CN109308042B - 低温等离子体处理污水收集、储存、处理环节释放气中VOCs的安全控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低温等离子体处理污水收集、储存、处理环节释放气中VOCs的安全控制装置，包括用于实时检测VOCs工艺参数的工艺参数变送器、用于执行开闭动作的执行器和逻辑控制器，工艺参数变送器与执行器电路连接，执行器与逻辑控制器电路连接，工艺参数变送器将检测的信号传递给逻辑控制器，逻辑控制器分析信号后，指示执行器进行开闭动作。本发明通过将可靠的控制系统和关键的控制参数相结合，形成一套控制等离子处理VOCs工艺过程的安全控制装置，保证在使用等离子放电处理VOCs的过程中，通过严格控制流量、浓度、湿度和温度等关键安全工艺参数，避免危害因素产生，具有很高的可靠性和安全性。

Description

低温等离子体处理污水收集、储存、处理环节释放气中VOCs的 安全控制装置

技术领域

本发明涉及污水收集、储存、处理环节释放气处理领域，具体涉及低温等离子体处理污水收集、储存、处理环节释放气中VOCs的安全控制装置。

背景技术

工业生产过程产生的污水在收集、储存、处理中会逸散出少量VOCs气体，主要成分为苯系物、烷烃、烯烃等。废气中的苯系物为致癌物质，且异味明显，烷烃和烯烃等属于易燃物质，为了保护员工身体健康，改善厂区空气质量，营造绿色环保的生产环境，需设置污水池废气处理装置，经处理后的尾气达标，然后高空排放。

VOCs处理的方法有很多种，其中低温等离子体技术处理VOCs是一种处理效率高、运行费用低的技术，但是低温等离子体属于高压放电，在一定条件下会引燃或者引爆一定浓度的VOCs物质，存在火灾和爆炸的危险。

现有的低温等离子处理VOCs的工艺装置，没有针对处理工艺的危险性进行分析，也没有根据工艺过程的危险性设计开发专门的安全控制方案，因此现有的低温等离子处理污水收集、储存、处理环节释放气中VOCs的装置经常发生燃爆事故，给污水处理厂带来很大的风险。由于没有安全可靠的配风和联锁系统，现有的等离子处理废气的工艺仅能使用在废气VOCs含量很低的场合，应用受限，尽管严格限定了低VOCs浓度的使用范围，但由于上游工艺污水的来源复杂，成分变化大，仍有可能发生VOCs浓度过高，超过工艺设计条件的情况，致使现有的等离子处理VOC废气的工艺存在很大的安全隐患。

发明内容

基于上述技术问题，本发明提供一种低温等离子体处理污水收集、储存、处理环节释放气中VOCs的安全控制装置。

本发明所采用的技术解决方案是：

一种低温等离子体处理污水收集、储存、处理环节释放气中VOCs的安全控制装置，包括用于实时检测VOCs工艺参数的工艺参数变送器、用于执行开闭动作的执行器和逻辑控制器，工艺参数变送器与执行器电路连接，执行器与逻辑控制器电路连接，工艺参数变送器将检测的信号传递给逻辑控制器，逻辑控制器分析信号后，指示执行器进行开闭动作。

优选的，所述工艺参数变送器包括浓度变送器、湿度变送器、流量变送器和温度变送器，其中浓度变送器、湿度变送器和流量变送器设置在连接污水池和低温等离子反应器的废气输送主管道上，温度变送器设置在低温等离子反应器的底部，在废气输送主管道上连接有配风管道，废气输送主管道还通过一旁路管道连接中和池。

优选的，所述执行器包括配风流量调节阀、等离子反应器入口切断阀、旁路切断阀和等离子反应器电源继电器，配风流量调节阀安装在配风管道上，等离子反应器入口切断阀安装在废气输送主管道上，旁路切断阀安装在旁路管道上。

