DCS系统在活性炭生产线中的设计应用

DCS系统在活性炭生产线中的设计应用

张雁江

国家能源集团新疆能源有限责任公司 新疆 830014

摘要：活性炭是由木质、煤质和石油焦等含碳的原料经热解、活化加工制备而成，具有发达的孔隙结构、较大的比表面积和丰富的表面化学基团，特异性吸附能力较强的炭材料的统称。活性炭在石油化工、食 品、医药乃至航空航天等领域均有广泛应用，已成为国民经济发展和国防建设的重要功能材料。活性炭是以各种含碳材料为原料，经过适当的工艺过程生产的碳基吸附材料。随着我国煤系统自动化控制技术的飞速发展，先进的分散控制系统(DCS)逐步取代了“现场生产控制方式。由于DCS卓越的自控性能以及稳定的运行状况，在某煤炭深加工示范项目全厂处理装置中取得了良好的效果。通过在活性炭生产线中采用DCS系统对各环节进行自动控制。现场运行情况表明，该控制系统提高了生产线的自动化水平和活性炭产品质量．并且降低了能耗和劳动强度。

关键词：DCS系统；活性炭生产线；自动控制

我国拥有优质矿产资源一无烟煤。无烟煤属于弱粘煤，并且具有低硫、低磷、低灰、高发热量、高块煤率、高机械强度、高精煤率、高化学活性、高比电阻等特性．是生产活性炭的优质原料。在很多活性炭生产厂家，由于我国活性炭生产工艺技术发展较晚，一般都是小规模生产，并且自动化程度低，现有的活性炭生产线控制过程大多需要人工操作来完成，在运行过程中存在诸多问题。为了提高生产线自动化水平，需要对各环节进行改造，而分散控制系统DCS被广泛应用于现代工业生产和过程控制中。采用DCS控制系统能够实现对活性炭生产过程的全面监控，并能对各生产环节进行远程控制。

一、我国活性炭产业发展面临的问题及对策

我国已是世界活性炭生产量和出口量第一大国，活性炭产量约占世界产量的三分之一，但是与发达国家相比，在技术水平、产品质量稳定性和自动化程度都存在一定的差距。

1、基础理论研究不足，亟待加强制备和应用机理研究 活性炭作为吸附材料已获得广泛的应用，但是关于其活化反应机理和孔隙形成规律还不清楚，表面化学基团、颗粒度和表面电位等对吸附效能的影响研究较少，导致活性炭定向制备效果差，选择性吸附能力较低等问题。

2、核心知识产权技术缺乏，关键装备技术滞后 活性炭产业技术创新链长，我国活性炭单项研究多，通用型活性炭产品加工技术相对具有较好的基础，但催化剂载体炭、储能炭、医药用炭、高强度颗粒炭等高附加值产品仍依赖进口，应用技术及成套装置加工水平滞后。

3、产业化基础薄弱，尚未形成有效产业链 活性炭产品种类多，但是产业技术单一、小企业多、分布散，未能形成规模优势，竞争力较差。木屑( 精煤) 原料供给、自动化装备加工、应用技术研发平台、废炭再生产业技术等缺乏协调推进。

4、技术标准缺乏，标准国际化不足 活性炭虽属于传统产业，经过了多年发展仍没有其它产品可替代。但是，我国很多活性炭产品的标准尚未制定，导致活性炭生产行业鱼龙混杂，亟需加快产业标准体系的建立。同时，我国活性炭标准国际化进程缓慢，导致在国际贸易中话语权不足，利润流失。应当鼓励活性炭企业建立高于国家标准的企业标准，推动与主要活性炭贸易国的标准互认，推进优势标准的国际化，增强国际话语权。

