過程只有簡單的自動控制系統(tǒng)，完成基本的監(jiān)控功能5。杭州富春江冶煉廠雖然對工藝進行 了改造，采用了兩轉(zhuǎn)兩吸生產(chǎn)工藝，但是沒有配套的自動化控制系統(tǒng)2。對風(fēng)機的控制來說，大冶有色金屬公司冶煉廠的 機用 行檢測和控制6。大冶的 臺液力耦合器調(diào)速，中南大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第一章 緒論 5能耗較大， 轉(zhuǎn)兩吸，控制手段較為落后6。貴溪冶煉廠提出 閥門控制風(fēng)機對冶煉煙氣的分配，但是風(fēng)機風(fēng)量調(diào)節(jié)靠機械調(diào)速，有較大的能耗7。金川公司化工廠將風(fēng)機和變頻器信號都通過 送到 中控制，對風(fēng)量的調(diào)節(jié)主要依靠操作人員9。某些企業(yè)用 司的 散控制系統(tǒng)作為冶煉煙氣制酸過程中的主要控制設(shè)備，完成對煙氣制酸過程的監(jiān)控10綜上所述，國內(nèi)的冶煉煙氣制酸過程自動化程度相對落后，各企業(yè)為滿足生產(chǎn)工藝的要求，一般在生產(chǎn)工藝上進行了較多的改造，而沒有在工藝改造完畢的基礎(chǔ)上建立更高級的自動控制系統(tǒng)，達到更好的控制效果13 17。 根據(jù)文獻資料，國外煙氣制酸過程的自動化程度相對較好，其更好的控制效果一般是建立在較好的設(shè)備情況基礎(chǔ)上的14芬蘭開米拉公司化工廠 1987 年已采用兩轉(zhuǎn)兩吸生產(chǎn)工藝，共有三臺 國內(nèi)現(xiàn)有生產(chǎn)工藝類似，但是產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量相對較高20。 國外的一些學(xué)者對冶煉企業(yè)降低能耗， 提出了能耗預(yù)測模型、局部最優(yōu)解的獲得、控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)最優(yōu)化實現(xiàn)等方面，對煙氣制酸和其它冶煉企業(yè)的生產(chǎn)有較大的指導(dǎo)意義。但是這些控制方案一般都需要建立復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型；而煙氣制酸過程是多變量系統(tǒng)，變量之間的關(guān)系難以用精確的數(shù)學(xué)模型來表達，單純的依靠傳統(tǒng)的控制思想，難以實現(xiàn)并且難以取得較好的控制效果17。 總體來說，對于煙氣冶煉過程的控制，國內(nèi)電控裝置大都是模擬手動控制裝置或者由簡單的單片機、可編程邏輯控制器組成，受到控制器速度及內(nèi)存的限制，很難應(yīng)用復(fù)雜的控制算法及保證控制的實時性。為此，引入先進的控制理論和技術(shù)，應(yīng)用模糊控制、專家控制等多項智能控制理論和技術(shù)17建立冶煉煙氣制酸過程轉(zhuǎn)化器內(nèi)四段溫度基本恒定、 機以盡可能低的轉(zhuǎn)速以達到節(jié)能目的的智能控制系統(tǒng)， 成為當前冶煉企業(yè)煙氣制酸過程控制的主要發(fā)展趨勢。 