（电力电子与电力传动专业论文）碱回收燃烧工段dcs控制系统研究.pdf

最后，在前面论述的控制方案的基础上，结合西门子p l c 平台 进行了系统实现。文中详细介绍了基于西门子p l c 的硬件实现及其 软件实现。在广西某造纸厂碱回收生产线进行了现场测试运行，现 场实际运行效果再次证明了本论文提出的控制器算法是切实可行 的，在其他工业应用中有着广泛的推广价值。 关键词：碱回收，燃烧工段，在线辨识，自校正，d c s r e s e a r c ho nd c s o ft h ec o m b u s t i o n s e c t i o no fa l k a l ir e c o v e r yp r o c e s s a b s t r a c t a l k a l ir e c o v e r yi st h em o s te f f e c t i v ew a yo fd e a l i n gw i t ht h e p o l l u t i o no ft h eb l a c k - l i q u o ri np u l pm i l l t h e r ea r eg r e a te n v i r o n m e n t b e n e f i t s ，s o c i a lb e n e f i t sa n de c o n o m i cb e n e f i t s c o m b u s t i o ns e c t i o ni s c o m p l i c a t e di n d u s t r yp r o c e s s t h e yh a v ec h a r a c t e r i s t i c ss u c ha ss t r o n g c o u p l i n g ，n o n l i n e a r i t y , l a r g et i m ed e l a y , p a r a m e t e re x a m i n e dd i f f i c u l t y , e t c a n dp e o p l er e q u i r em o r ee f f e c t i v ec o n t r o ls y s t e mf o rt h ep r o c e s s c o n t r 0 1 n o w a d a y st h ep i do rm a n u a lc o n t r o lo fs i n g l el o o pi sn o r m a l l y a d o p t e di nt h ec o m b u s t i o ns e c t i o no ft h ea l k a l ir e c o v e r y , b e c a u s eo f l a c ko ft h eo p t i m i z e dc o n t r o ls t r a t e g y ；t h eb o i l e rc a n tb ek e p ta tt h e b e s tb u r n i n gs t a t e a n df i n a l l yi tw i l la f f e c tt h eb u r n i n ge f f i c i e n c y i no r d e rt os o l v et h ep r a c t i c a le n g i n e e r i n gp r o b l e m sm e n t i o n e d a b o v e ，t h eb a s i ca p p l i c a t i o nr e s e a r c hh a sb e e nt a k e nf o rt h ec o m b u s t i o n s e c t i o n an o r m a lc o n t r o ls t r a t e g yi sd e v e l o p e df o rt h ew h o l es e c t i o n t h ew h o l ec o m b u s t i o ns e c t i o ni sd i v i d e di n t os e v e r a lr e l a t i o n a l c o o p e r a t e da n di n d e p e n d e n tp a r t s t h en e wb r e a k t h r o u g ha n dw o r k m a d ei nt h i st h e s i sl i e sb e l o w ： f i r s to fa l l ，t h en e e d so ft h et e c h n o l o g yt ot h ec o n t r o ls y s t e mh a v e b e e np u tf o r w a r da c c o r d i n gt ot h ep r o d u c t i o nc r a f t w o r ko fc o m b u s t i o n s e c t i o n t h ew h o l es e c t i o ni sd i v i d e di n t os e v e r a ls u b s y s t e m s b o i l e r s c o m b u s t i o nc o n t r o ls y s t e m ，w a t e r l e v e lc o n t r o ls y s t e m 。