1 引言

1.1 清潔生產(chǎn)的概念

工業(yè)化的發(fā)展，一方面推動(dòng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、滿足人類對(duì)物質(zhì)生活不斷增長(zhǎng)的需求，從而推動(dòng)著社會(huì)的發(fā)展；另一方面，也消耗著地球上大量的自然資源，并在制造人類所需產(chǎn)品的同時(shí)不斷產(chǎn)生各種污染和有害物質(zhì)，成為地球環(huán)境最大的污染來源。這是人類經(jīng)過漫長(zhǎng)的工業(yè)化發(fā)展道路面臨日益嚴(yán)重的環(huán)境污染之害后逐步形成的共識(shí)。

較長(zhǎng)時(shí)期以來，我國(guó)工業(yè)界（特別是流程工業(yè)）走的是以高投入、高消耗、高污染換取較高經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的粗放型發(fā)展道路。這種發(fā)展模式一方面導(dǎo)致資源和能源利用不合理，另一方面給環(huán)境帶來嚴(yán)重污染，而環(huán)境和資源所承受的壓力反過來又對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生了嚴(yán)重的制約作用。因此，污染防治已成為我國(guó)工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的當(dāng)務(wù)之急。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)工業(yè)防治污染研究和實(shí)踐的不斷深入，工業(yè)防治污染方法已逐步從過去單純進(jìn)行污染物排出后減量化、無害化處理的末端治理方式，發(fā)展到在產(chǎn)品的整個(gè)生命周期，包括產(chǎn)品及生產(chǎn)工藝的設(shè)計(jì)、產(chǎn)品的生產(chǎn)制造過程和產(chǎn)品的銷售、服務(wù)及使用等各個(gè)階段，以及從原料、生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品性能等各個(gè)方面全方位考慮減少污染物產(chǎn)生、改善環(huán)境性能、降低成本的“清潔生產(chǎn)”策略。該策略將綜合預(yù)防污染、考慮環(huán)境保護(hù)的策略持續(xù)地應(yīng)用于生產(chǎn)以及產(chǎn)品售后的服務(wù)、使用等各個(gè)階段，實(shí)施的目的是在產(chǎn)品的整個(gè)生命周期內(nèi)全方位地減少污染物產(chǎn)生、改善環(huán)境性能、降低成本。據(jù)國(guó)內(nèi)外推行清潔生產(chǎn)的實(shí)踐報(bào)告，在投入少量資金的條件下，短期內(nèi)即可減少原材料5%～10%，污染物排放減少10%～50%，經(jīng)濟(jì)效益明顯提高，并騰出了環(huán)境容量滿足進(jìn)一步發(fā)展的需要[1]。因此實(shí)施清潔生產(chǎn)是經(jīng)濟(jì)持續(xù)增長(zhǎng)的必由之路。

在各個(gè)工業(yè)門類中，以化工、煉油、石化、造紙、冶金等為代表的流程工業(yè)是污染最為嚴(yán)重的，在這些工業(yè)行業(yè)實(shí)施清潔生產(chǎn)策略對(duì)減少工業(yè)對(duì)環(huán)境的污染尤為重要。

1.2 清潔生產(chǎn)策略的層次分析

清潔生產(chǎn)策略在工業(yè)生產(chǎn)中的實(shí)施可以分為兩個(gè)層次。

第一個(gè)層次，是產(chǎn)品整個(gè)生命周期的清潔化，即從產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)工藝（包括工藝原理、設(shè)備、原料等）的選擇到對(duì)生產(chǎn)中產(chǎn)生的副產(chǎn)品和廢料的處理以至對(duì)產(chǎn)品的使用和回收都考慮采取減少對(duì)環(huán)境污染的措施。這一層次的清潔生產(chǎn)策略涉及到具體的工藝過程，較難總結(jié)出適合于一般工業(yè)過程的通用技術(shù)與方法，主要應(yīng)在各行業(yè)工藝專家指導(dǎo)下進(jìn)行。此外，這一層次的清潔生產(chǎn)策略一般要改變已有的生產(chǎn)工藝和設(shè)備或者原料，往往耗資巨大，但一旦實(shí)施則效果顯著。

