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【摘 要】 本文結(jié)合硫鐵礦生產(chǎn)硫酸和硫磺生產(chǎn)硫酸的生產(chǎn)工藝，綜述了高壓變頻器的性能特點(diǎn)及系統(tǒng)原理，同時(shí)詳細(xì)說明了整體方案，介紹了變頻器在兩種生產(chǎn)工藝上的節(jié)電效果。
1、引 言
深圳市科陸變頻器有限公司在攀枝花硫酸廠分別安裝了兩臺(tái)高壓變頻器設(shè)備，一臺(tái)負(fù)載為高壓鼓風(fēng)機(jī)，另一臺(tái)負(fù)載為高壓引風(fēng)機(jī)。鼓風(fēng)機(jī)用在硫磺制酸廠，引風(fēng)機(jī)用在硫鐵礦制酸廠。高壓風(fēng)機(jī)在安裝變頻器前，風(fēng)量大小由進(jìn)口閥門調(diào)節(jié)。通過閥門調(diào)節(jié)的缺點(diǎn)是：能耗高、調(diào)節(jié)精度差、操作難度大、浪費(fèi)工時(shí)、閥門易磨損。安裝變頻器調(diào)速后完全不存在這些問題。
2、硫酸生產(chǎn)工藝
礦石制酸工藝存在的最大問題是對(duì)環(huán)境污染大，大量的污水、粉塵及礦渣嚴(yán)重影響著周圍環(huán)境；另外操作環(huán)境惡劣、操作強(qiáng)度高。同時(shí)能耗也高，環(huán)保費(fèi)用也很高；而硫磺制酸工藝則要好得多。下面簡單介紹下兩種生產(chǎn)工藝流程。
2.1．礦石制酸工藝
2.1.1 過程分析
(1)礦料
礦料為硫鐵礦，主要成分為FeS2。礦料平均含硫?yàn)?0%，各礦區(qū)的含硫量波動(dòng)大
且含有砷、氟元素。因?yàn)樯a(chǎn)1t硫酸需耗1t礦料，故礦料需求量大。由此造成運(yùn)輸量巨大，運(yùn)輸費(fèi)用高，且堆放場地大的問題。
(2)粉碎
因?yàn)檫M(jìn)廠的礦料大小不一，且有部分塊料，在進(jìn)入沸騰爐焙燒之前必須進(jìn)行破碎，以達(dá)到3.5min×3.5mm以下的要求。大塊料采用腭式破碎機(jī)破碎，再用反擊式破碎機(jī)進(jìn)一步破碎。在此過程中產(chǎn)生大量粉塵，對(duì)環(huán)境污染相當(dāng)嚴(yán)重，能耗也大。
(3)焙燒
破碎合格的礦料投入沸騰爐焙燒，二硫化鐵與空氣中的氧反應(yīng)生成二氧化硫：
4FeS2+11O2=8SO2+2Fe2O3+3305.36kJ
生產(chǎn)1mol SO2產(chǎn)生0.25mol Fe2O3
S的原子轉(zhuǎn)化率為100%，O的原子轉(zhuǎn)化率為72.7%。
(4)水洗凈化
沸騰爐出口二氧化硫氣體中含有固體懸浮物和氣體組分：礦塵、二氧化硫、氧、三氧化二砷、氟化氫等。需要的是二氧化硫和氧，二氧化硫和氧在轉(zhuǎn)化器內(nèi)轉(zhuǎn)化為三氧化硫，三氧化硫通過吸收塔生成硫酸。而其他的雜質(zhì)均應(yīng)除去，否則影響生產(chǎn)。
爐氣中礦塵濃度高達(dá)150-300g／m3，將使管道堵塞、觸媒結(jié)塊失去活性、轉(zhuǎn)化器阻力上升。三氧化二砷使釩觸媒中毒。氟化氫引起觸媒粉化，活性下降。因?yàn)閷?duì)氣體狀態(tài)的砷、氟，目前工業(yè)上尚不能進(jìn)行干法凈化法將它們從爐氣中分離出來，故仍須用水洗滌來進(jìn)行分離，將砷、氟化合物吸收溶解到洗滌、水中，達(dá)到二氧化硫氣體凈化目標(biāo)。故在這一過程中需用大量水洗滌，從而產(chǎn)出大量污水，平均每噸酸產(chǎn)出污水10-15t。從沸騰爐出來的二氧化硫氣體溫度在900℃左右，通過除塵、水洗凈化后，二氧化硫氣體溫度降到40℃左右。在這一過程中大量的能量被消耗，沒有被很好地利用，且要增加許多動(dòng)力設(shè)備，增加能耗。
2.1.2． 硫磺制酸工藝流程
焙燒: S+O2=SO2+熱量
生產(chǎn)1mol SO2產(chǎn)生零廢物，S、O的原子轉(zhuǎn)化率都為100%，這樣就提高了提高原子轉(zhuǎn)化率。
2.1.3． 硫磺制酸與礦石制酸工藝比較
(1) 減少工序，消除污染源
硫磺制酸工藝少了粉碎、水洗凈化兩道復(fù)雜的工序，同時(shí)也消除了三大污染源——
粉塵、污水、礦渣。
(2) 能源消耗下降 用量從100萬t/a，下降到20萬t／a。
(a)工藝過程改進(jìn)后，動(dòng)力設(shè)備投用量大幅減少，動(dòng)力消耗明顯下降。礦石制酸電耗為110kWh／t，硫磺制酸為70kW·h/t，下降了36%；深井水用量從100萬t/a，下降到20萬t／a。
(b)硫磺制酸工藝能源利用更加合理。硫磺爐出口的1000℃溫度的二氧化硫氣體經(jīng)中壓鍋爐、過熱器、省煤器充分利用熱量后，二氧化硫氣體降溫至420℃進(jìn)入轉(zhuǎn)化器。
(3) 生產(chǎn)場地縮小，為企業(yè)提供了發(fā)展空間
由于工藝過程改進(jìn)后，工藝路線大幅縮短，生產(chǎn)用地大幅縮小。
3.1．鼓風(fēng)機(jī)主電機(jī)參數(shù)
額定功率：800KW 額定電流：52.8A
額定電壓：10KV 額定轉(zhuǎn)速：2979r/min
