廢液燃燒及其溫度控制系統設計

趙海濤，張玉洋

（西安航天源動力工程有限公司，西安 710100）

0 引言

隨著國民經濟的不斷發展，工業化進程的不斷加速，環保問題已經成為當今時代亟待解決的經濟問題和社會問題。影響環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、醫療廢液等各種廢液，還有各類廢固、粉塵等。環境污染的主要來源是工業排放，因此控制和有效處理工業排放是關系國計民生的重要工作。

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

廢液燃燒的關鍵技術之一是如何穩定準確地控制介質溫度與燃燒溫度，以保證燃燒工藝系統的技術要求。因此，廢液燃燒溫控系統的優劣直接影響著廢液燃燒系統的性能，如何穩定、快速、準確地控制廢液燃燒系統運行溫度即是本文的重點研究內容。通過本文的研究對智能溫控算法在廢液燃燒系統中的應用起到指導性作用，推動廢液燃燒控制技術不斷發展優化。

1 廢液燃燒系統

1.1 廢液燃燒技術要求

廢液燃燒系統主要由噴霧燃燒系統、余熱回收系統、脫硫脫硝系統、除塵排煙系統四大主要系統構成。

系統采用立式燃燒爐加熱水鍋爐的方式實現廢液的燃燒和余熱回收，對于含氮的廢液設計了SCR 脫硝系統進行脫硝，滿足大氣排放要求。對于含無機物的廢液，由于燃燒過程會產生無機鹽或灰塵，設計了布袋除塵環節進行收塵。該系統能夠滿足常見大多數有機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的一項重要控制參數，溫控的性能直接影響著系統的性能。首先，系統運行前要將燃燒爐按照烘爐曲線進行升溫。當烘爐完成并達到要求溫度時，投入待燒廢液，根據廢液熱力計算，一般有機廢液的燃燒溫度在1000℃～1600℃范圍，脫硝溫度350℃左右，除塵溫度180℃左右。因工業廢液具有成分多變、流量多變等特點，所以燃燒溫度和煙氣量會經常發生變化。當負荷變化時，實時調整熱水鍋爐的換熱量，可使系統關鍵溫度點始終滿足工藝參數要求，實現系統最佳運行狀態。由于系統具備實時調節的跟隨性能，因而運行人員不需根據工況負荷變化進行相應設置或手動調節就可正常工作。該方式為溫度智能控制，通過溫度智能控制，既可以防止負荷波動引起的系統溫度波動，又可合理節能，達到節能增效的目的。

1.2 廢液燃燒典型方案

1.2.1 技術要求

1）焚燒處理高熱值有機廢溶劑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到GB18484－2015《危險廢物焚燒污染控制標準》（征求意見稿）的要求。

3）采用余熱鍋爐裝置回收，利用高溫煙氣中的熱量，余熱鍋爐充分考慮防腐。

4）應防止及消除有機廢液焚燒中二惡英的產生，采取合理的處理措施并達標。

5）廢溶劑和高含鹽廢水焚燒后會產生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的防腐處理。

6）高鹽廢水焚燒后會有大量鹽的析出問題，為保證廢液系統連續運行，考慮結晶鹽自動收集及排放方式。

7）焚燒后的煙氣中含有酸性氣體，會對煙道及設備產生腐蝕，考慮煙道及設備的防腐措施。

8）考慮系統的安全運行，特別是緊急、非正常情況下的安全設施的聯鎖和報警。

9）控制系統采用DCS 控制，具備系統自動運行和監測，數據遠傳功能。

1.2.2 技術指標

1）焚燒能力：設計處理廢溶劑量1791kg/h。

2）投料方式：自動噴入。

3）點火方式：自動點火。

4）燃料選用：點火烘爐燃料采用柴油，正常運行采用高熱值有機廢溶劑助燃。

5）爐內壓力：采用負壓設計。

6）燃燒效率：≥99.9%；焚毀去除率：≥99.9%。

7）廢液焚燒爐溫度：≥1100℃。

8）焚燒爐運行過程中保證系統處于負壓狀態，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）煙氣停留時間：≥2s。