第二個(gè)層次，是在產(chǎn)品的生產(chǎn)全過程實(shí)施清潔生產(chǎn)策略，即在所確定的工業(yè)生產(chǎn)過程中，通過運(yùn)用測(cè)量、建模、實(shí)時(shí)監(jiān)控、優(yōu)化操作、生產(chǎn)調(diào)度、經(jīng)營(yíng)管理等綜合自動(dòng)化技術(shù)，利用在流程工業(yè)中已經(jīng)普遍存在的過程控制系統(tǒng)（如DCS）和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，在生產(chǎn)過程的各個(gè)環(huán)節(jié)實(shí)施清潔生產(chǎn)策略，在不降低企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的前提下，不增加大量投資進(jìn)行工藝和設(shè)備改造，盡量使生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的污染物或給后續(xù)工段造成的污染處理負(fù)荷盡可能地少，達(dá)到清潔生產(chǎn)的目的。這個(gè)層次的任務(wù)一般是在管理與控制專家的指導(dǎo)下進(jìn)行，得到的清潔生產(chǎn)策略適合于大多數(shù)流程工業(yè)過程，便于實(shí)施與推廣，且投資較少，是第一層次實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)的補(bǔ)充和完善。從觀上看，這兩個(gè)層次的關(guān)系應(yīng)該是相輔相成、缺一不可的。

目前大多數(shù)有關(guān)流程工業(yè)清潔生產(chǎn)策略的研究與應(yīng)用均側(cè)重于第一層次，如改變化學(xué)反應(yīng)條件，選擇更清潔的原料和能源，改進(jìn)工藝機(jī)理等。除了少數(shù)專用的污染處理控制系統(tǒng)外，屬于第二個(gè)層次的研究與應(yīng)用還未受到廣泛重視，例如在各種自動(dòng)化系統(tǒng)與管理系統(tǒng)中自覺地將清潔生產(chǎn)策略作為研究或應(yīng)用的對(duì)象等，有關(guān)這方面研究的文獻(xiàn)還不多見。從理論上來說，清潔生產(chǎn)與其說是一種策略，還不如說是一種理念和思想。實(shí)施清潔生產(chǎn)，與傳統(tǒng)的先生產(chǎn)、后治理的方法全然不同，它強(qiáng)調(diào)的是在生產(chǎn)全過程的各個(gè)環(huán)節(jié)加以規(guī)劃、控制與管理，使物料和能源消耗最少，使產(chǎn)出的廢物/污染物減量化、資源化和無害化，同時(shí)能夠從中產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益。

基于上述清潔生產(chǎn)策略的層次分析，本文立足于第二個(gè)層次介紹利用過程建模與優(yōu)化控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)的方法。其基本內(nèi)涵是通過對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過程中污染物產(chǎn)生的模型描述，建立考慮減少污染量的綜合優(yōu)化指標(biāo)，對(duì)生產(chǎn)過程施以實(shí)時(shí)監(jiān)視, 以先進(jìn)的優(yōu)化控制手段，使工業(yè)過程始終處于產(chǎn)生污染物最少的最佳操作狀態(tài)。下面分別從建模、控制、優(yōu)化幾個(gè)方面加以闡述。

2 過程建模技術(shù)在清潔生產(chǎn)中的應(yīng)用

針對(duì)清潔生產(chǎn)的要求，過程建模技術(shù)主要有以下兩方面的應(yīng)用。

2.1 污染指標(biāo)參數(shù)的軟測(cè)量技術(shù)

環(huán)境污染指標(biāo)的檢測(cè)是生產(chǎn)過程監(jiān)控和污染防治的基礎(chǔ)。要有效地監(jiān)控生產(chǎn)過程中污染物的產(chǎn)生，需要大量?jī)r(jià)格低、性能可靠的自動(dòng)檢測(cè)儀表。目前雖然幾乎所有的環(huán)境污染指標(biāo)都可以通過化驗(yàn)手段檢測(cè)，國(guó)外也有一些能夠連續(xù)測(cè)量污染指標(biāo)的自動(dòng)化儀表，但實(shí)驗(yàn)室化驗(yàn)無法滿足對(duì)污染指標(biāo)實(shí)時(shí)監(jiān)控的要求，進(jìn)口儀表價(jià)格又十分昂貴，多數(shù)工業(yè)企業(yè)難以承受，而國(guó)內(nèi)能夠用于連續(xù)自動(dòng)檢測(cè)的技術(shù)和儀表還十分缺乏，尤其是在惡劣的自然條件下能夠長(zhǎng)期運(yùn)行并保持測(cè)量精度的自動(dòng)化儀表更為少見。

