（工程热物理专业论文）生物质热解装置控制系统的研究和开发.pdf

摘要 摘要 进入2 1 世纪，地球环境问题，特别是二氧化碳排放所造成的全球化温室效 应愈发严重。生物质能是独特的可再生能源，它贮存的太阳能，更是一种唯一的 可再生碳源，可转化成固态、液态和气态燃料。我国石油资源不丰富，加之经济 快速发展导致液体燃料需求持续增长，因此，开发生物质液体燃料技术在我国倍 受关注。在众多生物质能液化技术中，快速热解液化技术最适合我国秸秆资源丰 富的特点，具有很大的研究与推广价值。 中国科学技术大学安徽省生物质洁净能源重点实验室自主研发了处理能力 为1 2 0 妇砌的自热式生物质热解装置。为了更好地控制生物质热解的反应条件， 减轻操作人员负担，需要开发该装置的自动控制系统。本文分析了生物质热解液 化装置的工艺控制要求和流程，把热解装置分为燃烧、热解和冷凝三个子系统， 对三个子系统的结构功能和控制要求进行了详细的分析，并通过比较现今流行的 工业过程控制技术，选用欧姆龙p l c 和p t 组合的方式来实现对生物质热解装置 的现场控制。 文章介绍了现场控制系统的硬件配置以及i o 分配，并详细给出控制系统的 软件流程和触摸屏程序的开发。充分考虑热解装置的安全性和使用寿命，采取以 燃烧系统温度控制为核心的控制策略，并对燃烧温度采取具有专家思想的分区域 控制。采用c x p 编程软件实现了对程序的编辑和离线调试，并投入现场调试和 运行，运行结果表明开发的现场控制系统能够实现热解装置稳定运行，热解温度 控制在要求的范围，保证了生物油的产量和质量。 关键词：生物质、热解、p l c 、现场控制系统 a b s t r a c t a b s t r a c t e n e 唱yi st h ed r i v i n gf o r c ef o rt 1 1 ed e v e l o p m e n to f 、o d de c o n o m y ，b m 吐l e b 哪! 五n go ff o s s i l 伍e l sc a u s e sg r e e nh o u s eg 嬲e m i s s i o nw h i c hi l a sm a l l yd i v e r sr 0 i et 0 t 1 1 ee n v i r 0 砌e m i na d d i t i o n ，t h ed e p o s i t i o no ff o s s i l 如e l si sl i m i t e d 锄dt l 坨( 1 e m a n d o fa l e r g yi sg r o w i n ga th i 曲r a l ed u et 0t h ed e v e l o p m e n to fa l la s p e c t so ft h ew o r l d t 0m e e tt h eg r o w i n gd e m a n do fe n e 唱y 觚dt 0h e l ps o i v ct h ee n v i r o 姗e n t a lp r o b l e m s ， t b ew o r l dt r e n d sa r em o v i n gt o w a r d ss u s t a i m b l ee n e 玛yp r o d u c t i o n b i o m a s se n e 玛y h a sar o l et op l a yi ne a c he n e 玛ya 1 1 de n v i r o l l r l l e n t a lc o n c 锄，w h i c hi sr e n e w a b l ei n n a t 眦ea i l dc a nb ec o n v e r t e di n t 0s o l i d ，l i q u i da n dg 嬲e o u sm e l s d u et 0m e a d v 锄t a g e so fh i 曲e n e 玛yd e n s 时锄de 嬲y 仃a i l s p o 删i o no fl i q u i d 向e l s ，p r o d u c i n g l i q u i df h e l s 丘o mb i o m a s sh a sb e e np a i dag r e a t e ra t t e n t i o n a m o n gm a n yb i o m 嬲s l i q u e f a c t i o nt e c h n o l o g i e s ，风tp y r o l y s i sc o u l db eap r o m i s i n gw a yf o ra g r i c u l t u r 试 r e s i d u e sm a l l a g e m e n tt oc o n v e r tt h e mi n t 0b i o 帕i li nc h i i l a t h ek e yl a bf o r b i o m a s sc l e a l le n e 唱ya tu s t co fa n h u ip r 0 v i n c eh 嬲d e s i g i l e