基于危險廢物處置裝置的自動化研究

王凱 李濤 陳會來

摘要：本文主要對危廢焚燒系統(tǒng)的自動控制進行了分析探討，通過DCS的工程優(yōu)化實施，提高工廠自動化水平，降低操作人員勞動強度。希望通過本文的分析可以為危廢焚燒生產(chǎn)的發(fā)展提供一些建議和借鑒。

關(guān)鍵詞：回轉(zhuǎn)窯焚燒;模糊控制;“3T+1E”原則;DCS系統(tǒng)

引言

在危廢焚燒系統(tǒng)的生產(chǎn)過程中，存在很多需要操作人員手動控制閥門或變頻，甚至還要到現(xiàn)場手動開關(guān)閥門現(xiàn)象。但當前科學(xué)技術(shù)的極速發(fā)展，尤其是計算機水平與控制技術(shù)的創(chuàng)新與提高，使得工廠自動化面臨的很大的提升空間。同時考慮安全及人力成本，敏銳的工廠管理者提出了要不斷提高生產(chǎn)自動化水平的要求，適應(yīng)時代的發(fā)展。下面結(jié)合實際，對危廢焚燒系統(tǒng)的自動化控制進行初步分析探討。

1 系統(tǒng)概述

回轉(zhuǎn)窯焚燒系統(tǒng)包括：預(yù)處理及進料系統(tǒng)、廢液儲存及輸送系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)、二燃室系統(tǒng)、輔助燃燒系統(tǒng)、助燃風系統(tǒng)、余熱鍋爐系統(tǒng)、鍋爐水處理及給水系統(tǒng)、蒸汽冷凝系統(tǒng)、尾氣處理系統(tǒng)（SNCR 脫硝 + 煙氣急冷 + 干法脫酸 + 活性炭噴射 + 布袋除塵 + 兩級濕法脫酸 + 濕式電除塵 + 蒸汽再熱+SCR 脫硝系統(tǒng)）、灰渣輸送系統(tǒng)、煙道、煙囪、循環(huán)冷卻水系統(tǒng)、壓縮空氣站系統(tǒng)、制氮氣系統(tǒng)、其它工藝管道系統(tǒng)。（見圖1）

2 回轉(zhuǎn)窯焚燒系統(tǒng)的控制

這部分是我們生產(chǎn)的核心，我們重點關(guān)注燃燒溫度、氣體停留時間、攪拌混合程度和過剩空氣率四個關(guān)鍵參數(shù)，即“3T+1E”原則，是指溫度（Temperature）、時間（Time）、擾動（Turbulence）和空氣過剩系數(shù)（Excess air coefficient）綜合控制的原則?！?T+1E”原則能確保危險廢物的有害成分充分分解，從源頭上控制二噁英等有機物的生成，抑制NOx的生成，全面控制煙氣排放造成的二次污染?！?T+1E”原則控制的主要對象為：

2.1回轉(zhuǎn)窯窯尾溫度控制。

之前，更多的采用是操作人員來手動調(diào)整進料間隔值、廢液進料量、一二次風機變頻來實現(xiàn)。現(xiàn)在我們通過優(yōu)化控制方案，根據(jù)二維模糊控制器的工作原理和DCS的特點，提出了一種用DCS 實現(xiàn)模糊控制的設(shè)計方法，調(diào)整進料間隔值。再使用PID控制補充低熱值廢液的方式，進而回轉(zhuǎn)窯窯尾溫度控制在800℃～1000℃。

2.1.1 模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計以基本二維模糊控制器的設(shè)計為基礎(chǔ)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，模糊控制器包括輸入量模糊化、模糊推理和解模糊三個部分。圖中r為設(shè)定值，y為測量值，u為輸出值，e為誤差，計算公式為e=r -y;ec為誤差變化率，計算公式為 ec=e1-e2，式中e1為當前采樣的誤差，e2為上一采樣誤差。E和EC分別為e和ec模糊化后的模糊變量。U為輸出模糊變量，u為精確輸出量。Ke、Kec分別為e、ec的模糊量化因子，Ku為U的比例因子。

2.1.2模糊變量隸屬函數(shù)

設(shè)定模糊變量E、EC和U的模糊論域為 [-3，3]，并將其量化為7個等級{-3，-2，-1，0，l，2，3}。設(shè)定模糊變量的語言值集合。設(shè)定輸入模糊變量E、EC和輸出模糊變量ΔU的語言值集合為：{負大（NB），負中（NM），負小（NS），零（ZO），正小（PS），正中（PM），正大（PB）}七級語言變量。設(shè)定輸入模糊變量E、EC和輸出模糊變量ΔU取三角形隸屬函數(shù)。

2.1.3設(shè)定量化因子和比例因子

這里我們設(shè)定溫度偏差E的實際論域為[-50，50]，溫度偏差變化率EC的實際論域為[-10，10]，控制進料間隔U的實際論域為[75，125]。得出量化因子Ke=0.06，Kec=0.3，輸出算式為u=125-（U+3）*8.3。

