水泥生產線SNCR過程復合控制

張峰亮，高雪清（.浙江尖峰水泥有限公司，浙江 金華 3000；.武漢理工大學光纖傳感國家工程實驗室，湖北 武漢 430070）

0 引言

進入二十一世紀，國家強調推進綠色產業可持續性發展，加強對高能產業環保排放的監控力度。水泥熟料生產中產生的大量NOx，采用選擇性非催化還原反應SNCR是水泥企業目前最常采用的脫硝方法，在保證廢氣排放達到國家排放標準的同時，要最大程度避免氨逃逸，以降低生產運營成本和氨逃逸所造成的設備腐蝕及對大氣的二次污染。SNCR工藝上要求，作為還原劑的濃度為21%的氨水宜在在水泥窯預熱器C5所具備的900℃左右的環境下與廢氣中的NOx發生還原反應[1]。由于NOx的檢測與還原反應區域間流程長（在SNCR完成后，廢氣經由預熱器、收塵器達到尾排煙囪，在窯尾煙囪處對NOx進行在線實時檢測），脫硝系統中廢氣排放的NOx信號存在嚴重的信號滯后，采用常規的PID控制很難達到好的控制效果[2]。

對于SNCR脫硝工藝是這樣一個長流程、大滯后的控制對象[3]。通過建立受控對象的預估器是解決控制系統反饋信號滯后的有效方法[4]，本文中以最小二乘估計建立一個初始的多元線性NOx模型，對廢氣中NOx超前預估，以NOx反饋值與預測值誤差對模型參數進行實時校正，以克服參數時變性對NOx排放預估的影響，設計一種旨在克服預估殘差的模糊控制器，實現系統對NOx排放的超前控制。系統框圖見圖1。

圖1 NOx排放控制系統框圖

1 廢氣NOx數學模型設計

水泥熟料生產過程中，廢氣中的NOx主要有兩種產生類型：燃料型NOx和熱力型NOx[5]。其中，燃料型NOx是燃料和原料中所含的氮氧化物所形成；熱力型NOx是在溫度高于1500℃以上，大量助燃空氣中的氮在高溫下被氧化產生的。在水泥熟料生產過程中，分解爐內主要是原料和燃料產生的燃料型NOx，水泥窯內不僅產生燃料型NOx更主要的是產生熱力型NOx。NOx的產生受到諸如窯況、產量、風溫、風壓、喂煤量等許多因素影響，這些因素相互耦合，具有非線性、慢時變的特性，實際中難以對生產過程廢氣中的NOx建立一個確定的數學模型加以描述。

不難看出，分解爐內的尾煤和產量是燃料型NOx產生的直接因素；窯尾高溫氣體分析儀檢測的NO則綜合體現了窯內燃料型和熱力型NOx產生的狀況；而SNCR還原區域內的CO、O2、溫度及壓力則是表征窯內還原氣氛和脫硝效率的主要因素。通過以上分析，可以得知廢氣中NOx排放是尾煤、產量、高溫氣體分析儀的NO、CO、O2、還原反應區域溫度、壓力的相關函數。

1.1 最小二乘估計參數估計

在過程控制中，即使是連續生產過程，操作經常是處于穩定狀態，因此在這種情況下只需要考慮輸入變量和輸出變量之間的穩態關系就行了[6]。對于脫硝過程，其廢氣中的NOx含量在一定的時域范圍內，是由相關變量所決定的。廢氣中的NOx含量可由（1）（2）（3）式描述：

（1）式中，y是廢氣中NOx排放值。

（2）式中，M為尾煤給煤量，U為產量，NO，CO，O2為NO，CO，O2氣體分析儀檢測參數；T、P為還原反應區域溫度和壓力；（3）式中ai(i=1,2,…7)為相關系數。

