陶瓷窑炉及其烟气管网非对称特性动态控制方法技术

本发明专利技术陶瓷窑炉及其烟气管网非对称特性动态控制方法属于陶瓷窑炉控制技术，研发了陶瓷窑炉外部空气进入量计算数学模型和空气过剩系数计算数学模型，通过烟气分析检测的氩含量来计算外部空气的进入量，然后根据外部空气进入量设定值与外部空气进入量计算值之差，对窑头排风机入口阀开度进行调节，使外部空气进入量始终控制在设定值范围内；根据烟气分析检测的氧含量和一氧化碳含量对空气流量和燃气流量进行调节，来控制炉空气过剩系数，使空气过剩系数始终控制在设定值范围内；获得了提高燃烧效率、减少生成烟气总量、提高引风机节能量、减少NOx和VOC污染排放量、实现全自动控制、减轻操作者劳动强度，提高生产作业率的多重节能减排效果。

【技术实现步骤摘要】
陶瓷窑炉及其烟气管网非对称特性动态控制方法
本专利技术属于陶瓷窑炉控制技术，具体是陶瓷窑炉的外部空气进入量控制技术和空气过剩系数控制技术；本专利技术不涉及控制系统、控制设备及仪器仪表的选型。
技术介绍
陶瓷工艺决定其产品烧成过程采取的是弱氧化气氛，所以燃烧系统中的氧化剂，即空气中的氧气要相对过剩，但该部分过剩的空气又会在燃烧后带走燃烧产生的显热，这势必造成热能的浪费，通过将燃烧过程中的空气过剩系数控制在合理的范围内，可在满足产品烧成工艺要求的同时又能最大限度的实现节能。但遗憾的是迄今为止陶瓷窑炉领域还没有出现空气过剩系数控制技术，现有技术依赖的一直是经验数据或经验获取的温度和压力曲线来进行窑炉气氛的手动调节，即使是采取了基于神经元网络的智能控制技术，但由于还没有找到动态自动调节空气过剩系数的方法，所以先进技术也没有得到发挥的机会。此外陶瓷工业是我国大气污染控制重点行业，陶瓷窑炉在过氧化气氛中产生的氮氧化物NOx和挥发性有机化合物VOC等污染严重影响大气环境，因此，重点解决陶瓷窑炉的节能减排问题对大气污染防治具有重要意义。由于缺失对陶瓷窑炉空气过剩系数以及陶瓷窑炉外部空气进入量进行调节的控制技术，现有技术从根本上适应不了陶瓷窑炉深度节能减排的需求，理论研究和应用技术亟待有所突破。涉及陶瓷窑炉空气过剩系数以及陶瓷窑炉外部空气进入量控制技术的陶瓷窑炉及其烟气管网非对称特性动态控制方法还未见到公开发表的出版物、文献或资料。
技术实现思路
本专利技术的目的是根据陶瓷窑炉运行工况的特点，寻求突破制约现有技术的技术瓶颈，研究开发与陶瓷窑炉运行工况相适应的陶瓷窑炉及其烟气管网非对称特性动态控制方法，以实现陶瓷窑炉深度节能减排的效果。本专利技术的要点是研究现有技术存在的问题，突破现有技术的基础和框架，根据陶瓷窑炉运行工况特点及陶瓷窑炉烟气管网的物理特性，创新性地确立了陶瓷窑炉非对称系统理论，研发了陶瓷窑炉外部空气进入量计算数学模型和陶瓷窑炉空气过剩系数计算数学模型，研发了基于陶瓷窑炉非对称系统理论的陶瓷窑炉外部空气进入量及陶瓷窑炉空气过剩系数的动态自动控制方法，通过烟气分析检测的氩含量来计算陶瓷窑炉外部空气的进入量，然后根据陶瓷窑炉外部空气进入量设定值与陶瓷窑炉外部空气进入量计算值之差，对窑头排风机入口阀开度进行调节，构成了陶瓷窑炉外部空气进入量闭环动态调节系统，使陶瓷窑炉外部空气进入量始终控制在设定值范围内；根据烟气分析检测的氧含量和一氧化碳含量对空气流量和燃气流量进行调节，来控制陶瓷窑炉空气过剩系数，构成了陶瓷窑炉空气过剩系数闭环动态调节系统，使陶瓷窑炉空气过剩系数始终控制在设定值范围内；外部空气进入量和空气过剩系数的有效控制使系统获得了提高陶瓷窑炉燃烧效率、减少生成烟气总量、提高引风机节能量、减少NOx和VOC污染排放量、实现陶瓷窑炉全自动控制、减轻操作者劳动强度，提高生产作业率的多重节能减排效果，获得了节能减排、增产保质的多重效益。