da b i o m a s sf 犯tp y r o l y s i sr e a c t o rw i t ht h ec a p a c i t yo fl2 0 蚝h i no r d e rt 0b e t t e r c o n t r o l t h er e a c t i o nc o n d i t i o n sa 1 1 dr e d u c eo p e r a t i o nb u r d e n s ，w en e e dt od e v e l o p 觚 a u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mf o rt h ee q u i p m e m t h r o u g h 咖d y i n gt h ep r o c e s so ft h e b i o m a s sp y r o l y s i sa n dc o m p a r i n gm ec u r r e mi n d u s t r i a lp r o c e s sc o n t r o lt e c l l l l o l o g y ， t m s p a p e r c o m b i n e do m r d n p r o g r 铀= 1 1 m a b l el o g i c c o n t r o l l e r ( p l c ) o m d p r o 星聊n m a b l e1 e r m i n a l ( p t ) t 0b u i l das c e n ec o n t r o ls y s t e mf o rt h e b i o m a l s s p ) ，i 0 i y s i sd e v i c e 1 h sp 印e r h a si n t r o d u c e dt l l eh a r d 、v a r ec o n f i g w a t i o na n di od i s t r i b u t i o no ft l l e c o n t l o ls y s t e m ，a n dg a v ead e t a i l e dd e s c r i p t i o no fm es o r ：、) l ，a r ep r o c e s s e sa n dm e t o u c h - s c r e e np r o c e d u r e s f o rf u l lc o n s i d e r a t i o no ft h es a f e t ya r l dl i f eo f 也ee q u i p m e n t ， w em a d et h ec o m b u s t i o nt e m p e r a t u r ea st l l ec o r ep a r a m e t e r si nt h ec o n t r o ls y s t e m ， 锄dd i v i d e di ti n t of o u rd i 位r e n tr e g i o n st 0c o n t r 0 1 w bu s e dc x ps o r w a r et oe d i t a n dd e b u gt h ec o n t r o lp r o c e d u r c ，a n dr u ni ti nt h es c e n e t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt 1 1 e d e v e l o p m e n to ft h es c e n ec o n t r o ls y s t e mh 嬲a c h i e v e ds t a b l eo p e r a t i o nf o r t h e e q u i p m e n t ，a n dt h ep y r o l y s i st e m p e r a t u r e0 fm es y s t e mh a sr e q u i r e de i l s 耐n gt l l e b i o 吣i 1p r o d u c t i o na n dq u a l i t y k e y w o r d s ： b i o m 嬲s ， p y r o l y s i s ， p l c ，s c e n ec o n t r o ls y s t e m i i 中国科学技术大学学位论文相关声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工 作所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对 本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即： 、 学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名： 髀么 第1 章绪论 第1 章绪论 进入2 1 世纪，地球环境问题，特别是二氧化碳排放所造成的全球温室效应 愈发严重。