CN117018850A - 一种智能化的废气处理干法净化工艺系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种智能化的废气处理干法净化工艺系统，首先废气通过管道连接到预处理室，然后进入反应室，处理后的气体通过管道连接到烟囱，并在管道上设置有传感器模块进行粉尘含量和有害成分的实时监测。传感器模块用于监测气体压力、流量、浓度和温度。传感器模块将采集的数据传输到节点装置，通过无线通信网络传输到网关进行存储。中控系统对传感器模块采集的数据进行分析处理，判断处理后的气体是否达到可排放标准。中控系统可以调整反应室、吸附风机、排放风机的工作状态和参数，控制电池阀改变气体流向，将气体再次输送至反应室进行二次净化。本发明的优点是：提高处理效率、减少能耗，并保证稳定的排放水平。提高系统的反应和调节性能。
Description
技术领域
本发明涉及废气处理技术领域，特别涉及一种智能化的废气处理干法净化工艺系统。
背景技术
在化工、制药等企业的生产各个环节中会产生废气，其中含有有害成分主要是VOCs。按照规定，有害废气不能直接排放的。因此生产企业将这些废气通过管道集中输送到废气处理设备进行必要的处理，采用集中处理的方式，达标之后再进行排放。废气处理工艺主要是湿法净化利用喷淋溶剂方法产生反应降低有害成分，或者干法净化经过氧化塔进行氧化和吸附处理，最后经过处理的废气达到排放标准要求则可以对外排放。
干法净化回收工艺中不需要供水和蒸汽，也不排出废水避免了二次污染。干法净化工艺设备简单，操作方便，易于实现自动控制，可用于各种气候条件。因此本文针对干法净化工艺设备的智能化提出设计。
在废气处理干法净化工艺过程中，一般可以通过设备仪表来显示设备的运行状态以及对处理过程参数的监测，这主要是人工现场监测形式，然后进行相关的适当的调节，部分单位会将信号连接到专门的监控室，建立初级的自动控制形式；少数企业采用现代网络科技，但仅限于对排放口处的气体的检测，采用专业的成分检测设备进行检测并上网连接自动传送到应急管理或环保部门，进行实时连续监控。
上述现有的干法净化工艺废气处理系统，依靠现场人工监测，或部分本地集中形式，或是部分上网的形式，实际没有将整个系统的运行状态以及工作参数进行集中。
发明内容
本发明针对现有技术的缺陷，提供了一种智能化的废气处理干法净化工艺系统。改变监控设备的组成结构方式，采取建设无线网络实现集中控制形式，改变原来人工或有线形式，采取无线方式将设备状态及工作参数集中到中控室，并且连接废气排放有害成分检测。达到工作参数精准可查、排放指标实时监测。中控系统采用哈密尔顿算法对数据进行分析并得到结果。根据处理结果，网关上的中控系统发出指令给执行器智能化调整设备运行状态和工作参数，经无线网络传给指定节点装置，节点装置接受指令驱动相关部件工作以完成执行指令。实现对废气处理过程的智能化控制。
为了实现以上发明目的，本发明采取的技术方案如下：
一种废气处理干法净化工艺系统，包括：管道、预处理室、反应室、烟囱、传感器模块、吸附风机、排放风机、节点装置、网关、中控系统；
管道用于连接预处理室、反应室、烟囱、吸附风机和排放风机；
所述预处理室与反应室相连，预处理室利用过滤网和静电除尘装置，对废气进行前序处理工作，将废气中的固态杂质过滤。
反应室内配置专门的吸附床，还装备必要的反应化剂或者活性炭，针对废气中存在的有害物质，进行氧化操作和吸附处理。
反应室后端连接烟囱，其中烟囱相连的管道上设置有传感器模块，传感器模块对多种有害气体成分的检测，可实时监测净化完毕后的气体中的粉尘含量、有害成分，用以判断是否达到可排放标准。若此气体达到可排放标准，则直接进行对外排放；若此气体未达到可排放标准，则将此气体再次输送至反应室，进行二次净化。
传感器模块布设在预处理室、反应室以及反应室和烟囱之间的管道处，传感器模块包括：气体压力计、气体流量计、浓度检测仪和温度计；用于检测气体压力、气体流量、气体浓度和气体温度；
