【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于工业控制，具体涉及一种面向重金属废水处理过程深度净化和铜砷高值回收的优化控制方法。
技术介绍
1、有色冶金生产过程是将矿物中所含的金属提炼为高纯度金属的过程，此生产过程会产生大量的重金属废水，废水中通常含有大量高浓度杂质离子(铜、砷、锑、铋、镍等)，其直接排放会对环境产生不可逆的危害。因此，作为有色冶金生产过程后端的重金属废水处理过程对其绿色运行至关重要。重金属废水中的绝大多数元素均可以和硫离子生成不溶性硫化物沉淀，硫化技术正是基于这一原理被广泛应用于重金属废水处理过程。当前，在重金属废水中引入硫离子的主要有两种方式：采用固体硫化剂和直接通入h2s。固体硫化剂是指na2s或nahs，将其投入重金属废水中会与硫酸发生如下反应生成h2s：
2、na2s+h2so4＝na2so4+h2s↑ (1)
3、2nahs+h2so4＝na2so4+2h2s↑ (2)
4、此方式不仅易发生h2s逸散而且还会在废水中引入新的阳离子，相比而言直接通入h2s的方式更为安全可靠。
5、采用通入硫化氢的方式进行重金属废水处理如图1所示，整体由多个硫化反应器-浓密机结构串联而成。废水依次流经硫化反应器，在反应器中与通入的h2s发生硫化反应生成硫化渣沉淀，使得各级硫化渣在硫化反应器对应的浓密机处得到。铜砷共存的废水中，h2s会分别与铜离子、亚砷酸(砷元素在废水中的存在形式)反应生成硫化铜、硫化砷，废水中若有剩余的铜离子，
6、3cu2++as2s3+4h2o→3cus+2haso2+6h+ (3)
7、将生成的硫化砷转化为硫化铜，具体表现为h2s通入铜砷共存的废水中，硫化铜会先于硫化砷生成，这为在各浓密机处获得高纯度硫化渣，实现铜砷高值回收提供了理论条件。而在实际生产当中，各级硫化反应器中的h2s通入量会直接影响硫化渣纯度。具体而言，当一级硫化反应器通入过量h2s时，一级浓密机处会获得硫化铜与硫化砷的混合渣，二级浓密机处会获得高纯度硫化砷渣；当一级硫化反应器通入h2s不足时，一级浓密机处会获得硫化铜与硫化砷的混合渣，二级浓密机处会获得高纯度硫化砷渣；当一级硫化反应器通入适量h2s二级硫化反应器通入过量h2s时，一级浓密机和二级浓密机处分别会获得纯净的硫化铜渣，但浪费了h2s资源，同时加重了后续尾气处理工序的负担；当一级硫化反应器通入适量h2s二级硫化反应器通入h2s不足时，一级浓密机和二级浓密机处分别会获得纯净的硫化铜渣，但仍有部分砷元素存在于废水中，没有达到废水处理的要求。如何兼顾重金属废水深度净化与资源高值回收是一个关键问题。
技术实现思路
1、本专利技术提供一种面向重金属废水处理过程深度净化和铜砷高值回收的优化控制方法，提高硫化渣纯度和过程经济效益。
2、为实现上述技术目的，本专利技术采用如下技术方案：
3、一种面向重金属废水处理过程深度净化和铜砷高值回收的优化控制方法，所述重金属废水处理过程采用多个单元级装备级联构成，相邻单元级装备的过程状态变量通过物理连通而相互耦合，在每个时间步的优化控制方法包括：
4、首先，将各单元级装备的输入变量数据和状态变量数据，代入重金属废水处理过程的全局优化问题模型，求解优化问题获得各单元级装备铜砷离子的浓度；
5、其中，全局优化问题模型为：将重金属废水处理全过程的铜砷离子去除率和铜砷硫化渣的回收经济效益为优化目标，以优化目标与各单元级装备的输入变量、状态变量、输出变量之间的关系作为目标函数，以各单元级装备输出变量中的铜砷离子的浓度设定值为优化变量；
6、然后，各单元级装备将优化求解得到的铜砷离子的浓度作为设定值，采用模型预测控制策略，对各自单元级装备的输入变量进行预测控制，获得各单元级装备下一个时间步的控制输入，即下一个时间步的输入变量。
7、进一步地，各单元级装备的输入变量为h2s的通入量。
8、进一步地，各单元级装备的状态变量包括：污酸体积、铜离子浓度、砷离子浓度、硫化铜含量、硫化砷含量。
9、进一步地，各单元级装备的输出变量包括：铜离子浓度、砷离子浓度、硫化铜含量、硫化砷含量。
10、进一步地，重金属废水处理过程基于以下过程稳态模型进行全局优化：
11、xi＝fs(xi,0,ui)
12、yi＝gs(xi)
13、xi+1,0＝xi,i＝1,…,n
14、其中，xi，0为第i个单元级装备的状态变量初始值；ui,xi,yi代表第i个单元级装备的输入变量、状态变量和输出变量；xi+1，0为第i+1个单元级装备的状态变量初始值，由第i个单元级装备的状态变量xi确定；n为重金属废水处理过程级联的单元级数量。
15、进一步地，全局优化问题中的目标函数为：
16、
17、其中，p代表重金属废水处理过程的优化目标，包括重金属废水处理全过程的铜砷离子去除率和铜砷硫化渣的回收经济效益；为目标函数。
18、进一步地，全局优化问题的约束条件为：
19、
20、其中，和分别为第i个单元级装备输入变量ui的下限和上限。