究內(nèi)容及論文結(jié)構(gòu) 本文以韶關(guān)冶煉廠煙氣制酸過程為研究對象，提出了一種應(yīng)用模糊控制、專家控制和閥門控制的智能控制系統(tǒng)，并在實際工業(yè)過程控制系統(tǒng)中應(yīng)用，主要研究內(nèi)容包括： （ 1）通過對專家經(jīng)驗的總結(jié)，建立基于專家經(jīng)驗的四段轉(zhuǎn)化器溫度閥門控制的中南大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第一章 緒論 6專家控制系統(tǒng)，根據(jù)對現(xiàn)場生產(chǎn)條件的總結(jié)，建立特殊生產(chǎn)狀況下的處理方法，即專家規(guī)則模型； （ 2）分析 此可逆反應(yīng)盡可能的向正方向進行，并且使溫度基本保持在最佳溫度，以保證轉(zhuǎn)化速率。這要求建立風(fēng)機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的模糊控制系統(tǒng)，在滿足化學(xué)反應(yīng)的條件下盡可能的節(jié)能。 （ 3）利用企業(yè)現(xiàn)有軟硬件設(shè)施，采用 術(shù)實現(xiàn)上層控制軟件與下層 現(xiàn)應(yīng)用軟件和組態(tài)軟件之間的無縫連接。 本論文的具體構(gòu)成如下： 第二章在介紹各種制酸過程特點的基礎(chǔ)上，分析了各種制酸過程的優(yōu)劣，說明了冶煉煙氣制酸過程工藝的特殊性， 給出了冶煉煙氣制酸過程需要實現(xiàn)的技術(shù)指標，并指出了傳統(tǒng)控制方法的局限性。 第三章從理論上討論了系統(tǒng)的控制策略。詳細分析了要達到控制目標需要采取的控制策略。具體提出了專家控制、模糊控制和專家規(guī)則模型的設(shè)計思想，并從總體上說明了系統(tǒng)的通訊策略。 第四章給出了煙氣制酸過程智能控制系統(tǒng)的具體實現(xiàn)。詳細介紹了專家控制、模糊控制和專家規(guī)則模型的實現(xiàn)方法，給出了具體的實現(xiàn)步驟，并給出了主要步驟的流程圖。詳細說明了 訊的實現(xiàn)方法。 第五章對本文所做的工作加以總結(jié)，并對課題的完善和進一步深入研究提出了建議，最后肯定了課題的現(xiàn)實意義，展望了課題的推廣價值。 中南大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第二章 煙氣制酸過程生產(chǎn)工藝需求 7第二章 煙氣制酸過程的生產(chǎn)工藝需求 目前常見的工業(yè)制硫酸主要有三種方法： 硫磺制酸、 硫鐵礦制酸和冶煉煙氣制酸，本章在介紹在三種制酸方法的基礎(chǔ)上，對三種方法的優(yōu)缺點進行了比較，說明了煙氣制酸的優(yōu)越性。針對韶關(guān)冶煉廠煙氣制酸過程“兩轉(zhuǎn)兩吸”工藝的特殊性，對工藝作了詳細的說明，指出了該過程控制中需要注意的問題，并對系統(tǒng)中的可檢測量和被控量進行了處理，為冶煉煙氣制酸過程的智能控制系統(tǒng)的建立奠定了基礎(chǔ)。 酸生產(chǎn)的種類 目前工業(yè)制硫酸的原理有三種：硫磺制酸、硫鐵礦制酸和冶煉煙氣制酸。從世界范圍來講，近幾十年來一直以硫磺為主要制酸原料，硫磺制酸占 70以上，硫鐵礦制酸僅占 10以下。而絕大多數(shù)硫鐵礦制酸裝置在中國，這是因為中國缺乏天然硫磺資源。 鐵礦制酸 由于我國天然硫磺資源缺乏，目前我國仍是以硫鐵礦制酸為主的國家。目前硫鐵礦單系列最大裝置為 40 萬 t。 硫鐵礦制酸的企業(yè)多以大型化企業(yè)為主， 且都是老企業(yè)。這些大型企業(yè)生產(chǎn)的硫酸絕大多數(shù)都是供本企業(yè)生產(chǎn)自用，少部分流向市場。 硫鐵礦制酸生產(chǎn)過程為 硫鐵礦進入沸騰焙燒 廢熱鍋爐 煙氣凈化 干吸、轉(zhuǎn)化。生產(chǎn)過程與冶煉煙氣制酸基本相同。