碱回收炉黑液燃烧过程的控制现状与展望

1、Vol 18,No 2,2003中 国 造 纸 学 报TransactionsofChinaPulpandPaper201碱回收炉黑液燃烧过程的控制现状与展望孙 计 钟伟民 孙优贤(浙江大学现代控制工程研究所,浙江杭州,310027)摘 要:黑液燃烧是纸厂碱回收的一种有效方法,碱回收炉是碱回收过程中十分重要的部分,本文总结了国内外碱回收炉控制的现状,分析了目前存在的一些问题,并且对未来的发展提出了展望关键词:碱回收;黑液燃烧;碱回收炉;控制技术中图分类号:TS733+ 9;TS736+ 3 文献标识码:A 文章编号:1000 6842(2003)02 0201 04黑液是由碱法制浆蒸煮得到的废

2、液,其成分主要根据所采用的植物原料及制浆蒸煮条件不同而有所不同,对黑液采取回收的方法国内也做过许多尝试,但经过考核比较发现用燃烧法处理黑液回收碱是目前黑液治污中最为成熟和有效的技术。制浆造纸业的碱回收工艺过程包括黑液蒸发、燃烧及绿液苛化和石灰回收等工段,其中黑液燃烧系统是制浆厂整个碱回收过程中最复杂也是最关键的工段。燃烧工段的最主要设备为碱回收锅炉,目前国内外普遍使用的碱回收锅炉类型为喷射炉。喷射炉作为整个硫酸盐制浆厂体积最大,造价最高的设备,其作用一方面是回收黑液中大量有机物(脱木素)中的有效热值,以产生蒸汽供工厂发电或造纸干燥之用;另一方面使黑液中的无机碱盐(Na2SO4、Na2CO3)经

3、还原反应后回收供制浆蒸煮重复使用。1 碱回收炉工艺介绍碱回收炉作为燃烧系统的主要设备,工艺对象和运行机理复杂,在手工操作和模拟仪表调节时,很难达1到理想的运行工况。建立一个碱回收炉的初期投入非常大,使得它往往成为制约制浆厂生产效率进一步提高的瓶颈,因此在同等规模的设备下提高碱炉处理效率显得很重要。碱回收炉运行情况的好坏对烟气中有害污染物的含量影响很大,实施自动控制,可以减少污染物的排放。实现碱回收炉燃烧的自动控制和检测,做到对泄露、黑炉等不安全因素的检测、报警和消除,可以保证系统稳定、安全的运行。提高碱回收炉的燃烧性能,使燃烧具有最高的还原率和最高热效率,对提高整个纸厂的经济效益和社会效益显得

4、十分重要。2 黑液燃烧过程的常规控制国内外对黑液燃烧过程的控制研究很少,碱回收炉的控制状况非常落后,缺乏有效的控制手段和控制策略。目前黑液燃烧过程的控制主要是在保证碱回收炉稳定、安全运行,防止黑炉、爆炸等前提下提高化学品回收效率和取得较高的热能。目前对碱回收炉的控制一般由碱回收炉垫层温度控制和烟气过氧量控制组成。2 1 单纯反馈控制根据燃烧机理和经验,垫层温度和一次风量之间存在极值关系,可以通过调节一次风量来控制垫层温度,实现垫层温度反馈控制。同时为保证燃烧质量,实现最小过剩空气系数指标,可以由烟气中含氧量(或综合考虑一氧化碳含量)来控制黑液固形物流量,实现烟气过氧量反馈控制。2 2 比值控制

5、为控制垫层温度和保持燃烧质量,可以设置比例控制确定空气流量和黑液固形物的比例。同样可组成双闭环或变比值控制回路,比值系数由经验数据和黑2图1 碱回收炉流程示意图液固形物性质确定(见图2)。收稿日期:2003 05 06(修改稿),;202中 国 造 纸 学 报第18卷 第2期散处理简化模型。文献8也做了类似的工作,把碱回收炉分为垫层燃烧区、黑液喷射区和可燃气体氧化区3个部分,假设每个区段内气流的浓度和温度分布都是均匀的,这样可以把每个区段作为一个集中参数对象来考虑,分别建立它们的动态方程:然后再通过相邻区段之间的物质和能量交换方程使3个不同区段的动态模型连接成为一整体,从而构成整个碱回收炉的燃