3.2.鼓風(fēng)機(jī)參數(shù)
額定送風(fēng)量：920m³/min 出口壓力：4200*9.8Pa
額定轉(zhuǎn)速：2980r/min 額定功率：800KW
3.3．引風(fēng)機(jī)主電機(jī)參數(shù)
額定功率：900KW 額定電流：60.6A
額定電壓：10KV 額定轉(zhuǎn)速：2985r/min
3.4.引風(fēng)機(jī)參數(shù)
額定流量：950m³/min 出口壓力：4000*9.8Pa
額定轉(zhuǎn)速：2980r/min 額定功率：800KW
根據(jù)實(shí)際工況，手動(dòng)一拖一手動(dòng)方案就可以滿足客戶生產(chǎn)要求。一拖一系統(tǒng)采用高壓進(jìn)線柜+旁路柜（刀閘柜）+移相變壓器+變頻器+電機(jī)的組合方式，旁路柜電氣原理圖如下所示：
當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障時(shí)，可以工頻旁路運(yùn)行，此時(shí)只需要把變頻器旁路柜刀閘打到工頻即可按用戶原先工頻起動(dòng)方式起動(dòng)，不影響正常生產(chǎn)。變頻器帶電機(jī)可在變頻器的操作屏及遠(yuǎn)程控制箱兩個(gè)地方控制，通過變頻器操作屏上的就地/遠(yuǎn)程開關(guān)來進(jìn)行切換，同時(shí)在兩個(gè)地方都能在設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)進(jìn)行急停操作，保護(hù)設(shè)備的安全。變頻器不同頻率范圍通過生產(chǎn)需求來調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)了風(fēng)機(jī)節(jié)能的目的。
5、變頻器與DCS之間的信號(hào)定義
（一拖一手動(dòng)方案變頻器與DCS之間的信號(hào)定義如下：）
5.1 遠(yuǎn)程操作箱（DCS）→ 變頻器
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序號(hào) |
名 稱 |
邏輯要求 |
接口類型 |
用 途 |
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1 |
高壓開關(guān)狀態(tài) |
合：開關(guān)閉合
開：開關(guān)斷開 |
干節(jié)點(diǎn)：
常開 |
高壓進(jìn)線開關(guān)閉合、斷開狀態(tài) |
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2 |
運(yùn)行允許 |
合：允許運(yùn)行
開：不允許運(yùn)行 |
干節(jié)點(diǎn)：
常開 |
變頻器只有檢測到此信號(hào)有效才能正常啟動(dòng) |
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3 |
起停控制 |
合：起動(dòng)
開：停機(jī) |
干節(jié)點(diǎn)：
常開 |
按設(shè)定起停方式及加減速曲線控制變頻器 |
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4 |
緊急停機(jī) |
合：緊急停機(jī)
開：無意義 |
干節(jié)點(diǎn)：
常開 |
變頻器自由停機(jī)，并斷開所有高壓開關(guān) |
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5 |
故障復(fù)位 |
脈沖信號(hào) |
干節(jié)點(diǎn)：
常開 |
復(fù)位清除記憶故障 |
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6 |
報(bào)警解除 |
脈沖信號(hào) |
干節(jié)點(diǎn)：
常開 |
解除聲光報(bào)警信號(hào) |
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7 |
外部故障輸入 |
合：外部故障
開：外部正常 |
干節(jié)點(diǎn)：
常開 |
如果外部DCS控制系統(tǒng)有故障，變頻器及時(shí)停機(jī) |
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8 |
升速控制 |
合：轉(zhuǎn)速增
開：維持當(dāng)前轉(zhuǎn)速 |
干節(jié)點(diǎn)：
常開 |
按加速時(shí)間加速，最高至上限頻率 |
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9 |
降速控制 |
合：轉(zhuǎn)速減
開：維持當(dāng)前轉(zhuǎn)速 |
干節(jié)點(diǎn)：
常開 |
按減速時(shí)間減速，最低至下限頻率 |
5.2 變頻器 → 用戶（DCS）
