第07章 碱回收过程典型控制系统.doc

第7章 碱回收过程典型控制系统 碱回收过程包括蒸发、燃烧和苛化三个过程。本章对这一过程的工艺原理、测控要求、控制方案和测控点等作以详细介绍。7.1 蒸发过程典型控制系统7.1.1 蒸发过程工艺对控制系统的要求 碱回收的第一步是通过蒸发将黑液浓缩。从纸浆洗涤工段过来的黑液浓度约为10%左右，通称为稀黑液。经过本工段的多效蒸发器，可浓缩到45%左右，然后再在圆盘蒸发器中利用烟气的热量，进一步浓缩到50%后即可入炉燃烧。蒸发器有多种形式，主要有长管升膜蒸发器（简称管式）和自由降膜板式蒸发器（简称板式）两种。板式蒸发器节能高效，黑液在加热片上自上而下流动，无液柱引起的温差损失，传热系数及蒸发强度高，另外在加热面上的结垢为平板状，在生产过程中因温度变化和稀黑液冲刷下容易自由剥落，但设备加工工艺复杂，故售价要比管式高。而麦草浆黑液浓度在20%以下粘度较低，使用管式蒸发器不易结垢，蒸发强度与板式蒸发器相差不大，蒸发效果较好。因此，在黑液浓度低于20%，即、效可采用管式，而当黑液浓度提高到20%25%时，可采用板式蒸发器进一步蒸发到4245%。考虑到性能/价格比及我国国情，对于75t/d和100t/d的蒸发工段，一般都采用“二板三管”形式，即、效采用板式而、效采用管式。现以“二板三管”多效蒸发器作为典型过程来加以说明。 在本工段，工艺对控制的要求主要有以下几个方面 出效浓黑液浓度保持稳定 不稳定的入炉浓度将会给燃烧工段带来很大的麻烦。影响浓黑液的浓度的主要因素有：进效的稀黑液浓度和流量及多效蒸发器的总有效温差。当由于受到干扰使黑液浓度偏离设定值时，如果蒸汽条件有限制的话，可控制入效的稀黑液流量来调节出效的浓黑液浓度。如果蒸汽条件没有限制，则可通过浓度蒸汽压力串级调节回路，用控制新鲜蒸汽的流量或压力来调节浓黑液浓度。 稳定总有效温度差 各效的热量传递及流动是依靠有效温差加以推动的。 所谓有效温差是指进入蒸发器的饱和蒸汽温度与黑液沸腾温度之差，任何一效的起点温度将低于前一效的黑液沸腾温度。为了保证各效有足够的温差，必须保证有稳定的总有效温差，而总有效温差取决于效蒸发器的新鲜蒸汽压力和末效的二次蒸汽的真空度。 冷凝水系统的控制 整个冷凝水系统是密封的，而且允许冷凝水发生自蒸发，因此对各效的冷凝水罐的液位必须加以控制。 重要参数的集中显示 各效的温度及二次气压力都必须加以检测并集中显示。 过程优化控制 在采用计算机集散型控制系统后，有条件对整个蒸发过程实施优化控制。其主要方案是建立多效蒸发器的数学模型，通过对热量传递的运算以获得最佳的蒸发效率。7.1.2 控制方案本控制方案是针对“三管两板”形式的多效蒸发器加以订制的，图7-1-1是典型的“三管两板”多效蒸发工程的测量控制系统图，表7-1-1是相应的主要测控点一览表。控制系注释：本页插入 图 7-1-1 蒸发工段工艺流程图统可按三个子系统分别加以叙述。表7-1-1 蒸发工段测控点一览表序 号 工 位 号 用 途测 量 范 围1FRQ01新蒸汽流量记录、累计2FIC02进效稀黑液流量指示、调节3FFIC03进效稀黑液流量指示、比例调节4HIC01进效稀黑液远方控制5FRQ04出效浓黑液流量记录、累计6FIC05进效半浓黑液流量指示、调节7FIC06进效蒸气流量指示、调节8LIC01、02、效蒸发器液位指示、调节9LIC03浓黑液闪蒸罐液位指示、调节10LIC04效冷凝水液位罐液位指示、调节11LIC05清洁冷凝水闪蒸罐液位指示、调节12LIA06浓黑液槽液位指示、报警13LIA07稀黑液槽液位指示、报警14LIA08半浓黑液槽液位指示、报警15LIA09温水槽液位指示、报警16LIC10污冷凝水液位罐液位指示、调节17LIC11半浓黑液液位罐液位指示、调节18PRA01进效新鲜蒸汽压力记录、报警19PI0206、效气室压力指示20PI