21、进一步地，采用两级硫化反应器级联，对铜砷共存的重金属废水进行净化处理；第一级硫化反应器用于净化铜离子，其在全局优化问题中仅包括铜离子浓度这一个优化变量；第二级硫化反应器用于净化砷离子，其在全局优化问题中仅包括砷离子浓度这一个优化变量。
22、进一步地，每个单元级装备基于各自的重金属离子的浓度设定值，采用模型预测控制策略，对各自单元级装备的输入变量进行预测控制，表示为求解以下优化问题，获得最优控制序列并取其中第一个值作为下一个时间步的输入变量：
23、
24、其中，mc表示控制时域的步长个数，mp表示预测时域的步长个数，j代表当前时刻；表示第i个单元级装备以当前j时刻的输入变量xi(j)和状态变量初始值xi,0(j)求解得到的输入变量最优序列值，即最优控制序列；yi(j+l)表示第i个单元级装备在j+l时刻的输出变量，ui(j+l)表示第i个单元级装备在j+l时刻的输入变量；是第i个单元级装备的优化变量，即第i个单元级装备对应净化的重金属离子的浓度设定值；和分别为第i个单元级装备输入变量ui的下限和上限；目标函数由两个加权二范数项构成，将||||内部统一使用x表示，则其中xt为x的转置，p和r为各项权重。
25、有益效果
26、本专利技术提出面向重金属废水处理过程深度净化和铜砷高值回收的优化控制方法。首先，对级联过程进行全局优化来提升过程效益，以全过程经济效益为研究对象，将其作为优化目标确保各单元级装备设定值的全局最优性。然后，提出分散控制方案，以单元级装备为控制对象设计控制器，有效提升控制效率，保证控制本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种面向重金属废水处理过程深度净化和铜砷高值回收的优化控制方法，其特征在于，所述重金属废水处理过程采用多个单元级装备级联构成，相邻单元级装备的过程状态变量通过物理连通而相互耦合，在每个时间步的优化控制方法包括：
2.根据权利要求1所述的面向重金属废水处理过程深度净化和铜砷高值回收的优化控制方法，其特征在于，各单元级装备的输入变量为H2S的通入量。
3.根据权利要求1所述的面向重金属废水处理过程深度净化和铜砷高值回收的优化控制方法，其特征在于，各单元级装备的状态变量包括：污酸体积、铜离子浓度、砷离子浓度、硫化铜含量、硫化砷含量。
4.根据权利要求1所述的面向重金属废水处理过程深度净化和铜砷高值回收的优化控制方法，其特征在于，各单元级装备的输出变量包括：铜离子浓度、砷离子浓度、硫化铜含量、硫化砷含量。
5.根据权利要求1所述的面向重金属废水处理过程深度净化和铜砷高值回收的优化控制方法，其特征在于，重金属废水处理过程基于以下过程稳态模型进行全局优化：
6.根据权利要求5所述的面向重金属废水处理过程深度净化和铜砷高值回收的优
7.根据权利要求1所述的面向重金属废水处理过程深度净化和铜砷高值回收的优化控制方法，其特征在于，全局优化问题的约束条件为：
8.根据权利要求1所述的面向重金属废水处理过程深度净化和铜砷高值回收的优化控制方法，其特征在于，采用两级硫化反应器级联，对铜砷共存的重金属废水进行净化处理；第一级硫化反应器用于净化铜离子，其在全局优化问题中仅包括铜离子浓度这一个优化变量；第二级硫化反应器用于净化砷离子，其在全局优化问题中仅包括砷离子浓度这一个优化变量。
9.根据权利要求1所述的面向重金属废水处理过程深度净化和铜砷高值回收的优化控制方法，其特征在于，每个单元级装备采用模型预测控制策略，对各自单元级装备的输入变量进行预测控制，表示为求解以下优化问题，获得最优控制序列并取其中第一个值作为下一个时间步的输入变量：
...【技术特征摘要】
1.一种面向重金属废水处理过程深度净化和铜砷高值回收的优化控制方法，其特征在于，所述重金属废水处理过程采用多个单元级装备级联构成，相邻单元级装备的过程状态变量通过物理连通而相互耦合，在每个时间步的优化控制方法包括：
2.根据权利要求1所述的面向重金属废水处理过程深度净化和铜砷高值回收的优化控制方法，其特征在于，各单元级装备的输入变量为h2s的通入量。
3.根据权利要求1所述的面向重金属废水处理过程深度净化和铜砷高值回收的优化控制方法，其特征在于，各单元级装备的状态变量包括：污酸体积、铜离子浓度、砷离子浓度、硫化铜含量、硫化砷含量。
4.根据权利要求1所述的面向重金属废水处理过程深度净化和铜砷高值回收的优化控制方法，其特征在于，各单元级装备的输出变量包括：铜离子浓度、砷离子浓度、硫化铜含量、硫化砷含量。
5.根据权利要求1所述的面向重金属废水处理过程深度净化和铜砷高值回收的优化控制方法，其特征在于，重金属废水处理过程基于以下过程稳态模型...
【专利技术属性】
技术研发人员：黄科科，唐燕伟，赵春晖，吴德浩，阳春华，桂卫华，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：
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