廢液燃燒及其溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙海濤，張玉洋

（西安航天源動(dòng)力工程有限公司，西安 710100）

0 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，工業(yè)化進(jìn)程的不斷加速，環(huán)保問題已經(jīng)成為當(dāng)今時(shí)代亟待解決的經(jīng)濟(jì)問題和社會(huì)問題。影響環(huán)境的主要污染物有二氧化硫、氮氧化物等各種廢氣，化工廢液、醫(yī)療廢液等各種廢液，還有各類廢固、粉塵等。環(huán)境污染的主要來源是工業(yè)排放，因此控制和有效處理工業(yè)排放是關(guān)系國計(jì)民生的重要工作。

化工和醫(yī)療廢液是環(huán)境污染的最主要問題之一，目前控制和處理工業(yè)廢液的主流工藝有生物法和燃燒法兩種主流技術(shù)。前者適用于一般的無毒廢水，后者適用于主要的化工和醫(yī)療廢液。對于大多數(shù)有機(jī)廢液含有大量的有機(jī)物，具有可燃、有毒等特性，采用生物法無法進(jìn)行處理，因此廢液燃燒技術(shù)是處理工業(yè)廢液的主要方法，燃燒技術(shù)處理廢液既能滿足環(huán)保要求，也能進(jìn)行能量回收和利用，具有節(jié)能減排的雙重作用，對企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益都有重要的貢獻(xiàn)。

廢液燃燒的關(guān)鍵技術(shù)之一是如何穩(wěn)定準(zhǔn)確地控制介質(zhì)溫度與燃燒溫度，以保證燃燒工藝系統(tǒng)的技術(shù)要求。因此，廢液燃燒溫控系統(tǒng)的優(yōu)劣直接影響著廢液燃燒系統(tǒng)的性能，如何穩(wěn)定、快速、準(zhǔn)確地控制廢液燃燒系統(tǒng)運(yùn)行溫度即是本文的重點(diǎn)研究內(nèi)容。通過本文的研究對智能溫控算法在廢液燃燒系統(tǒng)中的應(yīng)用起到指導(dǎo)性作用，推動(dòng)廢液燃燒控制技術(shù)不斷發(fā)展優(yōu)化。

1 廢液燃燒系統(tǒng)

1.1 廢液燃燒技術(shù)要求

廢液燃燒系統(tǒng)主要由噴霧燃燒系統(tǒng)、余熱回收系統(tǒng)、脫硫脫硝系統(tǒng)、除塵排煙系統(tǒng)四大主要系統(tǒng)構(gòu)成。

系統(tǒng)采用立式燃燒爐加熱水鍋爐的方式實(shí)現(xiàn)廢液的燃燒和余熱回收，對于含氮的廢液設(shè)計(jì)了SCR 脫硝系統(tǒng)進(jìn)行脫硝，滿足大氣排放要求。對于含無機(jī)物的廢液，由于燃燒過程會(huì)產(chǎn)生無機(jī)鹽或灰塵，設(shè)計(jì)了布袋除塵環(huán)節(jié)進(jìn)行收塵。該系統(tǒng)能夠滿足常見大多數(shù)有機(jī)廢液的燃燒處理和余熱回收，并滿足排放要求。

溫度是廢液燃燒系統(tǒng)的一項(xiàng)重要控制參數(shù)，溫控的性能直接影響著系統(tǒng)的性能。首先，系統(tǒng)運(yùn)行前要將燃燒爐按照烘爐曲線進(jìn)行升溫。當(dāng)烘爐完成并達(dá)到要求溫度時(shí)，投入待燒廢液，根據(jù)廢液熱力計(jì)算，一般有機(jī)廢液的燃燒溫度在1000℃～1600℃范圍，脫硝溫度350℃左右，除塵溫度180℃左右。因工業(yè)廢液具有成分多變、流量多變等特點(diǎn)，所以燃燒溫度和煙氣量會(huì)經(jīng)常發(fā)生變化。當(dāng)負(fù)荷變化時(shí)，實(shí)時(shí)調(diào)整熱水鍋爐的換熱量，可使系統(tǒng)關(guān)鍵溫度點(diǎn)始終滿足工藝參數(shù)要求，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)最佳運(yùn)行狀態(tài)。由于系統(tǒng)具備實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)的跟隨性能，因而運(yùn)行人員不需根據(jù)工況負(fù)荷變化進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置或手動(dòng)調(diào)節(jié)就可正常工作。該方式為溫度智能控制，通過溫度智能控制，既可以防止負(fù)荷波動(dòng)引起的系統(tǒng)溫度波動(dòng)，又可合理節(jié)能，達(dá)到節(jié)能增效的目的。

