关键词： 铜业  冶炼烟气制酸    高压变频器

摘要：本文介绍了英威腾GD5000系列高压变频器在铜冶炼烟气制酸项目上的应用。

一、引言

冶炼烟气制酸，是我国硫酸工业的重要组成部分。近十几年来，我国冶炼烟气制酸技术取得长足发展，冶炼烟气制酸单系列装置的规模愈来愈大，技术和装备愈来愈先进；大型冶炼烟气制酸工程的设计都不同程度地应用了当今国内外先进技术和装备，大大改变了我国冶炼烟气制酸的技术状况。但在实际的生产过程中，根据烟气中含硫的浓度、吸收塔的效率、转化器的效率、生产周期等因素，需经常对相关的风机、水泵等设备进行调整、变化，以满足工艺要求。传统的调节方式主要是采用进、出口风门挡板调节或者是采用液偶调节来控制风量，调节精度差、效率低，造成管网内部气流紊乱， 风机喘振等现象。大量应用标明，采用变频器改变电机转速来调节风量可以在满足工艺要求的同时，解决上述矛盾。  

二、项目介绍

山东某铜业是一家有色金属加工企业，在东营发展的14年完成了三次跨越，从第一工业园到第三工业园，如今已具备阴极铜22万吨/年、稀贵金属综合提取加工5000吨/年的生产能力，全国同行业排名第六，占据山东省28%的市场份额。

该铜业采用氧气底吹熔炼技术将年产5万吨设计能力，扩大到了年产10万吨规模。且整个流程是完全密闭的，生产过程中所产生的烟气污染可以降到最低。同时，因为烟气的主要构成成分是二氧化硫，该企业又在处理烟气上发明了一套制作硫酸的工艺，产出的副产品被定级为国家一级品工业硫酸。而对于不能完全处理掉的污酸，该公司创新研发了“重金属冶炼烟气净化中污酸处理新技术”，这项技术将污酸净化回收，最终将污酸处理成合格工业硫酸。

其烟气制酸生产工序流程可分为：净化工段、干吸工段、转化工段、酸库工段。

其烟气流程为：烟气—一级动力波—空气冷却塔—二级动力波—电除雾器—干燥塔—SO2风机—转化器—一吸收塔—转化器—二吸收塔—尾气排空。

其中，在转化工段，从SO2鼓风机出来的冷SO2气体俗称一次气，经过催化后转化成SO3，再经过换热后由一冷风机送入第一级吸收塔制取硫酸，第一吸收塔出来未反应的冷SO2气体俗称二次气，需经过二次催化转化后通过二冷风机送往第二吸收塔制取硫酸。其工艺图如下：

由于在实际运行过程中，受到SO2气体的含量、第一吸收塔和第二吸收塔吸收率的影响，SO2鼓风机、一冷风机、二冷风机需经常进行调节以满足工艺需求。然而采用传统的挡板调节或是液偶调节，调节精度差、效率低、维护量大，经研究决定，采购英威腾GD5000系列高压变频器（GD5000-A3550-10-S，拖动SO2鼓风机），实现全自动操作，改善了操作方式，节约了大量能源。

三、系统方案

 1. 主回路方案：

针对用户工艺要求的高压电机运行方式，考虑到设备的安全运行要求，最终采用一拖一带隔离自动旁路方案，与现场软启动器配合使用。

图表 1一拖一带隔离自动切换方案

一拖一带隔离自动旁路柜是由三个真空接触器KM1、KM2、KM3和两个刀闸QS1、QS2组成。变频器输出真空接触器KM2和工频真空接触器KM3互锁，完全能够保证变频调速系统安全运行。刀闸QS1、QS2无机械闭锁功能，只是在检修时由手动断开以形成明显的断开点，确保工作人员的安全，在工频和变频运行状况下均处于闭合状态；

1)  在变频运行状况下，KM1、KM2闭合，KM3、QS3、QS4断开。

2)  在软起回路运行状况下，KM1、KM2、KM3断开，QS3、QS4闭合。

3)  在工频旁路运行状况下，KM3闭合，KM1、KM2、QS3、QS4断开。

2. 控制系统方案

由于从SO2气体转化成SO3气体为可逆反应，其化学方程式如下：

从这个化学方程式中可以看出，在SO2 与O2反应生成SO3时，SO3也有一部分分解为SO2 与O2和氧气，已经反应了的SO2对起始SO2总量的百分比叫做总转化率。为了提高总转化率，必须对SO2的量进行精确的控制。