附图说明图1是陶瓷窑炉及其烟气管网非对称特性动态控制方法的技术方案框图，图1中1是陶瓷窑炉控制系统HMI操作站，2是外部空气进入量设定值，3是窑头排风机入口阀开度调节，4是陶瓷窑炉外部空气进入量计算数学模型，5是窑头主烟道Ar含量，6是抽热风烟道Ar含量，7是窑头主烟道烟气流量，8是抽热风烟道烟气流量，9是助燃空气风量实际值，10是急冷风机风量实际值，11是直冷风机风量实际值，12是占比系数k输入，13是陶瓷窑炉空气过剩系数计算数学模型，14是空气过剩系数设定值，15是窑头主烟道O2量，16是抽热风烟道O2量，17是空气调节阀i调节，18是空气调节阀n调节，19是空燃比，20是烧成温度设定值，21是烧成温度实际值，22是燃气调节阀i调节，23是燃气调节阀n调节，24是陶瓷窑炉CO设定值，25是窑头主烟道CO实际值，26是抽热风烟道CO实际值，27是抽热风风机入口阀开度调节，28是冷却带压力设定值，29是抽热风风机风量调节，30是冷却带压力实际值，31是烧成带压力设定值，32是窑头排风机风量调节，33是烧成带压力实际值，34是温度i～n检测，35是压力i～n检测，36是陶瓷窑炉现场工艺设备。图2是陶瓷窑炉及其烟气管网非对称特性动态控制方法的控制系统构成图，图2中1是陶瓷窑炉主工艺控制系统，2是陶瓷窑炉控制系统HMI操作站，3是外部空气进入量设定值，4是空气过剩系数设定值，5是陶瓷窑炉CO设定值，6是烧成带压力设定值，7是冷却带压力设定值，8是烧成温度设定值，9是空燃比设定输入，10是占比系数k输入，11是陶瓷窑炉及其烟气管网非对称系统动态控制器，12是窑头主烟道Ar含量检测，13是抽热风烟道Ar含量检测，14是窑头主烟道O2含量检测，15是抽热风烟道O2含量检测，16是窑头主烟道CO含量检测，17是抽热风烟道CO含量检测，18是助燃空气风量实际值，19是急冷风机风量检测，20是直冷风机风量检测，21是烧成带压力检测，22是冷却带压力检测，23是烧成温度检测，24是窑头主烟道烟气流量检测，25是抽热风烟道烟气流量检测，26是窑头排风机风量调节，27是抽热风风机风量调节，28是窑头排风机入口阀开度调节，29是抽热风风机入口阀开度调节，30是空气调节阀i调节，31是空气调节阀n调节，32是燃气调节阀i调节，33是燃气调节阀n调节，34是温度i检测，35是温度n检测，36是压力i检测，37是压力n检测，38是现场工艺设备过程信息，39是陶瓷窑炉现场工艺设备。图1的技术方案框图是按陶瓷窑炉的一般特点构建的，实际上，陶瓷窑炉工艺及设备种类繁多，具有多种型式的陶瓷窑炉，工艺参数和设备布置也不尽相同，为避免叙述缛琐造成混乱，本技术方案考虑的是具有一般特点的通用情况，而不区分具体陶瓷窑炉工艺设备组成的细节；然而本文阐述的控制原理、得出的结论、获得的有益效果通用于陶瓷窑炉。具体实施方式基本术语及定义：陶瓷窑炉系统中空气过剩系数亦称过剩空气系数或过量空气系数，定义为“燃料燃烧时实际空气需要量与理论空气需要量之比值”，用字母α表示。根据定义，空气过剩系数是指陶瓷窑炉燃烧系统在所设置的空燃比时所得到的结果，即在该空燃比条件下，助燃空气与燃料的燃烧效果。