1.2 廢液燃燒典型方案

1.2.1 技術(shù)要求

1）焚燒處理高熱值有機(jī)廢溶劑12800 噸/年。

2）采用合適的尾氣凈化方法處理廢氣，使焚燒處理后排放的廢氣達(dá)到GB18484－2015《危險(xiǎn)廢物焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》（征求意見稿）的要求。

3）采用余熱鍋爐裝置回收，利用高溫?zé)煔庵械臒崃?，余熱鍋爐充分考慮防腐。

4）應(yīng)防止及消除有機(jī)廢液焚燒中二惡英的產(chǎn)生，采取合理的處理措施并達(dá)標(biāo)。

5）廢溶劑和高含鹽廢水焚燒后會(huì)產(chǎn)生NOx、HCl、SO2等污染性有害氣體，考慮對煙氣的凈化處理及整套焚燒系統(tǒng)的防腐處理。

6）高鹽廢水焚燒后會(huì)有大量鹽的析出問題，為保證廢液系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行，考慮結(jié)晶鹽自動(dòng)收集及排放方式。

7）焚燒后的煙氣中含有酸性氣體，會(huì)對煙道及設(shè)備產(chǎn)生腐蝕，考慮煙道及設(shè)備的防腐措施。

8）考慮系統(tǒng)的安全運(yùn)行，特別是緊急、非正常情況下的安全設(shè)施的聯(lián)鎖和報(bào)警。

9）控制系統(tǒng)采用DCS 控制，具備系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行和監(jiān)測，數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳功能。

1.2.2 技術(shù)指標(biāo)

1）焚燒能力：設(shè)計(jì)處理廢溶劑量1791kg/h。

2）投料方式：自動(dòng)噴入。

3）點(diǎn)火方式：自動(dòng)點(diǎn)火。

4）燃料選用：點(diǎn)火烘爐燃料采用柴油，正常運(yùn)行采用高熱值有機(jī)廢溶劑助燃。

5）爐內(nèi)壓力：采用負(fù)壓設(shè)計(jì)。

6）燃燒效率：≥99.9%；焚毀去除率：≥99.9%。

7）廢液焚燒爐溫度：≥1100℃。

8）焚燒爐運(yùn)行過程中保證系統(tǒng)處于負(fù)壓狀態(tài)，避免有害氣體逸出。

9）焚燒爐出口煙氣中的氧氣含量6%～10%（干氣）。

10）煙氣停留時(shí)間：≥2s。

1.2.3 安全指標(biāo)

1）焚燒爐燃燒系統(tǒng)設(shè)有安全保護(hù)裝置，燃燒系統(tǒng)啟動(dòng)不正常時(shí)，安全保護(hù)裝置自動(dòng)切斷燃料供應(yīng)。

2）焚燒爐停止運(yùn)轉(zhuǎn)前，設(shè)有燃燒室冷卻程序。溫度下降到設(shè)定值時(shí)，冷卻程序結(jié)束，整套設(shè)備停止工作。

3）報(bào)警系統(tǒng)：焚燒爐裝置電源指示、開關(guān)；殘燒定時(shí)，裝置以確保爐內(nèi)無殘存易燃?xì)怏w與有機(jī)物，操作安全可靠；過負(fù)荷保護(hù)裝置，保護(hù)電機(jī)不致過載；溫控燃燒。

4）高低溫控制聯(lián)鎖：在聯(lián)鎖保護(hù)方面，設(shè)計(jì)火焰檢測系統(tǒng)聯(lián)鎖保護(hù)、高低溫報(bào)警及聯(lián)鎖保護(hù)。高低溫控制聯(lián)鎖保護(hù)是在工藝關(guān)鍵點(diǎn)上設(shè)置溫度報(bào)警值和聯(lián)鎖保護(hù)值，作用是控制整個(gè)系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)，主要設(shè)備處于安全的工作溫度區(qū)間中，一旦設(shè)備處于非安全溫度的狀態(tài)，立刻觸發(fā)聯(lián)鎖保護(hù)。