s t e a mp r e s s u r e c o n t r o la n db o i l e r sn e g a t i v ep r e s s u r ec o n t r o ls y s t e m t h er e s p e c t i v e c o n t r o ls t r a t e g yf o rt h es u b s y s t e m sa b o v ei s d e v e l o p e d ，i te n s u r e st h e b o i l e rs y s t e ms a f e t ya n dc o n t r o lp r e c i s i o n i nt h i st h e s i st h ed y n a m i c so ft h ew a t e r 1 e v e lo ft h eb o i l e ri s e x p l a i n e di nd e t a i l i ti n c l u d e st h ed y n a m i c su n d e rt h ee v a p o r a t i o n d i s t u r b a n c e ，l o a do ft h eb o i l e rd i s t u r b a n c ea n dt h ea m o u n to ft h ew a t e r s e n t d i s t u r b a n c e i ti n t r o d u c e st h e s i n g l e v a r i a b l ec o n t r o l l e r 。 d o u b l e v a r i a b l ec o n t r o l l e ra n dt h r e e v a r i a b l ec o n t r o l l e r s e v e r a l i ! i r e a l i z a t i o ns c h e m eo ft h et h r e e v a r i a b l ec o n t r o l l e ra r ei n t r o d u c e d f i n a l l yas i m p l ea n dp r a c t i c a lc o n t r o ls t r a t e g yi sa d o p t e d s t e a mp r e s s u r ec o n t r o ls y s t e m ，n e g a t i v e p r e s s u r ec o n t r o ls y s t e m a n do t h e ra u x i l i a r yc o n t r o ls y s t e ma r ea l s oi n t r o d u c e d t h ef b 41o ft h e s i e m e n si se x p l a i n e di nd e t a i lb e c a u s et h eb a s i cc o n t r o l l i n gl o o pa d o p t s t h ep i dc o n t r o ls t r a t e g y b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ed y n a m i c s ，t h ed y n a m i cs i m u l a t i o n m o d e lw a sb u i l tb yt h er e c u r s i v el e a s t - s q u a r eo n l i n ei d e n t i f i c a t i o n ， w h e r et h e d 2 i st h eo u t p u tv a r i a b l ea n dt h ea m o u n to ft h eb l o wi st h e o p e r a t i o nv a r i a b l e a n df i n a l l yt h em i n i m u mv a r i a n c ec o n t r o l l e rw a s d e v e l o p e da c c o r d i n gt ot h es e l f - t u n i n gc o n t r o lp r i n c i p l e f i n a l l y , t h es y s t e mr e a l i z a t i o nh a sb e e ns o l v e dw i t hs i e m e n sp l c p l a t f