杨瑞东

（江西铜业集团有限公司 贵溪冶炼厂，江西 贵溪 335424）

1 引言

随着人们对环保意识的不断增强，以及国家对环保要求的不断提高，废水处理问题已是影响社会进步的一个重要问题［1］，做好工业废水的处理工作已然成为现代化工厂的重中之重。贵溪冶炼厂的工业废水集中至硫酸车间废水处理工序进行处理，其中pH控制系统是废水中和工序中不可或缺的一部分，为了让pH控制系统更加稳定、高效，消石灰溶液添加阀的选型和控制方案就起到了关键作用。本文将介绍贵冶使用过多种阀门类型后对消石灰溶液添加阀的最终选择，即衬四氟蝶阀，以及对阀门控制方案的优化。原先阀门的控制方案是基于PID输出的定位器控制，经过优化，我们得出了基于PID输出后加入占空比方式，作用于电磁阀控制的控制方案，此方案相比于原先的控制方案，pH控制更加稳定，中和反应更加彻底。

2 废水处理工艺简介

贵溪冶炼厂硫酸车间废水处理工序分为石膏制造和中和处理两大部分。该工序中的滤液含有较多的废酸和少量的金属杂质，首先让滤液中的大部分废酸和石灰石乳液反应生成石膏，生成的石膏在石膏浓密机及离心机中进行沉降浓缩以及过滤分离，随后石膏滤液送到中和工序处理。在电化学中和处理工序中，主要处理来自预处理浓密机底流滤液、西场面水废水、澄清池底泥以及石膏滤液。这些滤液首先在中和槽中用消石灰溶液处理，之后进入氧化槽，随后溢流到浓密机浓密，再进入凝聚槽添加凝聚剂，将沉淀物凝聚，最后进入澄清池进一步澄清，澄清器上清液排放，下部浆液返回中和浓密机。

贵冶采用电化学中和处理工艺，即在没有化学药品添加的情况下使用电解法进行处理［2］。根据现场工艺的实际要求，所需要处理的废水由提升泵打入废水的输送管道，消石灰溶液由添加阀控制加入反应槽，此时反应槽中不同成分的液体充分混合，进行中和反应。由于输送至中和工序的废水的pH值和流量都是不断变化的，所以pH控制系统是否稳定，反应槽里的反应是否彻底，消石灰溶液添加阀的选型及其控制方案就起到了关键作用。

3 消石灰溶液添加阀的选型

仪表自动化是科技发展的产物，通过仪表自动化可以提升工厂生产的质量和效率，减少人力资源的应用［3］，节约生产成本。阀门，作为工业仪表的组成部分，是生产过程中不可或缺的重要一环，在正常生产中，最合适的阀门类型应用在最正确的地方。在选择阀门类型时，主要考虑以下几个因素：一是所选阀门在工艺上的用途，以及现场的工况； 二是介质的相关性质，比如：工作压力，温度，是否易燃易爆等；三是阀门安装的尺寸，管道尺寸多种多样，要选择合适管道口径的尺寸；四是解相关的特性，比如：流量特性，密封等级等；五是对阀门的可靠性要有合理的评估。

贵冶电化学中和设备上线后，消石灰溶液添加阀的选型经历过几次变更。首先，选用过球阀，但是因为消石灰溶液内含有杂质，所以经过一段时间的现场应用后发现球阀的阀体容易被杂质堵塞，导致阀门无法正常工作。随后选用直通单座阀，现场应用后发现其防堵性能差，而且阀门整体比较笨重，不适合作为消石灰的添加阀。最终，经过长时间的现场实验，衬四氟蝶阀最适合此工况。

衬四氟蝶阀是在普通蝶阀的阀体、阀板上衬聚四氟，使介质和阀体、阀板隔离，消除介质对阀门的腐蚀。同时，蝶阀结构简单，体积小，可用于带悬浮固体颗粒的介质，流量调节范围大，能够开关迅速，流阻小。虽然其密封性没有球阀那么好，但是根据阀门选型的依据分析，加上现场工艺实践，完全能够满足此工况。所以，经过一年多时间的不断摸索，最终选择衬四氟蝶阀为电化学中和消石灰溶液添加阀。