解決這一問題主要有兩條途徑。一是新型環(huán)保測(cè)量?jī)x表的開發(fā)研制，包括測(cè)量原理、敏感元件和高性能信號(hào)變送裝置。目前較為現(xiàn)實(shí)的產(chǎn)業(yè)化道路是采用國(guó)外較為成熟的測(cè)量原理，引進(jìn)或仿制關(guān)鍵的敏感元件，自行開發(fā)高性能信號(hào)變送裝置，從而生產(chǎn)出性能好、價(jià)格低的國(guó)產(chǎn)自動(dòng)化儀表。國(guó)內(nèi)已有一些廠家引進(jìn)了國(guó)外技術(shù)生產(chǎn)污染指標(biāo)測(cè)量?jī)x表，但由于各種原因，質(zhì)量往往不過關(guān)，如煙道氣二氧化硫檢測(cè)儀等，較好的解決方法是組織力量對(duì)其進(jìn)行攻關(guān)研究，解決其中的技術(shù)關(guān)鍵。另一種方法是采用軟測(cè)量技術(shù)。這是一條很有發(fā)展前途的途徑，目前有很多研究，但總的看來，研究的方法論多，解決實(shí)際問題少。軟測(cè)量的實(shí)質(zhì)是建立被測(cè)參數(shù)與其他可測(cè)參數(shù)之間關(guān)系的模型，然后根據(jù)可測(cè)參數(shù)計(jì)算出所需要的被測(cè)參數(shù)。因此，必須針對(duì)要測(cè)量的污染指標(biāo)踏踏實(shí)實(shí)地研究其具有一定精度和可靠性的測(cè)量模型。

建立污染指標(biāo)軟測(cè)量模型的方法主要有兩類：一類是根據(jù)物理或化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)理論，通過詳盡地機(jī)理分析，找出污染因素與其他變量之間的關(guān)系，建立含有污染指標(biāo)的機(jī)理模型；另一類是在大量生產(chǎn)數(shù)據(jù)的歷史記錄基礎(chǔ)上，通過某種算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸處理，建立起含有污染指標(biāo)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ�。前一種方法由于人們往往對(duì)復(fù)雜工業(yè)過程的機(jī)理不甚清晰，加上機(jī)理模型中的系數(shù)常常不易獲得，因而在實(shí)際中單獨(dú)應(yīng)用較少；后一種方法相當(dāng)于是一種黑箱建模方法，它直接源自于生產(chǎn)數(shù)據(jù)的歷史累積，不需要另外測(cè)試，對(duì)生產(chǎn)過程也無任何影響，因此仍是常常采用的方法，但由于其是針對(duì)特定工藝條件回歸，具有較大的局限性。更有效的方法是，對(duì)特定的過程深入研究其過程機(jī)理，在經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷幕A(chǔ)上，結(jié)合機(jī)理與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行模型的修正。

2.2 與生產(chǎn)過程技術(shù)指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)關(guān)聯(lián)的污染指標(biāo)模型

一般的控制系統(tǒng)是以被控變量的穩(wěn)定或產(chǎn)品質(zhì)量的達(dá)標(biāo)為目的，而與此不太相同的是，在本文提出的策略中，清潔生產(chǎn)的目的是應(yīng)該在保證原有產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)不變的條件下，針對(duì)車間或工段的污染物優(yōu)化指標(biāo)作局部的最小量化，將優(yōu)化的結(jié)果用于確定過程控制級(jí)各相關(guān)控制變量的最佳設(shè)定值。而要達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，必須要建立與生產(chǎn)過程技術(shù)指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)關(guān)聯(lián)的、含有污染物變量的數(shù)學(xué)模型，給出合適的使污染物最小量化的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，然后可以選擇某種優(yōu)化的算法求解，最后通過計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)施。這種模型是以往人們常常忽視的，而且也往往更為困難，因?yàn)槟Ｐ偷男问礁哂卸鄻有�，不僅有機(jī)理模型、辨識(shí)模型等數(shù)值模型，而且可能會(huì)有語言模型、規(guī)則模型等智能模型。近年來，對(duì)以人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)(Artificial Neural Network, ANN)為代表的智能過程建模及其控制系統(tǒng)的研究成為一大熱點(diǎn)。這是因?yàn)锳NN具有很強(qiáng)的學(xué)習(xí)能力或者說是自適應(yīng)能力；其本身是非線性的，可以通過學(xué)習(xí)達(dá)到以所要求的非線性形狀來模擬對(duì)象模型，并且適合多輸入多輸出系統(tǒng)。因此用它來建立復(fù)雜工業(yè)過程中含有污染量指標(biāo)的模型值得研究與嘗試，特別是將ANN建模和機(jī)理建模結(jié)合起來，發(fā)揮它們的各自優(yōu)勢(shì)，建立機(jī)理與ANN的混合模型，以達(dá)到比經(jīng)典參數(shù)估計(jì)方法柔性更好，而比黑箱式ANN建模更易推廣的目的。

