智能化制造在拜耳法氧化鋁蒸發(fā)工序中的應(yīng)用

姜元軍

（龍口東海氧化鋁有限公司，山東 龍口 265713）

低溫拜耳法是化工企業(yè)生產(chǎn)氧化鋁的常用方法，該工藝流程中，蒸發(fā)環(huán)節(jié)為重要的工藝環(huán)節(jié)。由于拜耳法氧化鋁蒸發(fā)工序的流程較長，且具有較強連續(xù)性，因此，在這一環(huán)節(jié)中的控制難度相對較高，傳統(tǒng)的控制方式已經(jīng)不能滿足當(dāng)今的需要，這就需要加強智能化技術(shù)的應(yīng)用，實現(xiàn)對蒸發(fā)工序中各項參數(shù)的自動精準(zhǔn)調(diào)節(jié)，進(jìn)一步提高氧化鋁的生產(chǎn)質(zhì)量，從而創(chuàng)造更高的經(jīng)濟效益。

1 拜耳法氧化鋁生產(chǎn)工藝概述

在氧化鋁的拜耳法生產(chǎn)過程中，將鋁土礦與苛性堿溶液在磨機中共同進(jìn)行研磨，以形成鋁土礦漿液，這些漿液在加熱至臨界值后，開始溶出，此過程中，反應(yīng)體系中的氧化鋁會和強堿發(fā)生反應(yīng)，生成鋁酸鈉，其能夠與反應(yīng)體系中的鐵、鈦等雜質(zhì)有效分離[1]。分離出的鋁酸鈉通過過濾和分解等工序，以三水合氫氧化鋁的形式析出，在析出后對氫氧化鋁進(jìn)行分離、洗滌和高溫焙燒，得到氧化鋁成品。而這一過程中的苛性堿溶液能夠經(jīng)蒸發(fā)后循環(huán)使用，亦被稱之為循環(huán)母液[2]。

2 拜耳法氧化鋁蒸發(fā)工藝中智能制造技術(shù)的應(yīng)用

2.1 蒸發(fā)工序概述

目前在拜耳法氧化鋁蒸發(fā)工藝中，通常采用六效逆流強制循環(huán)法。來自分解工序的母液經(jīng)過分流后，按照1:1的比例分別進(jìn)入到4效和6效蒸發(fā)器，進(jìn)入4效蒸發(fā)器的母液經(jīng)過1-4效進(jìn)行蒸發(fā)和1-3級閃蒸；然而，進(jìn)入6效蒸發(fā)器的母液經(jīng)過6效和5效蒸發(fā)，不經(jīng)過閃蒸程序。通過閃蒸和蒸發(fā)后的母液重新進(jìn)行混合，送回溶出工序。該過程中產(chǎn)生的飽和蒸汽進(jìn)入1效蒸發(fā)器，1效蒸發(fā)器中產(chǎn)生的二次蒸汽進(jìn)入2效蒸發(fā)器，以此類推。在蒸汽流動過程中，通過冷凝水自蒸發(fā)器進(jìn)一步回收其中的熱，溶液通過蒸汽直接預(yù)熱后，進(jìn)入蒸發(fā)器組，經(jīng)過間接預(yù)熱、強制循環(huán)至蒸發(fā)室蒸發(fā)[3]。

從該工序流程中可知，要提高氧化鋁蒸發(fā)工序的效率和質(zhì)量，智能化調(diào)節(jié)蒸汽閥門、進(jìn)料閥門的開度至關(guān)重要，因此，引入智能化制造技術(shù)優(yōu)化工序，DCS系統(tǒng)將是可行的途徑[4]。

2.2 DSC系統(tǒng)及其需求分析

在DSC系統(tǒng)的選取上，應(yīng)當(dāng)優(yōu)先選擇組態(tài)靈活、硬件種類少、可靠性高和通信網(wǎng)絡(luò)開放的Foxboro I/A series系統(tǒng)，其配置如圖1所示。

圖1 蒸發(fā)工序DCS系統(tǒng)配置

根據(jù)圖1可知，AW為應(yīng)用操作站處理機，WP為操作站處理機，F(xiàn)CP280為控制處理機，F(xiàn)BM組件為現(xiàn)場總線組件（也稱為I/O卡件）。

