CN115930243B - 一种智能化工烟气回收调节设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种智能化工烟气回收调节设备，包括吸烟设备、烟气储存设备、烟水分流装置、绝热储气罐、绝热储水罐、气换热设备、水换热设备以及各管道上的控制阀门。喷淋式管道将部分烟气热用水置换，实现烟气和水热的分流，从而更高效的吸收对应介质携带的热负荷。还能将多余烟气或者水进行绝热储存，在系统需求大时进行热转换。利用天牛群算法，对于各个管道的控制阀门开合大小进行优化控制，实现该调节设备最优的余热回收效率。与现有技术相比，该设备具有较高的化工烟气余热回收效率，并能够有效替代综合能源系统中的余热锅炉等热回收设备，并且还能进行热能的存、放功能，与控制阀门共同实现调节器内部的热负荷调度。

Description

一种智能化工烟气回收调节设备

技术领域

本发明涉及热源回收技术领域，具体涉及一种智能化工烟气回收调节设备。

背景技术

随着中国经济的快速发展，年能源消费总量越来越多，其中约80％为化石能源消费量，其余各清洁能源利用率普遍较低。在总能源消耗中，超过70％为工业能源消耗，其中至少有一半的能耗转变为工业余热，但目前对工业余热的回收率及利用率都较低，多数以废热形式排放到大气或水体中。在能源日益匮乏的背景下，为了提高能源利用率，更好地利用工业余热，余热回收利用技术迅速发展起来，各国学者积极开展余热回收方面设备的研究，从而提高整个工业行业余热回收比。工业余热被视为煤、石油、天然气、水力之外的第五常规能源，其中化工烟气余热分布范围广，在工业余热资源中超过一半。因此，优化化工烟气回收技术具有较为广阔的前景，是未来的重要发展内容。

国内外学者在这一技术领域进行了大量的研究工作。有学者成功验证了开放式烟气回收系统可从常规热设备中回收烟气余热，提高系统整体效率。有学者验证了在烟气驱动式回收系统中的生物质锅炉，回收的热量比传统锅炉更高。有学者验证了在烟气驱动的回收系统中，开放式电热泵回收比封闭式系统烟气效果更好。有学者为了提高烟气驱动式开放回收系统的效率，探索了一种根据热源温度自由切换单机或双机模式的余热回收方式。

但是上述的余热回收效率并不高，且热负荷浪费严重。因此，为了进一步加快新能源的发展，更好的保护生态环境，并有效提高能源利用率，需要一种较为高效的化工烟气余热回收设备，并能够进一步优化提高余热回收效率。

发明内容

发明目的：针对背景技术中指出的问题，本发明提供一种智能化工烟气回收调节设备，该设备具有较高的化工烟气余热回收效率，降低排烟热损失，并能够有效替代综合能源系统中的余热锅炉等热回收设备，并且还能进行热能的存、放功能，与控制阀门共同实现调节器内部的热负荷调度。

技术方案：本发明公开了一种智能化工烟气回收调节设备，包括吸烟设备、烟气储存箱、烟水分流装置、绝热储气罐、绝热储水罐、气换热设备以及水换热设备；

所述吸烟设备、烟气储存箱、烟水分流装置依次通过管道连接，所述烟水分流装置通过管道分别与绝热储气罐、绝热储水罐、气换热设备以及水换热设备连接；

所述烟水分流装置结构包括一个入口和两个出口，其内部结构包括一条弯曲的管道，在管道的下端安装有筛子，用于分离烟和水；

所述吸烟设备与烟气储存箱之间、烟气储存箱与烟水分流装置之间、烟水分流装置与绝热储气罐、绝热储水罐之间、绝热储气罐与气换热设备之间、绝热储水罐与水换热设备之间均设置有控制阀门；

所述吸烟设备与烟气储存箱之间、烟气储存箱与烟水分流装置之间的控制阀门，通过实时监测吸烟设备的工业烟气量，根据回收的工业烟气量决定开合大小；

烟水分流装置与绝热储气罐、绝热储水罐之间、绝热储气罐与气换热设备之间、绝热储水罐与水换热设备之间的控制阀门，根据用户的用热量及烟气和热水的存储量决定开合大小；其控制阀门上设置有控制器，所述控制器中设置有基于天牛群算法的控制阀控制方法，控制各管道的控制阀门开合大小，进行优化控制；

