呂大飛，鞏雪樺，曹昌興，嚴(yán)子深

（1.河北天善生物技術(shù)有限公司 河北省炭基重金屬土壤污染修復(fù)技術(shù)創(chuàng)新中心，河北唐山 063000；2.國(guó)家地質(zhì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試中心河北天善分中心 利用農(nóng)業(yè)廢棄物制備炭基土壤修復(fù)材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北唐山 063000）

0 引言

生物質(zhì)炭基材料是應(yīng)用于土壤地力提升、污染土壤修復(fù)的新能源生態(tài)環(huán)保材料，其主要是面向重金屬修復(fù)、鹽堿地治理、礦山修復(fù)、荒漠化治理等區(qū)域根據(jù)不同性質(zhì)土壤、不同環(huán)境條件、不同污染來(lái)源、不同污染種類和不同污染程度，有針對(duì)性地研制出的土壤修復(fù)材料。

生物質(zhì)炭基材料的生產(chǎn)工藝是一種新能源環(huán)保工藝，是將農(nóng)林廢棄物等生物質(zhì)原料先進(jìn)入原料前處理系統(tǒng)進(jìn)行干燥、壓制為要求入爐的尺寸及形狀，經(jīng)過上料系統(tǒng)送入炭化爐，通過復(fù)雜的生物質(zhì)熱裂解反應(yīng)將原料分解得到以生物質(zhì)炭為基質(zhì)的生物質(zhì)炭基材料。熱裂解過程產(chǎn)生的生物質(zhì)燃?xì)馔ㄟ^凈化系統(tǒng)進(jìn)行凈化，處理后的純凈氣體進(jìn)入儲(chǔ)存系統(tǒng)，為后續(xù)的生物質(zhì)燃?xì)庑履茉蠢孟到y(tǒng)提供氣源用于生物質(zhì)燃?xì)獍l(fā)電或者生物質(zhì)燃?xì)忮仩t，從而實(shí)現(xiàn)農(nóng)林廢棄物的節(jié)能環(huán)保再利用。

炭基材料生產(chǎn)裝備自動(dòng)化控制系統(tǒng)是以生物質(zhì)炭基材料生產(chǎn)工藝為基礎(chǔ)，具有以采用PLC、電氣控制系統(tǒng)、儀表采集檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)主要包括原料前處理系統(tǒng)、上料系統(tǒng)、炭化系統(tǒng)、生物質(zhì)燃?xì)鈨艋到y(tǒng)、氣體儲(chǔ)存系統(tǒng)、生物質(zhì)燃?xì)庑履茉蠢孟到y(tǒng)等組成單元進(jìn)行炭氣聯(lián)產(chǎn)自動(dòng)控制的功能，所有單元的生產(chǎn)工藝參數(shù)由現(xiàn)場(chǎng)儀表檢測(cè)元件采集并傳送到PLC，再通過工控軟件在主控室操作界面顯示。主控室人員根據(jù)生產(chǎn)工藝要求對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行分析和處理，設(shè)定控制參數(shù)輸出進(jìn)行生產(chǎn)狀態(tài)控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)工藝的自動(dòng)化控制。

在生產(chǎn)線投入初期，炭基材料生產(chǎn)裝備自動(dòng)控制系統(tǒng)的效果顯著，在一定程度上能滿足生產(chǎn)工藝的要求，但在持續(xù)使用過程中也出現(xiàn)了一些問題，如爐內(nèi)溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)有時(shí)受原料填料、料位高低、料面透氣性等影響較大，現(xiàn)有的工藝監(jiān)測(cè)點(diǎn)不能完全體現(xiàn)工藝過程，爐內(nèi)熱裂解過程不直觀，產(chǎn)出燃?xì)庠诠艿乐袎毫τ羞^壓情況需進(jìn)行安全壓力檢測(cè)及泄壓控制等，因此需要在原自控系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，以滿足新的工藝要求。

1 串級(jí)控制炭化爐內(nèi)溫度

炭化爐是生產(chǎn)工藝核心裝備，生物質(zhì)熱裂解技術(shù)的關(guān)鍵就是要控制爐內(nèi)溫度的平衡穩(wěn)定，但是現(xiàn)有生物質(zhì)炭化爐溫度控制反應(yīng)較慢，出口溫度有一定滯后性，造成爐內(nèi)原料熱解不充分甚至有時(shí)有懸料搭橋的情況，產(chǎn)炭質(zhì)量不理想等情況，需要對(duì)自控系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，提高壓力控制精度。

原爐體溫度和電動(dòng)調(diào)節(jié)閥為單閉環(huán)控制系統(tǒng)?，F(xiàn)對(duì)自控系統(tǒng)PLC 進(jìn)行串級(jí)控制編程，將爐體溫度和電動(dòng)調(diào)節(jié)閥作為副調(diào)節(jié)器，將爐體出風(fēng)口溫度和電動(dòng)調(diào)節(jié)閥作為主調(diào)節(jié)器，通過控制調(diào)節(jié)生物質(zhì)炭化爐進(jìn)氣口的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥閥門開度大小來(lái)控制進(jìn)風(fēng)量，使?fàn)t內(nèi)溫度保持在設(shè)定范圍內(nèi)。