應(yīng)用智能化制造技術(shù)的關(guān)鍵點在于以大數(shù)據(jù)平臺為基礎(chǔ)，實現(xiàn)優(yōu)化程序的計算和控制，其對原有的DCS系統(tǒng)并不存在明顯的影響。在此條件下，智能化制造應(yīng)用的具體需求分為以下幾點：①用戶能夠根據(jù)實際生產(chǎn)需要來靈活選擇是否需要開啟優(yōu)化控制；②根據(jù)原料的流量、濃度、溫度，以及蒸發(fā)器內(nèi)的壓力、溫度等大量參數(shù)進(jìn)行蒸汽流量的最優(yōu)化調(diào)節(jié)配置，使之符合設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)；③對進(jìn)入四、六效蒸發(fā)器的母液分液比進(jìn)行優(yōu)化控制，對于某些特殊情況能夠及時調(diào)整分液比；④當(dāng)優(yōu)化系統(tǒng)檢測到異常，且無法通過自動控制予以調(diào)整時，則及時向用戶發(fā)出警報，用戶在收到信息后，將自動模式切換為手動模式，維持生產(chǎn)線的穩(wěn)定運行，并及時解決問題；⑤控制周期短，且讀取頻率高；⑥縮小輸出母液苛性堿濃度的范圍。

結(jié)合上述需求，本文應(yīng)用智能化制造技術(shù)主要采用模型預(yù)測控制方法，利用大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)，構(gòu)建準(zhǔn)確的控制模型，該模型的原理見圖2。

圖2 控制模型的基本原理圖

根據(jù)圖2可知，該模型主要根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場所采集的工藝參數(shù)，結(jié)合歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和計算，并根據(jù)計算結(jié)果，實時調(diào)整蒸汽流量和循環(huán)母液分液比，使其達(dá)到最優(yōu)值。采用預(yù)測控制模型后，其優(yōu)點為：模型要求不高，不需要深入了解過程內(nèi)部機理，建模方便；參數(shù)可調(diào)，有利于提高系統(tǒng)的魯棒性；較好的動態(tài)控制效果；可處理約束；可實現(xiàn)多目標(biāo)優(yōu)化（包括經(jīng)濟指標(biāo)）；不增加理論困難，可推廣到有約束條件、大純滯后、非最小相位及非線性等過程。

2.3 系統(tǒng)主要功能

該DCS系統(tǒng)的功能種類較多，主要為以下幾種。

（1）顯示功能。在該DCS系統(tǒng)中，具有彩色LED顯示屏，實時顯示氧化鋁蒸發(fā)環(huán)節(jié)中的溫度、壓力和液位等實時數(shù)據(jù)，包括電機工作狀態(tài)參數(shù)以及槽罐液位信息等。同時，其對各項參數(shù)的歷史數(shù)據(jù)及趨勢等進(jìn)行詳細(xì)的記錄和顯示。

（2）控制功能。該DCS系統(tǒng)可以接入鼠標(biāo)和鍵盤等操作設(shè)備，當(dāng)自動控制不能滿足需要時，操作人員通過硬件設(shè)備進(jìn)行手動控制，如開啟或關(guān)閉電機、閥門、調(diào)整變頻電機轉(zhuǎn)速或修改調(diào)節(jié)閥開度位置等。

（3）報警功能。該DCS系統(tǒng)的控制模塊中已內(nèi)置多種報警功能，包括測量值越限報警、偏差越限報警、輸出越限報警、變化速率報警、輸入信號超量程報警、過程狀態(tài)報警及輸入輸出通道故障報警等。

（4）打印功能。通過連接DCS系統(tǒng)與打印機，可以定時或即時打印出各個蒸發(fā)器的主要參數(shù)、槽罐液位、主蒸汽管道壓力、實時蒸汽流量及其歷史累計值、實時蒸發(fā)母液流量及其累計值、蒸發(fā)母液密度及其苛性堿液濃度值、歷史趨勢等，方便操作人員查看和調(diào)整生產(chǎn)策略。同時，其可打印用于日常生產(chǎn)管理所需的報表。