只要人们继续大量消费化石燃料，大气中二氧化碳的积累就不会得到 缓解。同时化石资源的有限开采量也是不争的事实。虽然通过勘探和发现新油田 以及依靠科学技术的进步使得石油采收率提高，可以缓解石油枯竭的速度，但是 现在确实已经到了开始摆脱依赖于化石资源的时代了l l j 。 生物质能作为唯一能转换为液体燃料的可再生能源，在解决当今的能源、环 境危机中受到人们日益的重视。生物质能的利用方式主要有生物发酵、气化、热 解液化等，其中生物质热解液化以其工艺简单、成本低、产品便于运输和储存、 原料来源广泛等优点受到国内外广泛的关注。国内对生物质热解的研究是从2 0 世纪9 0 年代开始的，其中中国科学技术大学安徽省生物质洁净能源重点实验室 对生物质热解技术和工艺进行了数年的艰辛研究，在2 0 0 6 年研制出处理能力为 1 2 0 k g l l 的自热式热解液化装置【2 4 1 。为了更好地操作和控制热解装置的运行，实 验室开展了对其自动控制系统的开发。 1 1 能源与环境 当今的能源主要来自于矿物燃料，包括煤炭、石油和天然气等。一方面，矿 物能源的应用推动了社会发展，但其资源却在日益耗尽，如在2 0 0 6 年底，世界 石油、天然气和煤的探明储量分别约为1 ，6 4 5 亿吨、1 8 ，1 4 6 万亿立方和9 ，0 9 0 亿 吨，按目前技术水平和开采量计算，石油可开采4 0 年，天然气可开采6 4 年，煤 炭可开采2 9 0 年【5 l ；另一方面，由于矿物能源的过量使用已引起了日益严重的环 境问题，如全球气温变暖、臭氧层破坏、生态圈失衡、有害物质排放、酸雨等自 然灾害【6 7 】。 能源的开发利用对环境的影响有三种情形：其一，对环境造成危害：其二， 不对环境造成危害；其三，不仅不对环境造成危害，而且有利于改善已经破坏的 生态环境【8 1 。化石燃料的使用属于第一种情形。八十年代后期，日益严重的环境 问题，已引起国际社会的共同关注，环境问题与能源问题密切相关，成为当今世 界共同关注的焦点之一。人们深刻认识到能源是现代社会赖以生存和国民经济发 展的基础，但作为能源支柱的化石燃料己对人类的生存环境带来严重的污染。有 资料表明化石燃料的使用是大气污染的主要原因，如煤炭的大量使用，产生大量 的s 0 2 、c 0 2 等气体，严重污染环境。大气中9 0 以上的污染物n o x 和s o x 以及9 0 以上的酸雨都来自于煤和石油的使用。温室效应气体c 0 2 的排放已造成对生态环 第l 苹绪论 境的威胁。目前，发展中国家排放的二氧化碳已占全球排放量的四分之一。由于 发展中国家对能源的需求越来越大，据预测，到本世纪中叶，这一比例将提高到 二分之一。如果不采取有效措施控制二氧化碳的排放，全球持续变暖将会给人类 赖以生存的地球带来灾难性的后果纠l lo j 。 生物质能的开发利用则属于第三种情形。开发利用生物质能要求人们恢复植 被，而生物质的生长过程中需要吸收大量c 0 2 将与其在数量保持平衡，最终形成 二氧化碳的平衡循环，因此生物质能源被称之为c 0 2 中性燃料；同时使用这种能 源几乎不会产生二氧化硫的污染，有利于回收利用有机废弃物、处理废水和治理 污染；生物质能的开发与农业生产紧密结合，可减缓化肥农药带来的种种对环境 的不利因素，有效刺激农村经济的发展。有关专家估计，生物质能极有可能成为 未来可持续能源系统的组成部分，到本世纪中叶，采用新技术生产的各种生物质 替代燃料将占全球总能耗的4 0 以上i l 卜h j 。 随着经济的发展，人们生活水平的提高，环境保护意识的加强，化石能源逐 渐减少，对包括生物质能在内的可再生资源的合理、高效地开发利用，必然愈来 愈受到人们的重视。我国是一个人口大国，又是一个经济迅速发展的国家，2 l 世纪将面临着经济增长和环境保护的双重压力。因此改变能源生产和消费方式， 开发利用生物质能等可再生的清洁能源，对建立可持续的能源系统、促进国民经 济发展和环境保护具有重大意义。 1 2 生物质能利用技术 广义上讲一切有生命的可以生长的有机物统称为生物质，包括植物、动物和 微生物等。生物质能源品种多、数量大且分布广，植物类中最主要的有林业废弃 物、速生林、农作物废弃物( 秸秆、稻草、谷壳等) 、杂草、藻类等，非植物类 主要有动物粪便、动物尸体、废水和垃圾中的有机成分等，其中最常用的是植物 类生物质。生物质蕴藏的能量非常巨大，据科学家估计地球上每年植物光合作用 固定的碳达2 1 0 1 1t ，含能量达3 1 0 2 1j ，因此每年通过光合作用贮存在植物的枝、 茎、叶中的太阳能，相当于全世界每年耗能量的l o 倍，而中国每年的生物质能源 总量估计达4 8 7 亿吨油当量。中国生物质能的结构组成如图1 1 所示，从图中可 知农业废弃物是中国最大的生物质能资源，占总量的一半以上，而农业废弃物在 中国大部分被焚烧或还田，基本上没有很好利用，反而对环境造成一定的污染。 因此对农林残余物类的生物质合理利用不仅可以缓解中国对能源需求的压力，而 且在一定程度上能够很好改善环境，真正做到经济的可持续发展，具有重大的经 济社会意义u m 。 