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过程建模与优化控制技术在清洁生产中的应用

摘要：环境污染是当今世界备受关注的严重问题之一，污染防治已成为几乎所有行业，

特别是工业界所需解决的紧迫课题，清洁生产策略是解决这一难题的有效手段。流程工业的生产过程中普遍存在复杂的化学、物理、生化等反应，产生的大量三废物质是造成工业污染的主要源头。本文首先提出了实施清洁生产策略的两个层次概念，即通过产品全生命周期工艺改造方法和生产过程控制与优化方法。然后针对流程工业的特点及其对清洁生产的要求，提出了在流程工业实施面向清洁生产策略的过程建模、控制与优化技术应用方法。最后以给环境造成严重污染压力的制浆造纸工业的硫酸盐制浆过程为例，介绍了在流程工业综合自动化系统中实现清洁生产策略的技术路线与方法。通过一个实际应用的黑液蒸发计算机控制系统和一个采用实际操作数据进行数字仿真的连续蒸煮操作优化例子表明，应用过程建模、优化控制等综合自动化技术，可以在不影响产品质量和企业经济效益的前提下，获得很好的环境与社会效益。

关键词：清洁生产策略流程工业过程建模控制与优化技术

1.1清洁生产的概念

工业化的发展，一方面推动经济的发展、满足人类对物质生活不断增长的需求，从而推动着社会的发展；另一方面，也消耗着地球上大量的自然资源，并在制造人类所需产品的同时不断产生各种污染和有害物质，成为地球环境最大的污染来源。这是人类经过漫长的工业化发展道路面临日益严重的环境污染之害后逐步形成的共识。

较长时期以来，我国工业界（特别是流程工业）走的是以高投入、高消耗、高污染换取较高经济增长的粗放型发展道路。这种发展模式一方面导致资源和能源利用不合理，另一方面给环境带来严重污染，而环境和资源所承受的压力反过来又对经济发展产生了严重的制约作用。因此，污染防治已成为我国工业可持续发展的当务之急。

随着科学技术的发展，对工业防治污染研究和实践的不断深入，工业防治污染方法已逐步从过去单纯进行污染物排出后减量化、无害化处理的末端治理方式，发展到在产品的整个生命周期，包括产品及生产工艺的设计、产品的生产制造过程和产品的销售、服务及使用等各个阶段，以及从原料、生产工艺、产品性能等各个方面全方位考虑减少污染物产生、改善环境性能、降低成本的“清洁生产”策略。该策略将综合预防污染、考虑环境保护的策略持续地应用于生产以及产品售后的服务、使用等各个阶段，实施的目的是在产品的整个生命周期内全方位地减少污染物产生、改善环境性能、降低成本。据国内外推行清洁生产的实践报告，在投入少量资金的条件下，短期内即可减少原材料5%～10%，污染物排放减少10%～50%，经济效益明显提高，并腾出了环境容量满足进一步发展的需要[1]。因此实施清洁生产是经济持续增长的必由之路。

在各个工业门类中，以化工、炼油、石化、造纸、冶金等为代表的流程工业是污染最为严重的，在这些工业行业实施清洁生产策略对减少工业对环境的污染尤为重要

1.2清洁生产策略的层次分析

清洁生产策略在工业生产中的实施可以分为两个层次。

第一个层次，是产品整个生命周期的清洁化，即从产品的设计、生产工艺（包括工艺原理、设备、原料等）的选择到对生产中产生的副产品和废料的处理以至对产品的使用和回收都考虑采取减少对环境污染的措施。这一层次的清洁生产策略涉及到具体的工艺过程 ,较难总结出适合于一般工业过程的通用技术与方法，主要应在各行业工艺专家指导下进行。此外，这一层次的清洁生产策略一般要改变已有的生产工艺和设备或者原料，往往耗资巨大，但一旦实施则效果显著。

第二个层次，是在产品的生产全过程实施清洁生产策略，即在所确定的工业生产过程中，通过运用测量、建模、实时监控、优化操作、生产调度、经营管理等综合自动化技术 ,利用在流程工业中已经普遍存在的过程控制系统（如DCS）和计算机网络，在生产过程的各个环节实施清洁生产策略，在不降低企业经济效益的前提下，不增加大量投资进行工艺和设备改造，尽量使生产过程中产生的污染物或给后续工段造成的污染处理负荷尽可能地少，达到清洁生产的目的。这个层次的任务一般是在管理与控制专家的指导下进行，得到的清洁生产策略适合于大多数流程工业过程，便于实施与推广，且投资较少，是第一层次实现清洁生产的补充和完善。从观上看，这两个层次的关系应该是相辅相成、缺一不可的。

目前大多数有关流程工业清洁生产策略的研究与应用均侧重于第一层次，如改变化学反应条件，选择更清洁的原料和能源，改进工艺机理等。除了少数专用的污染处理控制系统外，属于第二个层次的研究与应用还未受到广泛重视，例如在各种自动化系统与管理系统中自觉地将清洁生产策略作