（5）數(shù)據(jù)存儲管理功能。在該DCS系統(tǒng)中，內(nèi)置數(shù)據(jù)庫管理軟件，用于對自控制系統(tǒng)的過程數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲、處理和歸檔等操作。其數(shù)據(jù)采樣周期可以根據(jù)實際需要進(jìn)行設(shè)置，并能夠?qū)崿F(xiàn)對各過程參數(shù)的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行濃縮操作，當(dāng)濃縮數(shù)據(jù)的保留時間達(dá)到臨界值后，即可將數(shù)據(jù)進(jìn)行歸檔，并在存儲介質(zhì)中進(jìn)行長期保存，這些保存的數(shù)據(jù)可以被裝回到系統(tǒng)中重新讀出，或根據(jù)實際需要整理為報表格式進(jìn)行分析。同時，該模塊詳細(xì)記錄操作員的操作過程，當(dāng)出現(xiàn)生產(chǎn)事故時，能夠以此為依據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確分析。

3 智能化制造系統(tǒng)在拜耳法氧化鋁蒸發(fā)工序中的主要控制功能

3.1 蒸發(fā)工序內(nèi)設(shè)備的啟?？刂婆c聯(lián)鎖控制

通過智能化制造系統(tǒng)對蒸發(fā)工序內(nèi)各效蒸發(fā)器的循環(huán)泵和出料泵、母液泵、冷凝水泵、污水泵、真空泵、稀酸泵及污水槽等設(shè)備可進(jìn)行遠(yuǎn)程手動啟停控制和按工藝流程需要進(jìn)行啟?？刂啤ＴO(shè)備工作狀況實時反映在監(jiān)視界面上,避免生產(chǎn)中出現(xiàn)設(shè)備故障后，生產(chǎn)人員不知情，未能及時處理故障和切換生產(chǎn)流程，進(jìn)而導(dǎo)致跑料和空載等問題。污水泵的啟停根據(jù)污水槽液位檢測信號進(jìn)行聯(lián)鎖控制，當(dāng)液位高報警開啟污水泵；液位低報警則關(guān)閉污水泵，避免污水泵空載，有效節(jié)省能源。根據(jù)冷凝水電導(dǎo)率檢測結(jié)果，聯(lián)鎖控制開關(guān)閥引導(dǎo)冷凝水流向，避免好水的浪費和壞水污染下游生產(chǎn)流程。當(dāng)蒸發(fā)機組運行出現(xiàn)問題或進(jìn)汽壓力超過上限時，其能夠緊急聯(lián)鎖關(guān)閉主蒸汽管道閥門，禁止新蒸汽進(jìn)入蒸發(fā)機組，避免安全事故的發(fā)生。

3.2 蒸發(fā)工序內(nèi)的回路控制

蒸發(fā)器的液位控制目標(biāo)是將蒸發(fā)器液位穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)。液面過高,影響蒸發(fā)效率，而且容易造成二次汽帶料；液面過低，造成蒸發(fā)器自循環(huán)泵空轉(zhuǎn)，影響溶液在蒸發(fā)器內(nèi)的成膜效果，造成管束干燒的情況，引起設(shè)備損壞。為保證蒸發(fā)器料位的穩(wěn)定性，設(shè)置一個PID 調(diào)節(jié)器，當(dāng)料位產(chǎn)生擾動時，通過PID 調(diào)節(jié)器控制蒸發(fā)器出料泵(變頻泵)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到消除偏差的目的。

閃蒸器料位控制的目標(biāo)是穩(wěn)定液面在閃蒸器處于合適的位置，避免因液面過高，導(dǎo)致料漿閃蒸空間不足，影響閃蒸效果。采用一個PID 調(diào)節(jié)器，當(dāng)料位產(chǎn)生擾動時，通過PID 調(diào)節(jié)來控制閃蒸器出料管上閥門的開度。

