摘要：针对VOCs有机废气处理装置过于复杂、占地面积大和控制稳定性一般的问题，提出了基于PLC的三室一体化蓄热式VOCs废气处理装置。首先，对蓄热式VOCs废气处理装置进行机械结构设计；然后对蓄热式VOCs废气处理装置的控制硬件进行集成，本设计采用S7-1200 PLC作为核心，并利用博图V15软件编写控制程序的梯形图；最后，使用Wincc组态软件绘制组态界面并对全部程序进行仿真。
关键词：废气处理；PLC；组态控制
中图分类号：TQ
Design
of Regenerative VOCs waste Gas treatment device
Dong Xia1,Yang Zhifei2,Zhu Yanyan3,
Xie Chenhao 4, Sui Wentao5*
(1 School of Transportation and Vehicle Engineering, Shandong University of Technology, Zibo,
Shandong 255049, China;
2 Zibo Special Equipment Inspection Institute,
Zibo, Shandong 255025, China;
3 School of mechanical engineering, Shandong University of Technology,
Zibo, Shandong 255049, China;)
Abstract: To solve the
problems that VOCs organic waste gas treatment device is too complex, covers
a large area and has general control stability, a three-chamber integrated
regenerative VOCs waste gas treatment device based on PLC was proposed.
Firstly, the mechanical structure of the regenerative VOCs exhaust gas treatment
device is designed. Then the control hardware of regenerative VOCs exhaust gas
treatment device was integrated, S7-1200 PLC was used as the core, and Botu V15
software was used to write the ladder diagram of the control program. Finally, the Wincc configuration
software is used to design the vacant program.
Key words: waste gas
treatment; PLC；configuration control
依据全球卫生机构(WHO)的界定,VOCs(volatile organic compounds)是在正常温度下,沸点从五十摄氏度至二百六十摄氏度之间的各类有机物质。挥发性有机物一般都有剧烈的毒性，不仅影响环境，而且对人类的身体也有很大的危害，若长期接触，很可能引起严重的疾病。我国高度重视挥发性有机物处理产生的有机废气，正在开展相关的处理技术研究，并且在取得了很大的进展。目前，VOCs治理技术主要有回收、吸附、冷凝、膜分离、燃烧、光催化技术等[1]。在蓄热燃烧法中，蓄热式焚烧炉（简称RTO）被认为是目前处理有机废气最成熟、最稳定、最有效的处理设备，可以处理工业生产过程中所排放出来的挥发性有机气体（VOCs）等等。RTO系统利用高温氧化去除废气，通过控制反应温度、滞留时间、湍流系数以及含氧量将进入系统的废气转化为二氧化碳和水气，同时回收废气分解过程中所释放的热量，因而既达到了环保的目的，又兼具了节能的效果。二室和三室结构是目前RTO设备的常见形式，其中三室RTO设备是目前主流实用的有机废气处理设备,较好地兼顾了效率和投资成本。孟祥龙[2]针对陶瓷蓄热体的传热和阻力性能进行研究，得到选择蓄热体运行参数的主要依据；王姣[4]对蓄热式氧化炉在处理挥发性有机气体的关键因素进行研究，采用冷态仿真和热态仿真的对比建立了RTO仿真模型，从而研究出不同因素对RTO处理效率的影响；李威[5]对蓄热式燃烧炉的高温阀在不同条件下的压力云图以及流阻特性曲线进行研究，实现了同拓扑结构不同系列的高温阀参数化建模，提出了优化的方式。然而，普通三室RTO有占地面积大、体积重、蓄热体和保温材料用量大等缺点，在实际应用中传统的VOCs有机废气处理技术存在很大的局限性，它们在治理高浓度与中浓度的VOCs有机废气时效果较好，但对于低浓度的VOCs有机废气，其处理效果相对较差。笔者设计了一款基于PLC的蓄热式VOCs废气处理装置，并将三室一体化，利用Solidworks软件建立了三维示意图。PLC程序控制主要分为三大块，手动控制、自动控制、逆洗控制；并建立了HMI触摸屏画面进行仿真运行。