07真空泵入口压力指示21TI01效冷凝水温度指示22TI0205、效液室温度指示23TI06出效半浓黑液泵入口温度指示24TI07表面冷凝水出口水温度指示、调节25TI08、09稀黑液预热器黑液入、出口温度指示26TI10稀黑液槽黑液温度指示27TI11半浓黑液槽黑液温度指示28TI12效出效黑液温度指示29TI13效出效黑液温度指示30TI14浓黑液槽黑液温度指示31TI15新蒸汽温度指示32CISA01效冷凝水电导率指示连锁、报警33DI02浓黑液浓度指示34DI03稀黑液浓度指示（1）蒸汽子系统 在进汽管上，安装有PRA-01、FRQ-01及TI-15,分别为：新鲜蒸汽压力指示、记录及报警；流量指示、记录及累计；温度指示。总管新鲜蒸汽分成两路，主管道送往“I效蒸发器”，并有FIC-06对其进行调节，副管送往“稀黑液预热器”，对稀黑液进行预热。进入I效的新鲜蒸汽对黑液加热后，产生的二次蒸汽被作为II效的加热蒸汽，以此类推，一直到最后的V效。V效的蒸汽出口与“板式降模冷凝罐”相联接，V效蒸发器是在真空条件下蒸发。PI-02、PI-03、PI-04、PI-05、PI-06分别指示各效气室出口处的蒸汽压力。TIC-07是“板式降模冷凝罐”中冷凝水出口水温指示、调节，通过调节进罐清水量来保持出口水温。（2）黑液子系统由洗浆工段来的稀黑液送入“稀黑液槽”,在该处设置有温度指示TI-10，液位指示、报警LIA-07及黑液浓度指示DI-02。槽内的稀黑液与部分浓黑液进行充分混合后被泵送至稀黑液预热器进行加热，然后送往III、IV、V效，由FIC-02、FFIC-03、HIC-01对送往上述三个蒸发器的流量进行分配，一般按10:5:2的比例进行。出V效的半浓黑液送往“半浓黑液液位罐”，其闪蒸汽送回效内作为补充加热源，而黑液则被泵送往II效蒸发器，LIC-11对罐内的液位进行控制。黑液在II效蒸发器内进一步得到浓缩，然后被泵送到I效。LIC-02为II效蒸发器黑液液位控制，TI-03为效内黑液温度指示。送往I效的黑液作最后的浓缩。得到的浓黑液，被送往“浓黑液闪蒸罐”，闪蒸汽送往III效作补充热源，而浓黑液被泵送到“浓黑液槽”。LIC-01对I效蒸发器内的黑液液位进行控制，TI-02指示I效内黑液的温度，LIC-03控制“浓黑液闪蒸罐”内的液位，LIA-06为浓黑液槽液位指示、报警，TI-14、DI-01则分别为槽内黑液的温度指示及浓度指示。III、IV、V效蒸发器出口黑液的温度指示分别为TI-04、 TI-05及 TI-06。（3）冷凝水系统 进I效的新鲜蒸汽经冷凝放热后，被送往“I效冷凝水液位罐”，在内被闪蒸，闪蒸汽送往III效作补充热源，冷凝水则送往“清洁冷凝水闪蒸罐”，与“稀黑液预热器”送来的冷凝水会合，闪蒸汽同样被送往III效，冷凝水经CISA-01电导率检测，如未被污染，则送往燃烧工段，如已被污染，则排放出去。LIC-04控制“I效冷凝水液位罐”的液位。II、 III、IV、V效的污冷凝水被分别送到各效的“冷凝水闪蒸罐”，经闪蒸后，冷凝水被集中到“污冷凝水液位罐”，然后被泵送到水封槽，也可用于洗效。LIC-10为该罐的液位控制。（4）串级及前馈控制浓黑液浓度调节回路与新鲜蒸汽进效流量调节回路组成串级调节系统（见图7-1-2），当检测到浓黑液浓度偏离设定值时，浓度调节回路进行运算，其输出为蒸汽流量调节回路FIC-06的设定值，接着蒸汽流量调节器进行调节，改变进效蒸汽流量，使黑液浓度发生变化，一直到达到浓度设定值为止。黑液浓度调节器蒸汽流量调节器I效蒸发器浓度设定+-+-DsDrFsFr浓度检测流量设定流量检测图7-1-2 黑液浓度串级调节系统在工程中，还采用了前馈控制，多效蒸发器具有容量大，滞后时间长等特点，给整个系统的自动控制带来麻烦。对于一个干扰，必须缓慢地进行调节，否则就会使整个系统变得不稳定。