所述烟水分流装置与绝热储气罐、绝热储水罐之间、绝热储气罐与气换热设备之间、绝热储水罐与水换热设备之间的控制阀门控制过程为：搜集工业园区用热量数据的取值，与当日用户对于供热量具体的动力需求进行对比，决定此系统存储或调用热量，即在热需求低于此用热量数据的取值时，将多余的烟气和热水进行存储，通过控制阀门的控制器中设置的基于天牛群算法的控制阀控制方法，控制各管道的控制阀门开合大小，进行优化控制；在热需求高于此用热量数据的取值或者热量供应不足时，进行调用存储的烟气及热水，并通过所述绝热储气罐与气换热设备之间、绝热储水罐与水换热设备之间的控制阀门转换成热量，以此满足用户的用热需求，控制阀门的控制器中设置有基于天牛群算法的控制阀控制方法，控制各管道的控制阀门开合大小，进行优化控制。

进一步地，所述烟气储存箱与烟水分流装置之间还设置有喷淋式管道，吸烟装置进行余热回收，将其暂时储存于烟气存储箱中，通过控制阀的控制，将回收的烟气输送到喷淋式管道中，利用喷淋式管道将部分烟气用热水置换，喷水阀门等间距布置。

进一步地，所述基于天牛群算法的控制阀控制方法具体包括如下步骤：

步骤1：建立目标函数，根据控制阀门开、关的动作机制，对控制阀门的闭合大小进行优化调节，所述控制阀门的闭合大小由以下目标函数确定：

式中：η_bac为热转换率；G_gra为阀门闭合大小；Q_i为第i个阀门的回收热量；i_in为阀门输入电流大小(mA)；i_max为阀门完全打开所需最大电流(mA)；

步骤2：随机生成方向向量，并标准化：

式中：D为空间维度；rands为随机函数；

步骤3：计算左右须坐标：

式中：X_r为k时刻天牛右须的位置；X_l为k时刻天牛左须的位置；X_k为k时刻天牛的位置；d^k为k时刻质心到须的距离；

步骤4：计算下一个时刻位置天牛的位置：

式中：δ^k为k时刻的步长；f为适应度函数；sign( )为符号函数；

步骤5：步长与搜索距离更新：

δ^k+1＝γ·δ^k

式中：γ为认为设定的衰减系数；C₃为认为设定的变距离系数；

步骤6：将天牛须搜索中的位置更新策略引入到粒子群算法的粒子更新规则中，新的更新规则为：

式中：Vb_i为天牛群算法的速度更新率；C₁，C₂为学习因子；pBest^k-1为第k-1代种群的历史最优解；gBest^k-1为全局最优解；V_P为历史最优解的速度更新率；V_G为全局搜索的速度更新率；表示第k代种群的第i个粒子的速度；ω为惯性权重；/>为更新后最优粒子的位置；

步骤7：判断是否达到最大迭代次数，若达到，则输出最优解；若不是，则回到步骤3。

有益效果

1、本发明在化工烟气的回收过程中，增加了喷淋式管道，喷水阀门按照计算等间距布置，增大了烟气热置换的面积，从而更高效的吸收对应介质携带的热负荷，提高了余热回收的效率。

2、本发明在化工烟气的回收过程中，为了针对性回收不同介质的余热，通过烟水分流装置，将烟气和热水进行分流，实现热量的置换，提高余热回收的效率。

3、本发明将多余烟气或者水进行绝热储存，在系统需求大时进行热转换，提高能源利用率通过余热回收，充分减少了生产过程中的不必要浪费，提高生产效率，减少能源浪费。

4、本发明结合天牛群算法(BSO)，对于各个管道的控制阀门开合大小，进行优化控制，吸烟设备与烟气储存箱之间、烟气储存箱与烟水分流装置之间的控制阀门，根据回收的工业烟气量决定开合大小，烟水分流装置与绝热储气罐、绝热储水罐之间、绝热储气罐、绝热储水罐与气换热设备、水换热设备之间的控制阀门，根据用户的用热量及烟气和热水的存储量决定开合大小，实现该调节设备最优的余热回收效率。