1 整体机械设计
整个炉体的布局采用蓄热室环形排列的方式，避免了蓄热器部分在燃烧期间出现受热不均的情况。三个蓄热室分别执行吸热、散热、清扫功能，并且依次进行循环工作。壳体由6mm碳钢板制造，结构强度高、密封性好、传热性能好。壳体内壁涂有耐腐涂料，外表面涂有耐热银灰色漆。由于废气中含腐蚀性成分，炉栅及与废气直接接触的部分由316L不锈钢制成。炉体氧化室及蓄热室内保温选用耐火硅酸铝纤维隔热，该纤维耐热约1200℃，绒重220kg/m3，氧化室及蓄热室上部厚～225mm，蓄热室进出风区厚～120mm。整体模型包括保温层、氧化仓、蓄热陶瓷填料、净化气管道、吹扫管道、废气管道以及三个蓄热室。整体以及剖面如图1以及图2所示：
图1 改进后三室RTO整体图
Fig.1 Improved overall
diagram of three-room RTO
图2 改进后三室RTO剖面图
Fig.2 Improved three-room RTO
profile
三个蓄热室各含有2个进气口、1个吹扫口，废气首先进入蓄热室A预热到750℃左右，预热后的废气进入燃烧室进行燃烧。在助燃燃料的作用下，废气中所含有机物被充分分解并燃烧，以保持燃烧温度在800℃左右，燃烧产生的烟气进入蓄热室C放热。热释放后的烟气通过排烟管路经的烟囱排入大气中。部分烟气通过反吹风机到达蓄热室B用于吹扫，排除蓄热室B中的残留废气。切换时间到达后，通过自动控制装置，打开蓄热室B的排烟气阀门，同时关闭蓄热室 A的废气进口阀门，打开蓄热室 A 的废气吹扫阀门，一定时间后关闭蓄热室A的废气吹扫阀门。
2 控制系统设计
2.1 系统控制方案
在软件控制程序的编写上，常用的控制方案有单片机控制以及工业上常用的PLC控制。对比单片机控制，PLC本身带有输入、输出以及下载接口，具有便携性，且PLC本身密封性好，对环境的适应性能力明显优于单片机。本设计选用PLC控制方案，实现系统安全可靠、高效稳定地运行。
以PLC作为核心元件对系统进行控制。如图3所示。
 |
||||||||||||
|
||||||||||||
 |
||||||||||||
|
||||||||||||
 |
||||||||||||
|
||||||||||||
 |
||||||||||||
图3 系统结构图
Fig.3 System structure diagram
根据图3的系统结构图，系统的输入为气压传感器和温度传感器，根据程序运行每个阀门的开关，并依据温度以及气压的变化调整燃烧器和风机的开关。系统的控制核心为PLC，系统输出为各室阀门、指示灯、燃烧器以及风机等等，该系统通过炉膛内的温度传感器反馈炉膛温度信息，并以变比例控制燃烧器的加热能力，以保持炉膛温度稳定。RTO利用废气口压力传感器的负压信号控制入口风机变频器，从而控制调节入口风机的风量。
2.2 工作原理
三室RTO的蓄热室同时进行操作的原理：当第一台蓄热室处于被冷却而废气预热的阶段时（冷周期），第二台蓄热室正处于被净化气加热的过程中（热周期），而第三台蓄热室则正在被冲洗（清洗周期）。因此，在一个循环之后，废气总是进入到在上一循环中排出净化气的蓄热室，而最初进入废气的蓄热室则用净化气（或空气）冲洗，剩余的未反应废气被送回反应室进行氧化，然后与净化气体一起从冲洗过的蓄热室排出。如表1所示：
表1 蓄热室循环工作过程
Tab.1
Cycle working process of regenerator
|
|
室A |
室B |
室C |
|
循环1 |
进入 |
排出 |
冲洗 |
|
循环2 |
冲洗 |
进入 |
排出 |
|
循环3 |
排出 |
冲洗 |
进入 |
2.3 硬件选型
PLC功能的选择包括I/O点和用户存储容量的选择。本设计所采用的标准PLC类型为西门子的S7-1200系列的1214C DC/DC/DC型,有2个模拟值入口,10个数值出口和14个数值入口。这个系列的PLC有编程简单、运行稳定的优点,可以满足本系统的控制要求，且S7-1200系列PLC可以根据不同系统的控制要求进行相应的输入输出拓展,对于一些输出点比较多的系统可以拓展输出模块,对于一些输入点较多的系统可以拓展输入模块。