o r m ，a n d i th a sb e e n s u c c e s s f u l l yp u t i n t o p r a c t i c e i na p a p e r m a k i n gf a c t o r y i t sp r a c t i c a l c o n t r o le f f e c t a g a i ns h o w st h e f e a s i b i l i t yo f t h en e wa l g o r i t h m i tc a nb ep u ti n t ow i d eu s e k e yw o r d s ：a l k a l i r e c o v e r y , c o m b u s t i o n s e c t i o n ， o n l i n e i d e n t i f i c a t i o n ，s e l f - t u n i n g ，d c s i v 碱回收燃烧工段d c s 控制系统研究 原创性声明及关于学位论文使用授权的声明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：拯l 搓， 日 期： 2 q q 盆生6 旦 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解陕西科技大学有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅和借阅；本人授权陕西科技大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 其他复制手段保存论文和汇编本学位论文同时授权中国科学技术 信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通 过网络向社会公众提供信息服务。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：查固毖，导师签名：邀日期：2 q q 涟旦 碱回收燃烧工段d c s 控制系统研究 1 绪论 1 1 课题研究的背景及意义 1 1 1 碱回收系统国内外的发展概况 经过多年的发展，我国纸业已有长足的发展，中国造纸产量在1 9 7 8 年位 居世界第1 0 位，1 9 9 3 年居第3 位，2 0 0 1 年位居第2 位，产量为3 2 0 0 万吨。 中国纸的需求量在l9 9 5 年位居世界第2 位，2 0 0 1 年纸的消费量为3 8 l8 万吨川。 从9 0 年代开始，国内开始扩建和新建纸厂，以满足日益增长的纸的消费量。 由于纸厂大多采用碱法制浆，制浆的废液呈黑色称为黑液，黑液中含有烧碱和 其他固形物。在过去，纸厂一般对黑液进行简单的处理后排放或直接排放，造 成河水污染，其b o d 和c o d 的指标严重超标。从1 9 9 5 年开始，我国对淮河 流域污染治理，先后关闭了许多家小纸厂，未被关闭的纸厂，国家规定必须建 立碱回收车间。 随着纸厂的碱回收工程逐渐增多，与之配套的控制系统也被重视和发展起 来。碱回收车间生产的目的：第一是处理制浆产生的黑液，以使造纸废液达到 排放标准，减少环境的污染，另外提高了社会效益；第二是生产蒸汽和烧碱， 蒸汽作为造纸的能源，烧碱作为造纸的辅料，增加经济效益。碱回收车间包括 三个工段即蒸发工段、燃烧工段及苛化工段。每个工段生产工艺是比较复杂的。 蒸发工段将稀黑液蒸发、浓缩，作为燃烧工段的燃料。燃烧工段将浓黑液燃烧 产生蒸汽和绿液。苛化工段用白液将绿液苛化，生产烧碱。当今大多纸厂已进 行现代化生产管理，这就要求控制系统及时提供准确的各种过程数据，同时要 求碱回收车间的控制系统必须稳定、可靠。因为控制系统的故障会造成碱回收 车间停产，如果碱回收车间停产，就会造成全厂停产，这样会给纸厂造成很大 的经济损失，同时，由于黑液无法得到及时处理，为了不堵塞设备和管道，黑 液只能排放，造成环境污染。因此，碱回收车间的控制系统稳定、精确、可靠 的对于整个纸厂的生产运行具有十分重要的意义。 1 1 2实施碱回收的意义 碱回收系统从碱法制浆黑液中回收了碱和热能，并实现了工厂企业自身封 闭循环使用。对于碱法制浆黑液还有其它的治理措施，但会有相应的副产品产 生，存在运行成本和市场对其副产品需求变化的问题，因此碱回收对碱法制浆 陕西科技大学硕士学位论文 造纸企业而言是实现清洁生产、保护环境、废液进行厂内治理的重要组成部分。 碱回收能最经济有效地削减废液的污染负荷，大幅度提高资源回收利用率，再 经过物化一生化法的综合处理就可使企业生产过程中的中段废水达标排放。对 造纸厂的黑液进行碱回收有以下好处1 】： 1 ) 环境效益：黑液是纸厂主要污染源。其中的固形物约有2 3 是有机物， 1 3 是无机物。有机物是纸浆厂污水中的b o d ( b i o c h e m i c a lo x y g e nd e m a n d ， 即生化需氧量) 、c o d ( c h e m i c a lo x y g e nd e m a n d ，化学需氧量) 、s s 和色度 的主要来源。无机物中主要是碱。