优化焦化烟气脱硫脱硝过程中臭氧运行的系统及方法与流程

本发明涉及焦化烟气脱硝与优化控制领域，尤其涉及一种优化焦化烟气脱硫脱硝过程中臭氧运行的系统及方法。

背景技术：

我国是世界上最大的炼焦生产国，2015年1月1日起正式实施的新环保法对焦化工业的二氧化硫和氮氧化物的排放指标提出了严格和明确的量化要求。采用湿式氨法强制湍流脱硫和强制氧化尿素脱硝一体化工艺装置是处理焦化工业烟气的一种重要手段。

如图1所示，所述一体化工艺装置包括引风机301、余热回收锅炉302、增压风机303、脱硫塔304、脱硝塔305等。

其工艺如下：炼焦过程烟气经引风机301送入余热回收锅炉302，烟气温度由300℃降至160℃左右，经过增压风机303，在进入脱硫塔304之前与臭氧道汇合，烟气中的部分NO与臭氧快速反应生成NO2。烟气进入脱硫塔浓缩段306，经过喷淋、洗涤，降温至60℃左右，经气帽进入到脱硫塔的吸收段307，与顶部喷淋的脱硫吸收液逆流接触，烟气中的SO2与吸收剂中的亚硫酸铵反应生成亚硫酸氢铵，SO2得以脱除净化。吸收段底部的液体回流到脱硫塔底部的储液槽308。为了恢复吸收液的吸收能力，需补充氨水。脱硫塔顶部喷淋工艺水以保持储液槽308的液位在合理范围内。储液槽308底部鼓入空气，将储液槽308中的部分(NH4)2SO3氧化为(NH4)2SO4，供浓缩段306中硫酸铵的喷淋-蒸发-浓缩与后续处理。

脱硫后的烟气与臭氧混合，烟气中的部分NO与臭氧快速反应生成NO2，随后进入脱硝塔305下部，与脱硝塔305顶部喷淋的尿素溶液逆流接触，NO、NO2与溶液中的尿素发生还原反应生成N2、CO2和H2O，完成脱硝。达到环保排放标准的烟气在脱硝塔305顶部排入大气，完成烟气的全部处理过程。

整个装置的强制氧化脱硝过程中，臭氧量是最重要的影响因素，其成本占整个装置总成本的80％以上。而现阶段常规控制方法中，臭氧始终处于最大功率运行状态，虽然出口氮氧化物浓度低于标准要求，但造成了能源的巨大浪费，大大增加了企业成本，不利于装置的最优运行与技术的推广普及。

技术实现要素：

本发明针对现有技术存在的上述问题，提出一种优化焦化烟气脱硫脱硝过程中臭氧运行的系统及方法，可以实现对脱硝过程的控制，保证其严格低于环保指标要求，同时最大限度降低臭氧使用量及其运行成本。

一种优化焦化烟气脱硫脱硝过程中臭氧运行的系统，其特征在于，该系统包括：

工况判断系统，所述工况判断系统用于根据脱硫脱硝过程中的实时数据确定当前生产工况；

定时模块，所述定时模块用于根据所确定的当前生产工况重新确定换向周期；

过程模型模块，所述过程模型模块用于根据所确定的当前生产工况重新确定过程模型，所述过程模型包括入口烟气扰动模型和臭氧-烟气动态模型和/或尿素-烟气动态模型；

解耦与控制模块，所述解耦与控制模块用于根据当前的换向周期和当前的过程模型对脱硝过程进行解耦控制，使得用于脱硝过程的臭氧输出量适配于烟气中氮氧化物浓度变化，保证氮氧化物输出浓度仅受所述臭氧输出量的影响。

进一步地，所述工况判断系统为包括综合数据库、知识库与推理机的专家系统，其中：

所述综合数据库用于获取能够反应所述当前生产工况的数据；

所述知识库包括基于炼焦生产过程的基本事实和用于生产工况判断的规则；

所述推理机用于按照“规则+数据驱动”的模式求解所述当前生产工况。

进一步地，所述过程模型是参数模型、非参数模型或智能模型。

进一步地，所述臭氧-烟气动态模型和所述尿素-烟气动态模型为一阶惯性滞后传递函数或二阶惯性滞后传递函数，和/或，

使用幅值为H，宽度为T’，周期为L的脉冲方波与以下传递函数串联，组成所述入口烟气扰动模型：其中，L等于所确定的当前换向周期，T’等于所述换向周期下的NOX浓度下降时间。