2.1.4模糊規(guī)則庫

模糊變量E、EC、U都有七級語言變量，所以規(guī)則庫有49條規(guī)則，根據(jù)操作經(jīng)驗得出。

2.1.5模糊控制查詢表

根據(jù)模糊控制規(guī)則表，選用 Mamdani的極大-極小推理法進行模糊推理合成，可得到輸出控制模糊變量U。解模糊方法選用加權(quán)平均法。加權(quán)平均法較適合輸出模糊集的隸屬度 函數(shù)是對稱情況。

采用 MATLAB的模糊邏輯工具箱進行分析仿真和計算離線求出每一對模糊論域上的輸入（E，EC）所對應(yīng)的輸出控制變量U，得出最終的模糊控制查詢表（見表1）。

2.1.6 DCS實現(xiàn)查表功能

我們使用比較模塊CMP、曲線模塊、二選一模塊實現(xiàn)。

2.2二燃室煙氣溫度控制

二燃室出口溫度為1100～1200 ℃，同一位置設(shè)有三個測溫點，三個測點的最大值參與控制，三取二參與聯(lián)鎖和報警。此信號在正常運行階段控制按照PID+前饋（窯尾溫度）的控制方式調(diào)節(jié)高熱值廢液閥的開度。具體控制參數(shù)如下：當二燃室出口溫度低于1150 ℃并且煙氣含氧量大于8%時打開高熱值廢液開關(guān)閥，同時啟動輸送泵;當二燃室出口溫度達到1180℃時或者煙氣含氧量小于6%時關(guān)閉高熱值廢液開關(guān)閥，同時停輸送泵。達到了降低操作強度和穩(wěn)定溫度指標的目的。

3.二燃室煙氣停留時間2s以上;

4.回轉(zhuǎn)窯空氣過剩系數(shù)控制在1.0～1.2，回轉(zhuǎn)窯和二燃室綜合空氣過剩系數(shù)控制在1.8～2.0，通過自動控制風機的變頻調(diào)整風量，最終控制二燃室煙氣出口O2含量6%～10%。控制方案：增加回轉(zhuǎn)窯出口煙氣氧分析儀，通過氧量調(diào)節(jié)一次風機頻率，同理，使用鍋爐出口煙氣氧量做被控量，調(diào)節(jié)二次風機頻率。同時為了保證安全，兩臺風機頻率都設(shè)定自動調(diào)節(jié)下限，保證空氣過剩系數(shù)在指標范圍內(nèi)。

3 洗滌塔PH自動

煙氣在洗滌塔內(nèi)經(jīng)過脫酸，酸洗塔降溫至75℃，并脫除部分HCl、SO2、HF，此處優(yōu)化的控制是自動加堿控制循環(huán)液的PH值，一是減少操作人員的勞動強度，二是更好的控制濃堿液的消耗。具體方案：以一級洗滌塔為例，當一級洗滌塔回流PH≤8.5，開一級洗滌循環(huán)液加堿切斷閥，閥門開到位2秒鐘后，啟動堿液輸送泵A/B（操作人員選擇），開始加堿液過程。加堿液流量計增加累計塊，計算累積量，堿液泵啟動后開始計量，到達1.5M3時（或者堿液槽液位下降0.1m，或者選擇加堿時長到3分鐘后，我們認為加堿量已經(jīng)滿足生產(chǎn)要求）開始停止加堿液過程。停堿液輸送泵，1秒后關(guān)閉循環(huán)池加堿切斷閥，因為輸送泵為柱塞泵，保證正確的啟停順序。

4 控制系統(tǒng)實施

DCS控制系統(tǒng)為南京科遠自動化NT6000系列。該系統(tǒng)吸取了國內(nèi)外眾多同類系統(tǒng)的優(yōu)點，以高速、可靠、開放的網(wǎng)絡(luò)和功能強大的控制器為基礎(chǔ);軟硬件都采用了國際標準或主流工業(yè)級產(chǎn)品，易于升級，使用方便、靈活。通過實踐運行，表明該控制系統(tǒng)能夠很好適應(yīng)國內(nèi)危險廢棄物的焚燒過程控制。

5 總結(jié)

以上針對危廢焚燒系統(tǒng)的自動控制進行了初步分析探討，通過DCS的工程優(yōu)化實施，，降低操作人員勞動強度。希望通過本文的分析可以為危廢焚燒生產(chǎn)提供一些建議和借鑒。面對生產(chǎn)中的各種問題，我們會繼續(xù)總結(jié)，積極尋找優(yōu)化方案，共同促進危廢焚燒技術(shù)的發(fā)展進步，創(chuàng)造更好的社會和經(jīng)濟價值。

參考文獻：

[1] 王健生.基于DCS系統(tǒng)的危廢焚燒逆流式回轉(zhuǎn)窯控制系統(tǒng)研究[J].中國科技縱橫，2018，（20）：52-53

[2]羅庚興.基于S7-300PLC的模糊控制器的設(shè)計[J].電氣自動化，2012（1）：22-24

[3]張紹坤，鄭明宗，胡晨.危險廢物焚燒過程中二噁英控制技術(shù)概述[J].中國環(huán)保產(chǎn)業(yè)，2018（5）：63-67

作者簡介：

王凱，畢業(yè)于鄭州大學(xué)化學(xué)工程與工藝專業(yè) 高級工程師 現(xiàn)任青島海灣新材料科技有限公司 副總經(jīng)理