过程建模与优化控制技术在清洁生产中的应用论文

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1、过程建模与优化控制技术在清洁生产中的应用论文摘要：环境污染是当今世界备受关注的严重问题之一，污染防治已成为几乎所有行业，特别是工业界所需解决的紧迫课题，清洁生产策略是解决这一难题的有效手段。流程工业的生产过程中普遍存在复杂的化学、物理、生化等反应，产生的大量三废物质是造成工业污染的主要源头。本文首先提出了实施清洁生产策略的两个层次概念，即通过产品全生命周期工艺改造方法和生产过程控制与优化方法。然后针对流程工业的特点及其对清洁生产的要求，提出了在流程工业实施面向清洁生产策略的过程建模、控制与优化技术应用方法。最后以给环境造成严重污染压力的制浆造纸工业的硫酸盐制浆过程为例，介绍了

2、在流程工业综合自动化系统中实现清洁生产策略的技术路线与方法。通过一个实际应用的黑液蒸发计算机控制系统和一个采用实际操作数据进行数字仿真的连续蒸煮操作优化例子表明.freels）或综合自动化系统，形成节能降耗、少投入多产出的高效生产模式，已逐步成为流程工业自动化发展的一个趋势。随着对CIMS研究与应用的深入，也由于日益增长的环境压力，一些从事CIMS研究与应用的专家学者已开始致力于对清洁生产的研究，在CIMS环境中采用综合自动化技术实施清洁生产的重要性与前景逐渐展现在人们面前2-5。而对于流程工业来说，推行清洁生产更是非常重要且势在必行。建立流程CIMS的目的是将信息流、物料流

3、、资金流以及人、技术、经营等要素有机地集成，使企业所有生产、经营等活动都围绕着获取尽可能大的经济效益目标优化运行。根据流程工业CIMS的体系结构，可以将流程CIMS划分为企业决策、经营管理、生产计划调度、过程优化及监督控制的递阶控制结构。由前面的清洁生产策略层次分析可以发现，在CIMS递阶结构中的每一级都可结合该级的功能和任务，在提高或不影响企业经济效益的前提下，基于各种先进的综合自动化技术，提出面向清洁生产的优化策略和实施技术方案，从而使清洁生产策略成为流程CIMS的一个有机组成部分，并与整个企业的生产经营活动、经济效益以及环境保护措施紧密相关。文6详细地分析了流程工业的特

4、点及其对清洁生产的迫切需求，然后提出了在流程工业CIMS中各个层次实施面向清洁生产的优化策略。4.3制浆造纸厂应用综合自动化技术实施清洁生产策略的例子制浆造纸工业是造成环境污染最严重的行业之一，而制浆产生的污染又占整个行业污染负荷的80%以上。同时，制浆还是木材、化学品、水、电等原材料和能源的消耗大户，下面就以制浆工业过程为例说明采用自动化技术实施清洁生产带来的环境效益与经济效益。4.3.1蒸煮过程中面向清洁生产的优化策略前道工序分离出来的废液(俗称黑液)是造成制浆过程污染的主要原因，其主要含量是碱(以氢氧化钠和硫化钠为主)。虽然后续的碱回收工艺可以对黑液进行处理，回收其中的

5、碱重复利用。但一方面回收率不可能达到100%(况且许多企业没有碱回收装置)；另一方面减轻后续工段的负荷本身就是清洁生产的指标之一。因此本工段选择蒸煮过程的用碱量作为污染变量，建立含有污染控制变量的数学模型，在蒸煮过程中优化工艺操作参数，使成浆在满足质量指标的同时，尽可能地降低碱的用量，从而减少碱回收装置的负荷和碱的流失。由于蒸煮机理复杂，难以建立其精确的机理模型。笔者针对实际的Kamyr连续蒸煮器,由某厂实际操作数据回归得到包含污染控制变量模型中的各常数，在此基础上优化得到生产操作参数――初始碱用量Es和蒸煮温度T的最佳设定值。将优化结果与平常采用的操作参数相比，考虑清洁生产

6、策略时的碱用量、回收装置的负荷和碱的流失最多可减少5.4%，最少可减少4.4%。若以该厂日产风干浆380吨、硫化度为27%～30%的Kamyr连续蒸煮器为例，并假设后续工段的碱回收率为90%，则通过优化操作，每天在回收过程中损失的碱可以减少0.68吨。在环境效益明显的情况下，同时还可获得年收益为42万元的经济效益7。4.3.2蒸发过程中面向清洁生产的优化策略另一个实际应用的例子来自于同一个企业蒸煮过程的后续工段--黑液蒸发过程。在制浆过程，经蒸煮、洗选之后的黑液含水量达80％以上。按目前普遍采用的黑液燃烧法进行碱回收，对于这样的稀黑液，必须首先通过蒸发工段去除其中的大部分水分

7、，使稀黑液浓缩成为符合燃烧要求的浓黑液（含固形物50％左右）之后，才能送至后续的碱回收炉燃烧，从而回收黑液中的碱。在黑液蒸发过程诸多的工艺参数中，出效的黑液浓度最为重要，若它低于某个值，送到后续燃烧炉后将可能由于黑液不能燃烧而导致燃烧炉熄火，影响整个回收过程的正常生产；但浓度也不能偏高，否则会带来其它问题，如粘度过大可能导致黑液无法正常流动等。在这一工段，面向清洁生产的优化目标函数与生产过程控制系统的控制目标是一致的，因此，黑液蒸发过程计算机优化控制系统的设计目标便是尽可能地提高生产效率及控制精度，实现