该燃烧效果不包括陶瓷窑炉外部空气进入量所发生的燃烧产生的效果，虽然陶瓷窑炉外部空气进入量可能会产生部分或全部燃烧，但与基于空燃比的燃烧系统相比，由于陶瓷窑炉外部空气进入量是冷空气，会产生热损失，所以还是具有负面影响，不利于提高陶瓷窑炉的热效率，空气过剩造成的氧化气氛还会增加NOx和VOC的排放；陶瓷窑炉空气过剩系数和陶瓷窑炉外部空气进入量具有不同的含义，因此窑头主烟道管网中检测的氧含量既不代表空气过剩系数，也不代表外部空气进入量，该氧含量是两者混合的结果。现有技术控制陶瓷窑炉空气过剩系数的方法是根据检测烟气中氧含量和一氧化碳含量来计算、推测空气过剩系数值，不同类型的陶瓷窑炉都有推荐的空气过剩系数范围或空气过剩系数限值，用于指导操作人员手动调节空气过剩系数，实际上这种方法是不可取的。原因在于本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种陶瓷窑炉及其烟气管网非对称特性动态控制方法，其特征在于根据陶瓷窑炉运行工况特点及烟气管网的物理特性，创新性地确立了陶瓷窑炉非对称系统理论，研发了陶瓷窑炉外部空气进入量计算数学模型和空气过剩系数计算数学模型，研发了基于陶瓷窑炉非对称系统理论的陶瓷窑炉外部空气进入量及空气过剩系数的动态自动控制方法，通过烟气分析检测的氩含量来计算陶瓷窑炉外部空气的进入量，然后根据外部空气进入量设定值与外部空气进入量计算值之差，对窑头排风机入口阀开度进行调节，构成了外部空气进入量闭环动态调节系统，使外部空气进入量始终控制在设定值范围内；根据烟气分析检测的氧含量和一氧化碳含量对空气流量和燃气流量进行调节，来控制陶瓷窑炉空气过剩系数，构成了空气过剩系数闭环动态调节系统，使空气过剩系数始终控制在设定值范围内；/n式(1)为陶瓷窑炉外部空气进入量计算数学模型；/nQ

【技术特征摘要】
1.一种陶瓷窑炉及其烟气管网非对称特性动态控制方法，其特征在于根据陶瓷窑炉运行工况特点及烟气管网的物理特性，创新性地确立了陶瓷窑炉非对称系统理论，研发了陶瓷窑炉外部空气进入量计算数学模型和空气过剩系数计算数学模型，研发了基于陶瓷窑炉非对称系统理论的陶瓷窑炉外部空气进入量及空气过剩系数的动态自动控制方法，通过烟气分析检测的氩含量来计算陶瓷窑炉外部空气的进入量，然后根据外部空气进入量设定值与外部空气进入量计算值之差，对窑头排风机入口阀开度进行调节，构成了外部空气进入量闭环动态调节系统，使外部空气进入量始终控制在设定值范围内；根据烟气分析检测的氧含量和一氧化碳含量对空气流量和燃气流量进行调节，来控制陶瓷窑炉空气过剩系数，构成了空气过剩系数闭环动态调节系统，使空气过剩系数始终控制在设定值范围内；
式(1)为陶瓷窑炉外部空气进入量计算数学模型；
Qair＝(Qw1×Arw1+Qw2×Arw2－(Qi1+Qi2+Qi3)×Arb)×22.4×100/0.934(1)
式中：
Qi1：助燃空气的空气流量，m3/s；
Qi2：急冷风机的空气流量，m3/s；
Qi3：直冷的空气流量，m3/s；
Arb：空气中基准氩摩尔分数，mol％；
Qw1：窑头主烟道烟气流量，m3/s；
Arw1：窑头主烟道烟气中氩摩尔分数，mol％；
Qw2：抽热风烟道烟气流量，m3/s；
Arw2：抽热风烟道烟气中氩摩尔分数，mol％；
Qair：陶瓷窑炉外部进入空气量，m3/s；
式(2)为陶瓷窑炉外部空气进入量中的氧量计算数学模型；
O2e＝(Qw1×Arw1+Qw2×Arw2－(Qi1+Qi2+Qi3)×Arb)×20.95/0.934(2)
式中：