节点装置与传感器模块连接用于接收传感器模块采集的数据，节点装置与网关之间通过无线通信网络进行链接并进行数据传输，将数据汇集到网关存储；
中控系统对数据信息进行分析处理，判断是否达到可排放标准。若此气体达到可排放标准，则直接进行对外排放；
若此气体未达到可排放标准，则发出指令至节点装置，通过节点装置的控制模块调整反应室、吸附风机、排放风机的工作状态和调节工作参数，控制模块还控制电池阀来改变气体在管道中的流向，将此气体再次输送至反应室，进行二次净化。
进一步地，节点装置包括：核心处理器、无线通信模块和控制模块；
核心处理器负责调度本节点装置位置的信息向网关传送，传感器模块获取数据并传输给核心处理器，无线通信模块与网关连接实现双向通信。
节点装置负责对废气处理的设备状态、传感器参数、工作参数的各项数据进行采集，无线通信模块通过无线通信将节点装置的数据采集结果信息传送到网关。
控制模块根据核心处理器的指令用于控制气体的流量和气流方向；控制预处理室、反应室、吸附风机、排放风机和管道内电磁阀的运作。电磁阀能够实时开关管道气体流向，通过节点装置调节调整气流的大小和气流方向。
进一步地，所述中控系统通过网关与节点装置相连，中控系统通过网关发出经无线网络传送给指定节点装置，通过节点装置的控制装置调节气体流量流速，调整反应室的吸附反应时间以改变吸附处理的效果，控制管道中的电磁阀改变气体的流向。
进一步地，反应室装配温度计检测气体温度，通过节点装置将温度参数传递给中控系统。如果进入处理设备的气体温度高，则通过中控系统发出指令给电磁阀所在节点装置，调整电磁阀门工作，将废气接入冷却区，降温后注入吸附区。反之，温度低时要进行加温操作，中控系统发出指令给反应室的侧壁上设置的加温装置，将反应室的温度控制在恒定区间。
作为优选，节点装置的无线通信模块和网关均装载了无线双向通信网络通信协议。根据协议节点装置的无线通信模块在无线双向通信网络同时被定义既为路由器又为终端设备，节点装置不仅收发本节点装置的信息，还可作为协调器来中继转发附近节点装置的信息，实现无线通信网络的自组网功能，无线网络自动调整建成星型结构或建成网状结构。在无线通信网络中根据需要增加或减少节点装置时，利用自组网特点直接添加或删除。
每个节点装置既是采集器又是路由器，集数据采集与数据传输为一体，具有自组网和无线通信功能，利用其自组网功能组建本地无线网络。每个节点装置采用无线通信，将其它节点装置传来的数据按照优化路径转发，并扫描本节点装置的传输端口，将本节点装置的数据加入到网关数据库中。
作为优选，网关与各节点装置通过无线方式通信，接收本地网络数据，采用连接互联网Internet方式，将无线传感网络采集的数据传送到互联网，互联网与中控系统连接，中控系统将外部指令通过互联网传给网关转换送达控制节点装置。
进一步地，中控系统采用哈密尔顿函数进行建模；以达到对数据信息进行分析处理的目的；
哈密顿系统的数学描述，如下式所示。
∑:
∑C：
通常，通过设计计算，可以得到控制器关于输入参数u的状态反馈表达式，如下所示：
式中，β(x)：表示哈密顿系统的质量矩阵，它是一个与系统状态(x)相关的正定矩阵。
g(x)：表示系统的广义坐标变换矩阵，它将实际的坐标转化为广义坐标。
Jd(x)：表示系统的雅各比矩阵，它描述了广义坐标变换矩阵的变化率。
Rd(x)：表示系统的阻尼矩阵，它描述了系统的阻尼效应。
：表示系统的哈密顿函数H(x)对广义坐标的偏导数。
f(x)：表示系统的外力向量。
本发明还公开了中控系统的运行步骤为：
