蔗渣漿廠苛化工段石灰消化控制方法的改進(jìn)

陶文珍，劉熾東，周錫政

（中國(guó)輕工業(yè)南寧設(shè)計(jì)工程有限公司，南寧530031）

蔗渣漿廠苛化工段是將綠液（主要成份是碳酸鈉（Na2CO3））轉(zhuǎn)化成白液（主要成份是氫氧化鈉（NaOH）），并除去從堿爐帶來(lái)雜質(zhì)的過(guò)程。黑液經(jīng)過(guò)堿爐燃燒后的溶融物溶于溫水或稀白液中形成綠液，然后將綠液澄清除去綠泥，接著與消化石灰（Ca（OH）2）反應(yīng)生成白液，將白液澄清除去沉淀的白泥（CaCO3），然后將白液應(yīng)用于蒸煮工段。經(jīng)過(guò)苛化，使蒸煮用堿達(dá)到大部分回收，節(jié)約工業(yè)用堿，降低生產(chǎn)成本，減輕環(huán)境污染[1]。

在綠液向白液的轉(zhuǎn)化過(guò)程中，石灰的消化和苛化是至關(guān)重要的，而石灰的消化是基礎(chǔ)，消化得越好，苛化才能獲得越充分反應(yīng)。石灰消化的控制要考慮的因素比較復(fù)雜，其中最重要的因素就是控制加入石灰消化提渣機(jī)的石灰和綠液的量，因?yàn)槭壹熬G液的加入量均會(huì)直接影響白液的苛化度、澄清度、過(guò)量灰等指標(biāo)。而石灰和綠液的量一般是根據(jù)石灰消化提渣機(jī)內(nèi)溫度來(lái)控制，由于溫度檢測(cè)存在滯后性，給控制系統(tǒng)造成了很不利的影響，如何最大限度地修正檢測(cè)滯后帶來(lái)的影響，從而穩(wěn)定控制系統(tǒng)，提升苛化效率，成為了消化控制的核心。

1 消化反應(yīng)的控制難點(diǎn)

消化反應(yīng)是在石灰消化提渣機(jī)中連續(xù)進(jìn)行的，綠液與生石灰（來(lái)自緩沖倉(cāng)）按控制速度連續(xù)地送入石灰消化提渣機(jī)，在石灰消化提渣機(jī)內(nèi)，高溫與猛烈的攪拌促使生石灰迅速轉(zhuǎn)化成石灰乳（消石灰），同時(shí)綠液也在轉(zhuǎn)變成白液。對(duì)隨后的苛化作業(yè)與白泥沉降來(lái)說(shuō)，充分的消化至關(guān)重要。

石灰的消化需要在嚴(yán)格限制的溫度范圍（90～95 ℃）內(nèi)進(jìn)行，在最佳溫度時(shí)，反應(yīng)進(jìn)行得比較完全，未反應(yīng)的石灰也能較迅速地沉淀在白液澄清器中，從而只使較少的石灰循環(huán)到石灰窯中。這就需要穩(wěn)定綠液濃度、流量、溫度以及石灰加入量[2]。

石灰消化提渣機(jī)在運(yùn)行時(shí)，采用蒸汽將要進(jìn)入提渣機(jī)的綠液加熱，使其溫度穩(wěn)定在90 ℃左右，石灰顆粒直徑在30 mm 左右，從而保證石灰消化反應(yīng)物的穩(wěn)定。石灰消化提渣機(jī)溫度的穩(wěn)定還要求石灰和綠液的加入量要配合恰當(dāng)，綠液的供給通過(guò)流量的檢測(cè)調(diào)節(jié)基本可以達(dá)到穩(wěn)定，通常是通過(guò)固定綠液流量調(diào)節(jié)石灰加入量，以控制石灰與綠液的比率。

石灰的消化如果控制得不好，比如欠灰操作雖然對(duì)白泥分離，白泥洗滌的澄清操作較為有利，但欠灰造成轉(zhuǎn)化率低，意味著仍有許多死負(fù)荷（Na2CO3）滯留在制漿和回收循環(huán)中，將會(huì)導(dǎo)致諸如蒸煮鍋結(jié)垢等不良影響。反之石灰加入量過(guò)多就會(huì)對(duì)白泥分離，白泥洗滌的澄清操作產(chǎn)生不好的影響，造成不必要的浪費(fèi)，同時(shí)石灰加入量過(guò)多會(huì)引起沸騰，如果熱堿液從消化器溢出就會(huì)出現(xiàn)危險(xiǎn)。