當(dāng)一次干擾和二次干擾引起主變量和副變量同方向變化時(shí)（即同時(shí)變大或變?。瑢?duì)于主控制器來(lái)說(shuō)由于它的測(cè)量值升高，根據(jù)控制器的反作用關(guān)系輸出將在穩(wěn)態(tài)時(shí)的基礎(chǔ)上減小，也就是副控制器的設(shè)定值將減小，而副控制器的測(cè)量值將增大。根據(jù)副控制器的反作用關(guān)系，上述干擾都將使副控制器的輸出減小，最終調(diào)節(jié)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥閥門的開度減小。

當(dāng)一次干擾和二次干擾造成主副變量反方向變化（即一個(gè)增大另一個(gè)減?。r(shí)，假設(shè)一次干擾引起主變量下降，二次干擾引起副變量升高，對(duì)主控制器來(lái)說(shuō)，由于其測(cè)量值減小，其輸出值將增大、也使副控制器的設(shè)定值增大；對(duì)于副控制器來(lái)說(shuō)，由于測(cè)量值增大，設(shè)定值也增大，如果同步增大，幅度相同，即副控制器的輸入信號(hào)偏差沒有改變，控制器的輸出也就沒有改變，閥門開度不變；實(shí)際上這是用二次干擾補(bǔ)償了一次干擾，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥門不需調(diào)節(jié)。如果兩個(gè)干擾引起副控制器的設(shè)定值和測(cè)量值的同向變化不相同，也就是二次干擾還不足以補(bǔ)償一次干擾時(shí)，副控制器再根據(jù)偏差的性質(zhì)做小范圍的調(diào)節(jié)就可將主變量穩(wěn)定在設(shè)定值上。

從串級(jí)控制系統(tǒng)的工作過程可以看出，兩個(gè)控制器為串聯(lián)控制，是以主控制器為主導(dǎo)，保證主變量穩(wěn)定為目的，因此其控制質(zhì)量必然高于之前系統(tǒng)的單閉環(huán)控制系統(tǒng)。

當(dāng)溫度傳感器檢測(cè)到生物質(zhì)炭化爐爐內(nèi)溫度過高時(shí)，PLC元件對(duì)溫度設(shè)定值和溫度反饋值進(jìn)行PID 運(yùn)算并輸出運(yùn)算差值，通過運(yùn)算差值控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開度，使其開度降低、生物質(zhì)炭化爐爐內(nèi)進(jìn)風(fēng)量降低，從而減少爐內(nèi)炭化反應(yīng)需要的氧氣含量，進(jìn)而控制爐內(nèi)炭化反應(yīng)進(jìn)程，達(dá)到降低爐內(nèi)炭化溫度的目的，最終使?fàn)t口出氣溫度下降到設(shè)定值（圖1）。

圖1 串級(jí)控制爐體溫度系統(tǒng)

2 增加設(shè)備工藝檢測(cè)點(diǎn)位

檢測(cè)點(diǎn)位增加使工控監(jiān)測(cè)可以覆蓋整個(gè)生產(chǎn)工藝過程，能實(shí)時(shí)掌握生產(chǎn)狀況，生產(chǎn)工藝參數(shù)運(yùn)行管理更加全面（表1）。

表1 設(shè)備工藝檢測(cè)點(diǎn)位對(duì)比 個(gè)

（1）在壓力方面，增加了氣柜后總管壓力、汽水分離器前總管壓力、冷凝器B1 支管后端壓力、冷凝器B2 支管后端壓力、熱成像儀冷卻水前段壓力、熱成像儀冷卻水后段壓力6 個(gè)檢測(cè)點(diǎn)位。

（2）在溫度方面，增加了爐體左側(cè)中部溫度、爐體右側(cè)中部溫度、熱成像儀冷卻水前段溫度、熱成像儀冷卻水后段溫度、氣柜前端支管溫度5 個(gè)檢測(cè)點(diǎn)位。

（3）在差壓方面，增加了篩網(wǎng)過濾器差壓、氣柜前后差壓、汽水分離器前后差壓3 個(gè)檢測(cè)點(diǎn)位。

（4）在流量方面，增加了安全閥放散氣體流量、熱成像儀冷卻水流量2 個(gè)檢測(cè)點(diǎn)位。

（5）在輸入/輸出開關(guān)量方面，增加了熱成像儀冷卻水供水電磁閥開啟、開到位、關(guān)閉、關(guān)到位和2 組安全閥開啟、開到位、關(guān)閉、關(guān)到位共12 個(gè)檢測(cè)點(diǎn)位。