使用高压变频器后，DCS与变频器之间通过4~20mA信号连接，自动调节变频器输出转速，从而调节SO2的输入量，提高总转化率。

其他变频器与上位机连接I/O点信息如下：

序号	名称	性质	说明	备注
1	合闸允许	DO开关量	允许用户合高压电源	独立无源干接点
2	高压跳闸	DO开关量	跳用户高压电源	独立无源干接点
3	变频器故障	DO开关量	变频器处于故障状态	独立无源干接点
4	变频器运行	DO开关量	变频器处于运行中	独立无源干接点
5	系统就绪	DO开关量	变频器自检完成，待机中	独立无源干接点
6	变频器运行	DI开关量	运行指令	独立无源干接点
7	变频器停止	DI开关量	停止指令	独立无源干接点
8	复位	DI开关量	故障复位指令	独立无源干接点
9	急停	DI开关量	紧急停机并联跳高压	独立无源干接点
10	频率给定	AI（4~20mA）	对应频率给定0~50Hz	模拟量信号
11	频率反馈	A0（4~20mA）	对应输出频率0~50Hz	模拟量信号
12	电流反馈	AO（4~20mA）	对应0~2倍的电机额定电流	模拟量信号

 

四、 现场应用照片

五、 采用变频后应用效果

（1）实现了系统的平稳启动。该设备为新机配套，由于系统电网配置小，工频直接启动，电流大约为额定电流的5-7倍，在风门开启时根本启动不了。而采用变频启动，启动电流大约在额定电流的一半左右即可平稳正常启动，因此解决了软启动问题。

（2）运行中调速平滑、连续，.可依据工艺需要平滑的调节变频器的频率，进而无级的调节电机转速，使SO2鼓风机、一冷风机和二冷风机送风量得到无级平滑的调节，提高了调节精度，减少了对风门及系统的冲击，极大的保护了风道系统，免受冲击损害。

（3）简化了操作系统，精简了控制程序，减轻了工人的劳动强度，特别是自动控制的应用，提高了整个系统的自动化程度，实现了变频器无人值守。

（4）节能显著。

对风机\泵类负载，由流体力学知，流量与转速成正比，管压与转速的平方成正比，而轴功率与转速的立方成正比。

现系统运行在40Hz ,因此变频运行下的功率

P变=（40/50）3P工=0.83P工=0.51 P工

当然变频改造后效率可能要降低一些，总体效率大约80%.因此变频应用后的实际效率为

P1变=0.51/80% P工=0.64 P工=64% P工

则节电率为⊿P= （P工- P1变）/ P工=36%

节电效果是十分明显的，基本达到了预期的节能效果。

总之，使用变频器后，实现了软启动，运行平稳，节约电能，是实现自动化控制的较理想设备，值得在各种领域大力推广。

六、结束语

50年来我国有色行业利用含SO2冶炼烟气生产工业硫酸已获得了快速持续的发展及巨大的成就，在全国硫酸产业中占有重要的地位和作用。随着有色行业的快速发展，相应地用含SO2烟气生产硫酸也将较快地发展，如何继续提高总硫的利率、改善生产工艺，降低对环境的影响、在提高产能的同时，节能减排等问题已成为今后行业重点关注的问题。实践证明，采用高压变频技术对高能耗、主要工艺用电设备进行改造，不仅能改善生产工艺，提高总硫的利率、降低企业能耗和保护环境，而且还对设备的安全、可靠运行，减少设备故障等都起到了积极的作用。

参考文献：

【1】  《GD5000系列高压变频器产品说明书》     深圳市英威腾电气股份有限公司

【2】  《综合利用冶炼烟气生产硫酸》            林河成, 2001,(2):17-20.0

【3】  《硫酸生产的发展》                      郭景芝  ,2005,(2):1-6

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关于英威腾：

英威腾，成立于2002年，致力于成为全球领先、受人尊敬的工业自动化和能源电力领域的产品与服务提供者，2010年在深交所A股上市，股票代码：002334。英威腾是国家火炬计划重点高新技术企业，目前拥有15家控股子公司，分驻于全国的12大研发中心，申请各类专利700多件，依托于电力电子、电气传动、自动控制、信息技术等关键技术，主要产品涵括高中低压变频器、电梯智能控制系统、伺服系统、PLC、HMI、SVG、UPS、电机和电主轴、光伏逆变器、节能减排在线管理系统、轨道交通牵引系统、新能源汽车电控系统等。英威腾现有员工2000多人，大型生产基地3个，营销网络遍布国内及海外60多个国家和地区。