因此每回收一吨碱大约要烧去两吨以上的污 染物，可以大大减轻纸浆厂对江河水质的污染。 2 ) 社会效益：电解法制碱，每吨碱要耗电2 7 0 0 度，食盐1 6 1 7 吨。每 回收一吨碱，大厂耗电4 0 0 6 0 0 度，小厂1 0 0 0 度左右，不用盐只用石灰。因 此每回收一吨碱比电解法节电1 7 0 0 - 2 3 0 0 度，且不必由外厂运来3 0 4 0 的 碱液，每吨固碱可节约运力2 5 5 吨以上。 3 ) 经济效益：外购碱到厂价在2 0 0 0 元吨左右。回收碱成本小厂约1 0 0 0 元吨，大厂只要4 0 0 6 0 0 元吨，经济效益非常显著。 1 1 3 燃烧工段控制系统的研究意义 碱回收是纸厂处理黑液的有效方法，碱回收车间的燃烧工段是复杂的工业 过程，具有复杂性、非线性、大时滞和参数检测困难等热点。而且人们对于控 制系统的控制性能也提出越来越高的要求，常规控制技术已经没办法满足生产 的需要。国内在碱炉的控制中大都针对部分关键测点进行控制，缺乏系统性的 控制策略，这就造成了得不到系统的整体性信息。 造纸系统的过程控制发展到现阶段已达到一个相当高的水平，一些先进的 先进控制技术都已得到成功的应用并获得较高的经济效益。虽然常规控制手段 已经应用于碱回收过程，但其控制效果始终不能达到理想盼效果。国内外针对 碱回收车间的高级控制算法的研究总的来说还是很少的，因此，很有必要采用 高级的控制方法来提高碱回收过程的控制质量。 1 2 工业控制系统的发展及展望 随着生产由简单过程向大型化、连续化、集成化和复杂化方向发展，与之 相应的控制技术、控制理论、控制系统和控制工具都发生了很大的变化。即控 制技术由单变量控制发展到多变量协调控制；控制理论由经典控制理论( 基于 频率法) 发展到现代控制理论( 基于时域法) 和智能控制理论( 基于规则。知 2 碱回收燃烧工段d c s 控制系统研究 识等) ：控制系统由简单控制系统( 如：p i d 控制、串级控制、比值控制、前 馈控制、s m i t h 预估控制等) 发展到先进控制系统( 如：预测控制、推断控制、 模糊控制、神经控制、鲁棒控制等) 和综合自动化系统( 控制、管理与决策一 体化) ；控制工具由常规仪器发展到计算机网络。 计算机技术的发展为先进控制的实现奠定了物质基础，而控制技术的应用 又促进了计算机技术的发展，两者密切相关。以计算机为主的控制系统经历了 d d c ( d i r e c td i g i t a lc o n t r 0 1 单机控制系统) 、d c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 、 f c s ( f i e l d b u s c o n t r o ls y s t e m 一现场总线控制系统) 和c i p s ( c o m p u t e r i n t e g r a t e dp r o c e s ss y s t e m 一计算机集成过程控制系统) 四个发展阶段。 d d c 控制集中，危险也集中，一般采用双机多机系统的冗余结构，来保 证控制系统的可靠性。 为进一步提高控制系统的可靠性，7 0 年代推出了d c s 系统。8 0 年代中期 9 0 年代初是d c s 发展的顶峰时期，d c s 应用广泛，技术成熟。国内企业纷纷 引进各种成套的d c s 产品，如h o n e y w e l l 的t d c 3 0 0 0 $ 9 0 0 0 产品， w e s t i n g h o u s e 的w d p f i i i i i 型产品，b a i l e y 的i n f i 9 0 型产品，f o x b o r o 的i a s 系列产品，横河的c e n t u m x l i 上x l 系列产品等。典型的d c s 系统的体系结构 一般分为三层，即管理级、监控级( 工程师站操作站) 和过程控制级，有三 级网络连接各层相应的设备。d c s 具有三种类型的产品，即仪表型分散控制系 统；以p l c 为基础的分散控制系统；以p c 总线为基础的分散控制系统等。d c s 过程控制器与现场变送器、执行器之间的连接采用一对一的设备连接方式，需 消耗大量的连接电缆。d c s 属于“半数字 系统，需要大量的a i a o 、d i d o 和p i p o 等中间模块来完成模拟量与数字量间的信息转换。 9 0 年代出现的新型f c s 则突破了d c s 系统中通讯由专用网络的封闭系统 来实现所造成的缺陷，把基于封闭。专用的解决方案变成了基于公开化、标准 化的解决方案。f c s 由于采用了智能现场设备和现场总线，具有以下的优点： 1 ) 采用一对n 的设备连接方式，成本低。f c s 属于纯数字系统，无需a i a o 、 d i d o 和p i p o 等中间模块。基于现场总线的现场设备与操作站之间是一种全 数字化、串行、双向、多站的通讯模式，系统的可靠性高。而且，用数字信号 代替模拟信号传输，在一对双绞线或一条电缆上可挂接多个现场设备，节省硬 件数量与投资。 2 ) 实现了彻底的分散控制。能够将原先的d c s 系统中处于控制室的控制功 能纳入现场设备，直接在现场完成，即就地采集信号、就地处理、就地控制。 