在蒸发工程，主要干扰可以认为是稀黑液的流量和浓度。而调节参数是蒸汽流量，调节参数为浓黑液的浓度。当干扰强烈时，就不能采用上述的反馈调节系统，而当切换到前馈调节状态，即根据稀黑液的变化情况，直接去控制新鲜蒸汽的流量。这样可预先防止浓黑液的浓度发生大的波动。7.2 燃烧过程7.2.1 燃烧过程工艺对控制系统的要求蒸发工段浓缩后的黑液送到燃烧工段的直接接触蒸发器中，利用烟气和余热进一步把浓黑液浓缩到6570的浓度供燃烧。在黑液固形物中，均有70为可以燃烧的有机物质（如木素、细小纤维素等），30为无机物（NaOH、Na2S等蒸煮化学药品）。燃烧工段的目的是： 1）回收无机化学药品回用于生产； 2）有机物燃烧产生的热量以蒸汽方式回收，并在燃烧过程中把补充的芒硝还原为Na2S； 3）减少废气对环境的污染。 燃烧工段的控制与燃油锅炉的控制有许多相同之处，需要监测和调节的参数主要有： 1）黑液系统 调节黑液的浓度和流量，以稳定燃烧燃料的供应量；调节黑液的温度，以稳定其粘度；稳定黑液的压力，以保证入炉黑液液滴的形状和大小。2）燃烧系统 调节送风流量，并与黑液流量组成比例调节系统，以保证黑液充分燃烧又不至于造成过多的热损失和碱飞失；调节一次风与二次风之间的比例；监测热层温度、为芒硝的还原反应创造良好的条件；调节送风的温度监测送风压力，以稳定燃烧；监测烟气中氧气（或CO）、可燃气体（CH4）等含量，以监测燃烧效率；3）锅炉引风系统 调节炉膛负压；监测锅炉不同部位的压力降，以监测锅炉是否堵塞；监测排风机排风压力；监测烟气通过省煤器和直接接触蒸发器时的温度；4）给水和蒸汽系统 汽包液位、蒸汽流量和给水流量三冲量调节系统，以控制给水流量、稳定汽包液位、保证安全运行；调节给水压力；监测给水电导率和水温；调节蒸汽温度以保证在不同负荷和燃烧条件下的蒸汽温度的稳定；监测汽包蒸汽压力；5）绿液流程 调节溶解槽的液位，以保证安全生产及减少污染；调节绿液的浓度，为苛化工段创造良好条件；检测溜槽冷却水的温度（或流量）。7.2.2 控制方案 本控制方案是针对100T/D左右碱炉而加以制定的。表7-2-1给出了本工段的测控点一览表，而这些测控点布置，在图7-2-1“燃烧工段热力系统图”及图7-2-2“燃烧工段工艺流程图”中分别作了标示。下面分成几个子系统分别加以叙述。（1）黑液子系统 由蒸发工段来的浓度约50的浓黑液被直接送往“圆盘蒸发器”，进行进一步浓缩。“圆盘蒸发器”设置有温度指示TI-01及液位指示LI-07。然后进入“入炉黑液槽”，该槽的液位由LICA-01控制浓黑液流量来实现。在该处还设置有温度指示TI-02。接着由黑液注释：本页插入 图 7-2-1 燃烧工段热力系统图注释：本页插入 图 7-2-2 燃烧工段工艺流程图泵泵至“浓黑液加热器”后入炉燃烧。为了稳定入炉燃料量，设置了流量控制回路FIC-07，为了稳定入炉黑液的粘度，设置了TI-04温度监测点，为了稳定入炉黑液液滴形状和大小，设置了PI-10压力监测点。表7-2-1 燃烧工段测控点一览表序 号工 位 号 用 途测 量 范 围1TI-01圆盘蒸发器温度指示01502TI-02入炉黑液槽温度指示01503TI-03溶解槽温度指示01504TI-04入炉黑液管温度指示01505TI-05一、二次风加热器出口温度指示02006TI-06炉膛出口烟气温度指示08007TI-07碱炉出口烟温指示06008TI-08炉内空气加热器出口风温指示03009TI-09炉内空气加热器后烟温指示030010TI-10电除尘器入口烟温指示030011TI-11引风机入口烟温指示030012TI-12除氧水箱温度指示015013TI-13锅炉给水温度指示015014TI-14吹灰集箱蒸汽输水温度指示030015TIA-15主蒸汽温度指示报警030016TI-16来自蒸发工段的黑液温度指示17PIA-01给水母