在硫鐵礦制酸過程中，每生產(chǎn) 1t 成品硫酸，就要生產(chǎn) 鐵礦燒渣，由于燒渣含鐵較低，綜合利用比較困難，一般是以低廉的價格出售給水泥廠作添加劑使用。 或部分取代黏土制磚或作為建筑材料的充填劑。有些廠家棄置堆放，既要占用大量場地，又造成了環(huán)境污染74。 硫鐵礦制酸，包括污水處理及尾氣處理費用，其生產(chǎn)成本在 300 /t。 磺制酸 硫磺是生產(chǎn)硫酸的理想原料，與硫鐵礦制酸比較，硫磺制酸的設(shè)備簡單，建設(shè)投資少，操作兼并，沒有廢渣和污水。我國目前硫磺制酸單系列最大裝置為 40 萬 t，將中南大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第二章 煙氣制酸過程生產(chǎn)工藝需求 8來有可能要達到 60 t。 自 1996 年以來， 特別是 1998 年開始， 由于國際上硫磺產(chǎn)量供大于求， 價格劇跌，中國開始進口大量硫磺用于制酸。 1995 年到 2000 年我國的硫磺進口量增加了 15 倍。年遞增長 可見增長速度之快。中國硫磺消費數(shù)量能否持續(xù)增加的關(guān)鍵因素是硫磺的市場價格。 1998 年國際市場硫磺價格降低，在大多數(shù)地區(qū)硫磺價格低于等量的硫鐵礦價格。因為硫磺制酸生產(chǎn)建設(shè)周期短，環(huán)保效益好，生產(chǎn)成本低等優(yōu)點使其規(guī)模僅幾年時間就急速擴大。 同時多數(shù)硫鐵礦制酸廠均購買硫磺混入硫鐵礦中參燒制酸，不用新建廠，所以成本下降，發(fā)展很快。 硫磺制酸的生產(chǎn)過程為 固體硫磺進入熔硫池 焚硫爐 廢熱鍋爐 干吸轉(zhuǎn)化。生產(chǎn)過程中沒有煙氣凈化工序。主產(chǎn)品為硫酸，副產(chǎn)品有蒸汽或用蒸汽發(fā)電。因硫磺含硫均在 所以生產(chǎn)過程中沒有燒渣及污水的排放，尾氣量減少，外排 硫磺制酸，硫磺離岸價格為 30 美元 /t 左右，其生產(chǎn)成本在 220 /t 左右。 煉煙氣制酸 近幾年來，隨著國內(nèi)有色工業(yè)的逐步發(fā)展壯大，冶煉煙氣制酸在全國硫酸產(chǎn)量中的比重也在增大。冶煉煙氣制酸單系列裝置的最大規(guī)模達到 60 萬 t，技術(shù)和裝備越來越先進，大型冶煉煙氣制酸生產(chǎn)都不同程度的采用了當今國內(nèi)外先進技術(shù)和裝備，大大改變了我國冶煉煙氣的生產(chǎn)狀況。 冶煉煙氣制酸的生產(chǎn)過程為： 熔煉爐煙氣 廢熱鍋爐 凈化 干吸 轉(zhuǎn)化。其在有色冶煉過程中硫酸為副產(chǎn)品，由于原料費用低，生產(chǎn)成本較低，在 200t 左右。 種原料制酸的綜合比較 從工業(yè)方面來講，由于原料不同，硫鐵礦制酸要比硫磺制酸工藝相對復(fù)雜，生產(chǎn)過程長，生產(chǎn)設(shè)備多。硫磺制酸原料，含硫為 上，不需要很大的原料堆存?zhèn)}庫和沸騰焙燒爐，不必凈化。煙氣制酸是有色冶煉生產(chǎn)過程中的副產(chǎn)品，冶煉煙氣經(jīng)廢熱鍋爐后進入煙氣凈化，后續(xù)生產(chǎn)與硫鐵礦制酸基本相同。由于三種原料成分的不同，硫酸產(chǎn)品的質(zhì)量也有所區(qū)別，可根據(jù)不同需要用于各行業(yè)。 中南大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第二章 煙氣制酸過程生產(chǎn)工藝需求 9從環(huán)保角度來講，硫磺制酸沒有廢水，廢渣排放，尾氣量減少，尾氣 達到綠色環(huán)?；に?。