优选的，所述浓度变送器、湿度变送器、流量变送器和温度变送器均与逻辑控制器连接，逻辑控制器分别连接配风流量调节阀、等离子反应器入口切断阀、旁路切断阀和等离子反应器电源继电器。

优选的，所述浓度变送器包括用于检测废气输送主管道内进口处废气VOCs浓度的废气VOCs浓度变送器和用于检测废气与配风混合后混合气VOCs浓度的混合气VOCs浓度变送器。

优选的，所述浓度变送器还包括用于检测周围空气中VOCs浓度的周围空气VOCs浓度变送器。

优选的，所述执行器还包括尾气流量调节阀，所述尾气流量调节阀安装在废气输送主管道上。

优选的，所述浓度变送器采用火焰离子化(FID)检测仪、光离子化检测器(PID)检测器或可燃气体报警仪。

优选的，所述流量变送器采用涡街流量变送器或孔板式流量变送器。温度变送器采用热电偶、热电阻(金属)和半导体热敏电阻。

优选的，所述湿度变送器采用电容式插入湿度传感器，所述浓度变送器、流量变送器和湿度变送器在废气输送主管道上沿气体流向方向前后依次布置。

本发明的有益技术效果是：

本发明提出一套安全控制装置，该装置包含多种传感器、执行器和逻辑控制器，按照一定的逻辑输入输出，将传感器、逻辑控制器和执行器组成结构约束的控制系统，该控制系统具有很高的可靠性和安全性。本发明通过将可靠的控制系统和关键的控制参数相结合，形成一套控制等离子处理VOCs工艺过程的安全控制装置，保证在使用等离子放电处理VOCs的过程中，通过严格控制流量、浓度、湿度和温度等关键安全工艺参数，避免危害因素产生，满足安全要求。

附图说明

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步说明：

图1为本发明一种实施方式的结构原理示意图；

图2为采用本发明安全控制装置对低温等离子处理VOCs实行监测保护的流程示意图。

具体实施方式

现有的等离子处理VOCs的工艺装置，没有针对处理工艺的危险性进行分析，也没有根据工艺过程的危险性设计开发专门的安全控制方案，因此现有的低温等离子体处理VOCs的工艺当中，由于污水收集、储存、处理环节释放气产生的VOCs浓度波动很大，经常超过可燃气体的爆炸下限，而等离子处理工艺本身就会产生点火源，因此使用等离子处理工艺很容易发生设备燃烧和爆炸的事故。

基于以上安全隐患，本发明提供一套高可靠性、高安全性的低温等离子体处理污水收集、储存、处理环节释放气中VOCs的安全控制装置，在使用等离子工艺处理VOCs时通过严格控制进入低温等离子反应器的废气的流量、浓度、湿度、反应器出口温度以及处理装置周围界区内可燃气的浓度，保障所述的工艺条件满足安全要求。

低温等离子体处理污水收集、储存、处理环节释放气中VOCs的安全控制装置包含多种传感器、执行器和逻辑控制器，通过实时检测低温等离子处理模块内VOCs的流量、浓度、湿度和温度等参数，经过联锁的控制系统，将参数值控制在安全水平，一旦参数超出正常设定值，立即切断相应的切断阀，关闭等离子反应器电源，将剩余的VOCs送入至中和池，避免危险因素的形成，降低火灾爆炸和中毒的风险。

安全控制装置的传感器包括浓度变送器、湿度变送器、流量变送器、温度变送器和环境VOCs浓度检测仪等；装置的执行器包括低温等离子反应器、调节阀、切断阀、引风机、继电器等。除温度变送器和环境VOCs浓度检测仪外，其他传感器设置在废气处理主管路上，各传感器将检测的信号传递给逻辑控制器，逻辑控制器处理分析信号后，通过联锁系统指示相应执行器进行切断和开闭动作。