管压力指示报警04MPa18PIRA-02主蒸汽压力指示记录报警02.0MPa19PIA-03上汽包蒸汽压力指示报警02.0MPa20PIC-04除氧器蒸汽压力指示控制040KPa21PI-05一、二次风风机出口压力指示010KPa22PI-06三次风风机出口压力指示06.0KPa23PIC-07炉膛负压指示控制-40+40Pa24PI-08碱炉烟气出口烟压指示-60000Pa25PI-09引风机入口风压指示-60000Pa26PI-10进炉浓黑液压力指示27FRQ-01给水流量记录累计0 t/h28FRQ-02主蒸汽流量记录累计0 t/h29FI-03一次风风量指示0 m3/h30FI-04二次风风量指示0 m3/h31FI-05三次风风量指示0 m3/h32FIQ-06外来蒸汽流量指示累计0 t/h33FIC-07进炉黑液流量指示控制0 t/h34LICA-01入炉浓黑液槽液位指示控制报警0 100%35LICA-02溶解槽液位指示控制报警36LICA-03除氧水箱液位指示控制报警37LIRC-04上汽包水位指示记录控制38LIC-05上汽包水位指示报警39LIA-06冷凝水箱液位指示报警40LI-07圆盘蒸发器液位指示41HIC-01给水旁路阀门远方操作42HIC-02一、二次风机变频调速43HIC-03三次风机变频调速44HK-04上汽包排汽电动门远方操作45HIC-05主蒸汽电动门远方操作46HIC-06吹灰集箱进蒸汽电动门远方操作47HK-07吹灰集箱疏水电动门远方操作48HK-08除氧器溢流管电动门远方操作49HIC-09一、二次风分配风门远方操作50HK-10上汽包紧急排水阀远方操作51JS-01上汽包液位工业电视监视装置（2）送风、引风子系统 一、二次风风机及三次风风机都由变频器控制，这样可以很细微地调节送风量，并有显著的节能效果。风机频率由HIC-02、HCC-03遥控。PI-05、PI-06分别指示它们的出口风压。一、二次风经“一、二次风预热器”加温后（由TI-05指示出口温度），送往“炉内空气加热器”作进一步升温,加热器出口温度由TI-08指示。一、二次风经角行程风门调节阀HIC-09及一、二次风风量检测FI-03、FI-04加以分流，分别送入炉内。三次风直接入炉，其风量由FI-05指示。引风机也由变频控制，其频率由炉膛负压指示控制（PIC-07）加以控制。此外，在引风机入口还设置了风压指示PI-09及温度指示TI-11。（3）锅炉供水子系统及三冲量汽包液位控制冷凝水箱收集了各种清洁冷凝水，其液位由LIC-06指示。其内的冷凝水被泵送至“除氧器”，进入“除氧器”的蒸汽压力由PIC-04加以控制，“除氧器”的液位由LIC-03加以控制。接着由锅炉给水泵将除氧后的冷凝水经过“省煤器”加温后送往上汽包。在给水管道上，设置有压力指示报警：PIA-01、温度指示：TI-13、给水流量记录累计：FRQ-01及给水调节阀。 在锅炉运行中，汽包水位是主要的控制参数之一，水位过高会影响蒸汽质量，过低则易引起烧干而发生事故，对小型锅炉可以用简单汽包液位调节系统加以调节。由于调节系统中只有一个液位测量信号，所以叫做单冲量调节系统。对于大中型锅炉，当蒸汽负荷波动较大时，汽包内液位的变化会出现所谓“虚假液位”现象。当蒸汽负荷突然增大时，汽包内汽压瞬时降低，汽化加速，液位应该降低。但是由于汽压降低，汽化加速，液体内的汽包体积变大，液面则升高。这虽然是假，但简单液位调节系统在这种情况下会发出错误信号去关小给水阀门，结果将是危险的。为了清除“虚假液位”对调节系统的影响，在单冲量调节系统中引入一个辅助冲量蒸汽流量信号，构成双冲量调节系统，如图7-2-3所示。这时，即使“虚假液位”可能使调节系统发出错误动作关小给水阀门，但是蒸汽流量信号则使给水阀开大，两个冲量互相克制，从而大大减少了水位的波动幅度，缩短了过渡过程。 