廢氣焚燒系統的工作區控制

摘 要：工業廢氣焚燒系統應用非常廣泛，廣州市奇寧化工有限公司排放的可燃性廢氣是甲醇和二甲醚，這些組分需要高溫焚燒后才能排放。本文分析了影響焚燒系統工作效果和安全性的問題——系統的工作區波動問題，并結合燃燒理論，提出了一種軟件控制方法，用以解決系統工作區波動的問題，在實踐中取得了很好的效果。

關鍵字：廢氣；焚燒

化工生產過程中，經常會有易燃、易爆、有毒的氣體需要處理，比如大量化工廠用到的甲醇、食品加工行業中的乙醇、燃燒石化中的甲烷、乙烯工業中的乙烷等，這些氣體有的沒有毒性或是毒性比較弱，比如乙醇、甲烷；有的毒性比較強，比如甲醇，很容易使人致盲和損傷肝功能。毒性弱的氣體在不影響生活環境的情況下允許少量排放，但一旦聚集到一定濃度，也會有燃燒爆炸的危險，或者會對環境產生影響，因此工業上一般都要求對廢氣進行某些處理后才能排放。處理方式主要有化學吸收、回收利用和焚燒法，其中焚燒法又可分為直接焚燒和熱量回收焚燒法。當環保要求嚴格，要求做到零排放時，尾氣一般很難被吸收裝置100%吸收，此時吸收法不符合要求；另外，當尾氣排量比較小時，回收利用經濟性差，回收法也不能用；在這兩種情況下，一個安全經濟的做法就是焚燒后排放。

廢氣焚燒系統的工作過程一般分為5個步驟：前吹掃→點母火→點大火→正常運行→后吹掃。

前吹掃時，風機開到最大，目的是將系統中聚集的爆炸性氣體排除，保證點火不會發生爆炸，前吹掃是靠時間控制的，通常吹掃1至2分鐘。

點母火，開一路輔助燃氣體，目的是先行點燃一路小火，為點大火做準備，如果沒有母火，點大火時可能發生爆炸，這是因為點大火開的是主助燃閥門，大量的煤氣送入系統，煤氣濃度很容易達到爆炸限，一旦點火器工作，很容易發生爆炸，并損壞燃燒器的金屬纖維面。母火點燃與否，通達點火器的溫度識別后發出信號給控制系統。

點大火，母火點燃后，需要把系統的溫度升高到接近工作溫度，此時需要開啟系統的主助燃氣閥門，使系統溫度迅速升高。

正常運行，大火點燃且系統升溫到設定值后，系統進入正常運行狀態，可以處理廢氣，此時系統自動接通廢氣到系統進行焚燒。

后吹掃，當系統發生故障或者需要停機時，需要把助燃氣和廢氣都斷開，同時風機以最大轉速運行，將系統的溫度迅速地降低，同時也把系統的可燃氣體排放干凈，系統最終停止運行。

尾氣焚燒系統一般都會涉及助燃系統控制和助燃風量控制，助燃系統用于穩定系統的最低溫度，助燃空氣控制用于提供燃燒用的氧氣以及對系統工作溫度的控制，當工作溫度大于設定值時就增加風量以達到冷卻的目的，反之則減小。尾氣處理的質量和系統的經濟性主要由這兩個系統決定，這兩個系統是相互影響的。具體表現在：當廢氣不足且助燃空氣過量時，此時溫度過低，助燃氣體閥門在助燃PID控制回路的作用下慢慢加大，溫度會控制在一個值附近，如果助燃空氣欠量，此時工作在不穩定區，助燃氣體會越開越大，但溫度卻無法升上來，造成嚴重的浪費和安全隱患；當廢氣足量但助燃空氣欠量時，會造成廢氣燃燒不完全，從而造成排放不合格。

為了解決這個問題，一些系統引入了在線氧含量分析儀器，但由于尾氣處理系統溫度比較高，多數在1000℃以上，儀器工作環境惡劣，容易損壞，并且在線儀器需要經常校準，所以使用在線儀器的維護量比較大，可靠性卻比較差。

為了克服以上在線分析法的不足，筆者在實踐中使用了一種軟件動態判斷和控制方法，取得了較好的效果。現介紹如下：

圖2是系統工作溫度與助燃風機轉速的關系圖（工業廢氣量固定時）。中間虛線把曲線分為兩個區A和B，其中A區是欠氧區也是不穩定區，B區是過氧區也是穩定區，P點是平衡點。助燃空氣用于提供焚燒的氧氣與及控制系統的溫度。

工作點位于A區時，當某種因素使溫度降低時（T0→T1），助燃風機會在PID控制作用下速度下降（N0→N1），造成助燃空氣的進一步下降，由于助燃空氣不足，從而又造成溫度的進一步下降，溫度進一步下降又造成風機轉速下降，循環作用后，系統進入嚴重欠氧區，工作完全不正常（相當于一個正反饋系統）。當某種因素使溫度升高時，助燃風機會提高轉速，從而溫度進一步升高直到臨界點。

工作點位于B區時，工作情況和A區正好相反，系統相當于一個負反饋系統，工作是穩定的。以上分析可知，工作曲線的A區是不穩定區，B區是穩定區，P點是臨界點。正常工作時，我們希望系統工作在B區，但系統在某些擾動的情況下，工作點有可能從B區轉移到A區，造成系統不能正常工作。比如，工業廢氣量突然增加很多時，此時系統就會從過氧狀態瞬間變成欠氧狀態，進入不穩定區。

通過以上分析可知，影響工業廢氣燃燒系統工作效果和安全性的問題就是系統工作區控制問題。前面已經提到，使用在線儀器進行在線判斷的方法目前不是很可靠，投資大，成本高，維護量大。為此，筆者根據以上原理，通過實踐摸索后，使用了一種軟件動態判斷方法，具體做法很簡單，在系統運行時，定時給風機一個正的轉速增量，并判斷溫度的增量，如果>0，根據前面的工作曲線可以判定系統工作在A區，反之如果<0，則判定系統工作在B區。

知道了系統的工作區，如果是在A區，下一步就是要進行糾正，使系統回到B區。具體做法是，強制給風機轉速一個較大的增量（通常是當前值的一倍，持續時間為數秒），一定要使使系統溫度越過臨界點P，此后回到正常的PID控制，系統會自動回到穩定工作的B區。

這個判定過程只是系統的其中一個功能，實際使用時，必須要給風機一個最低轉速，防止風機進入零速狀態，因為風機零速時，系統廢氣嚴重欠氧，溫度會很低，一旦遇火星，有發生猛烈爆炸的風險。另外系統要加入溫度聯鎖控制和報警功能等，當系統工作溫度超過設備的極限時，要立即停止系統并報警。

以上控制方法已經成功地應用在廣州市奇寧化工有限公司的廢氣焚燒系統中，長期運行證明，此種方法工作是可靠的，經濟的。

參考文獻

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[2]蕭琦，姜澤毅， 張欣欣.蓄熱式有機廢氣焚燒爐的數值模擬和應用[J]，北京科技大學學報 2011年05期

作者簡介

田雄偉（1981-）男，籍貫：四川簡陽人，職稱：無，學歷：碩士，職業：電氣工程師，研究方向：電氣自動化。