安全控制装置在等离子处理污水收集、储存、处理环节释放气中的VOCs的过程中，通过工业在线FID检测器实时检测VOCs浓度，VOCs浓度超过1600ppm且VOCs浓度上升速度超过100ppm/s时就需要通过流量调节阀调节配风流量，控制VOCs浓度的上升，避免形成爆炸性环境，而VOCs浓度到达3000ppm时，就要立即切断缓冲罐进料切断阀，同时打开旁路阀，切断处理废气的进料，关闭反应器电源，将高浓度VOCs气流导入中和池，避免可燃性气体在等离子反应器中爆炸。

安全控制装置内的在线流量检测计，检测到废气流量低于200m³/h时，切断进料切断阀，并切断等离子反应器电源，将废气通过旁路导入中和池中。装置设置在线检测废气湿度变送器，插入式湿度变送器检测湿度信号超过80％RH时，就切断反应器前进料切断阀，同时打开旁路阀，将高湿度废气导入中和池，同时切断反应器电源。

温度变送器设置在低温等离子反应器的底部，在线监测反应器的温度，反应器温度上升，并超过60℃，关闭除湿机和等离子反应器，并切断反应器前进料切断阀，打开旁路，将混合VOCs导入中和池内。

本发明针对低温等离子处理含VOCs废气工艺过程中的火灾和爆炸的危险性，设计一套安全控制装置，该装置通过设置一套工艺参数变送器和制定关键控制逻辑，分析判断工艺波动的趋势，在满足一定的工艺参数偏离和工艺可能发生危险的情况下，驱动切断阀和调节阀执行切断工艺，避免火灾和爆炸事故的发生。

下面结合附图对本发明低温等离子处理污水收集、储存、处理环节释放气中VOCs的安全控制装置的具体实施方式进行详细阐述。

如图1所示，一种低温等离子体处理污水收集、储存、处理环节释放气中VOCs的安全控制装置，包括用于实时检测VOCs工艺参数的工艺参数变送器、用于执行开闭动作的执行器和逻辑控制器，工艺参数变送器与执行器电路连接，执行器与逻辑控制器电路连接，工艺参数变送器将检测的信号传递给逻辑控制器，逻辑控制器分析信号后，指示执行器进行开闭动作。

所述工艺参数变送器包括浓度变送器、湿度变送器6、流量变送器5和温度变送器7，其中浓度变送器、湿度变送器6和流量变送器5设置在连接污水池和低温等离子反应器的废气输送主管道上。温度变送器7设置在低温等离子反应器的底部。在废气输送主管道上连接有配风管道，废气输送主管道还通过一旁路管道连接中和池。所述浓度变送器包括用于检测废气输送主管道内进口处废气VOCs浓度的废气VOCs浓度变送器1和用于检测废气与配风混合后混合气VOCs浓度的混合气VOCs浓度变送器2。

所述执行器包括配风流量调节阀4、等离子反应器入口切断阀10、旁路切断阀9和等离子反应器电源继电器11，配风流量调节阀4安装在配风管道上，等离子反应器入口切断阀10安装在废气输送主管道上，且位于等离子反应器入口处，旁路切断阀9安装在旁路管道上。

所述浓度变送器、湿度变送器、流量变送器和温度变送器均与逻辑控制器连接，逻辑控制器分别连接配风流量调节阀、等离子反应器入口切断阀、旁路切断阀和等离子反应器电源继电器。

所述浓度变送器还包括用于检测周围空气中VOCs浓度的周围空气VOCs浓度变送器8，周围空气VOCs浓度变送器8与逻辑控制器连接。所述执行器还包括尾气流量调节阀3，所述尾气流量调节阀3安装在废气输送主管道上，且位于入口处。

低温等离子处理模块主要包括污水池的废气进入到低温等离子反应器的废气输送主管道以及对废气进行处理的低温等离子反应器，废气输送主管道设置两个重要支路管线，分别为对来自污水池的废气进行配风的配风管道和处理模块内VOCs参数异常废气暂存中和池的旁路管道。除温度变送器和周围空气VOCs浓度变送器外，安全控制装置的传感器设置在废气输送主管道上，以检测VOCs的浓度、湿度、流量及温度等参数，控制装置的传感器包括浓度变送器、湿度变送器、流量变送器和温度变送器等。