对大型锅炉常常使用三冲量调节系统。由于给水压力的波动也将影响汽包液位，因此把给水流量信号引进双冲量调节系统组成三冲量调节系统，更能保证汽包液位的稳定，如图7-2-4。在本系统中，由调节回路LIRC-04来加以调节，其中液位作为主冲量送调节器，而蒸汽和给水流量信号作为辅助冲量。当锅炉系统处于物料平衡时，液位稳定，由于给水流量和蒸汽流量信号大小相等，引入加减器的正负号相反，而互相抵消，因此调节系统的控制信号没有变化。当其中一个辅助冲量突然变化（例如蒸汽用量增加）、则破坏了物料平衡，这二个符号相反的辅助冲量差值作用于调节系统及时改变控制信号，增加给水量、使锅炉系统物料重新恢复平衡，可见，三冲量调节系统，能在来自蒸汽流量或给水流量的波动干扰还未影响到汽包液位时，就得到了克服，从而减小了液位的大幅度波动，因而减小了液位的“虚假现象”。锅炉给水阀门要用气闭式阀门，这时积分调节器置于正（）作用，液位信号为正（），蒸汽流量信号为负（），给水流量信号为正（）。图7-2-3 双冲量液位调节系统加减器流量变送器调节器液位变送器蒸汽给水气闭或给水调节阀省煤器+-汽包图7-2-4 三冲量液位调节系统加减器流量变送器调节器液位变送器蒸汽给水气闭或给水调节阀省煤器+-给水流量变送器+汽包 为了安全起见，还单独设置了压力指示报警：PIA-03及汽包液位指示报警：LIA-05及工业监视电视：JS-01。在主蒸汽管道上，还设置了蒸汽压力指示、记录、报警点：PIRA-02,温度指示、报警点：TIA-15.(5) 燃烧过程控制 在燃烧过程中，入炉黑液量、送风系统、引风系统三者互有关联，在这里，首先要确定的是燃料/空气的比率，适当的比率可获得最好的锅炉的效率，在本系统中，入炉黑液及空气都有计量，因此在调试过程中，经过一段时间，就可得到合适的比例关系。如果另外安装了含氧量检测仪，则这个试验过程可以大大缩短。引风量根据炉膛负压进行调节，在上述其他二个参数变更时，引风量也必须作出反应，进行相应的调节。在本系统中，送风、引风都采用了变频器，可以作精细的调节。7.3 苛化过程典型控制系统7.3.1 苛化过程工艺对控制系统的要求 苛化工段的工艺流程图见图7-3-1。黑液燃烧后的熔融物溶于热水或稀白液中，因含有二价铁，颜色是绿色，故称之为“绿液”，其主要成分是碳酸钠（Na2CO3）。苛化就是把绿液与石灰进行反应，使碳酸钠转变成可用于蒸煮的氢氧化钠（NaOH）。反应后分离出的清液（主要成分为氢氧化钠）即蒸煮用的白液，反应后生成的沉淀叫白泥（主要成分有碳酸钙）。 苛化反应分二步： 1）石灰消化 生石灰中的氧化钙与水发生反应，变成氢氧化钙，并放出热量： CaO+H2OCa(OH)2+热量 2）苛化 氢氧化钙与绿液中的碳酸钠进行苛化反应，生成碳酸钙沉淀，同时形成氢氧化钠：Na2CO3Ca(OH)22NaOH+CaCO3 虽然苛化的反应过程并不复杂，但要使反应控制得恰当，必须进行一些必要的测控 1）反应物量及其比值，即分别控制好绿液的浓度和流量以及石灰的加入量； 2）反应温度； 3）反应时间； 4）生产物苛性钠（白液）与碳酸钙（白泥）的分离。7.3.2 控制方案 本控制系统是针对100D/T碱回收中苛化工艺而制定的。表7-3-1为本工段测控点一览表，图7-3-1则表示出这些测控点在工艺流程中的分布。下面简略介绍一下苛化工段的控制方案。由燃烧工段来的绿液经“绿液澄清器”澄清后，送往“绿液贮存槽”，贮存槽设置有液位指示报警：LIA-08，绿液温度指示：TI-11；然后，由绿液泵泵至“绿液加热器”加热，再进入“消化器”，在次管道上，设置有绿液流量控制点：FIC-03。石灰加入量由电磁振动给料器控制，由于消化是放热反应，故由TI-09与TI-13得到的温差，可大致判断石灰的加入量是否合适。“消化器”设置有液位指示报警（LIA-07）。在苛化器中进行苛化反应，在第一、二个