进一步地，所述系统还包括臭氧运行情况评定模块，所述臭氧运行情况评定模块用于计算臭氧运行优化效果指标，和/或

所述系统还包括臭氧发生机运行监测模块，所述臭氧发生机运行监测模块用于监测臭氧发生机运行数据。

进一步地，所述系统还包括信息处理模块，所述信息处理模块负责汇总每种生产工况下的所述臭氧运行优化效果指标及异常情况信息，用于完善所述工况判断系统与所述解耦与控制模块。

一种优化焦化烟气脱硫脱硝过程中臭氧运行的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤201：根据脱硫脱硝过程中的实时数据确定当前生产工况；

步骤202：判断生产工况是否发生变化，若是，则进入步骤203，否则进入步骤204；

步骤203：过程模型模块根据所确定的当前生产工况重新确定过程模型，所述过程模型包括入口烟气扰动模型和臭氧-烟气动态模型，和/或尿素-烟气动态模型；定时模块根据所确定的当前生产工况重新确定换向周期；

步骤204：解耦与控制模块根据当前的换向周期和当前的过程模型对脱硝过程进行解耦控制，使得用于脱硝过程的臭氧输出量适配于烟气中氮氧化物浓度变化。

进一步地，该方法还包括以下步骤：

步骤205，确定是否出现换向周期判断错误或其他异常情况，若是，进入步骤207，否则进入步骤206；

步骤206：计算臭氧运行优化效果指标；

步骤207：所述定时模块、过程模型模块及解耦与控制模块恢复上一次正常运行状态。

进一步地，该方法还包括以下步骤：

步骤208：在当前生产工况结束或出现异常情况时，对上一生产工况或出现所述异常情况之前的信息进行分析。

进一步地，使用如下性能指标计算所述臭氧运行优化效果指标：

其中，K为臭氧运行优化效果指标，η为权重，O(t)为t时刻脱硝塔与脱硫塔内臭氧量之和，t(n)为第n个计算周期，T为臭氧运行优化效果指标的计算周期，r为NOX浓度设定值，y(t)为t时刻NOX浓度实际值。

本发明的优化焦化烟气脱硫脱硝过程中臭氧运行的系统及方法，可以实现对脱硝过程的控制，保证其严格低于环保指标要求，同时最大限度降低了臭氧使用量及其运行成本。

特别地，本发明还具有以下特点：

(1)利用根据当前运行数据，通过工况判断系统将生产过程划分为不同工况，每一工况下过程模型模块中均包含所对应的过程模型，将控制优化工作“分而治之”。通过这种并联结构，提高了过程建模与控制的精度。

(2)针对焦化工业生产定时换向等特点，设计了定时模块、换向过程入口烟气扰动模型及臭氧-烟气动态模型的双模型，避免了仅依靠扰动前馈或反馈等传统控制模式带来的滞后性或精度不高，完全实现保持氮氧化物输出值的平稳，最大限度节省臭氧发生器电耗。

(3)臭氧分时运行性能指标能够反应各工况下不同时段系统运行优劣，既能为工况判断系统中工况的划分合理性提供判定标准，也能为各工况下解耦控制模块的控制策略与方法提供更新依据。

附图说明

图1是背景技术中所述脱硫脱硝一体化装置结构示意图；；

图2是本发明提供的焦化烟气脱硫脱硝过程中臭氧运行优化系统结构示意图；

图3是本发明提供的焦化烟气脱硫脱硝过程中臭氧运行优化方法流程图；

图4为换向周期L过程中的烟气NOX浓度变化。

具体实施方式

下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。

本发明的本发明的优化焦化烟气脱硫脱硝过程中臭氧运行的系统包括：

工况判断系统101，所述工况判断系统101用于根据脱硫脱硝过程中的实时数据确定当前生产工况；

定时模块102，所述定时模块102用于根据所确定的当前生产工况重新确定换向周期；

过程模型模块103，所述过程模型模块103用于根据所确定的当前生产工况重新确定过程模型，所述过程模型包括入口烟气扰动模型和臭氧-烟气动态模型，和/或尿素-烟气动态模型；

解耦与控制模块104，所述解耦与控制模块104用于根据当前的换向周期和当前的过程模型对脱硝过程进行解耦控制，使得用于脱硝过程的臭氧输出量适配于烟气中氮氧化物浓度变化，并保证氮氧化物输出浓度仅受臭氧输出量的影响。

本发明的优化焦化烟气脱硫脱硝过程中臭氧运行的系统可应用于已有的炼焦系统，其包括脱硫脱硝一体化装置111、过程检测仪表110、执行机构112及DCS系统109(DCS：分布式控制系统)等。

如图2所示，所述工况判断系统101与定时模块102、过程模型模块103、DCS系统109及过程检测仪表110相连，通过工业总线、以太网等方式与其进行数据传输。所述工况判断系统101可从DCS系统109或直接从过程检测仪表110获取脱硫脱硝过程中的实时数据，然后根据所述实时数据确定当前生产工况。

