一种煤化工灰水造粒除硬的多变量控制方法、装置及系统

1.本发明涉及调节或控制系统技术领域，特别是涉及一种煤化工灰水造粒除硬的多变量控制方法、装置及系统。


背景技术：

2.杂质含量较高的煤化工领域的灰水循环水，不同于常规的电厂循环水除硬系统，电厂循环水的硬度来源于补加的自来水携带的钙镁离子，煤化工领域的灰水循环水硬度来源于不仅是补加的自来水携带的钙镁离子，更为重要是来源于煤气化过程中，气化煤炭中携带的钙镁离子，体量远远大于常规循环水系统的硬度。
3.现有的化学结晶循环造粒流化床软化技术主要应用于水质的软化，主要应用范围是电厂循环水，目前该工艺是固定在某一个参数状态下，设计反应器的体积，采用商品化学药剂碳酸钠和氢氧化钠、硫酸，按照固定的配比浓度进行添加，反应器中的循环泵、进水泵流量也是固定的选型，没有设置变量控制。
4.而在实际运行过程中，进水水质硬度往往是在一定范围内波动，因而该技术为了得到较高的去除效率，其加药量是设定值110%-120%，反应完毕后，为了保证没有充分反应的碳酸钠溶液进入到后续循环系统中造成管壁结垢，于是又增加一级硫酸中和的工序。
5.因而可以看出，现有的煤化工灰水除硬工艺设计是固定参数，固定参数的工艺设计是在浪费10%-20%商品化学药剂的基础上，以固定参数的工艺设计出的固定不变的运行模式，不能适应大波动的水质，不能根据水质参数的波动而自适应调节加药量以及自适应调节灰水进水量。


技术实现要素：

6.为了解决上述问题，本发明提出了一种煤化工灰水造粒除硬的多变量控制方法、装置及系统，通过多变量参数智能控制下的诱导除硬度造粒精确监控技术，实现灰水循环水高硬度、高悬浮物条件下诱导造粒突破，解决煤化工杂质含量较高的灰水循环水诱导除硬度造粒技术应用的空白。
7.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：第一方面，本发明提供一种煤化工灰水造粒除硬的多变量控制方法，包括：获取反应器内进水和出水的钙镁离子浓度、ph值和总碳浓度，并根据回归模型拟合反应趋势曲线，得到反应参数的预测标准值；所述进水为含钙镁离子的灰水和含碳酸钠的脱氨合成气洗涤水，灰水和脱氨合成气洗涤水在反应器内经化学反应后得到结晶产物，所述出水为除硬后的灰水；以投加的晶种经吸附结晶产物后增大速度最快为目标，根据化学反应后反应器内的电动电位、结晶污泥浓度和结晶污泥液位，修订预测标准值，得到实际标准值；根据当前时刻的反应参数和实际标准值得到离子浓度偏差，根据离子浓度偏差反馈调节灰水和脱氨合成气洗涤水的进水流量、晶种投加速度以及晶种吸附结晶产物后的排
出速度。
8.作为可选择的实施方式，所述电动电位反映结晶产物的颗粒体积，所述结晶污泥浓度反映结晶产物的浓度，所述结晶污泥液位反映结晶产物所产生的污泥层与晶种悬浮层的重合度，晶种吸附结晶产物后，晶种体积增大，且达到一定重量后沉降到反应器底部以排出。
9.作为可选择的实施方式，所述回归模型采用广义回归神经网络，基于反应器内反应历史数据对广义回归神经网络进行训练，训练数据为历史的进水和出水的钙镁离子浓度、ph值和总碳浓度，以及历史的电动电位、结晶污泥浓度和结晶污泥液位，经训练后的广义回归神经网络拟合出的反应趋势曲线满足目标值，由此得到反应参数的预测标准值和修订后的实际标准值。
10.第二方面，本发明提供一种煤化工灰水造粒除硬的多变量控制装置，包括：预测模块，被配置为获取反应器内进水和出水的钙镁离子浓度、ph值和总碳浓度，并根据回归模型拟合反应趋势曲线，得到反应参数的预测标准值；所述进水为含钙镁离子的灰水和含碳酸钠的脱氨合成气洗涤水，灰水和脱氨合成气洗涤水在反应器内经化学反应后得到结晶产物，所述出水为除硬后的灰水；修订模块，被配置为以投加的晶种经吸附结晶产物后增大速度最快为目标，根据化学反应后反应器内的电动电位、结晶污泥浓度和结晶污泥液位，修订预测标准值，得到实际标准值；调节模块，被配置为根据当前时刻的反应参数和实际标准值得到离子浓度偏差，根据离子浓度偏差反馈调节灰水和脱氨合成气洗涤水的进水流量、晶种投加速度以及晶种吸附结晶产物后的排出速度。