按照最小二乘估計方法，可以離線采集N組輸入輸出數據，得到：

由式（4）可以得到模型相關系數。

實驗中取N=1000，得到相關系數

以相關系數和生產過程參數獲得的NOx預測值=φTθ與實測排放值比對曲線見圖2。

圖2 NOx預測值與實測值波形

通過圖2可見預測值與實測值總體趨勢基本一致，預測值趨勢上超前實測值約3min，不足之處是在實際生產過程中，各個相關變量對NOx的產生和影響，存在著不確定的漸變，前期通過靜態數據記錄得到的相關系數逐漸失真。

1.2 遞推預測廢氣中NOx

對于相關系數漸變的數學模型，采用遞推最小二乘法，每取得一個NOx排放實測值，通過與排放預測值的比較，對相關系數進行修正，從而保證修正后的模型不斷逼近真實情況。通過理論推導可得（5）：

（7）式中，WN為正定矩陣，表征相關變量的權重，在工程中，采用簡便的處理方法，取：

通過遞推最小二乘估計遞推算法得到的預估參數，計算得到對尾氣中NOx的估算值，與實際值相比較得到數據曲線，見圖3。

圖3 遞推最小二乘估計對NOx預測值與實測值波形

可見，采用遞推最小二乘估計預測值與實測值趨勢一致，在時域上，預測值總體超前實測值約3～40min，最主要的優勢在于，采用遞推最小二乘估計可以自適應于窯況變化而帶來的相關系數的變化，保證預估值與實測值逼近。

2 模糊控制器

從圖3中可以看出，雖然實測值與預估值總體趨勢上同步，但或大或小存在著殘差，控制系統單憑預測值來進行氨水調節無法實現對NOx排放的精準控制，對于難以建立其精確數學模型的問題，不便于用傳統的控制方法進行控制，而采用一類簡單實用的模糊控制器，卻能收到相當滿意的控制效果[7]。

2.1 隸屬度函數

將控制偏差E按（0，±50，±100，±150）×10-6將E劃分為7個等級，該論域模糊語言描述為NB、NM、NS、O、PS、PM、PB，則有：

對于實時采集的模擬量，通過對應的隸屬函數（10）-（11）、（17）-（18）、（29）-（30），完成模擬量由基本論域向模糊論域的轉換。

2.2 模糊控制輸出

對于氨水調節增量，歸納出模糊控制規則，通過模糊計算規則，得到模糊控制器輸入E和?與控制器輸出?C的模糊關系矩陣?。由模糊控制合成規則，氨水調節增量?C可由（31）式求得：

xi所對應的模糊論域為：NB,NM,NS,O,PS,PM,PB。μ?C是各個論域對應的隸屬度，根據隸屬度最大值原則，?C中最大隸屬度所對應的模糊論域即為當前模糊控制器的輸出值。

3 實驗與結論

SNCR復合控制系統通過建立廢氣中氮氧化物排放的數學模型，即時感知氮氧化物排放濃度的變化趨勢，結合反饋信號的氮氧化物實際排放濃度，精準調節氨水噴給量，實現SNCR生產過程模糊控制。對廢氣中的氮氧化物小時均值排放，以排放期望值為基準，精度達到±10×10-6，很好滿足實際工作的需要。復合控制系統的實施，實現了：

（1）生產過程自動化，復合控制系統的實施過程，無需人工干預，極大地減小了人員的工作強度；

（2）控制過程精確化，復合控制系統的輸出與期望值趨于一致，減少了氨逃逸，避免了生產過程對大氣造成的二次污染同時減少了對過程設備的腐蝕，降低了設備運營成本；

（3）產品制造效益化，精準的控制，降低了環保風險控制裕量，使得水泥噸熟料氨水消耗降低，直接帶來生產成本的降低。

水泥生產中的脫硝處理，從降耗的角度可采取工藝和控制方法加以優化，在大力提倡制造業可持續性發展、生產過程智能化的今天，SNCR復合控制系統將人工經驗與計算機技術相結合，通過數學建模和模糊控制手段，實現生產過程精準控制，達到降低環保風險控制裕量，降低了生產過程成本。SNCR復合控制系統所采用的控制方式，對水泥建材行業進行技術改造、產業升級具有廣闊的應用前景。