5、该设备具有较高的化工烟气余热回收效率，并能够有效替代综合能源系统中的余热锅炉等热回收设备，并且还能进行热能的存、放功能，通过绝热储气罐、绝热储水罐、气换热设备、水换热设备将多余烟气或者水进行绝热储存。根据搜集的工业园区用热量数据的取值，与当日用户对于供热量具体的动力需求进行对比，决定此系统存储或调用热量，即在热需求低于此用热量数据的取值时，将多余的烟气和热水进行存储，在热需求高于此用热量数据的取值或者热量供应不足时，进行辅助提供含热介质，即调用存储的烟气及热水，并通过相应的换热设备转换成热量，以此满足用户的用热需求，与控制阀门共同实现调节器内部的热负荷调度。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为烟水分离装置的结构示意图；

图3为本发明中化工烟气回收调节设备结合天牛群算法实现最优输出的流程图；

图4为本发明中化工烟气回收调节设备的各热量占比优化前后对比图；

图5为本发明中化工烟气回收调节设备的烟气排放情况优化前后对比图；

图6为本发明中化工烟气回收调节设备的输出功率优化前后对比图。

其中，1-吸烟设备、2-烟气储存设备、3-烟水分流装置、4-绝热储气罐、5-绝热储水罐、6-气换热设备、7-水换热设备。

具体实施方式

接下来，结合图1、图2和具体实施方式对本发明进行详细阐述。本实施方式以本发明提出的技术方案为前提，但本发明的保护范围不限于以下所述的实施方式。

本发明提出了一种智能化工烟气回收调节设备。吸烟设备1、烟气储存设备2、烟水分流装置3、绝热储气罐4、绝热储水罐5、气换热设备6、水换热设备7、各管道上的控制阀门。

本发明利用所设计的化工烟气回收调节设备对产生的化工烟气进行余热回收。通过吸烟设备1将产生的化工烟气送入本化工烟气回收调节设备中，打开管道上的控制阀门到合适的开合大小，使回收的化工烟气通过管道进入烟气存储箱2，利用烟气存储箱2将化工烟气暂时存储。打开管道上的控制阀门(烟气存储箱2与喷淋式管道之间的控制阀门)到合适的开合大小，使存储的化工烟气经过喷淋式管道，喷淋式管道将部分烟气热用水置换后，送入烟水分流装置3中。通过烟水分流装置3，将多余烟气或者水进行分流，针对性回收不同介质的余热。打开管道上的控制阀门(烟水分流装置3与绝热储气罐4、绝热储水罐5之间的控制阀门)到合适的开合大小，通过绝热储气罐4、绝热储水罐5将多余的烟气或水进行绝热储存，并在调用热量时，将绝热储气罐4、绝热储水罐5与气换热设备6、水换热设备7的管道上的阀门打开至合适的大小，将存储的烟气和水分别送入气换热设备和水换热设备中，转换成热量后供应给用户。最后，可根据不同的热需求，与控制阀门共同实现调节器内部的热负荷调度。

在化工烟气的回收过程中，通过管道将回收的化工烟气输送到喷淋式管道中，利用喷淋式管道将部分烟气热用水置换，喷水阀门按照计算等间距布置，增大了烟气热置换的面积，从而更高效的吸收对应介质携带的热负荷，提高了余热回收的效率。

在化工烟气的回收过程中，为了针对性回收不同介质的余热，通过烟水分流装置3，将烟气和热水进行分流。通过了喷淋式管道的烟气被置换为烟和水的混合物后，通过管道进入烟水分流装置3，在其内部弯曲的管道中流动，混合物中的烟将通过上端的出口进入绝热储气罐4中，并进一步流入气换热设备6中；混合物中的水将通过筛子流到下端，并通过下端的出口进入绝热储水罐5中，并进一步流入气换热设备7中。以此实现了烟和水的分离，实现热量的置换，提高余热回收的效率。

吸烟设备1与烟气储存箱2之间、烟气储存箱2与烟水分流装置3之间的控制阀门，通过实时监测吸烟设备1的工业烟气量，根据回收的工业烟气量决定开合大小。

烟水分流装置3与绝热储气罐4、绝热储水罐5之间、绝热储气罐4与气换热设备6之间、绝热储水罐5与水换热设备7之间的控制阀门，根据用户的用热量及烟气和热水的存储量决定开合大小，其控制阀门上设置有控制器，控制器中设置有基于天牛群算法的控制阀控制方法，控制各管道的控制阀门开合大小，进行优化控制。