11.第三方面，本发明提供一种煤化工灰水造粒除硬的多变量控制系统，包括：反应器、晶种投加装置、流量调节执行机构及第二方面所述的多变量控制装置；所述多变量控制装置根据反应器内进水和出水的钙镁离子浓度、ph值和总碳浓度，以及化学反应后的电动电位、结晶污泥浓度和结晶污泥液位，采用第一方面所述的多变量控制方法，控制调节流量调节执行机构的进水流量、晶种投加装置的晶种投加速度以及晶种吸附结晶产物后的排出速度。
12.作为可选择的实施方式，所述流量调节执行机构包括灰水的进水泵和脱氨合成气洗涤水的进水泵；灰水和脱氨合成气洗涤水经过各自的进水泵输入至反应器内并发生化学反应，得到结晶产物；通过晶种投加装置投加晶种，结晶产物包裹在晶种上，使晶种体积增大，且增大到一定重量后沉降到反应器底部以排出。
13.作为可选择的实施方式，排出量与晶种投加量匹配。
14.作为可选择的实施方式，通过设置的钙离子传感器、镁离子传感器、ph传感器、碳浓度检测传感器、碱度传感器、电位传感器、污泥浓度仪和污泥液位计，检测反应器进水和出水的钙镁离子浓度、ph值、总碳浓度，以及化学反应后的电动电位、结晶污泥浓度和结晶污泥液位。
15.作为可选择的实施方式，所述电位传感器检测电动电位，以反映结晶产物的颗粒体积；所述污泥浓度仪检测结晶污泥浓度，以反映结晶产物的浓度；所述污泥液位计检测结晶污泥液位，以反映结晶产物所产生的污泥层与晶种悬浮层的重合度。
16.作为可选择的实施方式，所述反应器还设有由变频器控制的循环水泵，若流量调节执行机构进水流量的上升流速不满足要求的话，则通过循环水泵的循环流量进行补加。
17.与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明提出了一种煤化工灰水造粒除硬的多变量控制方法、装置及系统，通过多变量参数智能控制下的诱导除硬度造粒精确监控技术，实现灰水循环水高硬度、高悬浮物条件下诱导造粒突破，解决煤化工杂质含量较高的灰水循环水诱导除硬度造粒技术应用的空白。
18.本发明提出一种煤化工灰水造粒除硬的多变量控制方法、装置及系统，采用含碳酸钠的脱氨合成气洗涤水，无需外购商品碳酸钠和氢氧化钠化学药剂，资源化利用合成气洗涤工序的水经过碱法脱氨后的废水，大幅度提高灰水的循环利用率，减少灰水外排量，同时避免产生碳酸钙污泥的二次污染，形成了便于资源化利用的颗粒碳酸钙产品，也实现了煤气化洗涤水的碳固定和资源化利用。
19.本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
20.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
21.图1为本发明实施例1提供的一种煤化工灰水造粒除硬的多变量控制方法示意图；图2为本发明实施例3提供的连续运行7天的水质数据；图3为本发明实施例3提供的灰水除硬情况。
具体实施方式
22.下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。
23.应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
24.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
25.在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
26.实施例1如图1所示，本实施例提供一种煤化工灰水造粒除硬的多变量控制方法，包括：获取反应器内进水和出水的钙镁离子浓度、ph值和总碳浓度，并根据回归模型拟合反应趋势曲线，得到反应参数的预测标准值；所述进水为含钙镁离子的灰水和含碳酸钠的脱氨合成气洗涤水，灰水和脱氨合成气洗涤水在反应器内经化学反应后得到结晶产物，
