高氨氮废水蒸氨塔操作优化与控制王辉

现代化工ModernChemicalIndustryISSN0253-4320,CN11-2172/TQ《现代化工》网络首发论文题目：高氨氮废水蒸氨塔操作优化与控制作者：王辉，夏世斌，姚蓓蕾收稿日期：2018-09-27网络首发日期：2019-02-22引用格式：王辉，夏世斌，姚蓓蕾．高氨氮废水蒸氨塔操作优化与控制[J/OL]．现代化工.网络首发：在编辑部工作流程中，稿件从录用到出版要经历录用定稿、排版定稿、整期汇编定稿等阶段。录用定稿指内容已经确定，且通过同行评议、主编终审同意刊用的稿件。排版定稿指录用定稿按照期刊特定版式（包括网络呈现版式）排版后的稿件，可暂不确定出版年、卷、期和页码。整期汇编定稿指出版年、卷、期、页码均已确定的印刷或数字出版的整期汇编稿件。录用定稿网络首发稿件内容必须符合《出版管理条例》和《期刊出版管理规定》的有关规定；学术研究成果具有创新性、科学性和先进性，符合编辑部对刊文的录用要求，不存在学术不端行为及其他侵权行为；稿件内容应基本符合国家有关书刊编辑、出版的技术标准，正确使用和统一规范语言文字、符号、数字、外文字母、法定计量单位及地图标注等。为确保录用定稿网络首发的严肃性，录用定稿一经发布，不得修改论文题目、作者、机构名称和学术内容，只可基于编辑规范进行少量文字的修改。出版确认：纸质期刊编辑部通过与《中国学术期刊（光盘版）》电子杂志社有限公司签约，在《中国学术期刊（网络版）》出版传播平台上创办与纸质期刊内容一致的网络版，以单篇或整期出版形式，在印刷出版之前刊发论文的录用定稿、排版定稿、整期汇编定稿。因为《中国学术期刊（网络版）》是国家新闻出版广电总局批准的网络连续型出版物（ISSN2096-4188，CN11-6037/Z），所以签约期刊的网络版上网络首发论文视为正式出版。1高氨氮废水蒸氨塔操作优化与控制王辉1,2，夏世斌1，姚蓓蕾2（1.武汉理工大学资源与环境工程学院，湖北武汉430070；2.武汉理工大学广饶研究院，山东广饶257300）摘要：基于某企业的蒸氨系统实测基础数据，采用AspenPlus、MATLAB、AspenPlusDynamic等软件，开发出了一套应用于蒸氨塔的实时优化软件。该软件通过读取实时进料流量和组成，计算出在保证废水氨浓度不大于100mg/L、液氨质量分数99.5%时，经济最优的塔顶馏出量、塔底热负荷和回流比，并给出合理的PID控制方案。对于蒸氨塔处理量为100t/h的装置，以液氨3500元/t价格计，该技术每年可产生500万元经济效益。关键词：蒸氨塔；稳态模拟；操作优化；PID中图分类号：TQ082.1OperationoptimizationandcontrolofhighammonianitrogenwastewatertowerWANGHui1,2,XIAShi-bin1,YAOBei-lei2(1.SchoolofResourcesandEnvironmentalEngineering,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070,China;2.GuangraoResearchInstituteofWuhanUniversityofTechnology,Guangrao257300,China)Abstract:Thehighammonianitrogenwastewaterneedstobetreatedbytheammoniadistillationtowersystembeforeenteringthesubsequentsewagetreatmentsystem.Thecurrentoperationoftheammoniadistillationtowerisgenerallyconservative,andthereisalargeeconomicbenefitspace.Basedonthebasicdataofacompany'sammoniadistillationsystem,thispaperdevelopedasetofreal-timeoptimizationsoftwarefortheammoniatowerusingAspenPlus,MATLAB,AspenPlusDynamicandothersoftware.Byreadingthereal-timefeedflowandcomposition,thesoftwarecalculatestheoptimalcostofoverheaddistillation,bottomheatloadandrefluxratiowhentheammoniaconcentrationofthewastewaterisnotmorethan100mg/Landthepurityofliquidammoniais99.5%.AndgiveareasonablePIDcontrolplan.Fortheunitwithatreatmentcapacityof100t/h,thetechnologycangenerate5millionyuanofeconomicbenefitsperyearatthepriceof3,500yuan/tofliquidammonia.KeyWords:ammoniacolumn;steadystatesimulation;operationoptimization;PID高氨氮废水的不合理排放是河流和海洋水体富营养化的最主要原因之一，其去除工艺已经越来越受到行业重视[1-3]。处理高氨氮含量的废水耗费企业大量环保成本，因此若能对该工段的操作进行优化并加以控制，则能降低废水处理的成本[4]。李国忠[5]对某煤化工企业蒸氨塔进行机理建模，寻找到进水量不同时最佳的蒸汽消耗。