3 增設(shè)爐內(nèi)熱成像儀

為更直觀、更方便地觀察爐內(nèi)生產(chǎn)狀況，在爐內(nèi)設(shè)置紅外熱成像監(jiān)控系統(tǒng)。由爐頂插入熱成像儀鏡頭來(lái)采集爐內(nèi)生產(chǎn)狀況，熱成像儀采用水冷式降溫保護(hù)，避免熱成像儀外套通入冷卻水吸收帶走爐內(nèi)工作溫度對(duì)熱成像儀的高熱影響，保證攝像頭穩(wěn)定可靠運(yùn)行。同時(shí)熱成像儀有溫度標(biāo)定功能，可以隨時(shí)進(jìn)行溫度標(biāo)定，保證采集檢測(cè)溫度的精確和可靠。

通過紅外熱成像探測(cè)技術(shù)可以對(duì)布料前后整個(gè)爐內(nèi)的溫度分布狀況、爐內(nèi)氣流的走向、正常料面情況、異常情況下的料面塌料、搭橋、布料不勻等都能進(jìn)行直觀展示，能夠?yàn)橹骺厥胰藛T提供豐富的爐內(nèi)運(yùn)行信息，如溫度數(shù)據(jù)趨勢(shì)圖、歷史數(shù)據(jù)趨勢(shì)圖、溫度分布曲線圖，采集傳遞爐內(nèi)料面溫度信息，幫助主控室人員直觀掌握料面高度變化，掌控料面分布情況，監(jiān)測(cè)熱解區(qū)域分布狀況，可以為主控人員提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)支持，有效提高爐內(nèi)操作精度，保證爐內(nèi)生產(chǎn)順利進(jìn)行（圖2）。

圖2 炭化爐內(nèi)熱成像圖

4 增加安全壓力智能放散控制系統(tǒng)

生物質(zhì)炭基材料生產(chǎn)工藝凈化生產(chǎn)線熱裂解后產(chǎn)生的生物質(zhì)燃?xì)夂兴羝?、CO2、甲烷等多種成分，需要進(jìn)行完全凈化后使用，這樣需要多種凈化裝置同時(shí)使用才能達(dá)到凈化效果，但是與此同時(shí)凈化設(shè)備裝置生產(chǎn)線過長(zhǎng)，整個(gè)凈化生產(chǎn)線采用羅茨風(fēng)機(jī)從炭化爐內(nèi)引出燃?xì)?，并?dǎo)入到后端儲(chǔ)存系統(tǒng)。在實(shí)際使用中當(dāng)某個(gè)凈化設(shè)備因堵塞或其他原因引起管路氣體壓力迅速升高，如不及時(shí)排放會(huì)有管路超壓爆裂隱患，造成安全事故。因此，需要在凈化系統(tǒng)管路中采用安全壓力檢測(cè)放散裝置來(lái)檢測(cè)壓力異常并放散降壓來(lái)保證人身及設(shè)備安全。

為此，設(shè)計(jì)出一種生物質(zhì)燃?xì)鈨艋b置用安全壓力智能放散控制系統(tǒng)，其主要由安裝在多段凈化設(shè)備管路上的各壓力傳感器、多回路智能測(cè)控儀表、氣體專用電動(dòng)放散蝶閥、排氣管、閃光報(bào)警器等組成（圖3）。

圖3 安全壓力智能放散控制系統(tǒng)組成

凈化燃?xì)庵Ч芘c凈化主管路連接，用于將異常的高壓氣體從主管路中引出，排出到設(shè)備外部，防止因異常高壓氣體造成管路爆裂或破損。電動(dòng)放散蝶閥與多回路測(cè)控儀表連接，用于控制支管管路的通斷，正常情況下，電動(dòng)放散蝶閥保持關(guān)閉，氣體通過主管路進(jìn)入凈化裝置進(jìn)行凈化，當(dāng)有高壓異常情況時(shí)會(huì)控制電動(dòng)放散蝶閥打開，此時(shí)高壓氣體經(jīng)過支管通過放散管排出到外界。隨著高壓氣體的持續(xù)排出，壓力會(huì)下降，當(dāng)壓力下降到設(shè)定的下限值正常值時(shí)，多回路測(cè)控儀表控制電動(dòng)放散蝶閥關(guān)閉，氣體繼續(xù)通過主管路進(jìn)入凈化裝置進(jìn)行凈化。同時(shí)多回路測(cè)控儀表將壓力及控制開關(guān)量傳遞到PLC 系統(tǒng)，提供給工控監(jiān)控畫面顯示和監(jiān)測(cè)。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過對(duì)現(xiàn)有炭基材料生產(chǎn)裝備自控系統(tǒng)進(jìn)行的多種優(yōu)化措施，使新的自動(dòng)控制系統(tǒng)較以往控制系統(tǒng)在穩(wěn)定性、控制性能、產(chǎn)品品質(zhì)上均得到極大提升，能有效、及時(shí)處理具體控制目標(biāo)和生產(chǎn)任務(wù)，滿足目前生產(chǎn)工藝的要求，大大提高生產(chǎn)效率，保障炭基材料生產(chǎn)的順利進(jìn)行。