所述出水为除硬后的灰水；以投加的晶种经吸附结晶产物后增大速度最快为目标，根据化学反应后反应器内的电动电位、结晶污泥浓度和结晶污泥液位，修订预测标准值，得到实际标准值；根据当前时刻的反应参数和实际标准值得到离子浓度偏差，根据离子浓度偏差反馈调节灰水和脱氨合成气洗涤水的进水流量、晶种投加速度以及晶种吸附结晶产物后的排出速度。
27.在本实施例中，所述回归模型采用广义回归神经网络（grnn），基于反应器内反应历史数据对广义回归神经网络进行训练，训练数据为历史的进水和出水的钙镁离子浓度、ph值和总碳浓度，经过大量反应历史数据的训练，经回归模型拟合出的反应趋势曲线会越来越接近目标值，即百分之百反应去除率，由此可以得到该趋势下的反应参数的预测标准值。
28.在本实施例中，含钙镁离子的灰水和含碳酸钠的脱氨合成气洗涤水在反应器内进行化学反应后，得到结晶产物，结晶产物需要排出，所以不仅要实现钙镁离子与碳酸钠的配比，还要实现结晶产物的排出。本实施例通过投加晶种，结晶产物吸附在晶种上，使得钙镁离子反应产物，即碳酸钙和碳酸镁的形态从絮状细小颗粒，以晶种为核心，结晶成体积逐渐增大的球形颗粒物，球形颗粒物达到一定重量后沉降到反应器底部以排出，实现碳酸钙镁结晶的分离，以及灰水的除硬。因而在本实施例中，需要对预测标准值二次修订。
29.影响结晶产物大小的因素有：进水流量速度、反映结晶产物体积的电动电位，即zeta电位，反映结晶产物浓度的结晶污泥浓度参数、反映结晶产物与晶种重合的结晶污泥液位参数；本实施例以投加的晶种经吸附结晶产物后增大速度最快为目标，对进水的钙镁离子浓度、ph值和总碳浓度等反应参数指标进行二次修订。
30.所以，二次修订输入参数为：zeta电位（决定结晶颗粒物大小）、结晶污泥浓度（反映结晶颗粒物浓度）、结晶污泥液位（保证结晶颗粒物与晶种颗粒的污泥层高度重合）。
31.在本实施例中，所述广义回归模型的网络结构采用现有网络结构即可，在此不作限定。广义回归模型的所有变量包括进水和出水的钙镁离子浓度、ph值和总碳浓度，以及化学反应后的zeta电位、结晶污泥浓度和结晶污泥液位；通过广义回归模型构建反应离子浓度模型，通过第一次的反应趋势预测，输出为标准的进水钙镁离子浓度、ph值和总碳浓度等反应参数值，通过第二次的参数修订，输出为标准的进水钙镁离子浓度、ph值和总碳浓度，以及晶种投加速度以及晶种吸附结晶产物后的排出速度等反应参数值。
32.在本实施例中，根据当前时刻的反应参数和实际标准值得到离子浓度偏差，根据离子浓度偏差采用模糊小脑模型神经网络（fcmac）得到调控措施。
33.小脑模型关节控制器（cmac）是基于局部学习的神经网络，具有一定的泛化能力，其非线性逼近能力优于其他神经网络，尤其是对于结构复杂，严重非线性的系统的优化控制更为适用。但是由于cmac是用分段超平面去拟合非线性超平面，因此不能学习所逼近的倒数，并且精度不高。由此，本实施例采用fcmac，fcmac将模糊系统引入小脑模型关节控制器中，弥补小脑模型关节控制器的缺点，提高模型自学习能力。
34.在本实施例中，fcmac的输入参数为离子浓度偏差，采用高斯隶属度函数作为模糊化变量，对输入参数进行模糊化处理，即根据离子浓度偏差值，划分多个调控措施区间子集。经模糊化处理后，fcmac的输出y为：
其中，ak为第k个调控措施区间，rk为第k个调控措施区间对应的权重值，k为调控措施区间总数。
35.在本实施例中，fcmac的训练过程采用现有训练手段即可；如根据联合强度函数、高斯隶属度函数中心值和宽度函数值对fcmac进行训练，根据输出值与期望值的误差值，调节fcmac的权重值。误差值为：其中，为期望值，y为输出值。
36.在本实施例中，根据离子浓度偏差采用模糊小脑模型神经网络，得到调控参数，以调节含钙镁离子的灰水和含碳酸钠的脱氨合成气洗涤水的进水流量、晶种投加速度以及晶种吸附结晶产物后的排出速度，使得反应器中的进水和出水离子浓度的偏差值达到合理范围，从而实现对晶种投加和排出的自动精确控制。