最佳的操作要求石灰用量非常接近完成碳酸鹽完全轉(zhuǎn)化所需的化學(xué)計(jì)算量。石灰用量為化學(xué)計(jì)算量的0.95 時(shí)，開始顯示對(duì)沉淀特性有較大的破壞；石灰用量為化學(xué)計(jì)算量的1.05 時(shí)，白泥的分離狀況很差，并且轉(zhuǎn)化率沒有進(jìn)一步提高。所以控制好石灰和綠液加入量是搞高苛化生產(chǎn)的重要條件[3]。

2 石灰消化控制方案

石灰消化的控制方法有很多種，經(jīng)過(guò)不斷的改進(jìn)，目前紙廠常用的控制方法主要有以下幾種。

2.1 溫度反饋控制法

按預(yù)先所要求的轉(zhuǎn)化率、苛化度、濃度及白泥沉降速度等來(lái)固定綠液的流量，溫度控制回路TIC-01 通過(guò)檢測(cè)石灰消化提渣機(jī)的溫度來(lái)調(diào)節(jié)給料器的轉(zhuǎn)速，從而控制石灰加入量。當(dāng)石灰消化提渣機(jī)的溫度升高時(shí)，減少石灰加入，當(dāng)石灰消化提渣機(jī)的溫度降低時(shí)，增加石灰加入；溫度控制回路TIC-02 通過(guò)檢測(cè)綠液加熱器出口綠液溫度來(lái)調(diào)節(jié)通入蒸汽的流量。當(dāng)綠液溫度升高時(shí)，減少蒸汽加入，當(dāng)石灰消化提渣機(jī)的溫度降低時(shí)，增加蒸汽加入。這兩個(gè)單回路控制保證了石灰消化提渣機(jī)的溫度穩(wěn)定在一個(gè)范圍內(nèi)，使得反應(yīng)比較完全。由于投資少，控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，早期所建的蔗渣漿廠一般采用這種控制方法，其控制原理如圖1所示。

圖1 溫度反饋控制流程Fig.1 Temperature feedback control flow chart

很顯然這種控制方法要求所有的工況保持不變，即綠液的流量、濃度、石灰質(zhì)量及設(shè)備狀況不變，這在大部分的實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行中是很難滿足的。

石灰質(zhì)量，給料機(jī)運(yùn)行狀況以及綠液流量、溫度或質(zhì)量（硫化度、總滴定堿）波動(dòng)均會(huì)使石灰加入量失去平衡。當(dāng)石灰煅燒過(guò)度導(dǎo)致了孔隙率低，表面硬化時(shí)會(huì)降低石灰在消化過(guò)程中的反應(yīng)能力，從而使石灰消化提渣機(jī)的溫度達(dá)不到設(shè)定值，此時(shí)給料器會(huì)增加石灰加入量，以期達(dá)到規(guī)定的苛化度指標(biāo)，而未反應(yīng)的過(guò)量石灰則必須經(jīng)消化器的分離裝置排掉，由此將增加新石灰的供求，造成過(guò)量加灰。反之，當(dāng)石灰反應(yīng)能力提高使消化溫度上升時(shí)，又要減少石灰的給料。由于系統(tǒng)多次過(guò)量加灰運(yùn)行，苛化度波動(dòng)較大，有可能導(dǎo)致白液質(zhì)量不穩(wěn)定。因此，僅靠調(diào)整溫度控制不能兼顧所有工藝參數(shù)的變化。為了能夠達(dá)到符合生產(chǎn)要求的苛化效果，操作人員不得不在生產(chǎn)過(guò)程中頻繁地修正溫控指標(biāo)的給定值，這樣連續(xù)的滯后對(duì)大規(guī)模流水線生產(chǎn)顯然是不及時(shí)的，誤差大，靈敏度太低。