浓度变送器采用对有机物高度敏感的FID检测仪，FID浓度检测仪分别在废气进入等离子反应器的管路上、尾气与配风空气混合后的管路上设置VOCs浓度变送器，以检测不同性质的VOCs含量是否超标。为确保低温等离子处理模块环境中VOCs的浓度不会对人员和设备造成伤害和损失，处理模块内设置空气FID浓度检测仪，一旦环境内VOCs浓度达到爆炸下限，逻辑控制器立即切断进料，关停反应器电源等，防止事故发生。

本发明采用质量优质性能可靠涡街流量变送器检测VOCs的流量，涡街流量变送器设置在混合VOCs浓度传感器之后的管路上，待检测到VOCs的浓度、流量参数没有超出安全范围后，主管路上的电容式插入湿度传感器将检测VOCs湿度参数，以确保进入等离子反应器的废气湿度达标。本发明的安全控制装置对反应器内VOCs的最高温度控制在60℃，由于低温等离子反应器处理废气的工艺是从反应器顶部开始，处理之后的尾气在反应器底部排放，因此温度传感器设置在低温等离子反应器的底部，其型号为RTD pt100。

所有传感器的采集的信号将传递给逻辑控制器进行信号分析，本发明的逻辑控制器采用故障触发式(如S7-300F)，逻辑控制器将收集到的浓度、湿度、流量或者温度等信号与设置在控制器内的相应参数设定值进行比较分析，一旦发现超出或者低于设定值的参数，根据收集的信号类型，立即传递信息给相应执行器进行切断等动作，避免危险因素形成。

安全控制装置的执行器包括低温等离子反应器、调节阀、切断阀、引风机、继电器等。由于VOCs含有腐蚀性物质，因此调节阀和切断阀都采用性能稳定、防腐防裂的气动蝶阀。其中VOCs进气主管路设置尾气流量调节阀，配风管路上设置配风流量调节阀，两个调节阀根据来自污水池的VOCs浓度来调节废气流量，使混合VOCs浓度处于安全范围，避免可燃性气体浓度达到爆炸下限。VOCs参数异常时，逻辑控制器首先驱动低温等离子反应器前的切断阀切断进料，再打开旁路切断阀，将异常含量的VOCs导入中和池，避免装置发生火灾爆炸等事故。

如图2所示，本发明安全控制装置对VOCs的检测流程主要为：

第一步：检测来自污水池的尾气VOCs浓度；

第二步：检测与空气混合后VOCs的浓度；

第三步：检测配风后混合VOCs的流量；

第四步：检测进入低温等离子反应器前混合VOCs的湿度；

第五步：检测低温等离子反应器内混合VOCs的温度。

上述检测流程中任何一步中有参数超出或者低于设定值，逻辑控制器立即发送信号传递给执行器执行相应动作。该检测流程为循环过程，若控制装置内传感器检测的信号没有异常，控制装置将执行下一步控制逻辑。

本发明对低温等离子体处理污水收集、储存、处理环节释放气中VOCs的安全控制装置的具体实现方式是：

通过在低温等离子处理含VOCs尾气的进气管路上安装尾气VOCs浓度变送器1，分析废气中VOCs总烃的含量；浓度信号送入装置内的逻辑控制器并与设定值做比较，当浓度信号大于设定值且浓度上升速度大于设定值之后，逻辑控制器驱动配风管线上的配风流量调节阀4打开，给进入处理装置的尾气配风，同时调节尾气流量调节阀3，降低VOCs的浓度，避免可燃性气体浓度达到爆炸下限。

配风流量调节阀4根据混合气浓度变送器的信号调节开闭，同时，周围空气VOCs浓度检测仪8检测出环境浓度的VOCs达到爆炸下限设定值时，停止配风，切断配风流量调节阀4。