Qi1：助燃空气的空气流量，m3/s；
Qi2：急冷风机的空气流量，m3/s；
Qi3：直冷的空气流量，m3/s；
Arb：空气中基准氩摩尔分数，mol％；
Qw1：窑头主烟道烟气流量，m3/s；
Arw1：窑头主烟道烟气中氩摩尔分数，mol％；
Qw2：抽热风烟道烟气流量，m3/s；
Arw2：抽热风烟道烟气中氩摩尔分数，mol％；
O2e：陶瓷窑炉外部进入氧量，mol；
空气过剩系数中的氧含量实际值由式(3)空气过剩系数中的氧含量计算数学模型进行计算；
O2a＝(Qw1×O21+Qw2×O22－kO2e)/(Qw1+Qw2)(3)
式中：
O2a：空气过剩系数中的氧含量实际值，％；
Qw1：窑头主烟道烟气流量，m3/s；
Qw2：抽热风烟道烟气流量，m3/s；
O21：窑头主烟道烟气中氧摩尔分数，mol％；
O22：抽热风烟道烟气中氧摩尔分数，mol％；
O2e：陶瓷窑炉外部进入的氧量，mol；
k：占比系数，0～1；
空气过剩系数实际值由式(5)空气过剩系数计算数学模型进行计算：
α＝20.95/(20.95-(Qw1×O21+Qw2×O22－kO2e)/(Qw1+Qw2))(5)
式中：
Qw1：窑头主烟道烟气流量，m3/s；
Qw2：抽热风烟道烟气流量，m3/s；
O21：窑头主烟道烟气中氧摩尔分数，mol％；
O22：抽热风烟道烟气中氧摩尔分数，mol％；
O2e：陶瓷窑炉外部进入的氧量，mol；
k：占比系数，0～1；
α：空气过剩系数，＞0。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于该方法的技术方案是通过图1实现的，图1中陶瓷窑炉控制系统HMI操作站(1)是陶瓷窑炉及其烟气管网非对称特性动态控制系统的人机交互界面；外部空气进入量设定值(2)与陶瓷窑炉控制系统HMI操作站(1)和窑头排风机入口阀开度调节(3)相连接，该设定值由人机交互界面输入；窑头排风机入口阀开度调节(3)与外部空气进入量设定值(2)、陶瓷窑炉外部空气进入量计算数学模型(4)及陶瓷窑炉现场工艺设备(36)相连接，由外部空气进入量设定值(2)与陶瓷窑炉外部空气进入量计算数学模型(4)的差值对窑头排风机入口阀开度进行调节，控制流经该入口阀的烟气流量，抑制外部空气进入，使该陶瓷窑炉外部空气进入量控制在设定值范围内；陶瓷窑炉外部空气进入量计算数学模型(4)与窑头主烟道Ar含量(5)、抽热风烟道Ar含量(6)、窑头主烟道烟气流量(7)、抽热风烟道烟气流量(8)、助燃空气风量实际值(9)、急冷风机风量实际值(10)、直冷风机风量实际值(11)、陶瓷窑炉空气过剩系数计算数学模型(13)和窑头排风机入口阀开度调节(3)相连接，根据窑头主烟道Ar含量、抽热风烟道Ar含量、窑头主烟道烟气流量、抽热风烟道烟气流量、助燃空气风量实际值、急冷风机风量实际值和直冷风机风量实际值进行陶瓷窑炉外部空气进入量计算，计算结果送至窑头排风机入口阀开度调节(3)和陶瓷窑炉空气过剩系数计算数学模型(13)；窑头主烟道Ar含量(5)与陶瓷窑炉外部空气进入量计算数学模型(4)和陶瓷窑炉现场工艺设备(36)相连接；抽热风烟道Ar含量(6)与陶瓷窑炉外部空气进入量计算数学模型(4)和陶瓷窑炉现场工艺设备(36)相连接；窑头主烟道烟气流量(7)与陶瓷窑炉外部空气进入量计算数学模型(4)和陶瓷窑炉现场工艺设备(36)相连接；抽热风烟道烟气流量(8)与陶瓷窑炉外部空气进入量计算数学模型(4)和陶瓷窑炉现场工艺设备