1.2.4 工藝系統(tǒng)流程

通過柴油燃燒機(jī)點(diǎn)火，按焚燒爐耐火磚升溫曲線進(jìn)行烘爐。

當(dāng)焚燒爐的爐溫達(dá)到800℃時(shí)，通過增壓泵將儲(chǔ)罐內(nèi)的廢溶劑送入廢溶劑噴槍，廢溶劑被充分霧化后在焚燒爐中完全燃燒。

當(dāng)焚燒爐的爐溫達(dá)到1100℃時(shí)，利用廢水增壓泵將儲(chǔ)罐中的含鹽廢水送入廢水噴槍，廢水被充分霧化后噴入廢液焚燒爐中，在廢溶劑伴燒的高溫環(huán)境下進(jìn)行充分燃燒分解，產(chǎn)生高溫?zé)煔狻?/p>

廢液焚燒爐出口的高溫?zé)煔膺M(jìn)入余熱鍋爐，利用余熱鍋爐回收高溫?zé)煔庵械臒崃?，將煙氣溫度降?00℃，同時(shí)副產(chǎn)飽和蒸汽，余熱鍋爐同時(shí)設(shè)置除塵及在線自動(dòng)清灰裝置。

采用SNCR 脫硝技術(shù)降低煙氣中NOx 濃度，將濃度為20%的氨水通過雙流體脫硝噴槍噴入到余熱鍋爐高溫段。氨水在850℃～1100℃高溫條件下與煙氣中的氮氧化物充分接觸反應(yīng)，生成氮?dú)夂退?/p>

余熱鍋爐出口的煙氣進(jìn)入急冷塔，通過工藝水噴淋，使煙氣溫度在1s 內(nèi)急降，從700℃～200℃以下，防止二惡英的產(chǎn)生。

急冷塔出口的煙氣進(jìn)入布袋除塵器對鹽類粉塵進(jìn)行收集，在線自動(dòng)清除。

在急冷塔出口和布袋除塵器入口的煙道內(nèi)噴入活性炭粉末，進(jìn)一步吸附煙氣中殘留的二惡英。

在急冷塔出口和布袋除塵器入口的煙道內(nèi)噴入消石灰，在烘爐前利用消石灰對布袋進(jìn)行預(yù)噴涂，保證除塵器濾袋不被未燃盡的柴油糊袋。

經(jīng)過除塵后的煙氣通過引風(fēng)機(jī)進(jìn)入堿洗塔，可以有效除去煙氣中的HCl、SO2酸性氣體。GB18484－2015《危險(xiǎn)廢物焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》（征求意見稿）要求煙氣SO2排放濃度小于200 mg/Nm3，設(shè)置兩級(jí)堿洗塔將SO2濃度降低至200 mg/Nm3，煙氣最后經(jīng)過噴淋塔頂端的二級(jí)屋脊式除霧器除去煙氣中的水滴后，被排送入煙囪。

根據(jù)上述工藝方案，整個(gè)廢液焚燒系統(tǒng)可分為7 個(gè)子系統(tǒng)：①廢溶劑、廢水焚燒子系統(tǒng)；②SNCR 脫硝子系統(tǒng)；③余熱回收子系統(tǒng)；④煙氣急冷子系統(tǒng)；⑤活性炭及消石灰噴射系統(tǒng)；⑥煙氣除塵子系統(tǒng)；⑦煙氣脫硫子系統(tǒng)。7個(gè)子系統(tǒng)通過一整套的DCS 程序進(jìn)行自動(dòng)化控制。

1.3 智能溫控系統(tǒng)

溫度控制是工業(yè)控制中一個(gè)重要的分支，廢液燃燒系統(tǒng)的溫度控制尤為關(guān)鍵。傳統(tǒng)的溫度控制多采用經(jīng)典PID控制方法，該方法能夠滿足一般的工業(yè)溫控要求，具有自動(dòng)調(diào)節(jié)的基本功能。隨著控制技術(shù)的不斷發(fā)展，及不同領(lǐng)域?qū)囟瓤刂埔蟮牟町悾絹碓蕉嗟南到y(tǒng)要求具有更好的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性、快速性，并能夠適應(yīng)系統(tǒng)工況的多變性，因此智能溫控系統(tǒng)是解決該類問題的主要方法。

