沸石浓缩转轮高温再生及安全连锁自动控制系统设计

王玉华

（上海兰宝环保科技有限公司 上海 201400)

摘要：随着环保法规的日趋严格 ,VOCs 的排放标准提到了更高的要求。对于大风量低浓度的废气排放工况，目前较为普遍的选择是沸石浓缩转轮 + 焚烧工艺处理有机废气。本文先简要介绍了沸石转轮的工作原理，然后探讨了沸石浓缩转轮吸脱附效率下降的主要原因及解决措施，第三部分从自动控制方法与手段出发，结合高温再生操作手册，专家实践经验，阐述转轮高温再生过程自动控制系统设计。最后从系统运行安全方面考虑，兼顾控制系统软硬件设计，并通过图表的方式规划设计安全连锁控制逻辑。

关键词：沸石转轮 再生 连锁 控制

1  沸石转轮的工作原理

沸石转轮面在物理区间被分为吸附区、脱附区、冷却区域，各区域比例为 10:1:1，分区图如图 1 所示。大风量低浓度的有机废气经过沸石转轮后，由于分子之间的范德华力，有机物被沸石微孔所吸附，净化后的气体可直接排至排气筒。被吸附在沸石转轮上的有机物再通过一小股 180℃～ 200℃的温度的气体进行脱附。脱附出来的高浓度废气再送入其他设备进行处理，从而降低了末端处理设备的负荷，降低了运行能耗，被广泛使用在喷涂行业、包装行业、电子半导体行业。

2  吸附脱附性能及改善措施

转轮按设定的速度转动，实现了废气的循环吸附脱附。然而对于废气成分复杂，含有高沸点的有机物，往往 180℃ -200℃的温度不足以将有机物脱附出来，这些高沸点有机物残留在沸石的孔隙中，随着时间的推移，残留的累积量越来越多，可用于吸脱附的孔隙越来越少，最终导致转轮出口有机物浓度偏高，排放不达标现象。因此，必须采取一定的措施，将高沸点组分从沸石中脱附出来，恢复转轮的吸附容量。

无论是进口转轮还是国产沸石转轮，厂商一般会建议周期性对转轮进行高温再生。如：将脱附温度设定为300℃，进行高温再生。然而，高温再生时转轮处在一个高温、高浓度的环境中，安全风险级别也非常高。常规做法是配备专业技术人员至现场操作、监控高温再生过程，并根据转轮及系统相关实际运行数据以及实践经验，实时手动调整运行参数或采取应急措施。显然，这样的操作，效率低下，对专业技术人员的依赖程度较高。因此，将沸石浓缩转轮手动高温再生操作，转换成自动程序控制，显得尤为迫切。

3  高温热脱附控制逻辑设计

转轮高温热脱附分两种模式，分别为“在线式”和“离线式”。

“离线式”：高温再生时，转轮停止转动，脱附入口温度从 200℃按一定的梯度逐步升温至 300℃。高温脱附结束后，将转轮再生干净的区域转至冷却区，同时将含有高沸点的待脱附区域转入脱附区。根据以上原则，并结合转轮分区 10:1:1 的特点，可计算出转轮待高温再生区域送入转轮再生区域所要的运转时间。如：假设转 轮 50HZ 运行，转 1 圈需要 15min, 因此从吸附区转至脱附区，转轮转动 1 次理论所需要的时间为：15min/(10+1+1)×60s/min=75s。但为保证各区域均能完全高温再生，转轮相邻两次高温再生面足够的搭接长度，同时兼顾转轮脱附区隔板保温厚度的影响，选取转轮每次连续转动时间为 60s，此处称为步长为 60s。

转轮高温再生时，转轮停止转动，脱附入口按设定的温升梯度进行升温，直到 300℃。每阶段高温再生过程中，通过转轮进出口温差，并辅助脱附出口废气浓度值以判别脱附效果。以此确定下个阶段的起始条件。其控制逻辑图如图 2 所示。

4  控制逻辑图中的符号说明

T0: 脱附入口初始再生温度，220℃；

T1: 设定脱附入口温度；

T2: 脱附出口温度；

i: 脱附升温次数；

j: 转轮分区脱附次数；

T: 脱附进出口温差大于设定值后的延长时间；

ΔTs: 脱附温升梯度设置值；

ΔT(i): 脱附进出口温差。

离线式高温热脱附适合于非连续性生产型的企业，脱附过程可视化，可利用转轮脱附出口的浓度变换趋势对高温脱附时长，脱附温度进行动态控制，脱附效果干净彻底。

“ 在线式”：转轮连续低速运转，脱附周期内，脱附温度规律性脉冲变化。转轮在每个扇区内，会经历低温到高温再到低温脱附的过程，属于间歇性高温再生。

在线式高温热脱附的优点是，在沸石转轮仍然处于吸附工作的同时，同步进行高温脱附，对于连续型生产的企业，实现了非停机的状态下，提高了转轮的吸附容量，改善了转轮的吸附性能，减少了污染物的排放。但也有明显的缺点，无法非常直观地表达再生效果。且只能在转轮仍然有足够的吸附容量情况下进行操作，否则容易造成转轮吸附出口排放浓度超标。因此“在线式”在实际工程项目中应用较少。

5  安全连锁控制设计

但无论是在线式还是离线式高温热脱附，安全连锁及故障报警的设计仍然是整个控制系统设计的重点。安全连锁控制应从硬件与软件两方面分别进行设计。

为保证转轮的长期安全稳定运行，硬件方面，从电气控制系统设计出发，尽量减少转轮停转的可能性。因此，转轮采用双电源供电，即采用市电与 UPS 电源供电，当市电停电时，UPS 的续航电池仍然能维持转轮运行半小时以上；此外，转轮减速机应配置双驱动回路，即变频器驱动与工频驱动，变频器驱动为实现工艺需求，调整转轮转速，当变频器出现故障时，立即切换至工频运行。以上两种电气配置的主要目是防止转轮局部区域长期处于高温状态，避免出现转轮闷燃情况发生。

转轮减速机与转轮本体的驱动一般采用皮带或链条传动，判断转轮的转动除最直观的判断电机是否在正常运行外，更应关注转轮本体的转动的真实性，因为中间传动部件皮带或链条有可能出现打滑或断裂情况，造成转轮电机还在转动时，转轮实际已经停止转动。为杜绝此类情况的发生，可利用控制软件计算与编程功能，进行判别并实现相应的安全连锁控制。

转轮出厂时，圆周方向平均布置有数个检知挡块，检知挡块与转轮一起转动，当碰到限位开关时，限位开关会由闭合信号转换成断开信号。因此可根据转轮转速V 以及检知挡块的数量 n，确定限位开关的接通持续时间Toff(V,n) 与断开延时时间 Ton(V,n), 转轮实际转动过程中，限位开关的实际接通持续时间与实际断开延时时间分别与 Toff 及 Ton 进行比较，以判断转轮实际的状态。

6  结语

本文探讨转轮高温再生及安全连锁的自动控制程序设计，意在提高系统维护的自动化程度，把专业技术人员从操作复杂，响应速度要求高的操作环境中解放出来。兼顾沸石浓缩转轮系统长期安全稳定达标运行的需求。减轻了专业厂家与用户的维护成本，降低了运行及维护过程中的安全风险，减少了污染物的排放，产生了积极的社会效益。

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