6、烧动态机理模型。在黑液燃烧过程中,用计算机控制代替传统的模图2 燃烧过程单闭环控制框图2 3 前馈加反馈控制以一次风量作为调节手段,把黑液固形物的流量和组分变化作为干扰,设计前馈控制器抵消这部分的扰动,并根据烟气过氧量或一氧化碳的含量进行反馈控制,实现碱回收炉的闭环控制(见图3)。这个控制策略比单纯反馈控制对实现垫层温度控制和过氧量控制有着一定的优势。拟调节系统,引入高级控制策略,可以在保证燃烧的稳定安全的基础上尽可能的提高黑液燃烧质量,使系统长期运行在良好的工况上。目前国内这方面的研究主要有以下几个方向:(1)多变量控制策略以多变量的动态模型为基础,考虑各输入变量间的相互关系,设计多输入多输

7、出控制器,并利用解耦技术和补偿技术等优化控制器设计7 9。碱回收炉的主要被控参数有炉膛温度、烟气含氧量和一氧化碳含量、垫层质量等,主要的调节变量有一、二次进风量和浓黑液流量以及辅油量等。文献8在多变量控制策略的基础上,构建了三级控制回路(基本回路,优化回路和高级回路)。上述三级回路中,基本回路是碱回收炉安全平稳运行的前提,也是后续高级回路和优化回路顺图3 前馈+反馈控制示意图利实施的基础;而高级回路中的 固形物喷射速率 和 燃烧控制 回路可看成是优化目标的辅助回路;优化回路中的 黑炉监测和防止 保证碱回收炉的安全运行。当实现碱回收炉的优化操作时,区分不同的工况来确定主要的优化目标,从而实现燃烧

8、过程的基本控制和优化控制,此方案已成功应用于生产现场。(2)自寻优控制策略这类控制策略的主要优化的目标就是最小的热损失和燃烧的最小过剩空气系数等。根据经验曲线的极值关系,运用各种数值寻优的计算方法,调节一、二次引风量,使炉膛温度和烟气含氧量保持在最优值附近。文献11为实现以热效率为最优目标的燃烧过程,提出了以进风量!烟气含氧量通道的数学模型为基础的自寻优!自适应控制策略。在这个策略中,作者引入了随机系统的双重控制算法,该算法在无附加激励的情况下能很好的估计对象模型参数,使该模型对参数发生变化时具有一定的鲁棒跟踪性。文献12根据碱回收炉控制的特点,采用远红外测温仪和垫层温度进行实时检测,将传统的

9、炉膛温度控制改为对炉况温度控制,采用自寻优和模糊控制相结合的办102 4 小结目前国内在黑液燃烧工段采用的大多是模拟仪表调节和手工操作。常规控制的引入,使黑液燃烧过程实现了自动控制,但这样的控制水平是很保守的,只能保证黑液燃烧尽量运行在安全的工况下,无法最大程度地提高燃烧效率和热能回收效率。3 黑液燃烧过程的高级控制策略3 1 燃烧过程的建模建立控制对象的动态仿真模型,有利于深入了解掌握对象在工作状态下的各种物理过程及现象,便于对出现的不利问题提出切实可行、有效的控制方案,可以了解对象在不同工作条件下可能导致的不同结果。根据黑液燃烧工艺的特点,主要考虑碱回收炉的建模问题,在这方面的文献很少,文

10、献7以一典型碱回收炉为对象,运用机理分析的手段,以黑液流量和空气进风量为输入变量,其他都作为干扰输入,以烟气氧含量和一氧化碳含量、垫层质量和炉膛出口烟温为中间变量,输出变量采用炉膛出口烟温和烟气含氧量,建第18卷 第2期碱回收炉墨液燃烧过程的控制现状与展望203制和垫层厚度和温度的模糊控制。该系统通过计算机两级网络实现控制,在实际应用中,使黑液燃烧更充分,提高了热效率和碱回收率。(3)其他高级控制策略近来,国内在碱回化燃烧工段又发展了其他一些控制策略,如基于专家系统的控制和优化,模糊预测控制等。文献2提出了黑炉的计算机检测和控制技术,实现了黑炉的自动检测、报警和自动消除。文献13 14针对黑液