1.2.3 安全指標

1）焚燒爐燃燒系統設有安全保護裝置，燃燒系統啟動不正常時，安全保護裝置自動切斷燃料供應。

2）焚燒爐停止運轉前，設有燃燒室冷卻程序。溫度下降到設定值時，冷卻程序結束，整套設備停止工作。

3）報警系統：焚燒爐裝置電源指示、開關；殘燒定時，裝置以確保爐內無殘存易燃氣體與有機物，操作安全可靠；過負荷保護裝置，保護電機不致過載；溫控燃燒。

4）高低溫控制聯鎖：在聯鎖保護方面，設計火焰檢測系統聯鎖保護、高低溫報警及聯鎖保護。高低溫控制聯鎖保護是在工藝關鍵點上設置溫度報警值和聯鎖保護值，作用是控制整個系統在運行時，主要設備處于安全的工作溫度區間中，一旦設備處于非安全溫度的狀態，立刻觸發聯鎖保護。

1.2.4 工藝系統流程

通過柴油燃燒機點火，按焚燒爐耐火磚升溫曲線進行烘爐。

當焚燒爐的爐溫達到800℃時，通過增壓泵將儲罐內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。

當焚燒爐的爐溫達到1100℃時，利用廢水增壓泵將儲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境下進行充分燃燒分解，產生高溫煙氣。

廢液焚燒爐出口的高溫煙氣進入余熱鍋爐，利用余熱鍋爐回收高溫煙氣中的熱量，將煙氣溫度降至500℃，同時副產飽和蒸汽，余熱鍋爐同時設置除塵及在線自動清灰裝置。

采用SNCR 脫硝技術降低煙氣中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，生成氮氣和水。

余熱鍋爐出口的煙氣進入急冷塔，通過工藝水噴淋，使煙氣溫度在1s 內急降，從700℃～200℃以下，防止二惡英的產生。

急冷塔出口的煙氣進入布袋除塵器對鹽類粉塵進行收集，在線自動清除。

在急冷塔出口和布袋除塵器入口的煙道內噴入活性炭粉末，進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噴入消石灰，在烘爐前利用消石灰對布袋進行預噴涂，保證除塵器濾袋不被未燃盡的柴油糊袋。

經過除塵后的煙氣通過引風機進入堿洗塔，可以有效除去煙氣中的HCl、SO2酸性氣體。GB18484－2015《危險廢物焚燒污染控制標準》（征求意見稿）要求煙氣SO2排放濃度小于200 mg/Nm3，設置兩級堿洗塔將SO2濃度降低至200 mg/Nm3，煙氣最后經過噴淋塔頂端的二級屋脊式除霧器除去煙氣中的水滴后，被排送入煙囪。

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

1.3 智能溫控系統

溫度控制是工業控制中一個重要的分支，廢液燃燒系統的溫度控制尤為關鍵。傳統的溫度控制多采用經典PID控制方法，該方法能夠滿足一般的工業溫控要求，具有自動調節的基本功能。隨著控制技術的不斷發展，及不同領域對溫度控制要求的差異，越來越多的系統要求具有更好的穩定性、準確性、快速性，并能夠適應系統工況的多變性，因此智能溫控系統是解決該類問題的主要方法。

本文采用基于神經元PID 的溫控算法，既采用傳統PID 的成熟控制技術，又結合智能控制領域的新技術，使溫控系統根據廢液燃燒系統的負荷變化具有更好的穩定性和自適應的功能。傳統PID 參數的整定是通過靜態仿真或在靜態工況下人為設定實現的，隨著工況變化自適應能力較差，本文設計的智能神經元PID 參數的整定是通過相應的智能學習算法實現的，可以實現不同工況的自適應調節，具有更好的穩定性或魯棒性，能夠更好地適應廢液燃燒系統的要求。

因此，廢液燃燒系統智能溫控的基本原理是根據廢液燃燒系統運行溫度曲線，設定換熱鍋爐換熱量。通過判斷實際溫差的大小是否滿足設定要求，來調節鍋爐換熱量及PID 控制參數，使換熱系統的吸收功率與燃燒系統的輸出功率相匹配。

2 神經元PID控制系統

在工業過程控制中，按被控對象的實時數據采集信息與給定值比較產生的誤差比例、積分和微分進行控制的控制系統簡稱PID（Proportional Integral Derivative）控制系統。PID 控制具有原理簡單，魯棒性強和實用面廣等優點，是一種技術成熟、應用最為廣泛的控制系統。