3.3 對母液濃度進(jìn)行控制

拜耳法工藝中的母液濃度是蒸發(fā)生產(chǎn)過程的重要指標(biāo)之一。從單一蒸發(fā)器的工作流程來看,母液濃度主要受蒸汽流量和入口原液流量控制。但從整個蒸發(fā)區(qū)域的工作流程來看，分解工序來的種分母液一部分直接送往母液調(diào)配工序，另一部分經(jīng)蒸發(fā)后送母液調(diào)配工序；最終在母液調(diào)配工序由種分母液、蒸發(fā)母液和液堿調(diào)配成合格的循環(huán)母液后送往配料工序。如果在蒸發(fā)工序通過調(diào)節(jié)原液(種分母液)的進(jìn)料量控制出料濃度，若出料濃度下降，則減少蒸發(fā)器進(jìn)料量，勢必造成直接送往母液調(diào)配工序的種分母液流量增加。為了配置出濃度合格的母液，必須增加液堿的添加量，這與實際生產(chǎn)中需要降低原材料消耗的目的背道而馳，因此，在實際應(yīng)用中，選擇主蒸汽流量作為被控參數(shù)來調(diào)節(jié)母液濃度。

3.4 節(jié)能控制

在DCS 系統(tǒng)上層建立智能控制平臺,對DCS系統(tǒng)內(nèi)的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析與處理。運用先進(jìn)的信息技術(shù)、運籌學(xué)及統(tǒng)計學(xué)理論等在蒸發(fā)工序的生產(chǎn)和管理中，根據(jù)蒸發(fā)器進(jìn)料、循環(huán)泵的循環(huán)量和蒸發(fā)器的各級溫度、壓力及蒸發(fā)母液密度等在線檢測數(shù)據(jù)，通過不斷建立和完善的智能控制模型，推理最佳新蒸汽用量，進(jìn)而使DCS 系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)蒸汽閥門，控制新蒸汽的流量，實現(xiàn)優(yōu)化母液濃度的控制，最終使蒸發(fā)工序的汽耗達(dá)到最低，進(jìn)而降低生產(chǎn)的能耗。

3.5 預(yù)防性維護(hù)

來自分解的種分母液中主要含有苛性鈉、碳酸鈉和硫酸鈉,同時還含有鋁、硅及鈣等物質(zhì)。在母液增濃過程中,由于各種鹽類濃度的提高,一部分鹽類(如碳酸鈉、硫酸鈉)將結(jié)晶析出；同時，由于溫度的升高，具有逆溶解度特性的鋁硅酸鈉材料以水合物的形式也結(jié)晶析出。這些結(jié)晶物附著在加熱管上，并不斷增加，最終形成極為致密堅硬的結(jié)晶體，致使蒸發(fā)效率明顯下降，蒸水能力無法滿足設(shè)備運行的要求，當(dāng)這種情況發(fā)生時，通常需要停車，暫停生產(chǎn)，清理加熱管上的結(jié)晶體，即結(jié)疤。同時，結(jié)疤的生成并不是固定的、周期性的過程，每次清洗時，結(jié)疤厚度和清洗難度不同。這就需要將蒸發(fā)器的蒸汽流量、各效蒸發(fā)器的溫度、壓力變化趨勢等數(shù)據(jù)通過分析處理，與同類檢測項目的歷史數(shù)據(jù)和變化趨勢進(jìn)行對比分析。

由此，即可在已有的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步建立智能化控制模型,逐步找到各項參數(shù)變化與蒸發(fā)器結(jié)疤的對應(yīng)規(guī)律，系統(tǒng)便可預(yù)測出蒸發(fā)器的結(jié)疤情況，給出哪一效蒸發(fā)器需要進(jìn)行水洗或酸洗的管理策略，以及提供如不進(jìn)行清洗會造成的能源損耗量和損耗增長趨勢，生產(chǎn)管理者根據(jù)系統(tǒng)給出的清洗提示，結(jié)合各運轉(zhuǎn)設(shè)備的工作狀態(tài)和生產(chǎn)任務(wù)，合理進(jìn)行蒸發(fā)器清洗及其他設(shè)備的維護(hù)工作，通過此方法有效地提高設(shè)備的運轉(zhuǎn)率。

4 結(jié)語

總而言之，通過在拜耳法氧化鋁蒸發(fā)工序中應(yīng)用智能化制造的相關(guān)技術(shù)，有效提高蒸發(fā)工序的各項工作指標(biāo)，使其更符合工藝控制的要求，從而達(dá)到提高生產(chǎn)效率和降低成本的最終目的。因此，在今后的工作中，仍需對此方面的內(nèi)容做進(jìn)一步研究，力爭在蒸發(fā)工序控制系統(tǒng)的智能化方面尋求更大的突破，從而進(jìn)一步提高工藝水平。