11、燃烧的复杂性,采用了智能控制的方法建立了三层的控制系统:分别为决策层、优化控制层和基本控制层。在优化控制层利用基于ARMA线性模型或ARK线性模型的神经!模糊系统建立了碱回收炉的动态模型,并且部分运用最小二乘法提高训练速度,实现在线自适应。神经模糊系统的训练结果产生的多个线性ARMA模型或ARK模型可以方便地与广义预测控制相结合实现分布式计算,并用广义预测控制算法计算控制率;在用神经!模糊预测控制器根据烟气含氧量和垫层温度进行闭环控制的基础上,用普通的模糊控制器根据黑液固形物消耗的空气量并行产生控制量并对神经!模糊预测控制器的输出进行约束,实践表明该控制策略性能优良,已给企业带来了可观的经济效

12、益和社会效益。碱回收炉最重要的辅助设备运行操作之一,是运行中清除受热面烟气的碱灰和结渣。文献15对碱回收炉进行优化控制中涉及的方案选择、系统组成和吹灰条件的确定进行了分析与介绍。文献18通过对麦草浆黑液燃烧工艺的认识,根据燃烧工段的工艺流程划分成三个系统来考虑测控点的布局提出了相应的系统测控方案和手段,对保证碱回收炉的正常燃烧和安全运行提供了有益的帮助。3 2 小结目前国内碱炉的控制水平是很低的,真正投入使用的自动化装置很少。根据碱炉燃烧的特点,首先应当组成底层的控制回路,然后组建更高级别的优化层回路。由于模糊控制不需要模型,只依靠专家知识和经验知识的特点,很适合碱炉燃烧控制,再结合自适应、自

13、寻优、预测等先进控制技术,可以组成燃烧工段的高级控制策略。在这个策略中,应当可以融合故障诊断技术实现对黑炉的在线检测和恢复。4 碱回收黑液燃烧工段控制技术展望我国在碱回收炉自动控制方面起步较晚,而相对于造纸的其他工艺过程碱回收炉的自动控制是长期相,炉自动控制水平提高的主要因素是过程本身的复杂性(如非线性、时变、随机性等)和在线检测手段的限制。对于生产过程的复杂性和非线性,可以研究新的控制策略和控制算法,也可以将成熟的控制理论运用到碱回收炉控制,碱回收炉与一般的工业锅炉有一定的相似性,可以借鉴一般工业锅炉的成熟控制策略,然后结合碱回收炉的本身特点做相应的改进。由于碱回收炉既是蒸汽发生器又是化学反

14、应器,工况恶劣,测量十分困难,要实现先进控制技术必须是建立在准确检测的基础上,因此对于碱炉燃烧烟气中一氧化碳和氧气的实时在线分析仪,炉膛温度传感器等检测仪表的开发是一个十分迫切的需求。另一方面如果缺乏最新的测量仪表,或由于进口仪器很贵,可以采用计算机软测量技术来成为黑液处理控制的有效辅助手段。软测量仪表有开发成本比常规仪表成本低的多,开发周期比较短的特点,很适合目前国内碱回收炉控制的现状,相信软测量技术和在此基础上开发出来的软测量仪表在碱回收炉控制中将会发挥很大的作用。浙江大学现代控制工程研究所在黑液燃烧工段,利用浙江浙大中自集成控制股份有限公司开发的性价比较高的DCS系统!SUNYTDCS9

15、200,实现了碱回收燃烧工段的基本单元回路控制和部分优化控制,在实际的应用中取得了不错的效果。参 考 文 献1 陈嘉翔,李元禄,等 制浆原理与工程M 北京:中国轻工业出版社,19902 章 辉 随机控制系统若干问题的信息理论方法及应用研究D浙江大学硕士学位论文,19953 王骥程,祝和云,等 化工过程控制工程(第2版)M 北京:化学工业出版社,19914 VigaP,CiprianoA,dePradaCetal ProceedingsoftheThirdIEEEConferenceon,1994,16485 ChengG,WangQiang,SnialkowskiS Model freeada

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