上位机主要对其进行总体监督、协调、优化控制与管理，实现了彻底的分散控 陕西科技大学硕士学位论文 制。 3 ) 开放性与互操作性简化了系统的集成。现场总线的最大特点是采用统一 的协议标准，使之具有开放性和互操作性，不同厂家的现场设备可方便的接入 同一网络中，实现相互访问。 c i p s 是在计算机通讯网络和分布式数据库地支持下，实现信息与功能的 集成、综合管理与决策，最终形成一个能适应生产环境不确定性和市场需求多 变行的全局最优的高质量、高柔性、高效益的智能生产系统。根据连续生产过 程控制与工程总体优化。信息集成的需求，c i p s 工程可由生产过程控制分系 统、企业总和管理分系统。集成支持分系统。人与组织分系统4 个分系统及相 应的下层子系统组成。 d c s 应用广泛，技术成熟，尤其在先进控制方面已有多年的应用。f c s 具 有全分散、全数字化、智能、双向、多变及可互操作等特点，f c s 可视为d c s 向下全数字开放的结果，c i p s 可视为d c s 向上扩展的产物。d c s 和f c s 侧重 于过程的监控与决策。d c s 和f c s 是c i p s 数据信息流的起点。c i p s 系统实 现的关键技术是网络技术，网络是根本。今后的自动化控制系统将呈现出开放 化、集成化、智能化、信息化和网络化的特点。 1 3 本文的主要工作及内容安排 碱法制浆造纸企业每天都会产生大量的黑液，黑液对环境的污染性很强， 如果不对黑液进行处理将会对环境和人民健康产生危害，而且回收的碱可以进 行再利用，因此碱回收不但有助于环境保护，也有一定的经济效益。燃烧工段 是碱回收过程中最重要的一环，也是最危险的一环，因此需要采用先进控制技 术来提高燃烧过程的控制质量。 本文分为6 章，主要内容如下： 第一章简要概述了造纸黑液的危害、实施碱回收的意义及研究燃烧工段控 制系统的意义，回顾了工业控制系统的产生和发展，概述了d c s 、f c s 及c i p s 的概念和特点，最后简述了全文的内容和结梅。 第二章为碱回收燃烧工段工艺流程及控狲要点。本章在整体介绍碱回收过 程的基础上，介绍了燃烧工段的工艺流程，并将整个燃烧工段分为黑液系统、 绿液系统、烟风系统、碱灰系统、给水系统、蒸汽冷凝水系统及冷却水清水 系统进行了详细阐述。简要介绍了燃烧工段中碱回收喷射炉、省煤器、静电除 尘器、圆盘蒸发器和引风机等主要的现场设备。最终提出了碱回收炉控制系统 的目标和控制系统的设计要求，为控制系统的设计实施奠定了基础。 j 碱回收燃烧工段d c s 控制系统研究 第三章为燃烧工段d c s 控制系统方案设计。本章根据碱回收炉控制系统 的控制目标，给出了燃烧工段的集成优化控制策略，分别对燃烧控制系统、汽 包水位控制系统、碱炉汽压控制系统及炉膛负压控制系统进行了详细的阐述。 第四章为碱炉含氧量的自校正控制。本章针对碱回收炉多输入、多输出、 强非线性和强耦合的特性，把含氧量作为衡量碱回收炉最经济运行的指标，采 用递推最小二乘辨识法建立了碱回收炉的动态仿真模型，根据自校正控制思 想，设计了碱炉的最小方差控制器，探讨了自校正控制在工业过程控制中的应 用。 第五章为d c s 控制的实现。本章主要介绍了燃烧工段d c s 控制系统的硬 件构成，及西门子s t e p 7 编程软件和w i n c c 组态软件，以及系统的组态画面 和过程。 第六章对全文进行概括和总结，并且指出了碱回收燃烧工段控制系统有待 于进一步研究和解决的问题。 s 陕西科技大学硕士学位论文 2 碱回收燃烧工段工艺流程及控制要点 黑液是植物纤维原料在蒸煮成浆后，从纸浆中分离出被蒸煮药液溶解出来 的木素和糖类等有机化合物的碱性溶液及残余的蒸煮液。碱回收系统担负着碱 法制浆造纸工业中回收化学品的任务，其主要目的是回收用于制浆蒸煮原料的 化学品，并有效利用有机物燃烧所产生的热能。 2 1 碱回收过程简介 碱回收过程包括从纸浆洗涤过程提取黑液、黑液的蒸发浓缩、浓黑液的燃 烧、熔融物的溶解苛化及从苛化产生的碳酸钙中回收石灰等基本工序。 提取过程是指将从蒸煮锅中出来的悬浮于黑液中纸浆，应用液固相分离和 过滤洗涤的基本原理，以尽量少的水将纸浆洗净，使黑液与纸浆充分分离，以 取得含黑液少的纸浆和较浓的黑液。常用的洗涤与黑液提取设备为一系歹i j ( 一 般为3 - 4 台) 串联的真空或压力转鼓式洗涤机，按逆流洗涤的方式进行洗涤 并提取黑液。 从洗涤过程提取的黑液中，干固物含量一般在l5 以下，需经过蒸发水分， 提高黑液浓度至含干固物4 8 以上，以便于燃烧。黑液蒸发过程采用多效蒸发 器系统，一般采用3 - 4 效蒸发器，为了节能，则可采用5 7 效蒸发器。为了 适应黑液粘度高和易于结垢的特性，第一效蒸发器使用温度不高于1 3 0 的饱 和蒸汽。最后一效蒸发器的二次蒸汽温度不低于5 0 ，并采用混流方式进料。 蒸发工段控制系统要保证送往燃烧的黑液浓度稳定在4 5 左右，否则由于燃料 浓度的过大波动会造成燃烧过程的不稳定，甚至停炉。 燃烧过程是将蒸发工段送来的浓黑液和补充的芒硝，送入回收炉中燃烧， 生成碳酸钠的过程。碱回收炉是完成碱回收化学反应的反应器，又是生产蒸汽 的动力锅炉，因此是碱回收工艺的心脏部分。主要有转炉和喷射炉两种。