2.1 傳統PID控制方式

傳統位置式定參數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。

傳統PID 控制因為它的算法簡單，穩定性好，可靠性高等優點在工業中應用廣泛，其控制性能的好壞關鍵在于PID 參數的整定。

由于廢液燃燒系統存在著滯后性、時變性等非線性因素，很難建立精確的數學模型，傳統定參數PID 控制算法難以取得預想效果。系統運行中，使控制參數自適應調節從而改善控制系統的動態性能就顯得尤為重要。所以，在PID 控制中，應考慮建立PID 參數的整定不依賴于對象的數學模型，而且應能使PID 參數在線調整，以滿足實時控制的要求。

2.2 神經元PID控制器設計

鑒于傳統PID 控制器的局限性，本控制策略引入了具有自學習和自適應能力的神經網絡控制技術，神經元控制器在實時控制系統中起著大腦的作用。神經網絡具有自學習和自適應等智能特點，因而非常適用于控制器設計，特別對于復雜非線性系統，神經元控制器所取得的控制效果往往明顯優于常規控制器。神經元結合傳統的PID 控制理論，構成了神經元自適應PID 智能控制器。該控制器不但結構簡單，易于實現，而且能適應環境的變化，有較強的魯棒性。本次設計的單神經元PID 控制器如圖1 所示。

圖1 神經元PID控制器Fig.1 Neuron PID controller

圖1中，Pv 為系統當前溫度；Sv 為系統設定溫度；Wi（i=1,2,3）為網絡權值；θ 為神經元的閾值；p 為泵的出口壓力；V 為泵的當前排量。

廢液燃燒溫控系統是基于換熱量與溫差控制策略，廢液燃燒系統的溫控過程為：

1）根據當前工藝曲線及實測溫度判斷各點溫度是否滿足工藝要求。

2）如果EV(T)>D(T)，則根據相應的控制策略調節熱水鍋爐的流量，通過改變換熱量使目標溫度回到目標范圍，實現換熱過程與溫度的匹配。

在這里，利用單神經元模擬傳統PID 控制，在一定程度上解決其不易在線實時整定參數，以及當過程復雜或系統參數變化慢時，對系數有效控制不足的缺陷。取神經元的輸入分量為3 個，用單神經元實現的自適應PID 控制器的結構框圖如圖1 所示。圖1 中轉換器的輸入反映了被控過程及控制設定的狀態，經轉換器轉換成的三變量X1，X2，X3 同上。用圖1 中的控制量u(i)來控制電流i 的大小，則神經元自適應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)為網絡權值；Ku為自適應系數；Wi和Ku均可在線調整。其中，Wi按有監督的Delta 學習規則進行修正：

式（3）中：ηi、ηu為學習系數。

式（2）和式（1）具有相同的形式，但式（2）中的Wi（i=1，2，3）和Ku可以通過神經元的自學習能力進行自適應調整。神經元PID 的學習方式和學習能力，決定了Wi（i=1，2，3）和Ku的調整特性，對整個控制系統的抗干擾能力和自適應性有很大影響。

3 系統仿真及結果分析

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

其中，換熱鍋爐給水泵采用變頻控制的方式，可以無級地按程序控制泵的排量，設定系統目標溫度為1600℃。根據系統的基本數學模型，網絡初始權值設為W=[1.0469 0.2354 1.1637]，學習系數ηi設為[0.2 0.002 0.1]，ηu設為0.25，系統的階躍響應曲線如圖2 所示。

圖2 系統階躍響應曲線Fig.2 System step response curve

由圖2 可以看出：神經元自適應PID 控制系統的動態響應特性較好，響應時間852ms。超調量小，最大超調量不超過9.5%，穩定性能好，無穩態誤差。

4 結語

本文在分析廢液燃燒系統的工藝要求及溫控要求的基礎上，利用基于神經元PID 的自適應控制方法。通過Matlab 仿真表明該系統具有以下特點：

1）在負荷波動情況下，維持系統目標溫度在允許的范圍內，能有效防止系統偏離設計工況運行，抗干擾性能強，安全性好。

2）系統整體功耗較小，自適應調節使系統運行穩定可靠，無靜差，具有一定的節能增效功能。

3）與傳統PID 調節相比，神經元的自學習特性使得它自身的控制精度隨著投入時間的增長不斷提高，效果更好，對環境的適應性更強。

此外，由于其結構簡單，易于實現的特點，使它很容易結合廢液燃燒控制系統，通過優化神經元網絡權值W 和自適應系數Ku，實現對廢液燃燒系統的穩定、快速、準確控制。同時，工業溫控系統具有相似性，因此本控制策略對其他應用中的同類控制器的設計也具有一定的借鑒意義。