37.在本实施例中，含钙镁离子的灰水和含碳酸钠的脱氨合成气洗涤水的进水流量通过变频器调控水泵的转速，以控制流量，实现在反应条件下灰水和脱氨合成气洗涤水的化学反应。其中，ph值是反应条件，ph=7.5-8.5之间结晶才能沉淀，若ph值小于7，反应效果会大幅度降低，所以为了维持ph值，需要保证脱氨合成气洗涤水的量要充足，在必要时可通过碱液泵进行补加。如果灰水和脱氨合成气洗涤水的进水流量总和形成的上升流速不满足条件的话，则通过反应器的循环泵的循环流量来达到流速的要求。
38.实施例2本实施例提供一种煤化工灰水造粒除硬的多变量控制装置，包括：预测模块，被配置为获取反应器内进水和出水的钙镁离子浓度、ph值和总碳浓度，并根据回归模型拟合反应趋势曲线，得到反应参数的预测标准值；所述进水为含钙镁离子的灰水和含碳酸钠的脱氨合成气洗涤水，灰水和脱氨合成气洗涤水在反应器内经化学反应后得到结晶产物，所述出水为除硬后的灰水；修订模块，被配置为以投加的晶种经吸附结晶产物后增大速度最快为目标，根据化学反应后反应器内的电动电位、结晶污泥浓度和结晶污泥液位，修订预测标准值，得到实际标准值；调节模块，被配置为根据当前时刻的反应参数和实际标准值得到离子浓度偏差，根据离子浓度偏差反馈调节灰水和脱氨合成气洗涤水的进水流量、晶种投加速度以及晶种吸附结晶产物后的排出速度。
39.此处需要说明的是，上述模块对应于实施例1中所述的步骤，上述模块与对应的步骤所实现的示例和应用场景相同，但不限于上述实施例1所公开的内容。需要说明的是，上述模块作为系统的一部分可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。
40.实施例3
本实施例提供一种煤化工灰水造粒除硬的多变量控制系统，包括：反应器、晶种投加装置、流量调节执行机构及实施例2所述的多变量控制装置；所述多变量控制装置根据反应器内进水和出水的钙镁离子浓度、ph值和总碳浓度，以及化学反应后的电动电位、结晶污泥浓度和结晶污泥液位，采用实施例1所述的多变量控制方法，控制调节流量调节执行机构的进水流量、晶种投加装置的晶种投加速度以及晶种吸附结晶产物后的排出速度。
41.在本实施例中，所述流量调节执行机构包括含钙镁离子的灰水的进水泵、含碳酸钠的脱氨合成气洗涤水的进水泵；具体地，灰水和脱氨合成气洗涤水经过各自的进水泵输入至诱导造粒的反应器内，在反应器内，灰水中的钙镁离子与含碳酸钠的脱氨合成气洗涤水发生化学反应，产生结晶；通过晶种投加装置投加专用的天然矿物质成核晶种，结晶产物逐渐包裹在晶种上，使得晶种逐渐增大，增大到一定比重后自动沉降到反应器底部以排出。
42.在本实施例中，在反应器中设有钙离子传感器、镁离子传感器、ph传感器、碳浓度检测传感器、碱度传感器、电位传感器、污泥浓度仪和污泥液位计等多种传感器，用于检测反应器进水的钙镁离子浓度、ph值、总碳浓度，以及化学反应后的电动电位、结晶污泥浓度和结晶污泥液位；同时，在反应器的出水处同样设置钙离子传感器、镁离子传感器、ph传感器、碳浓度检测传感器、碱度传感器，以检测出水的钙镁离子浓度、ph值和总碳浓度；其中，通过钙离子传感器和镁离子传感器在线实时反馈灰水进水、反应器内以及出水的钙镁离子浓度；通过碳浓度检测传感器和碱度传感器检测脱氨合成气洗涤水中的总碳量；通过电位传感器信号反馈zeta电位；通过污泥浓度仪和污泥液位计反馈结晶产物的体积大小和上升液位。
43.在本实施例中，电位传感器通过控制灰水、脱氨合成气洗涤水两种进水泵的进水量，实现精确控制反应器内钙镁离子絮凝状态，控制碳酸钙和氢氧化镁结晶的晶形大小。
44.通过电位传感器监控反应器内的化学反应结晶速度，控制诱导结晶造粒反应器内的上升流速，使得结晶产物所产生的污泥层与投加的晶种层重合，以使结晶产物能够包裹在晶种上，晶种增大到一定比重后自动沉降，通过自动排污阀排出反应器，此时污泥浓度仪通过自动控制排污阀将晶排出诱导造粒反应器，且排污量与晶种投加量匹配。
45.其中，诱导结晶造粒反应器内上升流速的控制信号来源于污泥浓度仪和污泥液位计，由污泥液位计监控结晶产物所产生的污泥层与投加的晶种层的重合，由污泥浓度仪监控结晶所产生的污泥浓度，通过控制晶种的投加速度、进水流程等可精确控制造粒生长速度。
