基于危险废物处置装置的自动化研究

王凯 李涛 陈会来

摘要：本文主要对危废焚烧系统的自动控制进行了分析探讨，通过DCS的工程优化实施，提高工厂自动化水平，降低操作人员劳动强度。希望通过本文的分析可以为危废焚烧生产的发展提供一些建议和借鉴。

关键词：回转窑焚烧;模糊控制;“3T+1E”原则;DCS系统

引言

在危废焚烧系统的生产过程中，存在很多需要操作人员手动控制阀门或变频，甚至还要到现场手动开关阀门现象。但当前科学技术的极速发展，尤其是计算机水平与控制技术的创新与提高，使得工厂自动化面临的很大的提升空间。同时考虑安全及人力成本，敏锐的工厂管理者提出了要不断提高生产自动化水平的要求，适应时代的发展。下面结合实际，对危废焚烧系统的自动化控制进行初步分析探讨。

1 系统概述

回转窑焚烧系统包括：预处理及进料系统、废液储存及输送系统、回转窑系统、二燃室系统、辅助燃烧系统、助燃风系统、余热锅炉系统、锅炉水处理及给水系统、蒸汽冷凝系统、尾气处理系统（SNCR 脱硝 + 烟气急冷 + 干法脱酸 + 活性炭喷射 + 布袋除尘 + 两级湿法脱酸 + 湿式电除尘 + 蒸汽再热+SCR 脱硝系统）、灰渣输送系统、烟道、烟囱、循环冷却水系统、压缩空气站系统、制氮气系统、其它工艺管道系统。（见图1）

2 回转窑焚烧系统的控制

这部分是我们生产的核心，我们重点关注燃烧温度、气体停留时间、攪拌混合程度和过剩空气率四个关键参数，即“3T+1E”原则，是指温度（Temperature）、时间（Time）、扰动（Turbulence）和空气过剩系数（Excess air coefficient）综合控制的原则。“3T+1E”原则能确保危险废物的有害成分充分分解，从源头上控制二噁英等有机物的生成，抑制NOx的生成，全面控制烟气排放造成的二次污染。“3T+1E”原则控制的主要对象为：

2.1回转窑窑尾温度控制。

之前，更多的采用是操作人员来手动调整进料间隔值、废液进料量、一二次风机变频来实现。现在我们通过优化控制方案，根据二维模糊控制器的工作原理和DCS的特点，提出了一种用DCS 实现模糊控制的设计方法，调整进料间隔值。再使用PID控制补充低热值废液的方式，进而回转窑窑尾温度控制在800℃～1000℃。

2.1.1 模糊控制系统结构

模糊控制系统的设计以基本二维模糊控制器的设计为基础。系统结构如图2所示，模糊控制器包括输入量模糊化、模糊推理和解模糊三个部分。图中r为设定值，y为测量值，u为输出值，e为误差，计算公式为e=r -y;ec为误差变化率，计算公式为 ec=e1-e2，式中e1为当前采样的误差，e2为上一采样误差。E和EC分别为e和ec模糊化后的模糊变量。U为输出模糊变量，u为精确输出量。Ke、Kec分别为e、ec的模糊量化因子，Ku为U的比例因子。

2.1.2模糊变量隶属函数

设定模糊变量E、EC和U的模糊论域为 [-3，3]，并将其量化为7个等级{-3，-2，-1，0，l，2，3}。设定模糊变量的语言值集合。设定输入模糊变量E、EC和输出模糊变量ΔU的语言值集合为：{负大（NB），负中（NM），负小（NS），零（ZO），正小（PS），正中（PM），正大（PB）}七级语言变量。设定输入模糊变量E、EC和输出模糊变量ΔU取三角形隶属函数。

2.1.3设定量化因子和比例因子

这里我们设定温度偏差E的实际论域为[-50，50]，温度偏差变化率EC的实际论域为[-10，10]，控制进料间隔U的实际论域为[75，125]。得出量化因子Ke=0.06，Kec=0.3，输出算式为u=125-（U+3）*8.3。