配风后的混合气体经主管路的混合气VOCs浓度变送器2，检测VOCs浓度，浓度大于危险设定值上限时，切断等离子反应器入口切断阀10以及上游缓冲罐切断阀，并打开旁路切断阀9，高浓度VOCs废气直接经过旁路进入中和池。

主管路上的混合气流量变送器5用来分析混合气VOCs的流量，流量信号送入控制器与设定值作比较，当流量信号小于设定值时，控制器发送信号指示进料阀门切断进料，打开进入中和池的旁路切断阀9，低流量的混合气VOCs通过旁路直接进入中和池。

主管路上的湿度变送器6实时采集信号发送至逻辑控制器，逻辑控制器接收到湿度信号后，对混合气湿度大于设定值的，逻辑控制器驱动输出电气继电器R001，关闭等离子反应器的电源，同时切断等离子反应器入口切断阀10，并打开旁路切断阀9，高湿度的VOCs废气直接经过旁路进入中和池。

等离子反应器下部的温度变送器7采集信号传送给逻辑控制器，逻辑控制器接受温度信号后，对反应温度超过设定值的，逻辑控制器驱动输出反应器电源继电器R001，关闭等离子反应器的电源，并切断入口切断阀，打开旁路切断阀9，将混合VOCs导入旁路中和池。

本发明所述安全控制装置对低温等离子处理VOCs实行监测保护的主要流程是：

来自污水池的废气经废气输送主管道进入低温等离子反应器，含VOCs的尾气首先经主管道上的尾气VOCs浓度变送器进行尾气VOCs浓度分析，若尾气中VOCs的浓度高于逻辑控制器内设定的3000ppm值，控制系统立即发送信号指示切断上游缓冲罐的进料入口阀门，同时关断配风系统及引风机，切断等离子反应器的入口阀门和电源，并打开旁路切断阀，使高浓度的VOCs尾气经过旁路进入中和池，避免过高浓度的VOCs聚集在反应器内，增加燃爆的危险性。

若尾气中VOCs浓度变送器采集的浓度号低于3000ppm，尾气VOCs将与来自配风管线的空气混合形成混合VOCs，混合气VOCs浓度经管路上的混合气浓度变送器采集信号送入逻辑控制器进行分析，当混合VOCs浓度大于1600ppm，并且经控制逻辑检验的混合气浓度上升速度大于100ppm/s，若此时周围空气VOCs浓度检测仪检测的环境中VOCs浓度不在爆炸下限，即可调节配风流量调节阀，将管路中混合气的浓度调低。若环境中VOCs浓度高于爆炸下限，控制系统随即切断进料阀门，关闭等离子反应器电源，并打开旁路将管路中的混合气导入中和池，此外，混合VOCs浓度上升检测的值小于100ppm/s时，控制系统执行相同动作。

经过配风的混合气VOCs或者浓度小于1600ppm的VOCs由混合气流量变送器检测出流量，大于200m³/h的混合气经管线传送至湿度变送器，而小于200m³/h混合气，为避免由于流量波动产生测量误差造成误停车，混合VOCs需经10s停滞后再进行流量检测，此时检测的流量仍小于200m³/h的混合气，系统根据判断将发送信号指示相关执行器执行相关的切断和打开旁路等操作，否则，进入下步湿度检测。

进入湿度检测的混合气，在湿度低于80％RH时才能进入等离子反应器内进行废弃处理，而高于80％RH的不合格混合VOCs经系统逻辑判断后，执行关断反应器电源，切断反应器入口阀门，打开旁路将高湿度VOCs导入中和池，同时关闭引风机。

低温等离子反应器在处理的混合VOCs过程中会实时监测VOCs的温度，温度小于60℃为安全操作温度，系统正常进行；温度大于60℃时，逻辑控制器发送信号指示关闭反应器电源及进料阀，打开旁路，关闭引风机，防止反应器温度过高引起火灾爆炸事故。