节点装置的传感器模块可实时监测净化完毕后的气体中的粉尘含量、有害气体成分含量，用以监测此气体是否达到可排放标准，节点装置将信号以无线方式传输至中控系统。中控系统接收到节点装置传输来的信号，若净化完毕后的气体达到可排放标准，则发出指令通过节点装置的控制模块控制排放风机工作将气体输送至烟囱进行排放；若提示净化完毕后的气体中有害气体含量偏高，未达到可排放标准，则向节点装置发出操作指令，控制电磁阀所在节点装置，调整电磁阀工作，改变气体的管道走向将此气体再次输送至反应室，进行二次净化。中控系统发出指令调节吸附风机以调低气体流量，同时发出提示反应室中的对吸附剂或活性炭进行更新。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1是集中废气处理设备的工作状态和处理过程的工作参数，建立全面的过程监控，根据过程参数反馈进行综合分析，对处理过程所设计部件进行精细调节，实现系统智能化；
2是利用无线通信技术替代现有的有线通信，使得在对废气处理设备进行连接时不需要依赖有线形式传输信号，从而消除了有线通信物理连线布设的局限，且避免导线的老化、伤损等物理性质变化，影响通信的可靠性。
3改变设备系统分布的拓扑结构。所提出的设备在现有工业废气处理设备的基础，增加入口处工作参数的检测，气体压力、气体流量、有害成分浓度。改变了检测网络的拓扑结构。
4中控系统采用新的算法，基于能量角度描述废气吸附过程。不同于通常的单参数设定比较限的方法。采用哈密尔顿函数来描述内部能量，以入口处的有害气体成分浓度参数与入口气体流量参数的乘积形式表示外部能量的函数。当内部能量与外部能量交换发生，通过能量函数的传递，把反应室中的变量与入口处变量联系起来，内部能量与外部能量的函数结合得到统一函数，共同表征能量交换过程，也就是废气处理过程。
附图说明
图1是本发明实施例废气处理干法净化工艺系统结构示意图。
图2是本发明实施例节点装置结构示意图；
图3是本发明实施例反应室结构示意图；
图4是本发明实施例图形建模结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下根据附图并列举实施例，对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，一种废气处理干法净化工艺系统，包括：管道、预处理室、反应室、烟囱、传感器模块、吸附风机、排放风机、节点装置、网关、中控系统；
传感器模块用于气体压力、气体流量、浓度和温度的检测；
基于物联网的智能废气处理装置是对废气处理过程进行全面监测。在现场布设多哥参数传感器装置实时采集各种参数，节点装置与网关之间通过无线通信网络进行链接和数据传输，对废气处理设备工作状态和处理过程各环节的工作参数进行无线传送，汇集到网关存储，中控系统对数据信息进行分析处理，并发出指令调整各部件的工作状态和调节工作参数。
所述预处理室与反应室相连，预处理室利用过滤网和静电除尘装置，对废气进行前序处理工作，将废气中的固态杂质过滤，以保证反应室的废气处理效率。
反应室内配置专门的吸附床，装备必要的反应化剂或者活性炭，针对废气中存在的有害物质，进行氧化操作和吸附处理。
反应室后端连接烟囱，其中烟囱相连的管道上设置有传感器模块，传感器模块对多种有害气体成分的检测，可实时监测净化完毕后的气体中的粉尘含量、有害成分，用以判断是否达到可排放标准。若此气体达到可排放标准，则直接进行对外排放；若此气体未达到可排放标准，则将此气体再次输送至反应室，进行二次净化。
如图2所示，节点装置包括：传感器模块、核心处理器、无线通信模块和控制模块；
传感器模块包括：气体压力计、气体流量计、浓度检测仪和温度计；
核心处理器负责调度本节点装置位置的信息向网关传送，传感器模块获取数据，无线通信模块与网关连接实现双向通信。
节点装置负责对废气处理的设备状态、传感器参数、工作参数等各项数据进行采集，应用多个传感器模块如气体压力计、流量计、废气中有害成分浓度监测仪器、温度传感器，以及控制模块。每个节点装置配有无线通信模块，实现与网关的无线通信。采用无线自组网协议方式，节点装置相互连接成无线网络，通过无线通信将各个节点装置的数据采集结果信息传送到网关。
