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【摘 要】 本文结合硫铁矿生产硫酸和硫磺生产硫酸的生产工艺，综述了高压变频器的性能特点及系统原理，同时详细说明了整体方案，介绍了变频器在两种生产工艺上的节电效果。
1、引 言
深圳市科陆变频器有限公司在攀枝花硫酸厂分别安装了两台高压变频器设备，一台负载为高压鼓风机，另一台负载为高压引风机。鼓风机用在硫磺制酸厂，引风机用在硫铁矿制酸厂。高压风机在安装变频器前，风量大小由进口阀门调节。通过阀门调节的缺点是：能耗高、调节精度差、操作难度大、浪费工时、阀门易磨损。安装变频器调速后完全不存在这些问题。
2、硫酸生产工艺
矿石制酸工艺存在的最大问题是对环境污染大，大量的污水、粉尘及矿渣严重影响着周围环境；另外操作环境恶劣、操作强度高。同时能耗也高，环保费用也很高；而硫磺制酸工艺则要好得多。下面简单介绍下两种生产工艺流程。
2.1．矿石制酸工艺
2.1.1 过程分析
(1)矿料
矿料为硫铁矿，主要成分为FeS2。矿料平均含硫为30%，各矿区的含硫量波动大
且含有砷、氟元素。因为生产1t硫酸需耗1t矿料，故矿料需求量大。由此造成运输量巨大，运输费用高，且堆放场地大的问题。
(2)粉碎
因为进厂的矿料大小不一，且有部分块料，在进入沸腾炉焙烧之前必须进行破碎，以达到3.5min×3.5mm以下的要求。大块料采用腭式破碎机破碎，再用反击式破碎机进一步破碎。在此过程中产生大量粉尘，对环境污染相当严重，能耗也大。
(3)焙烧
破碎合格的矿料投入沸腾炉焙烧，二硫化铁与空气中的氧反应生成二氧化硫：
4FeS2+11O2=8SO2+2Fe2O3+3305.36kJ
生产1mol SO2产生0.25mol Fe2O3
S的原子转化率为100%，O的原子转化率为72.7%。
(4)水洗净化
沸腾炉出口二氧化硫气体中含有固体悬浮物和气体组分：矿尘、二氧化硫、氧、三氧化二砷、氟化氢等。需要的是二氧化硫和氧，二氧化硫和氧在转化器内转化为三氧化硫，三氧化硫通过吸收塔生成硫酸。而其他的杂质均应除去，否则影响生产。
炉气中矿尘浓度高达150-300g／m3，将使管道堵塞、触媒结块失去活性、转化器阻力上升。三氧化二砷使钒触媒中毒。氟化氢引起触媒粉化，活性下降。因为对气体状态的砷、氟，目前工业上尚不能进行干法净化法将它们从炉气中分离出来，故仍须用水洗涤来进行分离，将砷、氟化合物吸收溶解到洗涤、水中，达到二氧化硫气体净化目标。故在这一过程中需用大量水洗涤，从而产出大量污水，平均每吨酸产出污水10-15t。从沸腾炉出来的二氧化硫气体温度在900℃左右，通过除尘、水洗净化后，二氧化硫气体温度降到40℃左右。在这一过程中大量的能量被消耗，没有被很好地利用，且要增加许多动力设备，增加能耗。
2.1.2． 硫磺制酸工艺流程
焙烧: S+O2=SO2+热量
生产1mol SO2产生零废物，S、O的原子转化率都为100%，这样就提高了提高原子转化率。
2.1.3． 硫磺制酸与矿石制酸工艺比较
(1) 减少工序，消除污染源
硫磺制酸工艺少了粉碎、水洗净化两道复杂的工序，同时也消除了三大污染源——
粉尘、污水、矿渣。
(2) 能源消耗下降 用量从100万t/a，下降到20万t／a。
(a)工艺过程改进后，动力设备投用量大幅减少，动力消耗明显下降。矿石制酸电耗为110kWh／t，硫磺制酸为70kW·h/t，下降了36%；深井水用量从100万t/a，下降到20万t／a。
(b)硫磺制酸工艺能源利用更加合理。硫磺炉出口的1000℃温度的二氧化硫气体经中压锅炉、过热器、省煤器充分利用热量后，二氧化硫气体降温至420℃进入转化器。
(3) 生产场地缩小，为企业提供了发展空间
由于工艺过程改进后，工艺路线大幅缩短，生产用地大幅缩小。
3.1．鼓风机主电机参数
额定功率：800KW 额定电流：52.8A
额定电压：10KV 额定转速：2979r/min
3.2.鼓风机参数
额定送风量：920m³/min 出口压力：4200*9.8Pa
额定转速：2980r/min 额定功率：800KW
3.3．引风机主电机参数
额定功率：900KW 额定电流：60.6A
额定电压：10KV 额定转速：2985r/min
3.4.引风机参数
额定流量：950m³/min 出口压力：4000*9.8Pa
额定转速：2980r/min 额定功率：800KW
根据实际工况，手动一拖一手动方案就可以满足客户生产要求。一拖一系统采用高压进线柜+旁路柜（刀闸柜）+移相变压器+变频器+电机的组合方式，旁路柜电气原理图如下所示：
当变频器出现故障时，可以工频旁路运行，此时只需要把变频器旁路柜刀闸打到工频即可按用户原先工频起动方式起动，不影响正常生产。变频器带电机可在变频器的操作屏及远程控制箱两个地方控制，通过变频器操作屏上的就地/远程开关来进行切换，同时在两个地方都能在设备出现故障时进行急停操作，保护设备的安全。变频器不同频率范围通过生产需求来调节，从而实现了风机节能的目的。
5、变频器与DCS之间的信号定义
（一拖一手动方案变频器与DCS之间的信号定义如下：）
5.1 远程操作箱（DCS）→ 变频器
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序号 |
名 称 |
逻辑要求 |
接口类型 |
用 途 |
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1 |
高压开关状态 |
合：开关闭合
开：开关断开 |
干节点：
常开 |
高压进线开关闭合、断开状态 |
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2 |