第l 章绪论 i 1 3 口农惶躞舜物 疆薪禁林髓拔孬物 口舞搿锫涨物 口f 蟾泼弃物 翻城i j 事 玉描圾 图1 1 中国的生物质能资源结构( ) ( 总量4 8 7 亿吨油当量) 随着科技的进步，人类可以利用不同的技术手段将生物质转化为固态、液态 和气态燃料。目前，生物质能源转换途径包括物理转换、化学转换和生物转换三 种。对农林残余物生物质能源转换的技术主要有：直燃或与其它燃料共燃技术、 气化技术、水解发酵得到醇类物质和热解液化得到液体燃料技术等。对这四种利 用技术总结如表1 1 所示i j ： 表1 1 农林残余物生物质利用情况 利用技术技术描述优点 缺点 生物质在高温缺氧的原料使用广泛： 热解装置成熟性： 热解情况下发生热分解而可取代或与传统燃料共用； 生物油利用技术； 得到生物油或炭可得到很多有用的衍生物 有害气体排放； 直燃或共生物质原料在锅炉里设备成本低： 热效率低： 燃燃烧以供热或发电可取代化石燃料 只适合大容量的设备 把生物质原料转化为较高的成本； 处理量大； 气化中、低热值气体燃烧 只适合大规模生产； 设备较成熟 并联合发电产物不便运输和储存 玉米或纤维素物质的 与传统的化石燃料相溶； 较高的成本； 制醇 只适合大规模生产： 碳水化合物进行发酵技术被验证，较成熟； 只适合少数原料 1 3 生物质快速热解液化技术 生物质快速热解液化是指秸秆、木屑等农林生物质在无氧或缺氧条件下，加 第l 章绪论 熟到5 0 0 左右，原料中的纤维素、半纤维素、木质素等高分子裂解成小分子蒸 汽，然后把热解蒸汽快速冷却成生物油，而不能冷凝的气体含有c o 、h 2 和c h 4 等，可以作为燃气使用【 珈】。热解的另一个副产物是热解炭，这种炭粉可以作为 固体燃料使用，也可以加工成活性炭。有专家指出把这种热解炭作为一种有机肥 料使用可以改善土壤质量，主要表现为松化土壤，提高土壤的保水性，保持土壤 里的微量元素平衡，提高土壤的阳离子含量等1 2 。还有专家指出，热解炭将是未 来改善大气环境的一个重要物质，因为使用热解这种方法可以把固定碳埋在土壤 里，从而降低空气中的碳含量，并进而达到对温室效应气体的控制和降低1 2 2 1 。 生物质的热解已经有很长的历史，如古埃及人将热解得到的液体用作防腐 剂，古希腊人和古罗马人则将这种液体用于填充和连接木船上的细缝和接口上。 在石化工业发展以前，木材热解是得到化学物质如丙酮、乙酸和甲醇的主要渠道， 但随着大量廉价原油和天然气的开采，以及与之相应的工业发展，以木材为原料 制备燃料和化学品这一方式迅速衰落了。然而，随着2 0 世纪7 0 年代石油危机的 出现，以及石油价格的持续飙升，对生物质这一可再生能源的研究又重新得到了 关注1 3 】o 生物质热解液化技术的研究最早始于2 0 世纪7 0 年代后期，现己开发出多种 热解反应器，如流化床反应器、携带床反应器、真空反应器和烧蚀反应器等【2 川。 迄今为止，世界最大的生物质热解液化装置是加拿大的达茂公司在2 0 0 7 年投产 的每天处理2 0 0 吨木屑生物质的流化床热解液化装置，根据报道设备调试运行正 常，并准备向世界各地推广这项技术【2 4 】：其次是荷兰b t g 公司于2 0 0 5 年8 月在 马来西亚投产的每天处理5 0 吨生物质的旋转锥热解液化装置，原料主要是马来 西亚盛产的棕榈壳，所产的生物油全部返销回荷兰用于工业用燃烧发电和试验精 致提炼【2 5 l 。 我国在生物质热解液化方面的研究情况：沈阳东北农业大学最早在2 0 世纪 9 0 年代中期利用从荷兰b t g 公司引进的热解液化装置进行了试验【2 0 j ；华东理工 大学用喷动床以木屑进行了热解液化制取生物油的试验【2 7 l ：清华大学以异养小球 藻为原料分别进行了热解液化制取生物油的研究【2 8 】；山东理工大学采用等离子加 热方式进行了生物质热解液化试验；中国科学技术大学在一系列小装置研制的 基础上在2 0 0 6 年研制出处理量每小时1 2 0 公斤原料的自热式流化床热解液化装 置，并对各种农作物秸秆进行了试验【3 0 】。表1 2 列出了世界各地生物质热解液化 工艺的发展情况【3 1 。从中可以看出生物质热解技术发展已经有二十多年的历史 了，部分公司或机构如加拿大的达茂公司和荷兰b t g 的热解设备已经进入产业 化阶段，但还没有经过长时间连续稳定运行的考验，因此可以说国际上的生物质 热解液化技术还有待于成熟。国内技术正处于工业化中试阶段，与国外技术相差 4 第l 章绪论 不大，如果国内科研结构加强对热解液化技术的研发力度和速度，并在国家政策 的大力支持下，有希望赶上世界水平。 表1 2 国内外生物质热解液化工艺情况【3 1 序号 研发单位国家技术 规模( 埏h 1 ) 现状 1u n i o nf e n o s a w r a t e r l o o西班牙 流化床2 0 0运行 2 d y n a m o t i v e 加拿大流化床 8 5 0 0 运行 3 p 雒q u a i i e n e l思人寸u循环流化床5 0 停用 4 a l t e n 恩人，r u 搅动流化床 5 0 0 1 9 9 2 年废弃 5v n 讵n 驴芬兰 循环传输床 2 0 运行 6 r e da 玎0 w e n s y n z j u 孚人循环传输床 1 2 5 运行 7 r e da 盯o w e n s y n 美国循环传输床 1 2 5 