王剑舟[6]利用AspenPlus对蒸氨塔进行模拟计算，并对塔板数、进料位置、回流比与进料热状态分析比较，发现进料位置靠近塔下端有利。沈连峰等[7]认为在实际操作中，不加碱工艺更为经济。本文中主要针对蒸氨塔单元过程的操作进行优化和控制研究，重点在实时优化软件与控制结构的设计，以达到效益更高且方案可执行的目的。目前针对蒸氨塔的研究主要集中单变量，并未有更为深入的多工况优化算法及动态控制，而通过计算机应用优化算法[8-10]，可快速在多变量中寻找到最优工况及其操作方案，动态控制则能辅助操作人员将优化方案应用到装置中去。AspenPlus、MATLAB、AspenPlusDynamics等软件平台[11-13]为优化计算和实施提供了可能。1稳态模拟1.1蒸氨塔单元工艺流程简述蒸氨塔的基本操作流程为：废氨水经预热器加热，补充适量碱液后通过泵打入蒸氨塔，在蒸氨塔中挥发氨随着塔板上升在塔顶增浓，同时塔底废水中的挥发氨逐步减少。塔顶冷凝系统可以实现高浓度氨水的外送和回流，塔底再沸器则为提馏段的气液交换提供了上升气相，同时排出一部分处理合格的低浓度废水，送往后续工段继续处理。1.2稳态模型蒸氨塔的稳态模拟是系统的核心，是模型参数在线修正和经济优化模型的基础。在本文中，采用Aspen2019-02-2218:15:18建立的机理模型作为优化软件的求解器，以某企业每小时处理量100t的蒸氨塔的真实运行数据为基础，建立了符合装置实际的机理模型。流程如图1所示。图1蒸氨塔物料流程蒸氨塔模型中的进料数据和塔结构数据完全依据实测值和实际塔体进行建立，对比如表1和表2所示。模型中的流程工艺数据为机理模型根据真实数据计算而来，表3中可以看出，机理模型与实际的相对误差基本小于1%，表示模型可以代表装置的基本运行机理，在该模型上进行优化计算可预测装置的优化操作。表1蒸氨塔进料数据模型与实测值对比模拟值实测值相对误差流量/(t·h-1)1001000温度/℃30300摩尔分数/%H2O0.80850.80850NH30.19010.19010H20.00020.00020N20.00080.00080表2蒸氨塔模型参数模型与实测值对比模拟值实测值理论塔板数1515冷凝方式塔顶全凝+排不凝气塔顶全凝+排不凝气进料位置77再沸器型式釜式再沸器釜式再沸器表3蒸氨塔流程数据模型与实测值对比模拟值实测值相对误差进料入塔温度/℃150150-0.20%塔顶采出量/(t·h-1)15.8915.75-0.05%塔顶回流量/(t·h-1)23.4523.4-0.32%回流温度/℃50.250-0.41%塔顶采出温度/℃54.2540.39%塔底温度/℃212.4212-0.51%塔底再沸器蒸汽用量/(t·h-1)23.123-0.41%塔底外送量/(t·h-1)82.3182.3-0.85%塔顶液氨浓度/%99.799.70.10%塔底废水中氨含量/10-6104105-1.22%31.3工艺优化分析对于上述已经建立好的机理模型，进行多变量分析。通过流程分析和与车间技术人员沟通，发现回流比和采出量是影响产品质量和收率的关键变量，因此对不同回流比下采出/进料比值对装置产品质量和能耗的影响进行分析。1.3.1采出/进料摩尔比与塔顶液氨质量分数的关系不同回流比下，塔顶液氨质量分数随采出/进料摩尔比的增大而增大，且回流比越大，塔顶液氨质量分数越大。1.3.2采出/进料摩尔比与塔顶冷凝负荷的关系不同回流比下，塔顶冷凝负荷随采出/进料摩尔比的增大而增大，且回流比越大，塔顶冷凝负荷越大。1.3.3采出/进料摩尔比与塔底热负荷的关系不同回流比下，塔底热负荷随采出/进料摩尔比的增大而增大，且回流比越大，塔底热负荷越大。1.3.4采出/进料摩尔比与塔底废水中氨质量分数的关系不同回流比下，塔底废水中氨质量分数随采出/进料摩尔比的增大而减小，且回流比越大，塔底废水中氨质量分数越小。根据以上分析，可以看出在回流比一定时，出量增大，塔顶液氨产品的质量分数先增后减，这是因为在采出量比较小的阶段时，增加采出量能使轻组分更好地抽出，而过了一定的量后轻组分会被后续的重组分稀释，造成纯度下降。另外，随着采出量增加，冷凝负荷逐渐增大（冷凝负荷为负值），塔底热负荷逐渐增大，塔底废水中氨质量分数减小。而在相同的采出量下，回流比越大，塔顶液氨质量分数越高、冷凝负荷越大，塔底热负荷越大，废水氨质量分数越小。可见在该装置中，产品质量的提升需增加部分能耗。2实时优化软件的开发2.1实时优化功能对于蒸氨塔而言，优化即保证最大的液氨采出量，且液氨质量分数合格，同时也能达到废水中氨质量分数最小。该优化软件在运行时会实时读取与装置相关的进料、产品、公用工程的价格等，然后由优化模型寻优求解出最优解，并将优化方案传递给操作人员，最终实现蒸氨塔系统的实时优化。2.2优化系统结构优化软件及系统与实时数据库和控制系统是直接关联的，上层直接接到实时数据库，从中读取来自装置的生产操作数据，形成完整的闭环。系统执行顺序如下。（1）读取DCS数据和原料分析数据并导入数据库中。（2）优化软件读取实时数据，并自动建立机理模型，使蒸氨塔机理模型与实际读取的各数据之差的平方和最小。（3）获取当前产品和公用工程的价格，设定目标函数为经济效益最优的操作方案。max利润=塔顶产品流量×对应纯度下塔顶产品价格-塔底产品流量×对应纯度下塔底废水处理费用-冷却水和蒸汽费用-原料流量×原料折算价格。（4）在装置处理能力范围内，求得目标函数的最大值，并显示出可执行的工艺方案。2.3优化方案的实现优化方案从具体实施到装置产生效果，还需要技术人员或其他控制程序结合自身操作经验和方案提供的各变量调整方向，将装置调整至最优状态。蒸氨塔在线优化控制的目标是塔底液氨质量分数达标的前提下，再沸器热负荷最小，产品采出量最大，即经济效益最佳。控制系统是