本文采用基于神經(jīng)元PID 的溫控算法，既采用傳統(tǒng)PID 的成熟控制技術(shù)，又結(jié)合智能控制領(lǐng)域的新技術(shù)，使溫控系統(tǒng)根據(jù)廢液燃燒系統(tǒng)的負(fù)荷變化具有更好的穩(wěn)定性和自適應(yīng)的功能。傳統(tǒng)PID 參數(shù)的整定是通過靜態(tài)仿真或在靜態(tài)工況下人為設(shè)定實(shí)現(xiàn)的，隨著工況變化自適應(yīng)能力較差，本文設(shè)計(jì)的智能神經(jīng)元PID 參數(shù)的整定是通過相應(yīng)的智能學(xué)習(xí)算法實(shí)現(xiàn)的，可以實(shí)現(xiàn)不同工況的自適應(yīng)調(diào)節(jié)，具有更好的穩(wěn)定性或魯棒性，能夠更好地適應(yīng)廢液燃燒系統(tǒng)的要求。

因此，廢液燃燒系統(tǒng)智能溫控的基本原理是根據(jù)廢液燃燒系統(tǒng)運(yùn)行溫度曲線，設(shè)定換熱鍋爐換熱量。通過判斷實(shí)際溫差的大小是否滿足設(shè)定要求，來調(diào)節(jié)鍋爐換熱量及PID 控制參數(shù)，使換熱系統(tǒng)的吸收功率與燃燒系統(tǒng)的輸出功率相匹配。

2 神經(jīng)元PID控制系統(tǒng)

在工業(yè)過程控制中，按被控對象的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集信息與給定值比較產(chǎn)生的誤差比例、積分和微分進(jìn)行控制的控制系統(tǒng)簡稱PID（Proportional Integral Derivative）控制系統(tǒng)。PID 控制具有原理簡單，魯棒性強(qiáng)和實(shí)用面廣等優(yōu)點(diǎn)，是一種技術(shù)成熟、應(yīng)用最為廣泛的控制系統(tǒng)。

2.1 傳統(tǒng)PID控制方式

傳統(tǒng)位置式定參數(shù)PID 的控制算法為：

式（1）中：e(k)為第k 次采樣的廢液燃燒溫差；KP、KI、KD為PID 整定參數(shù)。

傳統(tǒng)PID 控制因?yàn)樗乃惴ê唵?，穩(wěn)定性好，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)在工業(yè)中應(yīng)用廣泛，其控制性能的好壞關(guān)鍵在于PID 參數(shù)的整定。

由于廢液燃燒系統(tǒng)存在著滯后性、時(shí)變性等非線性因素，很難建立精確的數(shù)學(xué)模型，傳統(tǒng)定參數(shù)PID 控制算法難以取得預(yù)想效果。系統(tǒng)運(yùn)行中，使控制參數(shù)自適應(yīng)調(diào)節(jié)從而改善控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能就顯得尤為重要。所以，在PID 控制中，應(yīng)考慮建立PID 參數(shù)的整定不依賴于對象的數(shù)學(xué)模型，而且應(yīng)能使PID 參數(shù)在線調(diào)整，以滿足實(shí)時(shí)控制的要求。

2.2 神經(jīng)元PID控制器設(shè)計(jì)

鑒于傳統(tǒng)PID 控制器的局限性，本控制策略引入了具有自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)能力的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)，神經(jīng)元控制器在實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中起著大腦的作用。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)等智能特點(diǎn)，因而非常適用于控制器設(shè)計(jì)，特別對于復(fù)雜非線性系統(tǒng)，神經(jīng)元控制器所取得的控制效果往往明顯優(yōu)于常規(guī)控制器。神經(jīng)元結(jié)合傳統(tǒng)的PID 控制理論，構(gòu)成了神經(jīng)元自適應(yīng)PID 智能控制器。該控制器不但結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn)，而且能適應(yīng)環(huán)境的變化，有較強(qiáng)的魯棒性。本次設(shè)計(jì)的單神經(jīng)元PID 控制器如圖1 所示。

圖1 神經(jīng)元PID控制器Fig.1 Neuron PID controller

圖1中，Pv 為系統(tǒng)當(dāng)前溫度；Sv 為系統(tǒng)設(shè)定溫度；Wi（i=1,2,3）為網(wǎng)絡(luò)權(quán)值；θ 為神經(jīng)元的閾值；p 為泵的出口壓力；V 為泵的當(dāng)前排量。

廢液燃燒溫控系統(tǒng)是基于換熱量與溫差控制策略，廢液燃燒系統(tǒng)的溫控過程為：

1）根據(jù)當(dāng)前工藝曲線及實(shí)測溫度判斷各點(diǎn)溫度是否滿足工藝要求。

2）如果EV(T)>D(T)，則根據(jù)相應(yīng)的控制策略調(diào)節(jié)熱水鍋爐的流量，通過改變換熱量使目標(biāo)溫度回到目標(biāo)范圍，實(shí)現(xiàn)換熱過程與溫度的匹配。