喷射 炉由固定的立式炉膛和锅炉两部分组成。固定式炉膛的中上部起燃烧室作用， 底部起熔炉作用。锅炉由凝渣管、过热器、对流管和省煤器等部件组成，炉膛 四壁均有对流水凝管。黑液在炉堂的中下部喷入炉中。炉膛内温度达1 0 0 0 - 1 2 0 0 ，使黑液蒸发、干燥，成为黑灰落在炉底上，铺成垫层，着火燃烧成碳 酸钠，并使硫酸钠还原成为硫化钠，一起熔化成为熔融物，从炉底出口处流入 溶解槽。燃烧产生的烟气，在炉内上升，通过锅炉部分吸收热量，生产蒸汽。 最后烟气经圆盘蒸发器进一步利用余热，或再经静电除尘器等装置回收碱尘后 6 碱回收燃烧工段d c s 控制系统研究 排出。喷射炉的生产能力大、热效率高，是现代碱回收炉的基本炉型。 碱回收炉烧成的熔融物，与水接触会发生剧烈爆炸，如何保证碱回收炉锅 炉中的水不因泄漏而与熔融物接触，是碱回收最重要的安全问题。因此保证溶 解槽的液位是控制系统的一个重要目标。从碱回收炉中流出的熔融物，要先经 高速水流或汽流，把它吹散成细小颗粒，然后落入水中溶解，可以避免溶解过 程的剧烈爆炸。这个措施在碱回收中称为消音。熔融物溶解于水中，形成绿色 溶液，一般称为绿液，是碳酸钠溶液、或碳酸钠与硫化钠的混合溶液。草类浆 绿液中一般还含有较多的硅酸钠。绿液产量和浓度是关系到苛化工段正常的关 键，必须加以控制。 苛化工段是在绿液中添加石灰乳液，使碳酸钠转化成为氢氧化钠，以制成 蒸煮药液一白液。苛化有间断苛化和连续苛化两种方式。间断苛化采用间断 苛化器，间断产生白液。间断苛化器是装有搅拌器的铁制圆桶。绿液送入间断 苛化器中，通汽加热，添加石灰，进行搅拌，等到苛化反应完成后，静置澄清。 上层的清净白液吸出来供蒸煮使用，下层的碳酸钙沉淀称为白泥，经洗涤后， 一般作为废料送出厂外，或送石灰窑回收石灰。间断苛化的生产能力小、效率 低、劳动强度大，一般仅用于小型碱回收系统。连续苛化是将绿液用澄清或过 滤方式，连续除去其中悬浮的固体杂质，得到清绿液，再送入苛化器中，与经 过消化的石灰乳液充分反应，得到含有氢氧化钠和碳酸钠颗粒的苛化乳液，连 续分离白泥，取得清白液，供蒸煮使用。白泥供石灰窑回收使用。连续苛化的 生产能力大、效率高，适于大型碱回收系统。 把苛化过程分离出的白泥，经洗涤和脱水，送入石灰窑中，燃烧重油或燃 料气以进行干燥与煅烧成氧化钙( 石灰) ，再供苛化使用。石灰回收采用的主 体设备是回转窑。另有一种流化床石灰窑，还没有得到普遍采用。 2 2 燃烧工段的工艺流程 燃烧工段主要是利用碱炉燃烧来自蒸发工段的浓黑液以产生蒸汽和回收 黑液中用于蒸煮工段的碱，以达到回收热能和减少黑液污染的目的。 2 2 1 黑液子系统 蒸发工段来的黑液浓度约为4 2 - - 4 5 ，温度约为9 5 1 0 0 ，送入圆盘 蒸发器，与碱炉产生的烟气直接换热，黑液中的水分蒸发，黑液得到浓缩。黑 液浓缩到4 8 5 0 浓度( 视黑液温度、粘度及雾化情况确定该浓度值) ，温度 降低到9 0 1 2 左右，先进入入炉黑液槽，然后泵送碱炉的黑液喷枪，喷入炉膛内， 陕西科技大学硕士学位论文 黑液在下降过程中进一步与上升烟气换热而干燥，即进行悬浮干燥最后落在炉 底的垫层上燃烧。为保证黑液有良好的的雾化性能及尽可能抬高黑液浓度以提 高碱炉的热效率，在入炉黑液管线上设有黑液加热器，以提高黑液温度，降低 黑液粘度，因为该浓度黑液易结垢，一般采用直接蒸汽加热器。通常黑液由9 0 左右加热到1 0 5 1 1 0 。 黑液系统的主要控制为入炉黑液槽的液位控制，不需要其他控制。入炉黑 液量通过炉前循环，即从入炉黑液槽泵送黑液经炉前，再回到入炉黑液槽，因 此流量不易测量，须在循环管线上装两套流量计，其差值即为入炉黑液量。此 外，精确的计量还应包括入炉黑液圆形物量的计量，即增加黑液浓度计。 2 2 2 绿液子系统 垫层上的黑液固形物与鼓入的空气混合燃烧，固形物中的有机物转化为二 氧化碳和水，随烟气上升，进入锅炉系统：固形物中的无机物( 主要为钠盐) 则在炉膛温度下燃烧成碳酸钠熔融物，熔融物通过炉膛底部的熔融物溜槽流 出，利用循环的绿液将熔融物打散，并吹落到绿液溶解槽，与苛化工段送来的 稀白液混合，形成以碳酸钠为主要成分的绿色液体绿液。一部分绿液用循 环泵循环至熔融物打散和消音，另一部分绿液泵送至苛化工段以生产白液。 2 2 3 烟风子系统 碱炉供风系统分为三次供风，一二次风为热风，碱炉室内空气( 为增强空 气循环，改善操作环境，一般从炉顶抽室内热风) 通过鼓风机加压，用蒸汽加 热到1 5 0 ，再送入位于碱炉尾部的烟气空气换热器进一步加热至2 0 0 ( 2 以上 ( 视设计不同，温度有所变化，一般为2 5 0 ) ，经碱炉的一二次风口送入碱炉。 三次风设计为室温空气或15 0 热风，通过单独的鼓风机送入碱炉，其压力一 般高于一二次风，以减少碱尘飞失和炉膛上部温度过高。 一、二、三次风的比例一般为4 5 、4 0 、l5 ( 不同的设备厂或原料有 不同的比例分配) ，合理分配风的比例对碱炉的运行有很大的影响。因此，碱 炉供风系统设有风量控制回路。 黑液与空气混合燃烧，产生高温烟气，进入锅炉系统，利用烟气热量生产 蒸汽供生产使用。