0 运行 8 e n e l e n s y n思八个u循环传输床 6 2 5 运行 9 e n s y n加拿大循环传输床l o o运行 i o e g e m i n比利时引流床2 0 0 1 9 9 0 年废弃 l lc a s t l ec a p i t a l 加拿大烧蚀管2 0 0 0停用 1 2b b c 加拿大 烧蚀床 5 0停用 1 3 n r e l美国 烧蚀涡流器 3 0 1 9 9 7 年拆除 1 4 n r e l美国 烧蚀涡流器 2 0 运行 1 5 i n t e r c h e n 美国烧蚀涡流床 1 3 6 0 1 9 9 4 年废弃 1 6 u n i v e r s i t yo f l a v a l加拿大真空移动床 5 0 运行 1 7 b t g 荷兰旋转锥 2 0 0 0 运行 1 8u n i v e r s 时o f l w e n t c荷兰旋转锥l o运行 1 9沈阳农业大学厂t w e n t e中国 旋转锥 5 0运行 2 0华东理工大学中国喷动流化床5运行 2 1山东理工大学中国 等离子电加热 l运行 2 2中国科学技术大学中国流化床1 2 0运行 1 4 现场控制系统开发的背景、目的 1 4 1 背景 中国科学技术大学安徽省生物质洁净能源重点实验室在广泛吸取国内外的 有益经验的基础上，于2 0 0 6 年成功研制出具有工业应用雏形的每小时可处理1 2 0 公斤生物质物料的自热式快速流化床生物质热解液化装置，采用典型生物质进行 第：章绪论 的试验结果表明：稻壳和木粉在正常风干情况下，液化产油率分别可以稳定地 达到5 0 和6 0 以上，生物油热值为1 6 1 7 m j 瓜g ；不同原料所产的生物油可 以方便地混合在一起；除反应温度和滞留时间外，原料水分对液化的影响也非 常大 3 0 】。 该装置采用热解副产物炭粉和空气燃烧产生的热量作为热源，热解过程中的 不可冷凝气体作为流化载气，从而实现了自热式热解液化。如图1 。2 所示，该装 置中关键的部件包括原料进料、热解热源、快速流化和快速冷凝。本装置采用两 级螺杆进料系统，即一级螺杆进料作为调速作用，二级螺杆进料快速推进，以防 止原料高温结团致使进料不畅；热解热源使用热解副产物炭粉的燃烧来提供，这 样可以充分利用热解副产物，降低生物油生产成本；热解反应器采用快速流化床， 以得到较高的换热速率和短的气相停留时间，提高生物油的产量；热解蒸汽采取 生物油快速冷凝技术，提高生物油的产收率。 图1 2 自热式热解液化装置 在热解装置调试阶段，为了改动的方便，全部采用手动控制方式，即通过控 制柜上的温度、压力表、指示灯、开关等现场信息来实现对电机、风机的启动和 停止，利用调速表来调整电机转速以控制进料量和风机流量。 热解装置调试正常后，在连续长时间运行时遇到以下问题：该装置连续运 行时需要4 名左右的劳动力，主要包括进料工、操作工和监视工，如果装置处理 量增大的话势必需要更多的劳动力，增加生物油的生产成本；热解装置一天 2 4 小时运行给操作员带来极大的负担，要求操作员注意力保持高度集中：运 行参数采取手动记录，数据的连续性和准确性不能保证，影响对热解装置后续的 优化和改进。这些问题迫使我们需要快速开发出本系列生物质热解装置的自动控 制系统。 一鋈黪蕾戆黼稽一灏 一罐懑一教麓糍剿粼糕怒溪 曩端。，氛蕤鍪缀激戮；噎一，r|蓍。鼍“誊一 第l 章绪论 1 4 2 目的 通过上面问题的分析，我们开始尝试开发生物质热解液化装置的自动控制系 统。由于生物质热解液化装置是一个新型的设备，目前的产业化装置基本处于试 验调试阶段，对其控制系统的开发也是一片空白，并且该装置存在很多不同的设 计方案，因此探索对本实验室热解装置的控制系统具有重大意义。我们在充分调 研工业过程控制技术对热工、化工行业的应用过程，结合我们实际情况，提出开 发生物质热解液化装置的现场控制系统，即通过现场仪表采集数据传输到系统 中，利用现场控制系统实现对热解装置的控制，从而解决以下问题： 节约劳动力，降低生物油生产成本：生物油生产成本中劳动力成本占据较 大的比例，这就降低了该技术产业化的优势，控制系统的开发可以很好解决这个 问题。 安全连续运行：热解装置属于高温、带燃气设备，在运行过程中安全非常 重要。人工操作不可避免受到人的主观的影响，从而在长时间连续运行过程中存 在安全隐患，现场控制系统替代人工操作能确保装置安全连续运行。 优化热解装置运行参数：采取人工操作、记录的方法最大的缺点是人的主 观能动性的差别，熟练工人和非熟练工人操作对热解装置的掌握程度不同势必造 成产油率和热解装置使用寿命的下降，而通过现场控制系统可以有效保护装置的 运行，并且通过数据采集可以更好地分析装置运行数据，达到优化装置运行参数 的目的，提高对后续设备的开发能力。 积累经验，为后续成熟的设备控制系统开发打下基础：现场控制系统的开 发是对生物质热解装置自动控制的第一次尝试，通过积累的经验为下一步产业化 装置成熟的控制系统开发做准备，促进生物质热解液化技术的成熟。 1 。5 本文的主要内容 第一章介绍了能源和环境的关系，指出生物质热解液化技术具有重大意义， 并介绍了中国科学技术大学开发的自热式生物质热解液化装置，提出了现场控制 系统开发的背景和目的。 