2.1.4模糊规则库

模糊变量E、EC、U都有七级语言变量，所以规则库有49条规则，根据操作经验得出。

2.1.5模糊控制查询表

根据模糊控制规则表，选用 Mamdani的极大-极小推理法进行模糊推理合成，可得到输出控制模糊变量U。解模糊方法选用加权平均法。加权平均法较适合输出模糊集的隶属度 函数是对称情况。

采用 MATLAB的模糊逻辑工具箱进行分析仿真和计算离线求出每一对模糊论域上的输入（E，EC）所对应的输出控制变量U，得出最终的模糊控制查询表（见表1）。

2.1.6 DCS实现查表功能

我们使用比较模块CMP、曲线模块、二选一模块实现。

2.2二燃室烟气温度控制

二燃室出口温度为1100～1200 ℃，同一位置设有三个测温点，三个测点的最大值参与控制，三取二参与联锁和报警。此信号在正常运行阶段控制按照PID+前馈（窑尾温度）的控制方式调节高热值废液阀的开度。具体控制参数如下：当二燃室出口温度低于1150 ℃并且烟气含氧量大于8%时打开高热值废液开关阀，同时启动输送泵;当二燃室出口温度达到1180℃时或者烟气含氧量小于6%时关闭高热值废液开关阀，同时停输送泵。达到了降低操作强度和稳定温度指标的目的。

3.二燃室烟气停留时间2s以上;

4.回转窑空气过剩系数控制在1.0～1.2，回转窑和二燃室综合空气过剩系数控制在1.8～2.0，通过自动控制风机的变频调整风量，最终控制二燃室烟气出口O2含量6%～10%。控制方案：增加回转窑出口烟气氧分析仪，通过氧量调节一次风机频率，同理，使用锅炉出口烟气氧量做被控量，调节二次风机频率。同时为了保证安全，两台风机频率都设定自动调节下限，保证空气过剩系数在指标范围内。

3 洗涤塔PH自动

烟气在洗涤塔内经过脱酸，酸洗塔降温至75℃，并脱除部分HCl、SO2、HF，此处优化的控制是自动加碱控制循环液的PH值，一是减少操作人员的劳动强度，二是更好的控制浓碱液的消耗。具体方案：以一级洗涤塔为例，当一级洗涤塔回流PH≤8.5，开一级洗涤循环液加碱切断阀，阀门开到位2秒钟后，启动碱液输送泵A/B（操作人员选择），开始加碱液过程。加碱液流量计增加累计块，计算累积量，碱液泵启动后开始计量，到达1.5M3时（或者碱液槽液位下降0.1m，或者选择加碱时长到3分钟后，我们认为加碱量已经满足生产要求）开始停止加碱液过程。停碱液输送泵，1秒后关闭循环池加碱切断阀，因为输送泵为柱塞泵，保证正确的启停顺序。

4 控制系统实施

DCS控制系统为南京科远自动化NT6000系列。该系统吸取了国内外众多同类系统的优点，以高速、可靠、开放的网络和功能强大的控制器为基础;软硬件都采用了国际标准或主流工业级产品，易于升级，使用方便、灵活。通过实践运行，表明该控制系统能够很好适应国内危险废弃物的焚烧过程控制。

5 总结

以上针对危废焚烧系统的自动控制进行了初步分析探讨，通过DCS的工程优化实施，，降低操作人员劳动强度。希望通过本文的分析可以为危废焚烧生产提供一些建议和借鉴。面对生产中的各种问题，我们会继续总结，积极寻找优化方案，共同促进危废焚烧技术的发展进步，创造更好的社会和经济价值。

参考文献：

[1] 王健生.基于DCS系统的危废焚烧逆流式回转窑控制系统研究[J].中国科技纵横，2018，（20）：52-53

[2]罗庚兴.基于S7-300PLC的模糊控制器的设计[J].电气自动化，2012（1）：22-24

[3]张绍坤，郑明宗，胡晨.危险废物焚烧过程中二噁英控制技术概述[J].中国环保产业，2018（5）：63-67

作者简介：

王凯，毕业于郑州大学化学工程与工艺专业 高级工程师 现任青岛海湾新材料科技有限公司 副总经理