温度传感器选用高温N型热电偶：N型热电偶是廉金属热电偶,是一个最新符合国际规范的金属热电偶，它具有良好的线性度、优异的热电动势比、高灵敏度、良好的热稳定性和均匀性以及较强的抗氧化性,且价钱相对较低,不受近距离热有序化危害,其综合性能明显优于普通的K类热电偶。
气压传感器选用HP-5806防腐蚀气压传感器。
风向转换阀门必须全部选用优质蝶阀，由于风向快速转换闸门性能的优劣,对RTO装置的工作十分重要,所选用的转换闸门精确度高,泄露率低(≤1),寿数长(可达到100万次),启闭快速(≤1s),工作环境安全可靠RTO控制系统中需快速转换的DN2506三只、DN700六只。阀体以及过流件都采用316L不锈钢材料。
陶瓷蓄热体选用LANTEC MLM180专利产品，燃烧系统选用美国North American 5425-6(40x104kcal/h)燃油比例调节式燃烧器。
风机的选择功率：RTO主风机由变频器控制。在门上安装变频器的操作面板，通过通讯线和变频器连接，易于观察和操作，变频器的操作面板是可拆卸的。助燃风机采用直接启动，具有三相过载保护。
2.4 系统软件设计
本设计利用TIA博图软件，其可以很方便地把变量从可编程控制台拉入到人机接口的画面中。然后可以在人机接口内即时分配变量,并在后端自行创建控件和人机介面相互之间的联系。
根据流程图4所示，首先选择系统运行的方式（手动模式、自动模式以及逆洗模式），然后系统开始预热，达到预热设定的温度时进行下一步氧化。系统同时判断燃烧室温度是否处于设定的温度内，高于设定温度时就关闭燃烧器，直到温度回落到正常值。同样，系统判断气压是否在设定的范围内，高于设定气压时就关闭旁通风机，直到气压回落到正常值。接着继续氧化循环，直到运行结束。
图4 整体流程图
Fig.4 Overall flow chart
2.5 梯形图设计
2.5.1 控制逻辑
（1）选择“手动模式”或者“自动模式”，按下“开”，RTO开始运行；按下“逆洗”，RTO停止自动/手动模式运行，进入逆洗过程；按下“关”，RTO停止运行；
（2）自动模式：
1室新风阀门开启，废气阀门关闭，切换阀门关闭；2、3室阀门均关闭；主风机启动，燃烧器启动，当氧化室温度达到780℃时预热结束。完成预热后开始循环工作：
第一段：1室新风阀门关闭，废气阀门开启，出气阀门关闭；2室新风阀门关闭，废气阀门关闭，出气阀门开启；3室新风阀门开启，废气阀门关闭，出气阀门关闭；（1室进入；2室排出；3室冲洗）；到达氧化设定的时间后切换。
第二段：1室新风阀门开启，废气阀门关闭，出气阀门关闭；2室新风阀门关闭，废气阀门开启，出气阀门关闭；3室新风阀门关闭，废气阀门关闭，出气阀门开启；（1室冲洗；2室进入；3室排出）；到达氧化设定的时间后切换。
第三段：1室新风阀门关闭，废气阀门关闭，出气阀门开启；2室新风阀门开启，废气阀门关闭，出气阀门关闭；3室新风阀门关闭，废气阀门开启，出气阀门关闭；（1室排出；2室冲洗；3室进入）；到达氧化设定的时间后切换。
（3）燃烧器控制：
氧化燃烧时，若氧化室温度进一步上升，温度到达高温设定值（暂定900℃）
燃烧器关闭（暂定900℃），当温度回落50℃后燃烧器再次运行；
若燃烧器关闭后，温度进一步上升，达到设定值（暂定950℃），开启三个新风阀门降低浓度；温度回落到50℃后新风阀关闭；温度再次回落50℃后燃烧器开始运行。
（4）逆洗控制：
燃烧器开启，当燃烧室温度达到逆洗氧化室理想温度（暂定700 ℃）时，延迟5min（可设定）开始逆洗：
1室进气阀门以及2室出气阀门开启，其它阀门关闭；2室温度到达逆洗出气温度设定值时切换（暂定350 ℃）；
2室进气阀门以及3室出气阀门开启，其它阀门关闭；3室温度到达逆洗出气温度设定值时切换（暂定350 ℃）；
3室进气阀门以及1室出气阀门开启，其它阀门关闭；1室温度到达逆洗出气温度设定值时结束（暂定350 ℃）；
（5）手动模式：
实时显示各个炉室的温度；9个阀门，燃烧器，各个风机手动控制开/关。
2.5.2 部分关键梯形图
图5 风阀整体开启程序
Fig.5 Integral opening procedure
diagram of air valve
如图5，Q00为1室新风阀，此程序时控制1室新风阀在自动模式或者手动模式开关的程序。在自动模式下满足条件或手动模式下手动按钮按下时，阀门开启。剩余阀门开启原理同上。
图6 风阀自动开启程序
Fig.6 Automatic opening
procedure diagram of air valve
图6是自动模式下开始预热的程序。T0.Q为循环第一阶段开始时的输出信号，即开始循环第一块时需要打开1室新风阀。T1.Q是循环第二个阶段的输出信号，即进入循环第二块时需要关闭1室新风阀。M2.5是当因燃烧室温度过高而关闭燃烧器之后，温度继续上升时，打开新风阀通气降温。
图7 逆洗程序
Fig.7 Backwash mode program