3 過程控制技術(shù)在清潔生產(chǎn)中的應(yīng)用

3.1 清潔生產(chǎn)策略需要性能更好的過程控制系統(tǒng)加以保證

從上面的簡(jiǎn)述可以看出，基于過程建模、控制與優(yōu)化的清潔生產(chǎn)策略的實(shí)現(xiàn)一般是以不改變生產(chǎn)工藝作為前提的，它只是在工藝允許的條件下改變操作變量，以達(dá)到使污染物產(chǎn)生最小量化的目的。對(duì)于已有的過程控制系統(tǒng)而言，它首先必須完成保證生產(chǎn)正常進(jìn)行、產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)標(biāo)的任務(wù)，其次才是兼顧清潔生產(chǎn)策略的實(shí)現(xiàn)。由于清潔生產(chǎn)策略的特殊性，可能存在模型更為復(fù)雜、優(yōu)化性能指標(biāo)計(jì)算繁瑣等原因，清潔生產(chǎn)策略對(duì)過程控制系統(tǒng)的性能提出了更高的要求，以保證在工藝允許的條件下清潔生產(chǎn)策略的實(shí)施，最大程度地減少污染物的產(chǎn)生，達(dá)到清潔生產(chǎn)的目的。在這樣的系統(tǒng)中，清潔生產(chǎn)的優(yōu)化指標(biāo)可以和考慮整個(gè)企業(yè)全局運(yùn)行最優(yōu)的目標(biāo)函數(shù)，諸如能源消耗、生產(chǎn)率及其它因素的優(yōu)化經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等一起考慮，理想的結(jié)果是既獲得環(huán)境效益，又獲得經(jīng)濟(jì)效益，而不應(yīng)忽視其中一項(xiàng)。

3.2 過程控制系統(tǒng)面向清潔生產(chǎn)事半功倍

目前，自動(dòng)控制系統(tǒng)以及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)已成為現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)過程中不可缺少的部分。DCS等先進(jìn)的自動(dòng)控制系統(tǒng)在相應(yīng)的模型、控制和優(yōu)化軟件支持下能夠保證生產(chǎn)過程的安全平穩(wěn)、優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)。但除少數(shù)專用的污染處理過程控制系統(tǒng)外，一般不將污染量作為控制目標(biāo)，這實(shí)際上是資源的一種嚴(yán)重浪費(fèi)。從污染物產(chǎn)生的源頭看，目前的許多工業(yè)污染物產(chǎn)生在生產(chǎn)過程的中間環(huán)節(jié)（例如因必需的化學(xué)和/或物理過程中產(chǎn)生的廢物等），當(dāng)還沒有或不可能找到完全杜絕污染產(chǎn)生的清潔生產(chǎn)工藝方式時(shí)，如果能夠利用自動(dòng)控制領(lǐng)域中日趨成熟的建模、控制以及優(yōu)化技術(shù)，在生產(chǎn)過程的各個(gè)環(huán)節(jié)通過已有的過程控制系統(tǒng)（如DCS系統(tǒng)）和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行考慮減少污染的綜合優(yōu)化控制，就可以在不增加大量投資進(jìn)行工藝和設(shè)備改造的情況下大大減少污染的產(chǎn)生，達(dá)到清潔生產(chǎn)的目的。這是一種投資省、見效快的實(shí)施清潔生產(chǎn)策略方法，是第一層次實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)的補(bǔ)充和完善。這樣做一方面將充分發(fā)揮自動(dòng)化系統(tǒng)的潛在功能，另一方面則把清潔生產(chǎn)的概念引入一個(gè)更廣泛的應(yīng)用空間，達(dá)到事半功倍的目的。