烟水分流装置3与绝热储气罐4、绝热储水罐5之间、绝热储气罐4与气换热设备6之间、绝热储水罐5与水换热设备7之间的控制阀门控制过程为：搜集工业园区用热量数据的取值，与当日用户对于供热量具体的动力需求进行对比，决定此系统存储或调用热量，即在热需求低于此用热量数据的取值时，将多余的烟气和热水进行存储，通过控制阀门的控制器中设置的基于天牛群算法的控制阀控制方法，控制各管道的控制阀门开合大小，进行优化控制。在热需求高于此用热量数据的取值或者热量供应不足时，进行调用存储的烟气及热水，并通过绝热储气罐4与气换热设备6之间、绝热储水罐5与水换热设备7之间的控制阀门转换成热量，以此满足用户的用热需求，控制阀门的控制器中设置有基于天牛群算法的控制阀控制方法，控制各管道的控制阀门开合大小，进行优化控制。

上述的控制阀门上均设置有控制器，控制器中引入算法优化模型，基于天牛群算法建立目标函数。根据闸门开、关的动作机制，需要对闸门的闭合大小进行优化调节，吸烟设备1与烟气储存箱2之间、烟气储存箱2与烟水分流装置3之间的控制阀门，根据回收的工业烟气量决定开合大小，烟水分流装置3与绝热储气罐4、绝热储水罐5之间、绝热储气罐4与气换热设备6之间、绝热储水罐5与水换热设备7之间的控制阀门，根据用户的用热量及烟气和热水的存储量决定开合大小，实现余热回收效率最高的目的，公式如下：

式中：η_bac为热转换率；G_gra为阀门闭合大小；Q_i为第i个阀门的回收热量；i_in为阀门输入电流大小(mA)；i_max为阀门完全打开所需最大电流(mA)。

利用天牛群算法(BSO)，对于各个管道的控制阀门开合大小，进行优化控制，实现该调节设备最优的余热回收效率，输出最优结果，包括以下步骤：

步骤1)：随机生成方向向量，并标准化：

式中：D为空间维度；rands为随机函数。

步骤2)：计算左右须坐标：

式中：X_r为k时刻天牛右须的位置；X_l为k时刻天牛左须的位置；X^k为k时刻天牛的位置；d^k为k时刻质心到须的距离。

步骤3)：计算下一个时刻位置天牛的位置：

式中：δ^k为k时刻的步长；f为适应度函数；sign()为符号函数。

步骤4)：步长与搜索距离更新：

δ^k+1＝γ·δ^k

式中：γ为认为设定的衰减系数；C₃为认为设定的变距离系数。

步骤5)：将天牛须搜索中的位置更新策略引入到粒子群算法的粒子更新规则中，新的更新规则为：

式中：Vb_i为天牛群算法的速度更新率；C₁，C₂为学习因子；pBest^k-1为第k-1代种群的历史最优解；gBest^k-1为全局最优解；V_P为历史最优解的速度更新率；V_G为全局搜索的速度更新率；表示第k代种群的第i个粒子的速度；ω为惯性权重；/>为更新后最优粒子的位置。

步骤6)：判断是否达到最大迭代次数，若达到，则输出最优解；若不是，则回到步骤2)。

本发明主要利用MATLAB进行仿真，将各设备器件(包括吸烟设备1、烟气储存箱2、烟水分流装置3、绝热储气罐4、绝热储水罐5、气换热设备6以及水换热设备7)进行数学模型搭建，设定器件的功率及排放系数等参数，完成系统结构的仿真模型建立。并将器件24h功率输入到优化算法中，在系统输入输出热力平衡的条件下，不断对于目标函数进行寻优求解，得到余热回收量和相关剩余烟气排放量。通过仿真运行的结果，可以得出，优化后的系统与传统的系统相比，余热回收效率从30.87％上升至35.04％，每小时烟气排放量下降了约5～8万m²，每小时的输出功率上升了约16～20kW。因此，本系统具有较高的发展前景。

上述实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种智能化工烟气回收调节设备，其特征在于，包括吸烟设备(1)、烟气储存箱(2)、烟水分流装置(3)、绝热储气罐(4)、绝热储水罐(5)、气换热设备(6)以及水换热设备(7)；

所述吸烟设备(1)、烟气储存箱(2)、烟水分流装置(3)依次通过管道连接，所述烟水分流装置(3)通过管道分别与绝热储气罐(4)、绝热储水罐(5)、气换热设备(6)以及水换热设备(7)连接；