网关将数据集中存放在数据库，中控系统通过访问数据库，达到工作参数精准可查、排放指标实时监测。
控制模块根据核心处理器的指令用于控制气体的流量和气流方向；控制预处理室、反应室、吸附风机和排放风机的运作。
作为优选，节点装置的无线通信模块和网关均装载了无线双向通信网络通信协议。根据协议节点装置的无线通信模块在无线双向通信网络同时被定义既为路由器又为终端设备，节点装置不仅收发本节点装置的信息，还可作为协调器来中继转发附近节点装置的信息，实现无线通信网络的自组网功能，无线网络可以自动调整建成星型结构和建成网状结构。在无线通信网络中根据需要增加或减少节点装置时，利用自组网特点直接添加或删除，无需其它网络重新设置。
所述中控系统通过网关与节点装置相连，中控系统通过发出指令给节点装置，通过节点装置的控制装置调节气体流量流速，调整反应室的吸附反应时间以改变吸附处理的效果，控制管道中的电磁阀改变气体的流向。
中控系统发出调节指令，通过网关发出经无线网络传送给指定节点装置，指定节点装置根据指令，进行自动控制。
所述的电磁阀，即一个流量控制阀门，通过此电磁阀能够实时开关管道气体流向，并且通过无线节点装置调节电信号大小来调整进气量的大小。
中控系统的运行步骤为：
节点装置的传感器模块可实时监测净化完毕后的气体中的粉尘含量、有害气体成分含量，用以监测此气体是否达到可排放标准，节点装置将信号以无线方式传输至中控系统。中控系统接收到节点装置传输来的信号，若净化完毕后的气体达到可排放标准，则发出指令通过节点装置的控制模块控制排放风机工作将气体输送至烟囱进行排放；若提示净化完毕后的气体中有害气体含量偏高，未达到可排放标准，则向节点装置发出操作指令，控制电磁阀所在节点装置，调整电磁阀工作，改变气体的管道走向将此气体再次输送至反应室，进行二次净化。中控系统发出指令调节吸附风机以调低气体流量，同时发出提示反应室中的对吸附剂或活性炭进行更新。
如图3所示，反应室装配温度计检测气体温度，通过节点装置将温度参数传递给中控系统。如果进入处理设备的气体温度高，则通过中控系统发出指令给电磁阀所在节点装置，调整电磁阀门工作，将废气接入冷却区，降温后注入吸附区。反之，温度低时要进行加温操作，中控系统发出指令给反应室的侧壁上设置的带温控装置的加温装置，可将反应室的温度控制在恒定区间。
实现节点装置布设
设计与布设节点装置建立无线传感网。完成的数据采集与数据处理功能，并形成无线传感网络。废气处理生产过程中参数如空气温湿度、光照度等，是一个大面积稳定的参数，在区域内均匀布设节点装置，采集起来比较顺利。而有害气体浓度因存在差异，就要仔细选择监测点，并且需要节点装置协作来实现智能采集。要根据废气处理生产规律和现场条件来综合判断节点装置设置的合理性。
无线自组网方式
节点装置间通信采用无线自组网方式，每个节点装置集成了路由器单元，具备中继功能而不必区分，每个节点装置既是采集器又是路由器，集数据采集与数据传输为一体，具有自组网和无线通信功能，利用其自组网功能组建本地无线网络。每个节点装置采用无线通信，将其它节点装置传来的数据按照优化路径转发，并扫描本节点装置的传输端口，将本节点装置的数据加入到数据库中。全网络采用无线通信方式，不再受有线传输束缚。
无线通信网络需要增加或减少节点装置时，利用自组网方式直接添加或删除，无需启动重新网络设置，减少了网络中继设备数量，实现高度集成。无线网络自动构建成树型拓扑结构或者网状拓扑结构。节点装置数量可以自由，理论数量为无限大。
远程智能控制
网关与各节点装置通过无线方式通信，接收本地网络数据，采用连接互联网Internet方式，将无线传感网络采集的数据传送到互联网，同时将外部指令通过网关转换送达控制节点装置，完成远程智能控制功能。
中控系统采用新算法