4 過程優(yōu)化與綜合自動(dòng)化技術(shù)在清潔生產(chǎn)中的應(yīng)用

4.1 面向生產(chǎn)裝置的生產(chǎn)過程操作優(yōu)化技術(shù)

清潔生產(chǎn)的概念需要落實(shí)到生產(chǎn)過程的每一個(gè)環(huán)節(jié)，優(yōu)化與控制也必須考慮到每一個(gè)環(huán)節(jié)。由于復(fù)雜的流程工業(yè)生產(chǎn)過程中普遍存在化學(xué)、物理、生化反應(yīng)，存在著相變以及物質(zhì)與能量的轉(zhuǎn)換與傳遞；生產(chǎn)往往處于伴隨著高溫、高壓、低溫、真空、易燃、易爆、有毒污染等環(huán)境中；產(chǎn)品質(zhì)量對(duì)生產(chǎn)過程條件要求苛刻，所以必須對(duì)生產(chǎn)的全過程進(jìn)行監(jiān)督控制，因此面向清潔生產(chǎn)的優(yōu)化與控制應(yīng)該直接面對(duì)過程、建立在車間或工段一級(jí)的監(jiān)督控制層與過程優(yōu)化層，從生產(chǎn)裝置一級(jí)就提出含有清潔生產(chǎn)策略的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，并在該裝置的基礎(chǔ)過程控制系統(tǒng)中加以實(shí)施。具體地說，裝置級(jí)的控制系統(tǒng)要根據(jù)上一層的調(diào)度指令實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程優(yōu)化操作、先進(jìn)控制以及對(duì)故障的及時(shí)診斷與處理，使過程操作始終處于最佳工作點(diǎn)附近。在這一層實(shí)施清潔生產(chǎn)策略是希望在保障生產(chǎn)安全操作、產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)量不變、提高或保障同等經(jīng)濟(jì)效益的前提下，針對(duì)本工段的廢物/污染物采取有效措施，使其產(chǎn)生的處理負(fù)荷量最小。

4.2 面向全流程或企業(yè)的綜合自動(dòng)化技術(shù)

隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的全球化，企業(yè)間的競(jìng)爭(zhēng)也必然愈來愈劇烈，建立集監(jiān)督控制、在線優(yōu)化、生產(chǎn)調(diào)度、企業(yè)管理、經(jīng)營(yíng)決策等功能于一體的計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)CIMS（Computer Integrated Manufacturing Systems）或綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，形成節(jié)能降耗、少投入多產(chǎn)出的高效生產(chǎn)模式，已逐步成為流程工業(yè)自動(dòng)化發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)。
　　隨著對(duì)CIMS研究與應(yīng)用的深入，也由于日益增長(zhǎng)的環(huán)境壓力，一些從事CIMS研究與應(yīng)用的專家學(xué)者已開始致力于對(duì)清潔生產(chǎn)的研究，在CIMS環(huán)境中采用綜合自動(dòng)化技術(shù)實(shí)施清潔生產(chǎn)的重要性與前景逐漸展現(xiàn)在人們面前[2-5]。而對(duì)于流程工業(yè)來說，推行清潔生產(chǎn)更是非常重要且勢(shì)在必行。