本发明中，生产工况是指炼焦过程的生产条件，通常按照烟气中NOx的浓度主要分为3类工况，NOx平均浓度分别为450、500和600mg/m³，对应工况分别为高炉煤气(结焦时间例如20小时)、高炉煤气(结焦时间例如18小时)、焦炉煤气。

在一个实施例中，所述工况判断系统101为包括综合数据库、知识库与推理机的专家系统，其中，所述综合数据库用于获取能够反应所述当前生产工况的数据，所述知识库包括基于炼焦生产过程的基本事实和判断规则，所述推理机用于按照“规则+数据驱动”的模式求解所述当前生产工况。

在本发明的一个实施例中，反应生产工况的关键指标有烟气流速、温度、SO2/NOx浓度，在所述专家系统中，可按硬聚类或模糊聚类等软聚类算法进行生产工况的划分，实现最大限度地合并相似生产工况，区分不同工况，为过程模型的选择提供依据。

所述定时模块102用于根据所确定的当前生产工况重新确定换向周期。换向周期就是两次换向过程的间隔时间，与煤气种类有关。例如，煤气种类是焦炉煤气，则换向周期为30分钟，煤气为高炉煤气，则换向周期为20分钟。确定了生产工况，就确定了煤气种类，也就确定了换向周期。比如当前为焦炉煤气，则换向周期30分钟，可在每个整点的15分和45分进行换向，这样就可以提前确定扰动时间，准时进行优化操作。

换向过程是焦化特有的一个过程，炼焦用的煤气和空气经过蓄热室A提高自己的温度，然后燃烧。产生的废气从另一边的蓄热室B排出，由于A不断为煤气和空气加热，而高温废气不断使B升温，久而久之，A的温度越来越低，B的温度越来越高。所以通常每隔30分钟(或20分钟)，需要交换煤气/空气和废气的方向，让煤气和空气从蓄热室B进入，废气从蓄热室A排出。这样就保证了废气热量的有效利用。

换向过程中，对NOx浓度产生十分巨大的影响。图4为某工况下换向周期过程的烟气NOx浓度数据，可以看到，每次换向的时候，NOx浓度剧烈下降，然后缓慢恢复到之前的水平。图4中M表示干扰时间，即换向过程对NOx浓度造成影响的总时间，一般为12分钟左右；T’表示下降时间，是换向开始时NOx浓度下降至最低点所用时间，一般为40秒。

本发明中，所述过程模型可以是参数模型、非参数模型或智能模型，用于脱硝过程中臭氧量的优化与解耦和控制。

入口烟气扰动模型用于描述换向过程对烟气中氮氧化物浓度的影响。在一个实施例中，使用幅值为H，宽度为T’，周期为L的脉冲方波与传递函数串联，入口烟气扰动模型。其中，其中，L等于所确定的当前换向周期，T’等于所述换向周期下的NOx浓度下降时间，如图4所示。根据具体的生产设备和工艺，利用最小二乘法等方法可辨识出入口烟气扰动模型中的未知量H和P。

臭氧-烟气动态模型描述用于脱硝过程的臭氧量对最终排放的烟气中NOx浓度的影响。可以使用一阶惯性滞后传递函数或二阶惯性滞后传递函数作为臭氧-烟气动态模型。

在本发明的一个实施例中，臭氧-烟气动态模型采用如下传递函数的形式：其中的参数T、K根据具体的生产设备和工艺来确定。

尿素-烟气动态模型描述用于脱硝过程的尿素量对最终排放的烟气中NOx浓度的影响。可以使用一阶惯性滞后传递函数或二阶惯性滞后传递函数作为臭氧-烟气动态模型，例如或其中的参数T、K、T1、T2根据具体的生产设备和工艺来确定。

所述解耦与控制模块104接收由定时模块102重新确定的换向周期和过程模型模块103重新确定的过程模型，采用预定的算法对脱硝过程进行控制。在此，解耦与控制模块104可将控制指令发送至DCS系统109，或者解耦与控制模块104也可将控制指令直接发送至相关的执行机构112，以调节臭氧输出量和/或尿素输出量。臭氧输出量和/或尿素输出量根据入口烟气扰动模型、臭氧-烟气动态模型和尿素-烟气动态模型及NOx浓度设定值来确定。由于尿素溶液浓度随时在改变，所以需要在尿素变化的同时，控制臭氧输出量，此处涉及两方面内容：解耦与控制，即在臭氧输出量和尿素输出量都对目标NOx浓度有影响关系的情况下，通过调整臭氧输出量，使出口NOx浓度仅受到臭氧输出量的影响。解耦与控制模块104采用并不限定于各种先进或智能的解耦与控制算法。