从碱炉烟气换热器出来的烟气温度约3 0 0 以上，进入圆盘 蒸发器，圆盘蒸发器为直接加热蒸发器，蒸发器的加热管将黑液带入高温烟气 中，通过表面换热蒸发，黑液浓度提高，烟气温度降低到2 0 0 以下( 一般应 18 0 左右) ，烟气含有的碱尘采用静电除尘器处理，除尘效率9 9 以上，除尘 碱回收燃烧工段d c s 控制系统研究 后烟气通过引风机排入烟囱。 炉膛一般设有很多门孔，如喷枪孔、风孔、观火孔等，通常为封闭门孔， 用蒸汽等介质封闭。如炉膛在正压下运行，则炉内烟气将外溢至室内，造成恶 劣的操作环境。为此，炉膛运行要保证一定的微负压，微负压是通过引风机和 烟囱造成的，故炉膛负压作为引风机运行的给定条件，调节引风机转速。 引风机在设计安装后的能力已不可能改变，调节也是在一定的范围内进 行，因此，炉膛至引风机间各部分的烟气阻力大小直接关系着炉膛负压值，当 某一部分的阻力增大时，应加强该部分的吹灰，目的之一是降低烟气阻力，其 二是清扫换热面。提高碱炉热效率。烟气压力及压差的测量主要为炉膛、锅炉 管束前后、省煤器前后、空气加热器前后、圆盘蒸发器前后、静电除尘器前后 等。 2 2 4 碱灰子系统 碱灰来自碱炉锅炉管束部分、省煤器及空气加热器部分的吹灰，静电除尘 器收尘。由于制浆工艺采用烧碱法，因此碱灰的主要成分为碳酸钠，所以可直 接溶解后送绿液溶解槽。采用硫酸盐法制浆工艺的木浆生产中，碱灰的主要成 分为硫酸钠，因此必须送入炉黑液槽与黑液混合后送碱炉使之在炉膛底部垫层 的还原条件下还原成硫化钠。 碱灰的溶解使用碱灰溶解槽，用稀白液或绿液溶解碱灰，然后自流或泵送 溶解槽。系统尚存的碱灰刮板是静电除尘器底部刮板和总刮板，系统的连锁为 开机顺序连锁。即碱灰溶解槽有液位一碱灰溶解槽搅拌机开一碱灰总刮板机开 一除尘器底部刮板开一除尘器振打电机一除尘器供电运行。停机反之。 2 2 5 给水子系统 碱炉给水主要是使用各个用汽车间产生的蒸汽冷凝水，包括纸机或纸板 机、蒸发工段、制浆车间的蒸煮工段等，本工段空气预热器等产生的冷凝水也 汇总到给水系统中。在某些情况下，如开机或其他某工段停机及故障甚至是由 于泄漏产生的不合格冷凝水排放，造成冷凝水不能满足用水量要求时，电站或 锅炉房的化学处理水，将作为本工段锅炉给数的补充水源。 本工段设冷凝水箱，收集各冷凝水源的冷凝水，各冷凝水源送出车间各有 各自的冷凝水电导率测量装置，不合格的冷凝水不能送出。冷凝水箱的液位由 位于补充化学水的管线上的调节阀控制。 冷凝水箱的冷凝水，经泵送至除氧器，送除氧器的水量受除氧水箱液位的 9 陕西科技大学硕士学位论文 控制。除氧器的工作压力通过控制送除氧器的蒸汽量及蒸汽压力使之稳定。如 为常压除氧器，除氧水箱的送水量自流回冷凝水箱，如为压力除氧器除氧水箱 的过量水通过远方操作阀及相应的液位报警信号，人为开启阀门，放水回冷凝 水箱降低液位。 除氧后的除氧水箱存在除氧水箱内，经管道及过滤器进入锅炉给水泵。锅 炉给水泵是锅炉系统中最关键和重要的系统之一，锅炉给水过大，汽包水位上 升，将影响锅炉蒸汽的品质和锅炉的热效率，锅炉给水量不足，将会造成锅炉 受热面冷却不足，锅炉水循环不良，锅炉金属温度过高而产生事故。因此。必 须保证稳定连续的锅炉给水。所以，一般情况下，碱炉的电动给水泵至少两台。 当其中一台故障停机或给水管线失压时。另一台将自动启动。另外考虑全厂供 电系统的安全可靠性，如果不能保证1 0 0 的连续供电，则应配置气动给水泵， 并处于热备用状态。 炉水由若干个循环系统组成，汽包内的水经下降管进入锅炉管束循环系 统、炉膛水冷壁循环系统、水冷屏系统等，产生的蒸汽与水的混合物返回到上 汽包进行汽水分离。分离后的饱和蒸汽送外网。如为中压或高压炉，饱和蒸汽 则进入过热器后送电站并网发电。 2 2 6 蒸汽冷凝水子系统 本工段使用低压( 0 4 m p a ) 和中压( 1 2 m p a ) 饱和蒸汽，低压蒸汽主要用 于锅炉给水除氧，中压蒸汽主要用于供风系统的风预热器和加热器。 低压蒸汽进入除氧器由除氧器压力调节加入量，这在给水系统中已有介 绍。中压蒸汽进入空气加热器一般不控制流量，也可由风闻( 1 5 0 ) 控制蒸 汽流量。 低压蒸汽产生的冷凝水作为锅炉给谁，直接混合到除氧后的锅炉给水中 ( 直接接触除氧) 。中压蒸汽产生的冷凝水，通过疏水系统再扩容产生二次蒸 汽，供空气预热，最后，疏水到本工段的冷凝水箱。疏水部分的控制系统为常 规的控制系统，同时由于换热介质为空气，故也不需要配置蒸汽冷凝水电导率 测量控制回路。 2 2 7 冷却清水子系统 冷却和清水系统包括常规的机泵冷却，密封水系统，系统清洗补充水系统， 地面清洗水系统和溜槽冷却水系统。 ，该系统中重点为溜槽冷却水系统，溜槽是炉膛底部垫层燃烧后产生的熔融 1 0 碱回收燃烧工段d c s 控制系统研究 物出口，因熔融物温度较高，需要一定量的冷却水，冷却具有冷却水夹套的溜 槽。有的设备厂采用特殊材料制成的溜槽，可省掉该系统。 为保证溜槽冷却水不间断，在碱炉的顶部平台设有高位水槽，作为溜槽冷 却水的紧急备用水源。一般的设计将该系统与机泵的密封水系统协调考虑，即 一般情况下，使用密封水系统来的清水，当密封水系统故障停水时，高位水槽 的水自动投入系统，维持一定时间的系统运行，使系统操作人员可顺利完成正 常停炉。 