46.在本实施例中，诱导造粒反应器自身还带有专用变频器控制的循环水泵，也可以控制诱导结晶造粒反应器内的上升流速。如果灰水和脱氨合成气洗涤水的进水流量总和形成的上升流速不满足条件的话，则通过反应器循环泵的循环流量来达到流速的要求。
47.在本实施例中，出水经过暂存槽，在暂存槽内设有钙离子传感器、镁离子传感器和ph传感器，以实时反馈出水中的离子浓度，控制进水流量和反应器内反应状况，实现精确控制目的。
48.在本实施例中，含钙镁离子的灰水和含碳酸钠的脱氨合成气洗涤水均通过超声波流量计和变频器控制各自进水泵流量。
49.在本实施例中，反应器中还可以设置温度传感器，温度是影响结晶的一个因素，本
实施例只是监控温度并收集相关运行数据，在运行过程中可形成不同数据下的结晶生长模型，温度变化时，可预测提前调整控制条件，实现钙镁造粒的精确控制。
50.在本实施例中，通过诱导造粒反应器，高硬度循环灰水可去除80%左右的钙镁离子，出水经过泵加压进入精密过滤器以完成过滤后用于供水点，或继续进入到灰水循环系统中作为补给水。
51.本实施例通过多变量参数智能控制下的诱导除硬度造粒精确监控技术，突破了煤化工领域灰水深度除硬、水资源循环利用率提高的难题，综合利用合成气洗涤废水脱氨处理后残留的低浓度碳酸钠溶液（重量浓度：1.5%-2%），取代外购商品碳酸钠和氢氧化钠，解决的处置难题。合成气洗涤水是采用的反渗透膜过滤后的去离子水进行洗涤，洗涤合成气过程中无盐分增加，洗涤的目的是将合成气中的氨气和二氧化碳去除，合成气洗涤睡经过碱处理脱氨工艺后，产生的废水也需要进一步处置，常规的处置方案是膜浓缩和蒸发结晶工艺，投资和处置成本巨大；而本实施例可直接利用合成气洗涤废水脱氨处理后残留的低浓度碳酸钠溶液，无需浓缩，合成气洗涤下来的二氧化碳转化为碳酸钙颗粒，实现了碳酸钠到碳酸钙的转化与固定。
52.实验验证：含碳酸钠的脱氨合成气洗涤水理论配比水量为10m3/d，其进水水质如表1所示；设计的高硬度循环的灰水进水水质如表2所示；诱导结晶造粒流化反应器系统的技术参数如表3-表6所示，其中结晶造粒流化床主体设备参数如表3所示，进水复配装置参数如表4所示，晶种投加装置参数如表5所示，诱导结晶反应器出水参数如表6所示；表1含碳酸钠的脱氨合成气洗涤水进水水质
表2 灰水进水水质
表3 结晶造粒流化床主体设备表4 进水复配装置
表5 晶种投加装置表6 诱导结晶反应器出水实施上述方法后，如图2所示为连续运行7天的水质数据，具体为脱氨合成气洗涤水和出水的碳酸根浓度和ph值变化情况；可以看出，出水中碳酸根浓度（tic）浓度近乎为零，这也是保证出水ph值在7-8范围内，以完全消耗脱氨合成气洗涤水为调节基准，最大程度的精确调控出水中的钙镁离子硬度去除率最大，且去除的钙镁离子需要形成碳酸钙和碳酸镁结晶颗粒为最终目的。
53.如图3所示为灰水除硬情况；本实施例多变量智能控制系统在两股进水钙镁离子和碳酸根浓度都在变动的同时，能根据不同传感器传输的数据按照grnn和fcmac进行调控，诱导反应器能够最大程度的降低钙镁离子浓度，且能产生直径3-5mm的碳酸钙和碳酸镁颗粒，后续分离简单，无需专用压滤设备。
54.因双碱法排放含水率98%的污泥量很大，后端污泥脱水设备的负荷大；而本实施例的造粒软化排放的碳酸钙颗粒直接是固体，不需要进行污泥处理，也减少了压泥废水的量。本实施例应用于煤化工高硬度灰水循环水除硬度，通过智能精确控制，可对抗悬浮物对结晶造粒的影响，可利用含有极低浓度碳酸钠溶液的脱氨合成气洗涤水进行动态反应综合利用，去掉化学药剂商品碳酸钠、氢氧化钠、硫酸，无需硫酸进行二次中和调整ph值。造粒软化可以随水质的变化及时调节加药量，同时也可以按照用户的需求调节钙离子的去除率，满足用户的使用需求。
55.上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。