廢氣焚燒系統(tǒng)的工作區(qū)控制

摘 要：工業(yè)廢氣焚燒系統(tǒng)應(yīng)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(tǒng)工作效果和安全性的問題——系統(tǒng)的工作區(qū)波動(dòng)問題，并結(jié)合燃燒理論，提出了一種軟件控制方法，用以解決系統(tǒng)工作區(qū)波動(dòng)的問題，在實(shí)踐中取得了很好的效果。

關(guān)鍵字：廢氣；焚燒

化工生產(chǎn)過程中，經(jīng)常會(huì)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(yè)中的乙醇、燃燒石化中的甲烷、乙烯工業(yè)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(qiáng)，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(huán)境的情況下允許少量排放，但一旦聚集到一定濃度，也會(huì)有燃燒爆炸的危險(xiǎn)，或者會(huì)對環(huán)境產(chǎn)生影響，因此工業(yè)上一般都要求對廢氣進(jìn)行某些處理后才能排放。處理方式主要有化學(xué)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(dāng)環(huán)保要求嚴(yán)格，要求做到零排放時(shí)，尾氣一般很難被吸收裝置100%吸收，此時(shí)吸收法不符合要求；另外，當(dāng)尾氣排量比較小時(shí)，回收利用經(jīng)濟(jì)性差，回收法也不能用；在這兩種情況下，一個(gè)安全經(jīng)濟(jì)的做法就是焚燒后排放。

廢氣焚燒系統(tǒng)的工作過程一般分為5個(gè)步驟：前吹掃→點(diǎn)母火→點(diǎn)大火→正常運(yùn)行→后吹掃。

前吹掃時(shí)，風(fēng)機(jī)開到最大，目的是將系統(tǒng)中聚集的爆炸性氣體排除，保證點(diǎn)火不會(huì)發(fā)生爆炸，前吹掃是靠時(shí)間控制的，通常吹掃1至2分鐘。

點(diǎn)母火，開一路輔助燃?xì)怏w，目的是先行點(diǎn)燃一路小火，為點(diǎn)大火做準(zhǔn)備，如果沒有母火，點(diǎn)大火時(shí)可能發(fā)生爆炸，這是因?yàn)辄c(diǎn)大火開的是主助燃閥門，大量的煤氣送入系統(tǒng)，煤氣濃度很容易達(dá)到爆炸限，一旦點(diǎn)火器工作，很容易發(fā)生爆炸，并損壞燃燒器的金屬纖維面。母火點(diǎn)燃與否，通達(dá)點(diǎn)火器的溫度識(shí)別后發(fā)出信號給控制系統(tǒng)。

點(diǎn)大火，母火點(diǎn)燃后，需要把系統(tǒng)的溫度升高到接近工作溫度，此時(shí)需要開啟系統(tǒng)的主助燃?xì)忾y門，使系統(tǒng)溫度迅速升高。

正常運(yùn)行，大火點(diǎn)燃且系統(tǒng)升溫到設(shè)定值后，系統(tǒng)進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)，可以處理廢氣，此時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)接通廢氣到系統(tǒng)進(jìn)行焚燒。

后吹掃，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障或者需要停機(jī)時(shí)，需要把助燃?xì)夂蛷U氣都斷開，同時(shí)風(fēng)機(jī)以最大轉(zhuǎn)速運(yùn)行，將系統(tǒng)的溫度迅速地降低，同時(shí)也把系統(tǒng)的可燃?xì)怏w排放干凈，系統(tǒng)最終停止運(yùn)行。

尾氣焚燒系統(tǒng)一般都會(huì)涉及助燃系統(tǒng)控制和助燃風(fēng)量控制，助燃系統(tǒng)用于穩(wěn)定系統(tǒng)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(tǒng)工作溫度的控制，當(dāng)工作溫度大于設(shè)定值時(shí)就增加風(fēng)量以達(dá)到冷卻的目的，反之則減小。尾氣處理的質(zhì)量和系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性主要由這兩個(gè)系統(tǒng)決定，這兩個(gè)系統(tǒng)是相互影響的。具體表現(xiàn)在：當(dāng)廢氣不足且助燃空氣過量時(shí)，此時(shí)溫度過低，助燃?xì)怏w閥門在助燃PID控制回路的作用下慢慢加大，溫度會(huì)控制在一個(gè)值附近，如果助燃空氣欠量，此時(shí)工作在不穩(wěn)定區(qū)，助燃?xì)怏w會(huì)越開越大，但溫度卻無法升上來，造成嚴(yán)重的浪費(fèi)和安全隱患；當(dāng)廢氣足量但助燃空氣欠量時(shí)，會(huì)造成廢氣燃燒不完全，從而造成排放不合格。

為了解決這個(gè)問題，一些系統(tǒng)引入了在線氧含量分析儀器，但由于尾氣處理系統(tǒng)溫度比較高，多數(shù)在1000℃以上，儀器工作環(huán)境惡劣，容易損壞，并且在線儀器需要經(jīng)常校準(zhǔn)，所以使用在線儀器的維護(hù)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(shí)踐中使用了一種軟件動(dòng)態(tài)判斷和控制方法，取得了較好的效果。現(xiàn)介紹如下：

