干燥機(jī)出口炭黑溫度的控制

王偉興

(蘇州寶化炭黑有限公司， 江蘇 蘇州 215151)

某炭黑公司造粒工段將造粒水和粉狀炭黑等按約1∶1比例混合攪拌成潮濕粒狀炭黑下料至滾筒干燥機(jī)烘干，再脫水成粒狀炭黑。烘干工藝： 操作工按比例調(diào)節(jié)空氣和尾氣的流量，使其在尾氣燃燒爐內(nèi)燃燒至1 100～1 200 ℃，高溫?zé)煔饨?jīng)過(guò)火箱在滾筒干燥機(jī)內(nèi)經(jīng)過(guò)40 min將含水炭黑換熱變成180～250 ℃的炭黑，再經(jīng)過(guò)一級(jí)提升機(jī)至二級(jí)提升機(jī)后使出口炭黑溫度控制在80～160 ℃并輸送至成品罐存儲(chǔ)。以往根據(jù)炭黑溫度和燃燒熱量調(diào)節(jié)尾氣流量的過(guò)程多是憑借經(jīng)驗(yàn)，因而二級(jí)提升機(jī)出口炭黑溫度允許在80～160 ℃內(nèi)波動(dòng)。從節(jié)能的角度出發(fā)，該點(diǎn)溫度最佳控制區(qū)間是110～123 ℃，但時(shí)有超溫。高溫超上限時(shí)，易造成包裝、物流運(yùn)輸中炭黑溫度過(guò)高自燃，粒子破碎、細(xì)粉增大、回流炭黑增加、生產(chǎn)成本上升，尾氣浪費(fèi)，易引發(fā)超溫燃燒濾袋等生產(chǎn)事故；溫度低于下限時(shí)，則導(dǎo)致產(chǎn)品加熱減量指標(biāo)不合格，出現(xiàn)回流，使生產(chǎn)成本上升。炭黑造粒后工藝流程如圖1所示。

圖1 炭黑造粒工藝流程示意

未實(shí)施改造前，尾氣流量依據(jù)經(jīng)驗(yàn)操作模式采用人工調(diào)節(jié)加熱，平均0.8 h改變一次尾氣流量設(shè)定值，勞動(dòng)強(qiáng)度大，儀表自動(dòng)化程度低。為提高生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，該公司采取技術(shù)改造措施，目前炭黑溫度的控制方案： 尾氣流量和炭黑溫度串級(jí)控制，加造粒水流量前饋控制，但該方案仍存在一些不足。由于造粒不穩(wěn)定，造粒水量作為前饋參數(shù)波動(dòng)很大，易引起尾氣調(diào)節(jié)過(guò)程中蝶閥的快速關(guān)閉而使前工段主袋收集袋濾器箱體壓力控制不及時(shí)而超壓，存在安全隱患。因此，該控制方案需要增加1套安全聯(lián)鎖控制方案。

1 干燥機(jī)出口炭黑溫度控制方案

1.1 前饋串級(jí)控制方案

前饋串級(jí)溫度控制系統(tǒng)如圖2所示，該方案中主回路由一級(jí)提升機(jī)炭黑溫度調(diào)節(jié)回路TIC-5212組成，造粒水流量作為前饋?zhàn)兞?。由于造粒水流量波?dòng)大，采樣平均時(shí)間為60 s，采樣后的平均流量參與調(diào)節(jié)，避免了尾氣流量調(diào)節(jié)的波動(dòng)。將前饋?zhàn)兞砍艘晕矚饬髁?造粒水流量的比值(FC)對(duì)應(yīng)的尾氣流量值與TIC-5212調(diào)節(jié)器輸出值疊加，作為副回路的給定值。副回路由尾氣流量調(diào)節(jié)回路FIC-5201組成，副回路輸出直接通過(guò)尾氣蝶閥控制尾氣流量。

圖2 前饋串級(jí)溫度控制系統(tǒng)示意

主調(diào)節(jié)回路TIC-5212的輸出變量與尾氣熱量成對(duì)應(yīng)關(guān)系，起到微調(diào)炭黑溫度的作用。以造粒水流量作為前饋?zhàn)兞浚^快反映了炭黑中含水量的變化，含水量與需要烘干的熱量成一定的正比例，尾氣流量與加熱熱量成正比例關(guān)系，因而尾氣流量根據(jù)造粒水流量調(diào)節(jié)燃燒溫度，即完成了炭黑溫度的快速粗調(diào)。

1.2 二級(jí)提升機(jī)出口炭黑溫度控制

由于炭黑溫度最終控制是以二級(jí)提升機(jī)出口炭黑溫度TE-5213為主要技術(shù)指標(biāo)，但溫度的變化從造粒水流量調(diào)節(jié)開(kāi)始到尾氣流量調(diào)節(jié)結(jié)束后才能反映出來(lái)，存在40 min的滯后，炭黑溫度需要及時(shí)參與到前饋串級(jí)控制中去，一級(jí)提升機(jī)出口炭黑溫度TE-5212與TE-5213之間有差值。為控制最終溫度TE-5213，增設(shè)二級(jí)提升機(jī)出口溫度TIC-5213調(diào)節(jié)回路，開(kāi)環(huán)比例CP輸出。

TIC-5213的SP值為115～120 ℃，TE-5213作為溫度調(diào)節(jié)單元的PV值，CP=0.45×PID模塊輸出值，該CP值作為T(mén)IC-5212控制調(diào)節(jié)單元的SP，該比例系數(shù)是1個(gè)經(jīng)驗(yàn)估算值。