硫鐵礦和冶煉煙氣制酸均有廢水排放，硫鐵礦制酸還有大量燒渣，如找不到銷路，是企業(yè)的一大隱患。 生產(chǎn)各項材料、動力的消耗，三種原料制酸的主要物料消耗指標見表 2 表 2要消耗指標比較 項目 單位 硫鐵礦制酸 硫磺制酸 煙氣制酸 生產(chǎn)能力 t/a 40000 40000 45000 操作人員 人 120 60 46 原料含硫 t/t t 115 50 130 水 M3/t 18 2 8 根據(jù)表 2的消耗指標估算了三種原料制酸生產(chǎn)費用如表 2示。原料費用均采用目前的價格。硫鐵礦的價格為 160 元 /t 礦（ 35） 。硫磺到廠價格按 500 元 /氣制酸的原料費以銅精礦含硫計，純硫量 130 元 /t。動力及人工取相同的單價。 經(jīng)營成本中均未扣除副產(chǎn)蒸汽的回收。從三種不同原料的制酸成本比較結(jié)果看出，煙氣制酸的經(jīng)營成本最低，其主要優(yōu)勢是副產(chǎn)品，原料費用低。其加工費用是硫磺制酸最低，主要是生產(chǎn)環(huán)節(jié)少，投資低，反映到生產(chǎn)中是動力消耗少，發(fā)生的維修費用少。但是硫磺制酸的關(guān)鍵是硫磺的價格，如果硫磺的進口價格超過 40 美元 /t（離岸價格） ，硫磺制酸將于硫鐵礦制酸的成本相當73。 從上述比較可以看出，冶煉煙氣制酸有資源優(yōu)勢和經(jīng)濟效益優(yōu)勢。在資源優(yōu)勢方面，由于有色金屬礦大部分是以硫化物形態(tài)存在，所以在開采有色金屬礦的同時，留的資源僅是附帶，不用增加任何建設(shè)投資和生產(chǎn)費用。而硫鐵礦的硫資源開采要投入大量的建設(shè)投資和生產(chǎn)費用。硫磺原料也是需由國外進口，所以從原料資源看，煙氣制酸最有優(yōu)勢。另外，從經(jīng)濟效益方面來看，在上面的生產(chǎn)成本比較中已明確，冶煉煙氣制酸的生產(chǎn)成本最低。目前硫磺、冶煉煙氣制酸發(fā)展是并駕齊驅(qū)的形勢。盡管硫磺制酸具有其加工費用低的優(yōu)勢，但硫磺價格不會再低，一旦價格上漲，其成本就會中南大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第二章 煙氣制酸過程生產(chǎn)工藝需求 10增加。但冶煉煙氣制酸與硫磺制酸不同，它畢竟是有色金屬生產(chǎn)的副產(chǎn)品，目前幾家大的有色冶煉企業(yè)，均由國外進口銅精礦，而進口精礦中的硫是不計價的，煙氣制酸成本還會降低。因此，相對而言冶煉煙氣制酸在市場上具有一定的優(yōu)勢，這是硫磺制酸所無法比擬的。 表 2種原料制酸的經(jīng)營成本比較（單位：元 /t） 項目 硫鐵礦制酸 硫磺制酸 煙氣制酸 原料費 160 166 力費 55 21 56 其中：電 46 20 52 水 9 1 4 人工費 45 修 20 8 28 其它 15 15 15 合計 295 644 其中：加工費 135 然冶煉煙氣制酸與其它制酸手段相比有很大的優(yōu)勢，但是也有其自身的缺陷。首先在產(chǎn)品質(zhì)量上，由于有色金屬礦物成分復(fù)雜，冶煉煙氣制酸的產(chǎn)品相對硫磺制酸和硫鐵礦制酸雜質(zhì)成分高，質(zhì)量略差，用途單一，大部分只能用于工業(yè)及化肥原料。另外由于市場地域的限制， 硫鐵礦制酸大部分為化工企業(yè)自產(chǎn)自銷， 有其固定的用戶。硫磺制酸可靠近大用戶就地建廠。冶煉煙氣制酸相對沒有這些有利條件。由于硫酸市場價格偏低，且屬于危險運輸品，鐵路和公路運價率相對較高，這一特性決定了硫酸不可能銷售的很遠。所以煙氣制酸市場的地域限制性很強。 