在這里，利用單神經(jīng)元模擬傳統(tǒng)PID 控制，在一定程度上解決其不易在線實(shí)時(shí)整定參數(shù)，以及當(dāng)過程復(fù)雜或系統(tǒng)參數(shù)變化慢時(shí)，對系數(shù)有效控制不足的缺陷。取神經(jīng)元的輸入分量為3 個(gè)，用單神經(jīng)元實(shí)現(xiàn)的自適應(yīng)PID 控制器的結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。圖1 中轉(zhuǎn)換器的輸入反映了被控過程及控制設(shè)定的狀態(tài)，經(jīng)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成的三變量X1，X2，X3 同上。用圖1 中的控制量u(i)來控制電流i 的大小，則神經(jīng)元自適應(yīng)PID 控制算法如式（2）所示：

式（2）中：X1(k)=e(k),X2(k)=∑kj=0e(j) ,X3(k)=e(k)-e(k-1)

Wi(i=1，2，3)為網(wǎng)絡(luò)權(quán)值；Ku為自適應(yīng)系數(shù)；Wi和Ku均可在線調(diào)整。其中，Wi按有監(jiān)督的Delta 學(xué)習(xí)規(guī)則進(jìn)行修正：

式（3）中：ηi、ηu為學(xué)習(xí)系數(shù)。

式（2）和式（1）具有相同的形式，但式（2）中的Wi（i=1，2，3）和Ku可以通過神經(jīng)元的自學(xué)習(xí)能力進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整。神經(jīng)元PID 的學(xué)習(xí)方式和學(xué)習(xí)能力，決定了Wi（i=1，2，3）和Ku的調(diào)整特性，對整個(gè)控制系統(tǒng)的抗干擾能力和自適應(yīng)性有很大影響。

3 系統(tǒng)仿真及結(jié)果分析

以西安航天源動(dòng)力工程有限公司開發(fā)的某民用廢液焚燒項(xiàng)目為研究對象，采用了圖1 所示的工藝系統(tǒng)。

其中，換熱鍋爐給水泵采用變頻控制的方式，可以無級(jí)地按程序控制泵的排量，設(shè)定系統(tǒng)目標(biāo)溫度為1600℃。根據(jù)系統(tǒng)的基本數(shù)學(xué)模型，網(wǎng)絡(luò)初始權(quán)值設(shè)為W=[1.0469 0.2354 1.1637]，學(xué)習(xí)系數(shù)ηi設(shè)為[0.2 0.002 0.1]，ηu設(shè)為0.25，系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線Fig.2 System step response curve

由圖2 可以看出：神經(jīng)元自適應(yīng)PID 控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性較好，響應(yīng)時(shí)間852ms。超調(diào)量小，最大超調(diào)量不超過9.5%，穩(wěn)定性能好，無穩(wěn)態(tài)誤差。

4 結(jié)語

本文在分析廢液燃燒系統(tǒng)的工藝要求及溫控要求的基礎(chǔ)上，利用基于神經(jīng)元PID 的自適應(yīng)控制方法。通過Matlab 仿真表明該系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

1）在負(fù)荷波動(dòng)情況下，維持系統(tǒng)目標(biāo)溫度在允許的范圍內(nèi)，能有效防止系統(tǒng)偏離設(shè)計(jì)工況運(yùn)行，抗干擾性能強(qiáng)，安全性好。

2）系統(tǒng)整體功耗較小，自適應(yīng)調(diào)節(jié)使系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，無靜差，具有一定的節(jié)能增效功能。

3）與傳統(tǒng)PID 調(diào)節(jié)相比，神經(jīng)元的自學(xué)習(xí)特性使得它自身的控制精度隨著投入時(shí)間的增長不斷提高，效果更好，對環(huán)境的適應(yīng)性更強(qiáng)。

此外，由于其結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)，使它很容易結(jié)合廢液燃燒控制系統(tǒng)，通過優(yōu)化神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)權(quán)值W 和自適應(yīng)系數(shù)Ku，實(shí)現(xiàn)對廢液燃燒系統(tǒng)的穩(wěn)定、快速、準(zhǔn)確控制。同時(shí)，工業(yè)溫控系統(tǒng)具有相似性，因此本控制策略對其他應(yīng)用中的同類控制器的設(shè)計(jì)也具有一定的借鑒意義。