二、活性炭生产工艺流程

活性炭生产厂家较多，但生产活性炭工艺基本类似，该生产过程中，磨粉采用磨粉机将无烟煤研磨成细粉状，使原料均匀，增大煤粉的比表面积，混捏时在水和粘结剂的作用下产生界面化学凝聚，使煤粉易于成型，提高煤粉成型后强度；混捏过程将煤粉、粘结剂按一定比例同时加入混捏机，必要时加入适量的水进行混捏；炭化是成型物料在高温条件下的干馏，在该过程中将成型的物料在一定的温度范围内隔绝空气加热，使物料内的低分子物质首先挥发，然后煤及煤焦油分解和固化，使物料内部形成容易活化的孔隙结构和较高的机械强度：活化采用水蒸气空气等含氧的混合气体作为活化剂，在高温下与炭化料接触进行活化，从而生成比表面积大、孔隙发达的活性炭产品：筛分包装是将活化后的产品按照不同用户的要求进行筛分包装．生产出符合用户要求的产品。

在生产过程中，传统的工艺没有实现顺序控制、闭锁联动、参数采集和关键工艺参数的自动调节、工艺参数的实时监控，导致整个生产过程存在劳动力多、产品质量波动大、产品产率低的问题，达不到活性炭工业化、规模化生产要求。

三、DCS控制系统设计

根据活性炭生产工艺流程及特点，采用技术先进、性能可靠的控制系统，对活性炭主要工艺流程各环节进行集中监控管理，该系统由操作站、现场控制站、系统通讯网络组成。操作站设置于总控制室，操作站主要负责对生产过程的监控对设备的操作。现场控制站设置于各配电室，完成顺序逻辑控制的起动顺序和连锁关系的确定，开关量和模拟量数据的采集、处理，以及PID回路的控制。

1、控制原理。采用DCS控制系统具有以下优点：(1)闭锁条件完全在软件上设置，而无需外部连线。闭锁条件在软件中设置可使得闭锁条件灵活而高效，解决了硬接线联锁故障查找困难的问题；(2)如果生产工艺情况改变使得设备联锁关系发生变化．也仅需进行软件修改，不需要重新改接线，使得整个控制系统的外部工作量减小。控制原理如图所示。

2、控制系统网络结构。控制系统设有二层网络，分别是控制层、操作层。控制层：由现场DCS控制器、远程I／O分站、现场操作箱、控制总线组成。提供实时I／O数据采集和编程下载、实时控制功能等。各综合自动化子系统的I／O和其它智能监控系统等对现场设备的工艺检测参数、设备运行工况信号进行采集、检测和控制，并实时向集中控制室传送。

在控制室设监控分站，通过PROFIBUS—DP下带远程I／0网络，主要完成现场设备的信息采集和控制指令的执行．现场控制站在现场工艺检测参数、设备运行工况信号进行采集、检测和控制，并实时向集中控制室传送。

操作层：主要由工业以太网交换机形成的光纤环、监控操作员站、开发维护工程师站、集控系统平台，数据采集／实时工业数据库服务器等组成。操作层为工业以太网，为系统及各生产自动化子系统的数据采集和实时工业数据库服务，以保障系统的安全。各子系统将采集的各自所控设备的运行情况信息通过工业以太网上传到数据库，数据库提供工业数据的历史存储、查询、检索及各类数据的调用服务。

3、控制方式。由计算机控制的每台设备均设有按钮盒和控制箱。装有控制方式选择开关，可选择控制方式，有“集中”、“就地”、“检修”三种控制方式。在集中控制方式下，在中央控制室根据工艺流程及设备保护的要求对电动机组及用电设备按顺序逻辑关系进行开停控制，各种故障及工艺参数可在计算机显示屏上实时显示，并可进行操作记录，以便日后查阅。在检修方式下，集中控制和就地控制均无效，以保证检修人员的人身安全。在故障时，中央控制室和就地均可进行急停操作。

21 世纪，全球活性炭行业仍然具有广阔的发展前景。活性炭的研制应着眼于拓展应用领域，因此，在活性炭生产线进行了实践。多年的现场试运行情况表明，该系统表现出良好的控制效果，降低了劳动力强度，降低了生产成本，提高了原料利用率和产品产率，保证了活性炭产品的质量。

参考文献：

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