图2 1燃烧工段的工艺流程图 f i 9 2 lp r o c e d u r ec h a r to ft h ec o m b u s t i o ns e c t i o n l 一浓黑液槽2 一圆盘蒸发器3 一入炉黑液槽4 一黑液加热器5 一黑液喷枪6 一绿液溶解 槽7 一绿液过滤器8 一静电除尘器9 一刮板输送机10 一碱灰溶解槽11 一引风机1 2 一烟 囱13 一二次风机14 一、二次风预热器15 一三次风机16 一三次风预热器1 7 一储油罐 18 一重油加热器19 一重油加热器20 一除氧器及给水泵2 1 一冷凝水泵及冷凝水箱 2 3 燃烧工段的主要现场设备 燃烧工段是整个碱回收车间造价最高的部分，其中包括碱回收喷射炉，圆 盘蒸发器等大型设备，对这些设备的了解将有助于理解燃烧工段控制系统的设 计过程，因此，有必要进行详细的介绍。 2 3 1 碱回收炉 碱回收炉与一般工业蒸汽锅炉有所不同。工业蒸汽锅炉是以煤为燃料进行 陕西科技大学硕士学位论文 燃烧的压力容器，它的成品是蒸汽，而碱炉是以黑液固形物为燃料进行燃烧的 压力容器，它不但具备了工业锅炉的危险性条件，还具备了工业锅炉所没有的 更强烈的危险性( 如水与融物接触发生爆炸、未燃气体爆炸) ，碱炉不仅处在 高温、高压的条件下，而且还处于强碱及高灰尘的碱性介质中，碱性黑液及高 温熔融物对锅炉有强烈的腐蚀作用，因此，碱回收喷射炉无论设计结构上，还 是材料选取上及制造要求上都比普通蒸汽锅炉复杂得多【j ，。 目前各大纸厂通常都采用武汉锅炉集团有限公司设计制造的w g z l 5 2 7 1 型碱回收炉( 下称碱炉) ，其蒸汽量为1 5 t h ，饱和蒸汽压力为1 2 7 m p a ，处理 固形物量l3 0 t d ( + 1 0 15 ) ，右侧吹灰。它由炉膛燃烧室和锅炉两大部分 组成燃烧室的炉壁、炉顶和炉底都由水冷壁管组成，故由此而得名。其燃烧室 为黑液固形物燃烧和进行化学反应的场所，作用是干燥、燃烧、还原和熔融， 由炉底及四面水冷壁组成的密封方形空室。燃烧室根据工艺的不同，大致可分 为三次风口处的烟气完全燃烧区、黑液喷口附近的黑液干燥区，二次风口以下 至一次风口的黑液燃烧区、一次风口以下的熔融区。其锅炉是吸收燃烧过程中 释放的热量而产生蒸汽的设备。与燃烧室连成一体。由上下汽包、水冷屏管束、 省煤器，以及炉墙、构架、管件等组成。这种喷射炉的主要特点是生产能力大， 便于实现自动控制，操作简便。废热利用率可达6 0 ，芒硝还原率可达9 0 以上。缺点是构造复杂，造价高，投资大，修理更换炉管不方便，适甩于大型 纸厂的碱回收使用。 2 3 2 省煤器 它可以提高给水温度；减少排烟的热损失，提高喷射炉的热效率；避免或 减少由于温差过大对汽包的不利影响。但是它会受到碱的腐蚀，一般的有效消 除腐蚀的方法是：控制补给水温，防止烟气中发生冷凝水附着在省煤器管上， 推荐补给水最低温度1 2 1 ，更稳妥的温度为1 3 5 【1 ，一般都在给水管道上设 置有温度检测装置，可随时根据检测值调整给水温度。 2 3 3 静电除尘器 静电除尘装置分电场和电源两部分，在电源装置方面，目前所用的都是用 可控硅自动控制的高压整流器。在电场方面，从电场形式分：有立式与卧式两 种，在碱回收炉后大都采用卧式。从电场内极板的结构型式来看，正极结构分 c 型、鳞型、棒蚌型三大类。负极结构分直线星形、棱形、螺旋形、单芒刺和 双芒刺等多种。静电除尘器是一种较为可靠的高效除尘设备，除尘效率可达9 0 1 2 碱回收燃烧工段d c s 控制系统研究 9 8 ，影响静电除尘效率的因素有：电场强度、电场长度、沉淀电极的振 动情况、烟气温度、水分、流速以及烟气最初含尘量等。电场强度主要决定于 电压值的高低，一般静电除尘器的电压为7 5 1 0 0 千伏，运行电压为6 5 千伏。 电场长度短了，也就是尘粒在电场内充电的时间及充电后尘粒在电极上沉淀的 时间短了，影响除尘效果。烟气的温度低，水分高，尘粒水分也高，导电性增 大，有利于沉淀，但是温度太低，水分太大，会使尘粒发粘，不易从正极上震 下，影响沉淀效果。所以，规定静电除尘器的进口烟气温度不低于15 0 ，出 口温度不低于1 16 是很有道理的。一般在静电除尘器的烟气进口管道和出口 管道上设置有烟气压力和温度检测装置，可据此判断静电除尘器是否正常工 作。 2 3 4 圆盘蒸发器 从碱炉尾部出来的烟气进入圆盘蒸发器，黑液与烟气直接接触蒸发，浓度 由4 5 浓缩至4 8 左右同时降低了烟气温度，除掉了烟气中较大颗粒的灰 尘。由于麦草浆黑液具有较高的粘度，一方面应保证在圆盘蒸发器内具有一定 的温度( 9 0 1 0 0 ) ，使黑液粘度在较小的范围内。另一方面，为2 3 0 m 2 蒸发 面积的圆盘蒸发器配备的电机功率为3 7 k w ，电流为7 2 a 。圆盘蒸发器的优点： 操作简单，基本上可以不要专人看管，动力消耗低，可以单独使用，也可以与 静电除尘器串联使用，特别是对最初含尘量高的烟气，与静电除尘器串联使用 时，可以提高静电除尘效果。圆盘蒸发器的缺点是因圆盘蒸发器中黑液没有雾 化，接触表而积小，因此无论除尘、降温及黑液增浓的效果都不如文丘里系统 高【l 1 3 以5 1 。一般圆盘蒸发器中的黑液是从蒸发工段浓黑液槽直接泵入，通过溢 流进入入炉黑液槽，因此一般不用设置液位检测装置，只设置有温度检测装置。 2 3 5