1.3 前饋補(bǔ)償選擇計(jì)算單元裝置

FC的設(shè)定，決定了炭黑溫度的快速恒定，但由于炭黑溫度的滯后性，當(dāng)前的炭黑溫度反應(yīng)的是40 min之前的FC值。而且生產(chǎn)炭黑品種的改變，原料油等工藝控制參數(shù)變化，也將引起尾氣熱值改變，造成尾氣燃燒后燃燒溫度值的改變，尾氣流量也將隨著燃燒溫度和炭黑溫度調(diào)節(jié)改變，進(jìn)而FC也隨之改變。因此，F(xiàn)C的取值需要一定控制調(diào)節(jié)經(jīng)驗(yàn)，且有必要采取DCS自動(dòng)計(jì)算該系數(shù)，計(jì)算公式如下：

FC=[尾氣流量+20 m3/(h·℃)×(二級(jí)提升機(jī)出口炭黑溫度給定值-二級(jí)提升機(jī)出口炭黑溫度)]/造粒水流量。

由于流量等參數(shù)的采樣平均時(shí)間設(shè)定較長(zhǎng)，加大了數(shù)據(jù)在平均時(shí)間內(nèi)的真實(shí)性和可靠性、穩(wěn)定性，但該系數(shù)的生成條件是必須在生產(chǎn)運(yùn)行1.5 h后自動(dòng)計(jì)算。

2 前饋串級(jí)投運(yùn)安全聯(lián)鎖控制邏輯方案

尾氣流量在前饋串級(jí)模式下受到炭黑生產(chǎn)工藝其他因素影響，有時(shí)尾氣流量調(diào)節(jié)閥會(huì)出現(xiàn)快速關(guān)閉，造成尾氣加壓風(fēng)機(jī)出口系統(tǒng)壓力急劇上升，主袋收集袋濾器儀表安全聯(lián)鎖保護(hù)啟動(dòng)不及時(shí)，主袋箱體壓力超壓，造成安全危害。因此，增加邏輯聯(lián)鎖控制條件，前饋串級(jí)投切安全聯(lián)鎖邏輯如圖3所示，通過(guò)DCS組態(tài)實(shí)現(xiàn)。

3 前饋串級(jí)炭黑溫度控制調(diào)節(jié)精度分析

該公司炭黑5號(hào)生產(chǎn)線尾氣前饋串級(jí)控制方案投運(yùn)前，自2018年8月27日0時(shí)開(kāi)始，12 h內(nèi)的炭黑溫度數(shù)據(jù)記錄見(jiàn)表1所例。

圖3 前饋串級(jí)投切安全聯(lián)鎖邏輯示意

測(cè)量參數(shù)00 0000 3001 0001 3002 0002 3003 0003 3004 0004 3005 0005 3006 00最大偏差造粒水流量/(kg·h-1)3722377237403734373236043623351735203542353637343736尾氣流量/(m3·h-1)6103685068506850650065006502562456005600560056006263二級(jí)提升機(jī)出口炭黑溫度/℃127.3119.3127.7136.7138.4137.9145.4135.0123.3123.0115.090.0106.3偏差1)/℃9.31.39.718.720.419.927.417.05.35.0-3.0-28.0-11.7-28.0測(cè)量參數(shù)06 3007 0007 3008 0008 3009 0009 3010 0010 3011 0011 3012 0012 30最大偏差造粒水流量/(kg·h-1)3725371036833517352035423536373437363725371036833740尾氣流量/(m3·h-1)7276631763175624560056005600560062637276631763176850二級(jí)提升機(jī)出口炭黑溫度/℃83.2121.3124.0135.0123.3123.0115.090.0106.383.2121.3124.0127.7偏差1)/℃-34.83.36.017.05.35.0-3.0-28.0-11.7-34.83.36.09.7-34.8

注： 1) 以TE-5213控制溫度118 ℃為基準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)偏差，前饋串級(jí)未投運(yùn)最大偏差溫度達(dá)到-34.8 ℃，動(dòng)態(tài)誤差±29%。

自2018年8月28日0時(shí)開(kāi)始，前饋串級(jí)控制方案投運(yùn)后12 h內(nèi)炭黑溫度數(shù)據(jù)記錄見(jiàn)表2所列。

表2 前饋串級(jí)投運(yùn)炭黑溫度數(shù)據(jù)記錄

續(xù) 表 2

注： 1) 以TE-5213控制溫度118 ℃為基準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)偏差，其中前饋串級(jí)投運(yùn)后最大偏差溫度9 ℃，動(dòng)態(tài)誤差±8%。

通過(guò)分析以上前饋串級(jí)投運(yùn)前后的溫度控制誤差，投運(yùn)后溫度誤差明顯可控制在±10%內(nèi)，前饋串級(jí)炭黑溫度控制調(diào)節(jié)精度相當(dāng)好。投運(yùn)前后炭黑溫度的疊加趨勢(shì)比較分別如圖4、圖5所示，投運(yùn)后溫度波動(dòng)幅度收斂明顯。

圖4 前饋串級(jí)投運(yùn)前炭黑溫度TE-5213趨勢(shì)

圖5 前饋串級(jí)投運(yùn)后炭黑溫度TE-5213趨勢(shì)

通過(guò)圖4和圖5基本上能夠明確，滾筒干燥機(jī)出口炭黑溫度在前饋串級(jí)控制下，溫度控制精度得到了大幅度的提升，且在聯(lián)鎖控制方案上也實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

滾筒干燥機(jī)出口炭黑溫度的有效控制是炭黑行業(yè)自動(dòng)化程度提高的必要進(jìn)程，前饋串級(jí)溫度控制投運(yùn)的作用巨大： 減少了操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度、實(shí)現(xiàn)了尾氣流量節(jié)能降耗、減少了炭黑粒子溫度的超調(diào)、降低了細(xì)粉含量、延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命、降低了回流炭黑的量，起到降本增效的作用。