第二章根据热解装置的特点，把装置分为三个系统：燃烧系统、热解系统和 冷凝系统，并介绍了三个系统的功能和结构组成。 第三章分析了自热式热解液化装置三大系统：燃烧系统，热解系统，冷凝系 统的控制特点，根据其特点采取以燃烧温度为中心的现场控制系统，并对燃烧温 度采取分区域控制方法。 第四章介绍了工业过程控制技术中的d c s 、f c s 、p l c 系统技术特点，并根 l 7 第1 章绪论 据控制要求选取p l c 和触摸屏组合成装置的现场控制系统。 第五章介绍了现场控制系统硬件、软件的设计和开发，包括硬件连接，i o 配置、控制流程图、p l c 程序开发、触摸屏程序开发等。 第六章介绍了现场控制系统的调试和运行情况，并对运行结果进行了分析。 第七章总结全文，并分析了开发的现场控制系统的创新点和不足之处，对后 续工作提出展望。 8 第2 章热解液化装置介绍 第2 章热解液化试验装置介绍 中国科学技术大学开发的每小时处理1 2 0 k g 物料的自热式生物质热解装置 是利用热解副产物炭粉的燃烧来提供热解需要的能量。为了实现对装置控制系统 的开发，需要详细了解装置的组成结构和功能。根据热解装置各部件的结构和功 能特点，我们把自热式热解装置简化为图2 。l 。如图所示，生物质原料通过进料 电机进入热解反应器料斗，采取两级螺杆进料系统进入热解床，在热解床中发生 热裂解反应，其产物( 气体和固体产物) 进入气固分离器，实现气固分离，固体 产物即热解炭粉进入燃烧床料斗，通过进料电机进入燃烧床燃烧，产生热量；而 热解气体产物进入冷凝器，用生物油对其进行大流量的喷淋，收集热解过程产生 的生物油：不可冷凝的气体通过风机进入燃烧床的换热器升温后继续进入热解床 与进入的原料发生热解反应，从而实现了自热式热解液化工艺。 根据装置各个模块的功能特点，可以将之分为燃烧、热解和冷凝三个系统， 如图2 1 虚线所示。下面分别介绍这三个系统的功能和结构组成。 图2 。l ：热解装置工艺流程图 2 1 燃烧系统 燃烧系统实现对热解炭粉的流化燃烧，产生的热量给进入燃烧床的循环气换 第2 章热解液化装置介绍 热，提供热解需要的能量。燃烧系统是装置稳定、安全运行的基础。 燃烧系统包括燃烧床、换热器、进料系统和配风系统，如图2 1 所示。热解 副产物炭粉经热解过程的分离系统后进入料斗，利用料位开关控制炭粉高度，并 通过两级螺杆进料电机进入燃烧床，即第一级进料用调速器调速定量控制进料 量，第二级进料快速进入；风机实现配风，并通过燃烧床底部的布风板，使炭粉 均匀流化，为了实现对不同进料量的配风，需要对风机进行定量控制，实现炭粉 的稳定燃烧；炭粉流化均匀后在燃烧床里实现流化燃烧，其燃烧效果主要表现为 床内压力和温度的变化；循环气进入燃烧床内部的换热器，升温后进入热解床， 给生物质原料热解过程供能。 2 2 热解系统 图2 2 燃烧系统结构图 热解系统是生物质原料实现热裂解过程的系统，是装置运行的核心，决定了 生物油的产量和质量。 热解系统包括循环风系统、进料系统、热解床、气固分离系统，如图2 2 所 示。循环风系统是通过循环风机作用下，把从冷凝器出来的不可冷凝气体即循环 气带入燃烧换热器实现换热升温后而进入热解床；原料首先通过进料提升机进入 料斗，再通过两级螺杆进料系统进入热解床，其两级进料供能与燃烧系统一样； 原料进入热解床后与高温循环气实现快速换热和剧烈热裂解，即实现生物质原料 的快速热解，生物质原料的高分子物质裂解成小分子物质和一部分炭：热解过程 产生的热解蒸汽和热解炭粉随流化气体进入气固分离装置，也就是旋风分离器， 通过两级旋风分离后，炭粉进入料斗，并通过进料系统进入燃烧床，而热解蒸汽 进入冷凝器实现对生物油的收集。 l o 第2 章热解液化装置介绍 原料 f 占气固糯、 ， 、 y 冷 热 凝 解 炭粉 器 床 v 乞一燃烧换热器 tj 图2 3 热解系统结构图 2 3 冷凝系统 冷凝系统是生物油的收集装置，关系到生物油的产量和装置的连续运行。 冷凝系统包括冷凝塔、喷淋系统、冷却水系统、换热器和放油阀门，如图 2 3 所示。从热解系统过来的热解蒸汽进入冷凝塔后，喷淋系统的油泵把冷凝塔 底部已冷却的生物油从冷凝塔的顶部喷出，实现对生物油的收集，即热解蒸汽中 可以冷凝的物质几乎全部冷却为生物油；不可冷凝的气体排出作为循环气在循环 风机作用下进入燃烧换热器；冷却水系统利用水泵把冷水打入冷凝塔底部的换热 器，冷却生物油，降低生物油的温度以防止冷凝器中生物油油温过高引起结焦； 生物油液位高度根据冷凝塔底部油位的高度来控制，即采用上下两个液位计，当 油位高于上液位时开始放油，油位低于下液位时，停止放油，通过放油阀门实现。 热解蒸汽 图2 4 冷凝系统结构图 第3 章现场控制系统分析研究 第3 章现场控制系统分析研究 生物质热解装置运行的基本要求包括：优质高产，即生物油产量和质量尽 量达到最高；高效节能，对燃烧、热解和冷凝过程达到最优化；安全耐用， 延长装置使用寿命。根据以上三个基本要求，首先取决于热解液化装置的合理设 计，但还必须要求合适的控制系统与之配套。生物质热解液化装置控制系统的主 要任务是： 热解副产物炭粉在燃烧床燃烧换热，以满足热解需要的能量； 生物质热解温度控制在一定范围，以达到最大的产油率： 循环风在热解床中快速流化，达到快速换热和热解反应的目的： 生物油喷淋的流量保持在一定范围； 燃烧的经济性和安全性： 流化床内的流化状态监控； 冷凝塔的生物油温度监控。 