1.采用哈密尔顿函数描述。废气处理干式分离工艺的系统，设备内的活性炭或反应剂吸附废气中有害成分，无外在提供动力驱动，用无源驱动模型描述，不像其它处理工艺加入了喷淋等补充能量环节，因此内部形成独立能量系统。内部能量与通过入口进入的外部能量进行交换，这样的能量运动模型，更适合采用哈密尔顿函数来描述，因为哈密尔顿适于描述被动接受能量的系统。吸附过程综合函数涉及设备内部的压力、温度、吸附材料吸附能力模型等。采用新的哈密尔顿算法是以能量函数形式描述吸附过程，分析吸附过程的能量变化规律，在考虑吸附活性炭、吸附吸附床的条件，确定了代表内部能量的耗散与转移的函数形式。
2.经过分析被吸附的有害成分的特点，分析了吸附过程有害成分与活性炭或吸附剂材料相互作用的模型，能量交换主要支持吸附有害成分而气体经过吸附室损耗能量较少，所以对外部能量的描述确定为气体流量与有害成分含量的乘积形式。入口处外部能量采用流量、成分含量的乘积形式所组成的函数来描述。
3.建立系统内部能量与入口进入气体的能量交换的物性。当内部能量与外部能量交换发生，通过能量的传递，把反应室中的能量变量联系起来，其函数将结合得到统一函数，共同表征交换过程，也就是废气处理过程。所建立的模型更好地表征系统能量的转移和能量耗散，描述了吸附处理物质与气体之间的相互作用，进而通过调节外部的能量变量来实现对控制反应室工作参数的优化。
端口受控哈密尔顿系统的建模方法，将从系统内部的能量流动关系建模，通过Bond-Graph(功率键)图形建模如图4所示。
图4中，变量e和f的乘积表达的就是系统的能量，通过能量的传递，把反应室中的能量变量联系起来，进而研究调节能量变量来达到控制反应室的目的。
当根据检测结果需要调整工作参数，本质是能量的变化，考察以入口处的有害气体成分浓度参数与入口气体流量参数的乘积表示外部能量函数，根据气体浓度综合调节通过的气体流量来完成调整工作参数。
4.节点装置上各种传感器采集设备状态和工作参数，通过无线网络汇集到网关，网关上的中控系统运用哈密尔顿算法对数据进行分析并得到结果。结果在软件界面展示。当出现异常时发出提示，并中控系统发出指令给执行器，调节相关部件，主要是指令入口气体流量和吸附室的压力变化，此指令由网关发出经无线网络传给指定节点装置，节点装置接受指令驱动相关部件工作以完成执行指令。
这时调整参数与原先的调整在原理基础、算法实现上不同。原先的调整基于单一参数设限调整，本系统采用新的算法，基于能量模型推导得到的结果进行综合调整。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的实施方法，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种废气处理干法净化工艺系统，其特征在于，包括：管道、预处理室、反应室、烟囱、传感器模块、吸附风机、排放风机、节点装置、网关和中控系统；
管道用于连通预处理室、反应室、烟囱、吸附风机和排放风机；
所述预处理室与反应室相连，预处理室利用过滤网和静电除尘装置，对废气进行前序处理工作，将废气中的固态杂质过滤；
反应室内配置专门的吸附床，还装备必要的反应化剂或者活性炭，针对废气中存在的有害物质，进行氧化操作和吸附处理；
反应室后端连接烟囱，其中烟囱相连的管道上设置有传感器模块，传感器模块对多种有害气体成分的检测，可实时监测净化完毕后的气体中的粉尘含量、有害成分，用以判断是否达到可排放标准；若此气体达到可排放标准，则直接进行对外排放；若此气体未达到可排放标准，则将此气体再次输送至反应室，进行二次净化；
传感器模块布设在预处理室、反应室以及反应室和烟囱之间的管道处，传感器模块包括：气体压力计、气体流量计、浓度检测仪和温度计；用于检测气体压力、气体流量、气体浓度和气体温度；
节点装置与传感器模块连接用于接收传感器模块采集的数据，节点装置与网关之间通过无线通信网络进行链接并进行数据传输，将数据汇集到网关存储；
中控系统对数据信息进行分析处理，判断是否达到可排放标准；若此气体达到可排放标准，则直接进行对外排放；