4 消石灰溶液添加阀控制方案的优化

4.1 控制方案的优化

贵冶废水中和的pH控制系统中，pH值的精准控制有利于作业效率的提高［4］。在该控制回路中，消石灰溶液添加阀主要采取基于PID输出的定位器控制的控制方案。PID控制是一种广泛用于工业过程控制和电力驱动，以及保持线性和非线性系统稳定工作的技术［5］，在调节过程中可以解决系统的稳定性、快速性以及准确性［6］，其中P为比例控制，I为积分控制，D为微分控制，PID则为这三种控制规律的简称。贵冶的DCS系统通过PID模块的输出控制消石灰溶液添加阀定位器的开度，从而控制消石灰溶液的添加。

在经过长时间的应用后，发现使用此控制方案，pH控制系统的波动比较大，通过原理和现场工况分析，主要有两点原因。第一，在废水处理的中和工序中，pH控制对象的非线性、pH 反应过程的滞后性和干扰的多样性决定了要设计的控制系统的复杂性（如采用变参数控制或自适应控制等）。而把对象看成单容加迟延环节, 采用P 和PI的调节器, 一般不能满足对象特性变化大和高质量调节的要求。虽然采用PD的调节器能够调节系统中的动态特性，对有较大惯性或滞后的被控对象有良好的调节作用，但是pH反应过程的干扰性太大，用PID模块始终不能满足要求。第二，pH控制系统添加的物料为消石灰溶液，消石灰化学名为氢氧化钙，其在常温下是细腻的白色粉末，微溶于水。当添加阀采用基于PID输出的定位器控制时，阀门加料的开度变化不会太大，长时间工作后，消石灰溶液下层会不断有白色颗粒析出，出现沉淀，对管道造成堵塞，同时管道中的沉淀越来越多，也容易造成阀门的蝶板动作不畅，从而影响pH控制系统的稳定。

为了解决这两个问题，我们立足理论和现场工艺，得出基于PID输出后加入占空比方式，作用于电磁阀来控制阀门的开关的控制方案（如图1所示）。占空比是指脉冲信号的通电时间与通电周期之比。此方案的优点：第一，在一个占空比周期中，电磁阀什么时间都可以动作，从而提高了可调的精度，同时占空比的工作方式能够调节的范围足够大；第二，相比于定位器来控制阀门的开度，电磁阀工作脉冲动作的方式，不会造成消石灰溶液的长时间沉淀，不容易堵塞管路。

图1 优化控制方案的简示图

4.2 现场工艺数据对比

两种控制方案在贵冶电化学中和pH反应槽的实际应用数据对比。

（1）1#反应槽采用优化前控制方案，2#反应槽采用优化后控制方案。

通过图2和图3现场工艺采集的数据曲线可以看出，在同一时段，pH设定值都为9.5，2#反应槽pH值的曲线波动在-0.1至0.1之间，1#反应槽pH值的曲线波动在-0.2至0.2之间。2#反应槽的pH值比1#反应槽的pH值更加稳定。

图2 1#反应槽pH值（2020年7月2日0时至24时）

图3 2#反应槽pH值（2020年7月2日0时至24时）

（2）1#反应槽也采用优化后控制方案。

通过图2和图4的pH值对比来看，图4的pH值波动明显小于图2的pH值波动。

图4 1#反应槽pH值（2020年8月2日0时至24时）

综上所述，对比两种控制方案在同一时间，作用于不同反应槽的pH值的变化，及不同时间，作用于相同反应槽的pH值的变化，得出优化后的控制方案下的pH控制系统更加稳定。

5 结束语

做好废水处理工作是一个现代化工厂在环保方面的重中之重。其中任何一个环节都不容忽视，只有将每一个环节都做到最好，才能使整个系统达到最高的效率。废水中和工序的pH控制系统就是其中非常重要的一个环节，其难点为控制变量消石灰溶液的添加。在选择消石灰溶液添加阀时，充分考虑阀门选型的五大要点，以及现场反复试验后得出衬四氟蝶阀为最佳选择。同时本文提出对原先控制方案的优化，通过实践数据和现场工况的对比，证明优化后的控制方案，即基于PID输出后加入占空比方式，作用于电磁阀控制的方案，能很好的降低pH值的波动，从而保证废水中和环节的效率。