为了实现上述目标，我们分别对燃烧系统、热解系统和冷凝系统三个子系统 进行控制要求和控制特点的分析，下面分别介绍其结构特点和控制要求。 3 1 燃烧系统控制分析 燃烧系统是利用热解副产物炭粉燃烧来提供给热解过程所需的热能，是装置 稳定、连续运行的基础，因此燃烧系统的控制也是该现场控制系统开发的关键部 分。由于流化床燃烧具有对燃料适用性好、燃烧效率高、流化床的热截面强度高 等优点【3 1 1 ，我们采用流化燃烧方式来实现热解副产物炭粉的燃烧。燃烧状况和换 热状况都由燃烧温度、压力表现出来，因此燃烧温度、压力是燃烧控制系统的重 要参数。由于热解副产物炭粉具有低热值( 约2 0 m j 瓜g ) ，高灰分( 大于4 0 叭) 的特点，在燃烧过程容易出现熄火和高温结焦的问题，这就要求严格控制燃料和 配风比例，并且燃烧温度要控制在较小范围。另外流化燃烧方式必须监控床内压 力以得到较好的流化状态【3 5 】【3 6 1 。燃烧安全性也是燃烧系统控制的重点。 3 1 1 燃烧温度控制 燃烧采取流化床方式实现，其温度分布具有分布参数、时变、滞后的特点【3 4 1 。 根据温度分布特点我们把温度分为两个区域：燃烧高温区和燃烧出口温度区。高 第3 章现场控制系统分析研究 温区温度可以检测换热效果和燃烧状况，出口温度检测燃烧效率。本装置中对燃 烧控制主要采用高温区温度作为参数量，而出口温度在安全监控时作为参考量。 温度信号利用k 型热电偶采集。 燃烧温度关系到装置运行的稳定性和装置使用寿命。一般流化床锅炉的燃烧 控制系统是根据负载的需求而对调节量如燃料、引风、送风进行调节，并且三个 调节量存在紧密的耦合关系，一般采取解藕控制方式或高级控制算法实现对燃烧 系统的控制p7 1 。生物质热解液化装置由于其燃料热解炭粉的灰熔点在9 0 0 以 下，且其中含有较多的碱金属k 、s i 等，在高温下容易结焦成团，并且腐蚀装置， 因此尽量控制燃烧温度在比较低的范围f 翊。然而如果燃烧温度过低，由于燃料热 值较低，又会带来燃烧的不稳定，造成熄火、爆燃等故障，并且为了给热解提供 足够的能量，循环风必须增大流量或增大燃烧床内换热器面积，这都给设计带来 困难。 通过研究热解炭粉的燃烧技术，我们总结出本装置如果采用热解炭粉作为燃 料燃烧来提供热解需要的能量，首先必须解决的是燃烧的稳定性问题，因为只有 稳定的热源，才能保证热解过程需要的能量。在调试过程中，燃烧的稳定性也是 我们遇到的最大问题。因此本现场控制系统我们采取以燃烧温度为中心的控制方 法，即优先考虑对燃烧系统的控制，在保证燃烧稳定的前提下再考虑换热器的效 率问题，并通过调节热解系统原料迸料量实现对热解温度的控制。这种方法与传 统的流化床锅炉控制方法不同，因为传统的流化床锅炉一般采取煤或燃料油等高 热值的燃料，不存在燃烧技术的困难，因此传统的流化床锅炉控制系统都是以主 蒸汽压力作为控制中心，而燃烧温度作为副调节量，即当主蒸汽压力要求变化时 来调节燃料和配风实现。通过深入试验和研究，我们发现要实现以熟解温度为中 心的控制方法很困难，因此我们确定以燃烧温度为核心的控制方案。我们总结出 燃烧高温区温度范围在7 0 0 8 0 0 时，可以避免燃烧温度过高造成灰渣结焦，又 能保证燃烧稳定性，满足换热器设计需要。 燃料量 。 燃 配风量 烧 燃烧温度 i 环风流量 。 系 环风温度 统 图3 1 影响燃烧温度的输入量 第3 章现场控制系统分析研究 燃烧温度是一个多输入系统，如图3 1 所示，主要受燃料量、空气流量、循 环风流量、循环风温度的影响，其中燃料量是燃烧温度的主要调节量，空气流量 通过进料量来调整，循环风流量、温度是影响燃烧高温区温度的最大扰动量。 根据燃烧高温区温度特点，我们把它分为四个区域，分别为区域1 ： 8 0 0 。四个温度区域的进 料、配风和干扰分别介绍如下： ( 1 ) ：区域l 是燃烧床起炉阶段，点火后由于床体温度过低，为了使燃烧稳定 采取燃料过量的方法，并且炉膛温度惯性较大，进料量调节不应过快，否则容易 造成炉膛升温太快使炉膛产生较大的热变形而损坏炉膛。同时，空气流量不能过 大，因为空气流量过大造成流化速度过快会使燃烧熄火，但空气流量必须高于燃 料的最低流化速度所需的流量。此温度区域没有循环风进入，因此可以不考虑外 部干扰。 ( 2 ) ：区域2 是燃烧床升温阶段，由于在第一温度区域采取过量进料的方法， 为了防止炉膛结渣，此阶段必须增加配风流量，以加快流化速度，冲刷炉膛内壁 面。并且本温度区域温度升的较快，为了防止热变形损坏装置，进料和配风比例 要求适当，且进料调节不应过快。 ( 3 ) ：区域3 为燃烧供热区，由于循环气进入燃烧床内的换热器，对燃烧温度 造成较大的干扰，假如操作不当，比如增加进料量或降低配风等，容易导致后续 温度失控。因此我们在循环风进入时给出一个延时时间，再对进料配风实施控制。 在手动调试过程中，我们得出在此区域维持温度在7 5 0 左右，基本能保证循环 风换热量，并且燃烧区域也比较稳定。 ( 4 ) ：区域4 是防结渣区，燃烧温度大于8 0 0 后很容易使炉膛结渣，必须降 低燃烧床高温区温度，采取的措施主要是减少进料量或降低配风量。