上述低温等离子体处理污水收集、储存、处理环节释放气中VOCs的安全控制装置，还可以应用于工艺废气或无组织排放废气等的处理。

需要说明的是，上述实施例仅仅是本发明的较佳实施例，并不能用来限定本发明的保护范围，在上述技术方案的基础上作出的等同替换或者替代或者简单转用，均应属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种低温等离子体处理污水收集、储存、处理环节释放气中VOCs的安全控制装置，其特征在于：包括用于实时检测VOCs工艺参数的工艺参数变送器、用于执行开闭动作的执行器和逻辑控制器，工艺参数变送器与执行器电路连接，执行器与逻辑控制器电路连接，工艺参数变送器将检测的信号传递给逻辑控制器，逻辑控制器分析信号后，指示执行器进行开闭动作；

所述工艺参数变送器包括浓度变送器、湿度变送器、流量变送器和温度变送器，其中浓度变送器、湿度变送器和流量变送器设置在连接污水池和低温等离子反应器的废气输送主管道上，温度变送器设置在低温等离子反应器的底部，在废气输送主管道上连接有配风管道，废气输送主管道还通过一旁路管道连接中和池；

所述执行器包括配风流量调节阀、等离子反应器入口切断阀、旁路切断阀和等离子反应器电源继电器，配风流量调节阀安装在配风管道上，等离子反应器入口切断阀安装在废气输送主管道上，旁路切断阀安装在旁路管道上；

所述浓度变送器、湿度变送器、流量变送器和温度变送器均与逻辑控制器连接，逻辑控制器分别连接配风流量调节阀、等离子反应器入口切断阀、旁路切断阀和等离子反应器电源继电器；

所述浓度变送器包括用于检测废气输送主管道内进口处废气VOCs浓度的废气VOCs浓度变送器和用于检测废气与配风混合后混合气VOCs浓度的混合气VOCs浓度变送器；

所述浓度变送器还包括用于检测周围空气中VOVs浓度的周围空气VOCs浓度变送器；

所述浓度变送器采用火焰离子化检测仪、光离子化检测器或可燃气体报警仪；

通过工业在线FID检测器实时检测VOCs浓度，VOCs浓度超过1600ppm且VOCs浓度上升速度超过100ppm/s时通过流量调节阀调节配风流量，控制VOCs浓度的上升，而VOCs浓度到达3000ppm时，切断缓冲罐进料切断阀，同时打开旁路阀，切断处理废气的进料，关闭反应器电源，将VOCs气流导入中和池；

所述流量变送器检测到废气流量低于200m³/h时，切断进料切断阀，并切断等离子反应器电源，将废气通过旁路导入中和池中；

所述湿度变送器检测湿度信号超过80％RH时，切断反应器前进料切断阀，同时打开旁路阀，将废气导入中和池，同时切断反应器电源；

所述温度变送器在线监测反应器的温度，反应器温度超过60℃时，关闭除湿机和等离子反应器，并切断反应器前进料切断阀，打开旁路，将混合VOCs导入中和池内。

2.根据权利要求1所述的一种低温等离子体处理污水收集、储存、处理环节释放气中VOCs的安全控制装置，其特征在于：所述执行器还包括尾气流量调节阀，所述尾气流量调节阀安装在废气输送主管道上。

3.根据权利要求1所述的一种低温等离子体处理污水收集、储存、处理环节释放气中VOCs的安全控制装置，其特征在于：所述流量变送器采用涡街流量变送器或孔板式流量变送器。

4.根据权利要求1所述的一种低温等离子体处理污水收集、储存、处理环节释放气中VOCs的安全控制装置，其特征在于：所述湿度变送器采用电容式插入湿度传感器，所述浓度变送器、流量变送器和湿度变送器在废气输送主管道上沿气体流向方向前后依次布置。

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