运行允许 |
合：允许运行
开：不允许运行 |
干节点：
常开 |
变频器只有检测到此信号有效才能正常启动 |
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3 |
起停控制 |
合：起动
开：停机 |
干节点：
常开 |
按设定起停方式及加减速曲线控制变频器 |
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4 |
紧急停机 |
合：紧急停机
开：无意义 |
干节点：
常开 |
变频器自由停机，并断开所有高压开关 |
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5 |
故障复位 |
脉冲信号 |
干节点：
常开 |
复位清除记忆故障 |
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6 |
报警解除 |
脉冲信号 |
干节点：
常开 |
解除声光报警信号 |
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7 |
外部故障输入 |
合：外部故障
开：外部正常 |
干节点：
常开 |
如果外部DCS控制系统有故障，变频器及时停机 |
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8 |
升速控制 |
合：转速增
开：维持当前转速 |
干节点：
常开 |
按加速时间加速，最高至上限频率 |
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9 |
降速控制 |
合：转速减
开：维持当前转速 |
干节点：
常开 |
按减速时间减速，最低至下限频率 |
5.2 变频器 → 用户（DCS）
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序号 |
名 称 |
逻辑要求 |
接口类型 |
用 途 |
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1 |
系统就绪 |
合：系统已就绪
开：无意义 |
干节点：
常开 |
变频系统无故障，允许运行 |
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2 |
变频运行状态 |
合：变频运行状态
开：停止状态 |
干节点：
常开 |
指示电机的变频运行状态 |
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3 |
远程/本地控制状态 |
合：变频器处于远程控制状态
开：变频器处于本地控制状态 |
干节点：
常开 |
指示变频器的控制指令源 |
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4 |
轻故障
（报警） |
合：变频器处于轻故障状态
开：无轻故障 |
干节点：
常开 |
指示变频器的报警状态 |
6. 节能效果分析
因为硫铁矿制酸工艺与硫磺制酸工艺存在很大差异，其中工艺路线的长短对风机能耗大小起到很重要的作用。在硫磺制酸中，鼓风机的作用是给硫磺焙烧提供大气中的氧气，其进风口及出风口都很短，而且进风口管道直接对大气，因此管阻损耗小，效率高；而在硫铁矿制酸中，引风机的作用是把SO2气体送到反应炉里转化成可溶于水的OS3气体。从硫铁矿焙烧，再经除尘、水洗净化、除湿等十几个工序后才能得到合格的SO2气体，而这些工序都在密闭的空间内完成。因此，在管道里形成较大负压，管阻损耗大。根据电表实测记录，在产量不变的情况下引风机、鼓风机耗能比较表：
攀化科技鼓风机能耗比较表
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硫酸产量 |
工频耗电 |
变频耗电 |
日节约电量 |
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200t/天 |
550 kW×24h |
246.5 kW×24h |
303.5×24 kW.h |
东力化工引风机能耗比较表
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硫酸产量 |
工频耗电 |
变频耗电 |
日节约电量 |
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300t/天 |
700 kW×24h |
625 kW×24h |
75×24kW.h |
从节能效果来看，鼓风机的效果要比引风机好，但是还有一个重要因素是产量不一样。总体来说两种不同硫酸生产工艺，硫磺制酸的电耗要小于硫铁矿制酸的电耗。
变频改造同时还产生了其他效果：
1). 启动电流小，减少启动的峰值功率损耗；
2). 改善电网功率因数，变频器可使系统的功率因数保持在0.95%以上；
3). 消除了电机因启动、停止对机械的冲击，延长使用寿命，减少维修；
4). 与工频调节阀门相比噪音大大降低，减少噪音污染；
5). 电机和风机运转速度下降，电机及风机工作温度得到改善；
7、结束语：
综上所述：高压变频调速系统的投入，对提高电能的使用效率，降低生产成本，有一定的效果；但是我们不能因为一味的追求节能而刻意降低变频运行频率，造成产品不合格、废弃污染环境等不利后果。我们安装变频的宗旨应是改进生产工艺，使生产效益最大化及能耗最小化。
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