2.2 前饋—反饋控制法

利用2 個(gè)PID 調(diào)節(jié)回路穩(wěn)定進(jìn)入石灰消化提渣機(jī)綠液的溫度及流量，將進(jìn)入石灰消化提渣機(jī)綠液的流量檢測(cè)作為前饋信號(hào)，石灰消化提渣機(jī)內(nèi)的反應(yīng)溫度檢測(cè)作為反饋信號(hào)，一起來(lái)控制石灰給料器電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到調(diào)節(jié)石灰的加入量。這一方法目前造紙廠應(yīng)用的比較普遍，其待測(cè)點(diǎn)的流程如圖2所示。

圖2 前饋—反饋控制流程Fig.2 Feedforward-feedback control flow chart

在這個(gè)控制方案中，因?yàn)槭业募尤肓坎缓每刂疲宰鳛檎麄€(gè)控制系統(tǒng)中的主變量。綠液的流量通過(guò)PID 回路FIC-02 來(lái)穩(wěn)定，同時(shí)綠液流量信號(hào)又作為石灰加入量的前饋信號(hào)；綠液的溫度通過(guò)PID 回路TIC-02 來(lái)穩(wěn)定，石灰消化提渣機(jī)的溫度TIC-01 作為石灰加入量的反饋信號(hào)。其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 前饋—反饋控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Feedforward-feedback control system structure diagram

這種控制方案的優(yōu)點(diǎn)是：在前饋控制中引入反饋控制，有利于對(duì)控制系統(tǒng)中的綠液流量的干擾進(jìn)行前饋補(bǔ)償，對(duì)系統(tǒng)中的其他干擾而引起的石灰消化提渣機(jī)的溫度上升進(jìn)行反饋補(bǔ)償。反饋控制回路降低了前饋控制器的精度要求，前饋控制回路提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，使整個(gè)控制系統(tǒng)既可以實(shí)現(xiàn)高精度控制，又能保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

但是這個(gè)控制系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)受到一定的制約。先看前饋控制回路，這里的前饋控制回路實(shí)際上是一個(gè)開環(huán)比值控制系統(tǒng)，在穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，綠液和石灰的進(jìn)料流量滿足Q2=KQ1的關(guān)系。當(dāng)綠液的流量Q1受到干擾有波動(dòng)時(shí)，比值調(diào)節(jié)器根據(jù)Q1對(duì)設(shè)定值的偏差情況，按比例去改變石灰給料器電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而改變石灰的進(jìn)料，使石灰的進(jìn)料量Q2與變化后的綠液的流量Q1仍保持原有的比例關(guān)系。但是也不難看到，當(dāng)石灰的進(jìn)料量Q2受到外界干擾（如石灰顆粒大小，螺旋給料機(jī)運(yùn)行狀況）而發(fā)生波動(dòng)時(shí)，Q1與Q2的比值關(guān)系將遭到破壞，系統(tǒng)對(duì)此無(wú)能為力，所以這里的前饋控制還有待完善。再看反饋控制，和第一種控制法一樣，同樣存在溫度連續(xù)滯后的問(wèn)題，盡管前饋控制提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但是控制精度仍然有待提高。

3 改進(jìn)后的石灰消化控制方法

根據(jù)前饋—反饋的控制原則，結(jié)合工藝針對(duì)上述控制系統(tǒng)的不足，為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度，采取串級(jí)及比值控制法來(lái)對(duì)石灰消化進(jìn)行自動(dòng)控制，其待測(cè)點(diǎn)流程如圖4所示。

圖4 串級(jí)及比值控制流程Fig.4 Flow chart of cascade and ratio control

進(jìn)石灰消化提渣機(jī)的綠液溫度TIC-02 與反應(yīng)后提渣機(jī)溫度TI-01 之間的溫差與進(jìn)石灰消化提渣機(jī)的石灰進(jìn)料量FIC-01 形成串級(jí)控制，進(jìn)石灰消化提渣機(jī)的綠液流量FIC-02 與石灰進(jìn)料量FIC-01 形成雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)。

進(jìn)石灰消化提渣機(jī)的綠液流量與石灰進(jìn)料量的雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)其實(shí)起到的是一個(gè)前饋?zhàn)饔?，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定度，其控制系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)Fig.5 Double closed-loop ratio control system diagram