如果燃烧高 温区温度大于9 0 0 ，我们给出报警信号。 通过以上分析，我们知道在不同的温度区域需要采取不同的进料量调节方 法，同时对应的配风比也要调整。因此我们对燃烧温度采取分区域的串级控制方 案，即在不同的温度区域选用不同比例、微分和积分系数的p i d 控制器调节进料 量，并在不同温度区域给出不同比例系数的配风量。空气流量的控制采取闭环控 制。变频器对电机速度调节具有很好的线性的特点【3 3 1 ，我们采用变频器来调节进 料量和配风量。 图3 2 给出燃烧温度分区域串级控制系统示意图，其中疋，为燃烧高温区温 度，e 为空气流量，豫c 为温度区域选择器，陀为燃烧温度控制器，乃为配 风流量控制器，月为变频器调速，m 代表电机。 1 4 第3 章现场控制系统分析研究 尾气 3 1 2 燃烧安全监控 图3 2 燃烧温度分区域串级控制 燃烧安全监控主要包括燃烧状态、流化状态、炉膛防结焦、进料系统和风机 运行监测等。 尾气 图3 3 燃烧安全监控示意图 o 燃烧状态主要通过炉膛温度变化来判断。通过对装置的调试，我们知道热解 炭粉在燃烧床体的燃烧状态主要表现为随温度变化而变化。燃烧高温区温度毛 是燃烧状态直接反应，但由于循环风换热的干扰，有时给人一种错觉，因此我们 第3 章现场控制系统分析研究 对燃烧高温区疋和燃烧出口温度乙两个温度点综合比较，即丁。低于6 0 0 ，并 温度下降速度大于5 1 0 s ，且z ：下降速度也大于5 1 0 s ，燃烧状态控制器列给 出燃烧熄火的报警信号，在延时时间段内等待操作员确定，超过延时时间采取关 闭进料电机措施，并实现相应的停机操作。 流化状态是通过布风板压力与床内压力罡，的差确定，因此在燃烧过程中 对流化状态的监控通过两个点的压力差确定。通过试验得到压力差范围为 0 8 k p a 2 5 k p a ，流化状态控制器朋根据两点压力差给出流化状态报警信号：当 压力差低于此范围，给出流化速度过快可能导致燃烧稳定性下降的报警；当压力 差高于此范围，提示布风板布风故障报警。 炉膛防结焦通过高温区温度乏。和布风板压力，与床内压力：综合分析来 确定。由于炉膛结渣部位一般为高温区，因此高温区热电偶的温度信号较大，通 过对进料等的调节如果无法实现对温度的下降，此时观察压力罡，与：的差，如 果压力差大于3 l 【p a ，给出炉膛结焦报警信号，并提示增大引风量，以快速流化 方式吹扫炉膛。为了防止炉膛装置损坏，如果吹扫效果不佳时还要给出停机指令， 由操作员确定后停机。 进料系统的监控主要包括进料料斗的料位高度和进料电机的运行状况。进料 料斗是通过料位开关厶和丘，来实现料位高度的控制，我们采取上下料位互锁的 料位控制器三c 实现料位高度保持在上下料位之间，料位高于上料位给出料位过 高报警，料位低于下料位给出料位低报警，并且给出延时，如果延时时间内料位 没有达到下料位，给出停机报警，等待操作人员确认后停机。进料电机是利用变 频器的报警信号来实现过压、过载等监控，不采用变频器控制的电机利用过载继 电器实现监控。 风机的监控也可采用变频器的报警信号来实现。把变频器的过载报警信号作 为风机运行状态的监控信号。 3 2 热解系统控制分析 热解系统是生物质原料与热的循环气体发生快速换热和热解过程的反应器。 热解系统是生物质热解液化装置的核心，决定生物油产量和质量。 影响生物质热解的主要因素是加热速率、反应温度、气相滞留时间和高温有 机蒸汽的淬冷【引。加热速率受反应器结构和原料颗粒影响，本装置采用快速流化 床反应器，实现生物质原料和热载气体的混合，加热速率达到1 0 4 l 妒s ，能 满足热解液化加热速率条件。高温有机蒸汽的淬冷是在冷凝系统中实现，3 3 节 将具体介绍。因此热解控制系统主要包括对生物质热解温度、气相停留时间的控 1 6 第3 章现场控制系统分析研究 制和热解过程的安全监控。 3 2 1 热解温度控制 生物质热解过程中，温度是一个重要的因素，不同的生物质原料在不同的热 解温度下热解，生物油产率是不一样的。生物质主要由纤维素、半纤维素和木质 素构成，纤维素和半纤维素的热解发生在一个较窄的温度范围内，即普遍认为适 合于生物质热解的温度范围为4 5 0 5 5 0 ，当温度过高，热解气体中的长链液 相分子将发生严重的二次裂解而成为小分子气体，液体产率下降；温度过低时， 反应中形成的某些自由基将会缩合变成焦炭，进而也会降低液体产率【j j 。通过对 木屑、稻壳、玉米秸和棉花秸的试验，我们总结出装置在热解温度范围 4 8 0 5 2 0 内，产油量达到最大，分别为：6 2 、5 5 、5 8 、5 9 【硎。 原料种类 。 热 原料温度 解 环风流量 床 i 环风温度 图3 3 影响热解温度的调节参数 本装置中，热解温度调节参数包括生物质热解原料量、原料种类、原料温度、 循环风流量和循环风温度。由于循环风温度是通过燃烧系统的换热器来升温的， 因此循环风温度与燃烧区温度有关。由于燃烧区温度是一个具有较大惯性的系 统，且为了保证燃烧稳定和防止床体内结焦，其温度只能控制在一个较小的区域， 因此通过燃烧温度来调节循环风温度具有较大的难度。循环风流量是保证热解流 化床运行的另一个重要因素，这不仅关系到生物质原