若此气体未达到可排放标准，则发出指令至节点装置，通过节点装置的控制模块调整反应室、吸附风机、排放风机的工作状态和调节工作参数，控制模块还控制电池阀来改变气体在管道中的流向，将此气体再次输送至反应室，进行二次净化。
2.根据权利要求1所述的一种废气处理干法净化工艺系统，其特征在于：节点装置包括：核心处理器、无线通信模块和控制模块；
核心处理器负责调度本节点装置位置的信息向网关传送，传感器模块获取数据并传输给核心处理器，无线通信模块与网关连接实现双向通信；
节点装置负责对废气处理的设备状态、传感器参数、工作参数的各项数据进行采集，无线通信模块通过无线通信将节点装置的数据采集结果信息传送到网关；
控制模块根据核心处理器的指令用于控制气体的流量和气流方向；控制预处理室、反应室、吸附风机、排放风机和管道内电磁阀的运作；电磁阀能够实时开关管道气体流向，通过节点装置调节调整气流的大小和气流方向。
3.根据权利要求1所述的一种废气处理干法净化工艺系统，其特征在于：所述中控系统通过网关与节点装置相连，中控系统通过网关发出经无线网络传送给指定节点装置，通过节点装置的控制装置调节气体流量流速，调整反应室的吸附反应时间以改变吸附处理的效果，控制管道中的电磁阀改变气体的流向。
4.根据权利要求2所述的一种废气处理干法净化工艺系统，其特征在于：反应室装配温度计检测气体温度，通过节点装置将温度参数传递给中控系统；如果进入处理设备的气体温度高，则通过中控系统发出指令给电磁阀所在节点装置，调整电磁阀门工作，将废气接入冷却区，降温后注入吸附区；反之，温度低时要进行加温操作，中控系统发出指令给反应室的侧壁上设置的加温装置，将反应室的温度控制在恒定区间。
5.根据权利要求2所述的一种废气处理干法净化工艺系统，其特征在于：节点装置的无线通信模块和网关均装载了无线双向通信网络通信协议；根据协议节点装置的无线通信模块在无线双向通信网络同时被定义既为路由器又为终端设备，节点装置不仅收发本节点装置的信息，还可作为协调器来中继转发附近节点装置的信息，实现无线通信网络的自组网功能，无线网络自动调整建成星型结构或建成网状结构；在无线通信网络中根据需要增加或减少节点装置时，利用自组网特点直接添加或删除；
每个节点装置既是采集器又是路由器，集数据采集与数据传输为一体，具有自组网和无线通信功能，利用其自组网功能组建本地无线网络；每个节点装置采用无线通信，将其它节点装置传来的数据按照优化路径转发，并扫描本节点装置的传输端口，将本节点装置的数据加入到网关数据库中。
6.根据权利要求1所述的一种废气处理干法净化工艺系统，其特征在于：网关与各节点装置通过无线方式通信，接收本地网络数据，采用连接互联网Internet方式，将无线传感网络采集的数据传送到互联网，互联网与中控系统连接，中控系统将外部指令通过互联网传给网关转换送达控制节点装置。
7.根据权利要求1所述的一种废气处理干法净化工艺系统，其特征在于：中控系统采用哈密尔顿函数进行建模；以达到对数据信息进行分析处理的目的。
8.根据权利要求1所述的一种废气处理干法净化工艺系统，其特征在于：所述中控系统的运行步骤为：
节点装置的传感器模块可实时监测净化完毕后的气体中的粉尘含量、有害气体成分含量，用以监测此气体是否达到可排放标准，节点装置将信号以无线方式传输至中控系统；中控系统接收到节点装置传输来的信号，若净化完毕后的气体达到可排放标准，则发出指令通过节点装置的控制模块控制排放风机工作将气体输送至烟囱进行排放；若提示净化完毕后的气体中有害气体含量偏高，未达到可排放标准，则向节点装置发出操作指令，控制电磁阀所在节点装置，调整电磁阀工作，改变气体的管道走向将此气体再次输送至反应室，进行二次净化；中控系统发出指令调节吸附风机以调低气体流量，同时发出提示反应室中的对吸附剂或活性炭进行更新。
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