diagram
图7是逆洗控制的程序。按下逆洗控制按钮后，当1室温度到达理想逆洗温度时，开始逆洗程序。应用了CTU计数模块，当逆洗结束时复位程序。
3 组态控制
本设计所使用的组态软件为WinCC,这个组态软件是集成在TIA Portal软件中的，可以很方便的进行程序和组态界面的设计。本次系统的组态界面为了更加直观方便观测系统元件运行状况以及温度和气压的实时显示，将自动和手动画面整合到了一个整体界面上，按下手自动切换按钮后可以选择手动或者自动模式，在自动模式内还可以选择逆洗控制，如图8所示。
图8 组态界面
Fig.8 Configuration interface
本次采用的仿真软件是S7-PLCSIM V15，通过WINCC和STEP7连接在S7-PLCSIM V15中对系统进行仿真。
4 结论
本文设计了一款基于PLC的蓄热式VOCs废气处理装置，三个蓄热室紧密结合在一起，通过Solidworks软件建立了三维示意图。PLC程序控制主要分为三大块，手动控制、自动控制、逆洗控制；并建立了HMI触摸屏画面进行仿真运行。
普通的三室RTO通常包括三个独立的蓄热室，整体占地面积大，本套蓄热式焚烧系统在普通三室RTO的基础上进行了改进，不同于常规的三室RTO，其具备三室一体的特点，将三个蓄热室集中在一个圆柱体结构内，大大缩小了占地面积，且净化效率及换热效率更高，同时弥补了普通三室RTO体积重、蓄热体和保温材料用量大的缺点，在处理大流量低浓度的有机废气时，运行成本非常低。。若VOCs废气处理量在10000—30000 m3/h，浓度在1000—8000 mg/m3时，则运用本套RTO进行VOCs废气处理是一种非常可靠适用的选择。在后续的研究当中，还需要进一步改善此装置的进出口温差问题，提高综合应用性。
参考文献
[1] 栾志强，郝郑平,王喜芹.工业固定源VOCs治理技术分析评估[J].环境科学,2011,32(12):3476-3486.
[2] 孟祥龙. 陶瓷蓄热体传热和阻力性能研究[D].武汉理工大学,2012.
[3]王姣. 蓄热式热氧化炉在处理挥发性有机气体中的关键因素研究[D].哈尔滨工业大学,2018.DOI:10.27061/d.cnki.ghgdu.2018.001274.
[4]李威. RTO高温阀的结构优化及参数化平台开发[D].西安理工大学,2020.DOI:10.27398/d.cnki.gxalu.2020.000297.
[5]王子元,刘世平,苗谦,李如俊,周琨,张成学,徐瑞哲,李军,王向东,李德瑞.气流床气化炉反应模型在实时优化（RTO）中的应用[J].煤化工,2022,50(01):35-39+53.DOI:10.19889/j.cnki.10059598.2022.01.007.
[6]吴文睿,周兵.关于RTO焚烧炉技术的简单探讨[J].资源节约与环保,2016(01):32.
[7]张灿.浅析三室RTO技术处理VOCs废气[J].广州化工,2018,46(14):95-96+102.王彦丽.VOCs有机废气处理技术的应用现状研究[J].黑龙江科学,2020,11(08):154-155.
[8]沈旭敏,赵秀秀.蓄热式热力氧化(RTO)装置中在线分析仪的选型探讨[J].当代化工研究,2021(24):70-72.
[9]Arvind Ravi,Niket S. Kaisare. A multi-objective dynamic RTO for plant-wide control[J]. IFAC PapersOnLine,2020,53(1).
[10]吴桂平.蓄热式燃烧技术在有机废气处理项目的应用[J].能源与环境,2021(04):56-58.
订阅方式：
①在线订阅（推荐）：www.sdchem.net.cn
②邮局订阅：邮发代号24-109
投稿方式：
①在线投稿（推荐）：www.sdchem.net.cn
作者只需要简单注册获得用户名和密码后，就可随时进行投稿、查稿，全程跟踪稿件的发表过程，使您的论文发表更加方便、快捷、透明、高效。
②邮箱投稿：sdhgtg@163.com sdhg@sdchem.net
若“在线投稿”不成功，可使用邮箱投稿，投稿邮件主题：第一作者名字/稿件题目。
投稿时请注意以下事项：
①文前应有中英文“题目”、“作者姓名”、“单位”、“邮编”、“摘要”、“关键词”；
②作者简介包括：姓名、出生年、性别、民族、籍贯或出生地、工作单位、职务或职称、学位、研究方向；
③论文末应附“参考文献”，执行国标GB/T7714-2005标准，“参考文献”序号应与论文中出现的顺序相符；
④注明作者的联系方式，包括电话、E-mail、详细的通讯地址、邮编，以便联系并邮寄杂志。
欢迎投稿 答复快捷 发表迅速