建立流程CIMS的目的是將信息流、物料流、資金流以及人、技術(shù)、經(jīng)營(yíng)等要素有機(jī)地集成，使企業(yè)所有生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)等活動(dòng)都圍繞著獲取盡可能大的經(jīng)濟(jì)效益目標(biāo)優(yōu)化運(yùn)行。根據(jù)流程工業(yè)CIMS的體系結(jié)構(gòu)，可以將流程CIMS劃分為企業(yè)決策、經(jīng)營(yíng)管理、生產(chǎn)計(jì)劃調(diào)度、過程優(yōu)化及監(jiān)督控制的遞階控制結(jié)構(gòu)。由前面的清潔生產(chǎn)策略層次分析可以發(fā)現(xiàn)，在CIMS遞階結(jié)構(gòu)中的每一級(jí)都可結(jié)合該級(jí)的功能和任務(wù)，在提高或不影響企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的前提下，基于各種先進(jìn)的綜合自動(dòng)化技術(shù)，提出面向清潔生產(chǎn)的優(yōu)化策略和實(shí)施技術(shù)方案，從而使清潔生產(chǎn)策略成為流程CIMS的一個(gè)有機(jī)組成部分，并與整個(gè)企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)活動(dòng)、經(jīng)濟(jì)效益以及環(huán)境保護(hù)措施緊密相關(guān)。文[6]詳細(xì)地分析了流程工業(yè)的特點(diǎn)及其對(duì)清潔生產(chǎn)的迫切需求，然后提出了在流程工業(yè)CIMS中各個(gè)層次實(shí)施面向清潔生產(chǎn)的優(yōu)化策略。

4.3 制漿造紙廠應(yīng)用綜合自動(dòng)化技術(shù)實(shí)施清潔生產(chǎn)策略的例子

制漿造紙工業(yè)是造成環(huán)境污染最嚴(yán)重的行業(yè)之一，而制漿產(chǎn)生的污染又占整個(gè)行業(yè)污染負(fù)荷的80%以上。同時(shí)，制漿還是木材、化學(xué)品、水、電等原材料和能源的消耗大戶，下面就以制漿工業(yè)過程為例說明采用自動(dòng)化技術(shù)實(shí)施清潔生產(chǎn)帶來的環(huán)境效益與經(jīng)濟(jì)效益。

4.3.1 蒸煮過程中面向清潔生產(chǎn)的優(yōu)化策略

前道工序分離出來的廢液(俗稱黑液)是造成制漿過程污染的主要原因，其主要含量是堿(以氫氧化鈉和硫化鈉為主)。雖然后續(xù)的堿回收工藝可以對(duì)黑液進(jìn)行處理，回收其中的堿重復(fù)利用。但一方面回收率不可能達(dá)到100%(況且許多企業(yè)沒有堿回收裝置)；另一方面減輕后續(xù)工段的負(fù)荷本身就是清潔生產(chǎn)的指標(biāo)之一。因此本工段選擇蒸煮過程的用堿量作為污染變量，建立含有污染控制變量的數(shù)學(xué)模型，在蒸煮過程中優(yōu)化工藝操作參數(shù)，使成漿在滿足質(zhì)量指標(biāo)的同時(shí)，盡可能地降低堿的用量，從而減少堿回收裝置的負(fù)荷和堿的流失。

由于蒸煮機(jī)理復(fù)雜，難以建立其精確的機(jī)理模型。筆者針對(duì)實(shí)際的Kamyr連續(xù)蒸煮器, 由某廠實(shí)際操作數(shù)據(jù)回歸得到包含污染控制變量模型中的各常數(shù)，在此基礎(chǔ)上優(yōu)化得到生產(chǎn)操作參數(shù)――初始?jí)A用量Es和蒸煮溫度T的最佳設(shè)定值。將優(yōu)化結(jié)果與平常采用的操作參數(shù)相比，考慮清潔生產(chǎn)策略時(shí)的堿用量、回收裝置的負(fù)荷和堿的流失最多可減少5.4%，最少可減少4.4%。若以該廠日產(chǎn)風(fēng)干漿380噸、硫化度為27%～30%的Kamyr連續(xù)蒸煮器為例，并假設(shè)后續(xù)工段的堿回收率為90%，則通過優(yōu)化操作，每天在回收過程中損失的堿可以減少0.68噸。在環(huán)境效益明顯的情況下，同時(shí)還可獲得年收益為42萬元的經(jīng)濟(jì)效益[7]。

4.3.2　蒸發(fā)過程中面向清潔生產(chǎn)的優(yōu)化策略

另一個(gè)實(shí)際應(yīng)用的例子來自于同一個(gè)企業(yè)蒸煮過程的后續(xù)工段--黑液蒸發(fā)過程。在制漿過程，經(jīng)蒸煮、洗選之后的黑液含水量達(dá)80％以上。按目前普遍采用的黑液燃燒法進(jìn)行堿回收，對(duì)于這樣的稀黑液，必須首先通過蒸發(fā)工段去除其中的大部分水分，使稀黑液濃縮成為符合燃燒要求的濃黑液（含固形物50％左右）之后，才能送至后續(xù)的堿回收爐燃燒，從而回收黑液中的堿。