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序號(hào) |
名 稱 |
邏輯要求 |
接口類型 |
用 途 |
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1 |
系統(tǒng)就緒 |
合：系統(tǒng)已就緒
開：無意義 |
干節(jié)點(diǎn)：
常開 |
變頻系統(tǒng)無故障，允許運(yùn)行 |
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2 |
變頻運(yùn)行狀態(tài) |
合：變頻運(yùn)行狀態(tài)
開：停止?fàn)顟B(tài) |
干節(jié)點(diǎn)：
常開 |
指示電機(jī)的變頻運(yùn)行狀態(tài) |
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3 |
遠(yuǎn)程/本地控制狀態(tài) |
合：變頻器處于遠(yuǎn)程控制狀態(tài)
開：變頻器處于本地控制狀態(tài) |
干節(jié)點(diǎn)：
常開 |
指示變頻器的控制指令源 |
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4 |
輕故障
（報(bào)警） |
合：變頻器處于輕故障狀態(tài)
開：無輕故障 |
干節(jié)點(diǎn)：
常開 |
指示變頻器的報(bào)警狀態(tài) |
6. 節(jié)能效果分析
因?yàn)榱蜩F礦制酸工藝與硫磺制酸工藝存在很大差異，其中工藝路線的長短對(duì)風(fēng)機(jī)能耗大小起到很重要的作用。在硫磺制酸中，鼓風(fēng)機(jī)的作用是給硫磺焙燒提供大氣中的氧氣，其進(jìn)風(fēng)口及出風(fēng)口都很短，而且進(jìn)風(fēng)口管道直接對(duì)大氣，因此管阻損耗小，效率高；而在硫鐵礦制酸中，引風(fēng)機(jī)的作用是把SO2氣體送到反應(yīng)爐里轉(zhuǎn)化成可溶于水的OS3氣體。從硫鐵礦焙燒，再經(jīng)除塵、水洗凈化、除濕等十幾個(gè)工序后才能得到合格的SO2氣體，而這些工序都在密閉的空間內(nèi)完成。因此，在管道里形成較大負(fù)壓，管阻損耗大。根據(jù)電表實(shí)測記錄，在產(chǎn)量不變的情況下引風(fēng)機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)耗能比較表：
攀化科技鼓風(fēng)機(jī)能耗比較表
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硫酸產(chǎn)量 |
工頻耗電 |
變頻耗電 |
日節(jié)約電量 |
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200t/天 |
550 kW×24h |
246.5 kW×24h |
303.5×24 kW.h |
東力化工引風(fēng)機(jī)能耗比較表
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硫酸產(chǎn)量 |
工頻耗電 |
變頻耗電 |
日節(jié)約電量 |
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300t/天 |
700 kW×24h |
625 kW×24h |
75×24kW.h |
從節(jié)能效果來看，鼓風(fēng)機(jī)的效果要比引風(fēng)機(jī)好，但是還有一個(gè)重要因素是產(chǎn)量不一樣。總體來說兩種不同硫酸生產(chǎn)工藝，硫磺制酸的電耗要小于硫鐵礦制酸的電耗。
變頻改造同時(shí)還產(chǎn)生了其他效果：
1). 啟動(dòng)電流小，減少啟動(dòng)的峰值功率損耗；
2). 改善電網(wǎng)功率因數(shù)，變頻器可使系統(tǒng)的功率因數(shù)保持在0.95%以上；
3). 消除了電機(jī)因啟動(dòng)、停止對(duì)機(jī)械的沖擊，延長使用壽命，減少維修；
4). 與工頻調(diào)節(jié)閥門相比噪音大大降低，減少噪音污染；
5). 電機(jī)和風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度下降，電機(jī)及風(fēng)機(jī)工作溫度得到改善；
7、結(jié)束語：
綜上所述：高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的投入，對(duì)提高電能的使用效率，降低生產(chǎn)成本，有一定的效果；但是我們不能因?yàn)橐晃兜淖非蠊?jié)能而刻意降低變頻運(yùn)行頻率，造成產(chǎn)品不合格、廢棄污染環(huán)境等不利后果。我們安裝變頻的宗旨應(yīng)是改進(jìn)生產(chǎn)工藝，使生產(chǎn)效益最大化及能耗最小化。
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