圖2是系統(tǒng)工作溫度與助燃風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系圖（工業(yè)廢氣量固定時(shí)）。中間虛線把曲線分為兩個(gè)區(qū)A和B，其中A區(qū)是欠氧區(qū)也是不穩(wěn)定區(qū)，B區(qū)是過氧區(qū)也是穩(wěn)定區(qū)，P點(diǎn)是平衡點(diǎn)。助燃空氣用于提供焚燒的氧氣與及控制系統(tǒng)的溫度。

工作點(diǎn)位于A區(qū)時(shí)，當(dāng)某種因素使溫度降低時(shí)（T0→T1），助燃風(fēng)機(jī)會(huì)在PID控制作用下速度下降（N0→N1），造成助燃空氣的進(jìn)一步下降，由于助燃空氣不足，從而又造成溫度的進(jìn)一步下降，溫度進(jìn)一步下降又造成風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降，循環(huán)作用后，系統(tǒng)進(jìn)入嚴(yán)重欠氧區(qū)，工作完全不正常（相當(dāng)于一個(gè)正反饋系統(tǒng)）。當(dāng)某種因素使溫度升高時(shí)，助燃風(fēng)機(jī)會(huì)提高轉(zhuǎn)速，從而溫度進(jìn)一步升高直到臨界點(diǎn)。

工作點(diǎn)位于B區(qū)時(shí)，工作情況和A區(qū)正好相反，系統(tǒng)相當(dāng)于一個(gè)負(fù)反饋系統(tǒng)，工作是穩(wěn)定的。以上分析可知，工作曲線的A區(qū)是不穩(wěn)定區(qū)，B區(qū)是穩(wěn)定區(qū)，P點(diǎn)是臨界點(diǎn)。正常工作時(shí)，我們希望系統(tǒng)工作在B區(qū)，但系統(tǒng)在某些擾動(dòng)的情況下，工作點(diǎn)有可能從B區(qū)轉(zhuǎn)移到A區(qū)，造成系統(tǒng)不能正常工作。比如，工業(yè)廢氣量突然增加很多時(shí)，此時(shí)系統(tǒng)就會(huì)從過氧狀態(tài)瞬間變成欠氧狀態(tài)，進(jìn)入不穩(wěn)定區(qū)。

通過以上分析可知，影響工業(yè)廢氣燃燒系統(tǒng)工作效果和安全性的問題就是系統(tǒng)工作區(qū)控制問題。前面已經(jīng)提到，使用在線儀器進(jìn)行在線判斷的方法目前不是很可靠，投資大，成本高，維護(hù)量大。為此，筆者根據(jù)以上原理，通過實(shí)踐摸索后，使用了一種軟件動(dòng)態(tài)判斷方法，具體做法很簡單，在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，定時(shí)給風(fēng)機(jī)一個(gè)正的轉(zhuǎn)速增量，并判斷溫度的增量，如果>0，根據(jù)前面的工作曲線可以判定系統(tǒng)工作在A區(qū)，反之如果<0，則判定系統(tǒng)工作在B區(qū)。

知道了系統(tǒng)的工作區(qū)，如果是在A區(qū)，下一步就是要進(jìn)行糾正，使系統(tǒng)回到B區(qū)。具體做法是，強(qiáng)制給風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速一個(gè)較大的增量（通常是當(dāng)前值的一倍，持續(xù)時(shí)間為數(shù)秒），一定要使使系統(tǒng)溫度越過臨界點(diǎn)P，此后回到正常的PID控制，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)回到穩(wěn)定工作的B區(qū)。

這個(gè)判定過程只是系統(tǒng)的其中一個(gè)功能，實(shí)際使用時(shí)，必須要給風(fēng)機(jī)一個(gè)最低轉(zhuǎn)速，防止風(fēng)機(jī)進(jìn)入零速狀態(tài)，因?yàn)轱L(fēng)機(jī)零速時(shí)，系統(tǒng)廢氣嚴(yán)重欠氧，溫度會(huì)很低，一旦遇火星，有發(fā)生猛烈爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。另外系統(tǒng)要加入溫度聯(lián)鎖控制和報(bào)警功能等，當(dāng)系統(tǒng)工作溫度超過設(shè)備的極限時(shí)，要立即停止系統(tǒng)并報(bào)警。

以上控制方法已經(jīng)成功地應(yīng)用在廣州市奇寧化工有限公司的廢氣焚燒系統(tǒng)中，長期運(yùn)行證明，此種方法工作是可靠的，經(jīng)濟(jì)的。

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作者簡介

田雄偉（1981-）男，籍貫：四川簡陽人，職稱：無，學(xué)歷：碩士，職業(yè)：電氣工程師，研究方向：電氣自動(dòng)化。