在黑液蒸發(fā)過程諸多的工藝參數(shù)中，出效的黑液濃度最為重要，若它低于某個(gè)值，送到后續(xù)燃燒爐后將可能由于黑液不能燃燒而導(dǎo)致燃燒爐熄火，影響整個(gè)回收過程的正常生產(chǎn)；但濃度也不能偏高，否則會(huì)帶來其它問題，如粘度過大可能導(dǎo)致黑液無法正常流動(dòng)等。

在這一工段，面向清潔生產(chǎn)的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)與生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)的控制目標(biāo)是一致的，因此，黑液蒸發(fā)過程計(jì)算機(jī)優(yōu)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)便是盡可能地提高生產(chǎn)效率及控制精度，實(shí)現(xiàn)最佳工作點(diǎn)的"卡邊"控制。按此思想設(shè)計(jì)的黑液濃度優(yōu)化控制系統(tǒng)已投入實(shí)際運(yùn)行多年。該系統(tǒng)明顯地改善了蒸發(fā)過程工藝運(yùn)行的穩(wěn)定性，提高了生產(chǎn)效率，降低了能源消耗，增加了堿回收率，并大幅度地?cái)U(kuò)大了生產(chǎn)能力，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用周期，取得良好的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和社會(huì)效益[8]。

4.3.3　堿回收爐面向清潔生產(chǎn)的優(yōu)化操作

加拿大一家紙漿廠運(yùn)用了先進(jìn)的自動(dòng)化技術(shù)對(duì)堿回收爐進(jìn)行面向清潔生產(chǎn)的優(yōu)化操作，不僅減少了約80%的殘堿污染排放，而且提高設(shè)備的黑液處理能力11.5%，同時(shí)每年節(jié)省燃料和原料成本達(dá)42.5萬美元[9]。

5 實(shí)施清潔生產(chǎn)策略的困難、對(duì)策與基礎(chǔ)

盡管將過程建模與優(yōu)化控制技術(shù)應(yīng)用于清潔生產(chǎn)具有廣闊的前景，可以將對(duì)清潔生產(chǎn)的研究與應(yīng)用拓寬到一個(gè)更廣泛的空間，但在具體實(shí)施時(shí)，還會(huì)遇到相當(dāng)多的困難。

首先，由于傳統(tǒng)上在進(jìn)行工業(yè)過程的工藝設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)主產(chǎn)品工藝考慮比較仔細(xì)，機(jī)理比較明確，而對(duì)副產(chǎn)品及廢棄物工藝則往往不甚清楚，因此面向清潔生產(chǎn)的過程建模難度更大。

其次，由于復(fù)雜工業(yè)過程一般都有流程長(zhǎng)、工藝復(fù)雜等特點(diǎn)，加之面向清潔生產(chǎn)的優(yōu)化策略需要落實(shí)到生產(chǎn)及經(jīng)營(yíng)過程的每一個(gè)環(huán)節(jié)，因此面向清潔生產(chǎn)的優(yōu)化策略所涉及的問題一般都具有較大的規(guī)模，更具復(fù)雜性。

再者，在一個(gè)企業(yè)中，面向清潔生產(chǎn)的優(yōu)化策略在各個(gè)控制、優(yōu)化、計(jì)劃、調(diào)度等子系統(tǒng)中一般并非單獨(dú)存在，而是與現(xiàn)有的以生產(chǎn)的安全、優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)為目標(biāo)的各子系統(tǒng)并存，且有可能由于目標(biāo)的不一致，兩種系統(tǒng)之間存在矛盾與沖突，因此必須考慮多目標(biāo)優(yōu)化與多任務(wù)協(xié)調(diào)問題，同時(shí)其實(shí)時(shí)性也不容忽視。

對(duì)于上述問題，采用傳統(tǒng)的方法往往難以解決，一種比較理想的解決方案是采用近年來正日益受到重視的以多智能體（Multi Agent）技術(shù)為代表的分布式智能系統(tǒng)進(jìn)行描述。