本发明的优化焦化烟气脱硫脱硝过程中臭氧运行的系统还可包括臭氧运行情况评定模块106和/或臭氧发生机运行监测模块105。所述臭氧运行情况评定模块106用于计算臭氧运行优化效果指标，例如在各工况内依据预定的评定准则周期性地计算臭氧运行优化效果指标。所述臭氧发生机运行监测模块105用于监测臭氧发生机运行数据，维持系统的正常运转。

所述臭氧运行情况评定模块可与DCS系统109相连，从中获取当前时刻脱硫塔和脱硝塔内臭氧量之和，氮氧化物浓度设定值、当前时刻实际浓度值等数据。

所述臭氧发生机运行监测模块105可从DCS系统109获取当前臭氧发生机功率、臭氧总量、运行温度、空气压缩效率、湿度等数据。

本发明的所述系统还包括信息处理模块107，所述信息处理模块107与臭氧运行情况评定模块106和臭氧发生机运行监测模块105，负责汇总每种生产工况下的所述臭氧运行优化效果指标及异常情况信息，经分析处理后用于更新和完善所述工况判断系统101与所述解耦与控制模块104。

所述异常信息包括臭氧发生机效率过低、运行温度过高、出口氮氧化物浓度持续超过设定值等影响正常生产或存在潜在危险的信息。

本发明的优化焦化烟气脱硫脱硝过程中臭氧运行的系统，可以实现对脱硝过程的控制，保证烟气排放严格低于环保指标要求，同时最大限度降低臭氧运行成本。

如图3所示，本发明的优化焦化烟气脱硫脱硝过程中臭氧运行的方法包括以下步骤：

步骤201：工况判断系统101根据脱硫脱硝过程中的实时数据确定当前生产工况；

步骤202：判断生产工况是否发生变化，若是，则进入步骤203，否则进入步骤204；优选地，通过所述工况判断系统101判断生产工况是否发生变化。

步骤203：过程模型模块103根据所确定的当前生产工况重新确定过程模型，所述过程模型包括入口烟气扰动模型和臭氧-烟气动态模型，和/或尿素-烟气动态模型；定时模块102根据所确定的当前生产工况重新确定换向周期；

步骤204：解耦与控制模块104根据当前的换向周期和当前的过程模型对脱硝过程，尤其是换向过程下的脱硝过程进行解耦控制，使得用于脱硝过程的臭氧输出量适配于烟气中氮氧化物浓度变化。

本发明的方法可通过本发明的上述系统来执行。

进一步地，本发明的所述方法还包括以下步骤：

步骤205，确定是否出现换向周期判断错误或其他异常情况，若是，进入步骤207，否则进入步骤206；

步骤206：计算臭氧运行优化效果指标；

步骤207：所述定时模块102、过程模型模块103及解耦与控制模块104恢复上一次正常运行状态。

为了确定是否出现换向周期判断错误或其他异常情况，可通过过程检测仪表110随时检测系统输出，将检测到的系统输出发送至臭氧发生机运行监测模块105，由臭氧发生机运行监测模块105确定是否出现换向周期判断错误或其他异常情况，以维持系统的正常运转。同时还可以在工况判断系统101及DCS中的数据库中记录此次异常情况。

臭氧运行优化效果指标的计算可通过臭氧运行情况评定模块106依据预定的评定准则周期性计算臭氧运行优化效果指标，臭氧运行优化效果指标可反馈至解耦与控制模块104，从而形成闭环反馈控制，或者用于工况判断系统101与解耦与控制模块104的更新。可使用如下性能指标计算所述臭氧运行优化效果指标：

其中，K为臭氧运行优化效果指标，η为权重，O(t)为t时刻脱硝塔与脱硫塔内臭氧量之和，t(n)为第n个计算周期，T为臭氧运行优化效果指标的计算周期，r为从脱硝塔排出的烟气中NOX浓度设定值，y(t)为t时刻从脱硝塔排出的烟气中NOX浓度实际值。K值越小，表明此周期内系统运行与臭氧运行的优化效果越好。

进一步地，相同生产工况下的不同K值间可以纵向比较，甚至不同生产工况下的K值也可按相应规则累加后进行横向比较。为生产工况的划分与合并准则、解耦与控制模块104的控制优化规则的整定提供依据。

本发明的方法还可包括以下步骤：

步骤208：在当前生产工况结束或出现异常情况时，对上一生产工况或出现所述异常情况之前的信息进行分析，为工况判断系统101、解耦与控制模块104的更新提供支持。

本发明方法的基本原理及有益效果与本发明的上述系统相同，本发明的方法中未提及之处可参照对本发明系统的描述。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。