所述烟水分流装置(3)结构包括一个入口和两个出口，其内部结构包括一条弯曲的管道，在管道的下端安装有筛子，用于分离烟和水；

所述吸烟设备(1)与烟气储存箱(2)之间、烟气储存箱(2)与烟水分流装置(3)之间、烟水分流装置(3)与绝热储气罐(4)、绝热储水罐(5)之间、绝热储气罐(4)与气换热设备(6)之间、绝热储水罐(5)与水换热设备(7)之间均设置有控制阀门；

所述吸烟设备(1)与烟气储存箱(2)之间、烟气储存箱(2)与烟水分流装置(3)之间的控制阀门，通过实时监测吸烟设备(1)的工业烟气量，根据回收的工业烟气量决定开合大小；

烟水分流装置(3)与绝热储气罐(4)、绝热储水罐(5)之间、绝热储气罐(4)与气换热设备(6)之间、绝热储水罐(5)与水换热设备(7)之间的控制阀门，根据用户的用热量及烟气和热水的存储量决定开合大小；其控制阀门上设置有控制器，所述控制器中设置有基于天牛群算法的控制阀控制方法，控制各管道的控制阀门开合大小，进行优化控制；

所述烟水分流装置(3)与绝热储气罐(4)、绝热储水罐(5)之间、绝热储气罐(4)与气换热设备(6)之间、绝热储水罐(5)与水换热设备(7)之间的控制阀门控制过程为：搜集工业园区用热量数据的取值，与当日用户对于供热量具体的动力需求进行对比，决定此系统存储或调用热量，即在热需求低于此用热量数据的取值时，将多余的烟气和热水进行存储，通过控制阀门的控制器中设置的基于天牛群算法的控制阀控制方法，控制各管道的控制阀门开合大小，进行优化控制；在热需求高于此用热量数据的取值或者热量供应不足时，进行调用存储的烟气及热水，并通过所述绝热储气罐(4)与气换热设备(6)之间、绝热储水罐(5)与水换热设备(7)之间的控制阀门转换成热量，以此满足用户的用热需求，控制阀门的控制器中设置有基于天牛群算法的控制阀控制方法，控制各管道的控制阀门开合大小，进行优化控制。

2.根据权利要求1所述的智能化工烟气回收调节设备，其特征在于，所述烟气储存箱(2)与烟水分流装置(3)之间还设置有喷淋式管道，吸烟设备(1)进行余热回收，将其暂时储存于烟气储存箱(2)中，通过控制阀的控制，将回收的烟气输送到喷淋式管道中，利用喷淋式管道将部分烟气用热水置换，喷水阀门等间距布置。

3.根据权利要求1所述的智能化工烟气回收调节设备，其特征在于，所述基于天牛群算法的控制阀控制方法具体包括如下步骤：

步骤1：建立目标函数，根据控制阀门开、关的动作机制，对控制阀门的闭合大小进行优化调节，所述控制阀门的闭合大小由以下目标函数确定：

式中：η_bac为热转换率；G_gra为阀门闭合大小；Q_i为第i个阀门的回收热量；i_in为阀门输入电流大小(mA)；i_max为阀门完全打开所需最大电流(mA)；

步骤2：随机生成方向向量，并标准化：

式中：D为空间维度；rands为随机函数；

步骤3：计算左右须坐标：

式中：X_r为k时刻天牛右须的位置；X_l为k时刻天牛左须的位置；X_k为k时刻天牛的位置；d^k为k时刻质心到须的距离；

步骤4：计算下一个时刻位置天牛的位置：

式中：δ^k为k时刻的步长；f为适应度函数；sign()为符号函数；

步骤5：步长与搜索距离更新：

δ^k+1＝γ.6^k

式中：γ为认为设定的衰减系数；C₃为认为设定的变距离系数；

步骤6：将天牛须搜索中的位置更新策略引入到粒子群算法的粒子更新规则中，新的更新规则为：

式中：Vb_i为天牛群算法的速度更新率；C₁，C₂为学习因子；pBest^k-1为第k-1代种群的历史最优解；gBest^k-1为全局最优解；V_P为历史最优解的速度更新率；V_G为全局搜索的速度更新率；表示第k代种群的第i个粒子的速度；ω为惯性权重；/>为更新后最优粒子的位置；

步骤7：判断是否达到最大迭代次数，若达到，则输出最优解；若不是，则回到步骤3。