由于所有實(shí)際系統(tǒng)在本質(zhì)上都是分布式的，而基于Agent所特有的自治性、交互性、協(xié)作性以及可通訊性等特點(diǎn)，有可能將具有不同知識(shí)與能力的人及具有不同智能程度的系統(tǒng)放在統(tǒng)一的智能體的概念下來進(jìn)行研究。通過各智能體（有可能是異構(gòu)型的）間的通訊、合作、互解、沖突、協(xié)調(diào)、調(diào)度、管理及控制來表達(dá)具有清潔生產(chǎn)優(yōu)化策略的實(shí)際結(jié)構(gòu)、功能及行為特性。由于多智能體技術(shù)對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)具有無可比擬的表達(dá)力，從而為實(shí)際CIMS中面向清潔生產(chǎn)的優(yōu)化策略研究提供了一種統(tǒng)一的框架。初步的研究結(jié)果已證明了這點(diǎn)[10]。

除了上述困難與對(duì)策外，必須要意識(shí)到的是，采用綜合的自動(dòng)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)策略的基礎(chǔ)是先進(jìn)的面向污染指標(biāo)的檢測(cè)技術(shù)和儀器儀表，而這一點(diǎn)正是目前國(guó)內(nèi)普遍存在的薄弱環(huán)節(jié)，是儀器儀表行業(yè)需要努力的方向。

6 結(jié)論

隨著科技的進(jìn)步，工業(yè)現(xiàn)代化步伐加快，人類面臨的環(huán)境壓力日益加大。本文首先提出了實(shí)施清潔生產(chǎn)策略的兩個(gè)層次概念，然后針對(duì)流程工業(yè)的特點(diǎn)及其對(duì)清潔生產(chǎn)的要求，提出了在流程工業(yè)實(shí)施面向清潔生產(chǎn)策略的過程建模、控制與優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用方法。并以給環(huán)境造成嚴(yán)重污染壓力的制漿造紙工業(yè)的硫酸鹽制漿過程為例，介紹了在流程工業(yè)利用過程建模、優(yōu)化控制等綜合自動(dòng)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)策略的技術(shù)路線與方法。通過例子表明了其可以帶來很好的環(huán)境與社會(huì)效益，為減少環(huán)境的污染壓力探索一條新的思路。

參考文獻(xiàn)

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[2] James A. Trainham, III. The environment, process design, and control: better things for better living, Proceedings of the 13th IFAC World Congress, San Francisco, June-July 1996, Vol.1:83～85.
[3] 汪水超等. 清潔化生產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)容及結(jié)構(gòu)體系研究. 第五屆中國(guó)CIMS學(xué)術(shù)會(huì)議論文‘);">論文集（上冊(cè)）：2-15～2-18., 1998.8.. 成都.
[4] 向東等. 清潔化生產(chǎn)系統(tǒng)的綜合效益分析. 第五屆中國(guó)CIMS學(xué)術(shù)會(huì)議論文集（上冊(cè)）：2-23～2-27.,1998.8., 成都.
[5] 劉飛, 陳曉慧, 張華. 綠色制造. 北京：中國(guó)經(jīng)濟(jì)出版社. 1999.12
[6] 王慧.流程工業(yè)CIMS中面向清潔生產(chǎn)的優(yōu)化策略研究. 系統(tǒng)工程理論與實(shí)踐. Vol.22(4):10-14.2002年
[7] 王慧, 李平, 肖蘭. 面向清潔生產(chǎn)的制漿過程建模與優(yōu)化方法. 中國(guó)造紙學(xué)報(bào).2000年. Vol.15: pp.88～92
[8] 王慧, 陳金水, 許巧玲等. 黑液多效蒸發(fā)過程的計(jì)算機(jī)控制. 南昌大學(xué)學(xué)報(bào). 2000 年8月
[9] J. F. Levasseur and M. C. Savoie, Using environmental parameters to optimize process operation, Pulp & Paper Canada, V. 100（12）：139-142. 1999
[10] 金福江, 王慧, 李平.基于多智能體的制漿造紙過程清潔生產(chǎn)策略. 第三屆全球智能控制與自動(dòng)化大會(huì) 論文集Vol.(1):254～257. 中國(guó)合肥. 2000.6.28-7.1.

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