石灰消化最關(guān)鍵的就是綠液和石灰反應(yīng)完全。之前把消化提渣機(jī)的溫度作為主要控制對(duì)象不是很合適，因?yàn)檫M(jìn)入消化提渣機(jī)綠液的溫度也會(huì)對(duì)消化提渣機(jī)的溫度有所影響，比如把消化提渣機(jī)溫度設(shè)定為95 ℃，當(dāng)進(jìn)入消化提渣機(jī)綠液溫度為90 ℃時(shí)，石灰的進(jìn)料量設(shè)定為3 kg/s，如果進(jìn)入消化提渣機(jī)綠液溫度受到波動(dòng)為85 ℃時(shí)，此時(shí)綠液加入量和前面一樣，石灰的加入量會(huì)因?yàn)橄嵩鼨C(jī)溫度下降而增加，導(dǎo)致了過(guò)量加灰。所以改進(jìn)后的系統(tǒng)采用進(jìn)消化提渣機(jī)綠液和反應(yīng)后綠液溫度差作為主控制對(duì)象，把石灰進(jìn)料量作為副控制對(duì)象，構(gòu)成了串級(jí)控制系統(tǒng)，如圖6所示。

圖6 串級(jí)控制系統(tǒng)Fig.6 Cascade control system diagram

設(shè)Gc1（s），Gc2（s）分別為主副控制器的傳遞函數(shù)，Go1（s），Go2（s）分別為反應(yīng)前后綠液溫差和石灰給料的傳遞函數(shù)，Gm1（s），Gm2（s）分別為主副檢測(cè)變送器的傳遞函數(shù)，Gv（s）為給料電機(jī)的傳遞函數(shù)，G′o2（s）為等效副對(duì)象的傳遞函數(shù)。

假定Gc2（s）=Kc2，Gv（s）=Kv，Gm2（s）=Km2，Go2（s）=，則副回路的等效傳遞函數(shù)為

將各環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)代入式（1）得：

無(wú)論在什么情況下，1+Kc2KvKo2Km2>1 不等式總是成立，所以，經(jīng)過(guò)串級(jí)控制后，系統(tǒng)的等效副對(duì)象的控制時(shí)間比原來(lái)的控制時(shí)間減小了1+Kc2KvKo2Km2倍[4]，這就意味著減小了滯后時(shí)間，這樣就使對(duì)石灰消化的控制更加及時(shí)和精確，降低了石灰的消耗，也會(huì)減少白液過(guò)濾器的清洗次數(shù)，為后續(xù)工作帶來(lái)了很大的方便。

4 方案應(yīng)用效果

廣西某蔗渣漿廠苛化車間的石灰消化控制采用溫度反饋控制法，由于溫度檢測(cè)滯后，調(diào)節(jié)誤差大，人工干預(yù)度高，控制效果不理想，后經(jīng)技改，采用串級(jí)及比值控制法，克服了以往石灰加入量控制方法的不足，以前由于各種原因，容易引起各種波動(dòng)，改造后無(wú)需操作人員人工干預(yù)，能自動(dòng)預(yù)判修正各種擾動(dòng)，控制系統(tǒng)十分平穩(wěn)，石灰投入過(guò)量能控制穩(wěn)定在1.06～1.08 之間，節(jié)約了石灰用量的同時(shí)又保證了石灰消化的效果，整個(gè)石灰消化工藝控制得到優(yōu)化，大大提高了生產(chǎn)效率，為后續(xù)的苛化工序奠定良好基礎(chǔ)，實(shí)際生產(chǎn)的苛化率能穩(wěn)定保證在80%～85%。

5 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)走訪設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)的蔗渣漿廠苛化車間不同的石灰消化控制方法，并查看了各控制方法的控制曲線，串級(jí)及比值控制法是波動(dòng)最小，最穩(wěn)定的控制方法。它克服了以往傳統(tǒng)控制方法的各種弊端，能自動(dòng)預(yù)判修正各種擾動(dòng)，使得該車間的整個(gè)工藝得到了優(yōu)化，節(jié)約了原料，大大提升了石灰消化效率，達(dá)到了令人滿意的控制效果，提高了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。