(36)相连接；助燃空气风量实际值(9)与陶瓷窑炉外部空气进入量计算数学模型(4)和陶瓷窑炉现场工艺设备(36)相连接；急冷风机风量实际值(10)与陶瓷窑炉外部空气进入量计算数学模型(4)和陶瓷窑炉现场工艺设备(36)相连接；直冷风机风量实际值(11)与陶瓷窑炉外部空气进入量计算数学模型(4)和陶瓷窑炉现场工艺设备(36)相连接；占比系数k输入(12)为输入参数，由陶瓷窑炉控制系统HMI操作站(1)人机交互接口输入，送至陶瓷窑炉空气过剩系数计算数学模型(13)；陶瓷窑炉空气过剩系数计算数学模型(13)与陶瓷窑炉外部空气进入量计算数学模型(4)、空气过剩系数设定值(14)、窑头主烟道O2量(15)、抽热风烟道O2量(16)、空气调节阀i调节(17)和空气调节阀n调节(18)相连接，在陶瓷窑炉外部空气进入量计算数学模型基础上，推导出陶瓷窑炉空气过剩系数计算数学模型，空气过剩系数设定值与陶瓷窑炉空气过剩系数计算值的差值对空气调节阀i～n进行调节，对陶瓷窑炉空气过剩系数进行动态控制；空气过剩系数设定值(14)为设定值，由陶瓷窑炉控制系统HMI操作站(1)人机交互接口输入；窑头主烟道O2量(15)和抽热风烟道O2量(16)为O2量实际值，作为反馈值参与空气过剩系数计算；空气调节阀i调节(17)和空气调节阀n调节(18)是被控量，空气过剩系数中O2量计算差值用于调节空气调节阀i～n的空气流量，对空气过剩系数进行调节；空燃比(19)从陶瓷窑炉控制系统HMI操作站(1)人机交互接口输入；烧成温度设定值(20)为设定值，由陶瓷窑炉控制系统HMI操作站(1)人机交互接口输入；烧成温度实际值(21)是烧成温度控制反馈值；燃气调节阀i调节(22)和燃气调节阀n调节(23)是被控量，根据烧成温度设定值与烧成温度实际值的差值，调节燃气调节阀i～n的流量，对烧成温度进行动态控制；陶瓷窑炉CO设定值(24)是设定值，由陶瓷窑炉控制系统HMI操作站(1)人机交互接口输入；窑头主烟道CO实际值(25)和抽热风烟道CO实际值(26)是CO检测实际值，作为负反馈与陶瓷窑炉CO设定值(24)进行比较，其差值用于调节燃气调节阀i～n的流量，以改善燃烧状况；抽热风风机入口阀开度调节(27)与抽热风烟道烟气流量(8)和陶瓷窑炉现场工艺设备(36)相连接，按照抽热风烟道烟气流量实际值对该入口阀开度进行调节，以使该入口阀开度与抽热风烟道烟气流量相匹配；冷却带压力设定值(28)为设定值，由陶瓷窑炉控制系统HMI操作站(1)人机交互接口输入；抽热风风机风量调节(29)与冷却带压力设定值(28)、冷却带压力实际值(30)和陶瓷窑炉现场工艺设备(36)相连接，按照冷却带压力设定值与冷却带压力实际值反馈之差对抽热风风机风量进行调节，对冷却带压力进行动态控制；烧成带压力设定值(31)为设定值，由陶瓷窑炉控制系统HMI操作站(1)人机交互接口输入；窑头排风机风量调节(32)与烧成带压力设定值(31)、烧成带压力实际值(33)和陶瓷窑炉现场工艺设备(36)相连接，按照烧成带压力设定值与烧成带压力实际值反馈之差对窑头排风机风量进行调节，对烧成带压力进行动态控制；温度i～n检测(34)是陶瓷窑炉炉体和管网上设置的温度检测，根据具体窑炉情况，温度检测点数和检测位置...

【专利技术属性】
技术研发人员：高劼，高毅夫，
申请(专利权)人：北京凯德恒源科技发展有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11