盡管煙氣制酸有其自身無法克服的缺陷，但是與硫磺制酸和硫鐵礦制酸相比，還是有較大的優(yōu)勢的，因此研究冶煉煙氣制酸過程的自動控制，具有重要的意義。 氣制酸的基本原理 中南大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第二章 煙氣制酸過程生產(chǎn)工藝需求 11煙氣制酸系統(tǒng)的功能是利用鉛、鋅硫化物在燒結(jié)機中焙燒燒結(jié)時所產(chǎn)生的含有過電收塵、凈化、干燥、轉(zhuǎn)化 、吸收、尾氣處理等幾個主要工藝處理過程，最后制成工業(yè)用硫酸。煙氣制酸系統(tǒng)的使用，既可以防止 可以合理地利用了礦產(chǎn)資源，為國民經(jīng)濟建設(shè)提供所需的重要的生產(chǎn)原料。 本冶煉煙氣制酸系統(tǒng)工藝采用接觸法制酸。 首先要對燒結(jié)機生產(chǎn)過程所生產(chǎn)的含氣從燒結(jié)機煙罩引出，經(jīng)高溫電收塵器收塵后，進入空塔、動力波洗滌器、填料塔進行半封閉稀酸洗滌，再依次經(jīng)過兩級間接冷卻器（一級為石墨間冷器，二級為鉛間冷器）增濕、降溫，兩級電除霧器進行除霧，然后經(jīng)汞吸收塔吸收煙氣中的汞后，最后通過 93%酸塔干燥煙氣中的水分。 在煙氣進行完干燥和凈化預(yù)處理后，由 行煙氣冶煉過程中最重要的化學(xué)反應(yīng)，此過程簡稱為“兩轉(zhuǎn)兩吸”，即 轉(zhuǎn)化器內(nèi)，在一定反應(yīng)溫度下，通過釩觸媒的催化作用，氣體中的 2發(fā)生可逆化學(xué)反應(yīng)，生成 時放出熱量。其化學(xué)反應(yīng)式如下： 2 Q (1經(jīng)一次轉(zhuǎn)化后的煙氣，從下部進入吸收塔，與塔內(nèi)從上向下噴淋的濃硫酸逆流接觸， 時放出熱量，反應(yīng)方程式如下： Q (1一次吸收反應(yīng)將一次轉(zhuǎn)化反應(yīng)中的生成物基本吸收完，當被吸收后，氣體被再次引入轉(zhuǎn)化器內(nèi)時，原可逆轉(zhuǎn)化反應(yīng)再次朝正反應(yīng)方向進行，進行二次轉(zhuǎn)化，二次轉(zhuǎn)化后的煙氣再經(jīng)二次吸收過程后進入尾氣處理過程。 二次轉(zhuǎn)化及二次吸收的反應(yīng)式分別與一次轉(zhuǎn)化和一次吸收相同。 兩轉(zhuǎn)兩吸流程主要是通過采用移走可逆反應(yīng)的生成物的方法來提高總的轉(zhuǎn)化率。 在轉(zhuǎn)化器內(nèi)進行完煙氣制酸過程中最重要的化學(xué)反應(yīng)后，需要對“兩轉(zhuǎn)兩吸”產(chǎn)生的尾氣進行處理。 正常生產(chǎn)時， 經(jīng) “兩轉(zhuǎn)兩吸” 處理后尾氣中 下，若生產(chǎn)不正常，尾氣中 采用氨酸法回收制酸尾氣中的廢氣中 下，最后經(jīng) 120m 煙囪排入大氣。在煙氣制酸高溫催化劑中南大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第二章 煙氣制酸過程生產(chǎn)工藝需求 12過程中，凈化工序定期排放的污酸及設(shè)備沖洗水送至硫酸廠西污水處理站，經(jīng)石灰乳中和沉淀，達到國家環(huán)保排放標準后，上清液送往廠東污水處理站。沉淀物用泵打至燒結(jié)系統(tǒng)濃密池。由于硫酸生產(chǎn)不但受本系統(tǒng)設(shè)備運轉(zhuǎn)狀況和工藝條件的影響，而且還受燒結(jié)系統(tǒng)生產(chǎn)的制約。由于煙氣制酸必須與燒結(jié)機同步