堿回收爐黑液燃燒過程的控制現狀與展望

1、Vol 18,No 2,2003中 國 造 紙 學 報TransactionsofChinaPulpandPaper201堿回收爐黑液燃燒過程的控制現狀與展望孫 計 鐘偉民 孫優(yōu)賢(浙江大學現代控制工程研究所,浙江杭州,310027)摘 要:黑液燃燒是紙廠堿回收的一種有效方法,堿回收爐是堿回收過程中十分重要的部分,本文總結了國內外堿回收爐控制的現狀,分析了目前存在的一些問題,并且對未來的發(fā)展提出了展望關鍵詞:堿回收;黑液燃燒;堿回收爐;控制技術中圖分類號:TS733+ 9;TS736+ 3 文獻標識碼:A 文章編號:1000 6842(2003)02 0201 04黑液是由堿法制漿蒸煮得到的廢

2、液,其成分主要根據所采用的植物原料及制漿蒸煮條件不同而有所不同,對黑液采取回收的方法國內也做過許多嘗試,但經過考核比較發(fā)現用燃燒法處理黑液回收堿是目前黑液治污中最為成熟和有效的技術。制漿造紙業(yè)的堿回收工藝過程包括黑液蒸發(fā)、燃燒及綠液苛化和石灰回收等工段,其中黑液燃燒系統是制漿廠整個堿回收過程中最復雜也是最關鍵的工段。燃燒工段的最主要設備為堿回收鍋爐,目前國內外普遍使用的堿回收鍋爐類型為噴射爐。噴射爐作為整個硫酸鹽制漿廠體積最大,造價最高的設備,其作用一方面是回收黑液中大量有機物(脫木素)中的有效熱值,以產生蒸汽供工廠發(fā)電或造紙干燥之用;另一方面使黑液中的無機堿鹽(Na2SO4、Na2CO3)經

3、還原反應后回收供制漿蒸煮重復使用。1 堿回收爐工藝介紹堿回收爐作為燃燒系統的主要設備,工藝對象和運行機理復雜,在手工操作和模擬儀表調節(jié)時,很難達1到理想的運行工況。建立一個堿回收爐的初期投入非常大,使得它往往成為制約制漿廠生產效率進一步提高的瓶頸,因此在同等規(guī)模的設備下提高堿爐處理效率顯得很重要。堿回收爐運行情況的好壞對煙氣中有害污染物的含量影響很大,實施自動控制,可以減少污染物的排放。實現堿回收爐燃燒的自動控制和檢測,做到對泄露、黑爐等不安全因素的檢測、報警和消除,可以保證系統穩(wěn)定、安全的運行。提高堿回收爐的燃燒性能,使燃燒具有最高的還原率和最高熱效率,對提高整個紙廠的經濟效益和社會效益顯得

4、十分重要。2 黑液燃燒過程的常規(guī)控制國內外對黑液燃燒過程的控制研究很少,堿回收爐的控制狀況非常落后,缺乏有效的控制手段和控制策略。目前黑液燃燒過程的控制主要是在保證堿回收爐穩(wěn)定、安全運行,防止黑爐、爆炸等前提下提高化學品回收效率和取得較高的熱能。目前對堿回收爐的控制一般由堿回收爐墊層溫度控制和煙氣過氧量控制組成。2 1 單純反饋控制根據燃燒機理和經驗,墊層溫度和一次風量之間存在極值關系,可以通過調節(jié)一次風量來控制墊層溫度,實現墊層溫度反饋控制。同時為保證燃燒質量,實現最小過?？諝庀禂抵笜?可以由煙氣中含氧量(或綜合考慮一氧化碳含量)來控制黑液固形物流量,實現煙氣過氧量反饋控制。2 2 比值控制

5、為控制墊層溫度和保持燃燒質量,可以設置比例控制確定空氣流量和黑液固形物的比例。同樣可組成雙閉環(huán)或變比值控制回路,比值系數由經驗數據和黑2圖1 堿回收爐流程示意圖液固形物性質確定(見圖2)。收稿日期:2003 05 06(修改稿),;202中 國 造 紙 學 報第18卷 第2期散處理簡化模型。文獻8也做了類似的工作,把堿回收爐分為墊層燃燒區(qū)、黑液噴射區(qū)和可燃氣體氧化區(qū)3個部分,假設每個區(qū)段內氣流的濃度和溫度分布都是均勻的,這樣可以把每個區(qū)段作為一個集中參數對象來考慮,分別建立它們的動態(tài)方程:然后再通過相鄰區(qū)段之間的物質和能量交換方程使3個不同區(qū)段的動態(tài)模型連接成為一整體,從而構成整個堿回收爐的燃

6、燒動態(tài)機理模型。在黑液燃燒過程中,用計算機控制代替?zhèn)鹘y的模圖2 燃燒過程單閉環(huán)控制框圖2 3 前饋加反饋控制以一次風量作為調節(jié)手段,把黑液固形物的流量和組分變化作為干擾,設計前饋控制器抵消這部分的擾動,并根據煙氣過氧量或一氧化碳的含量進行反饋控制,實現堿回收爐的閉環(huán)控制(見圖3)。這個控制策略比單純反饋控制對實現墊層溫度控制和過氧量控制有著一定的優(yōu)勢。擬調節(jié)系統,引入高級控制策略,可以在保證燃燒的穩(wěn)定安全的基礎上盡可能的提高黑液燃燒質量,使系統長期運行在良好的工況上。目前國內這方面的研究主要有以下幾個方向:(1)多變量控制策略以多變量的動態(tài)模型為基礎,考慮各輸入變量間的相互關系,設計多輸入多輸

7、出控制器,并利用解耦技術和補償技術等優(yōu)化控制器設計7 9。堿回收爐的主要被控參數有爐膛溫度、煙氣含氧量和一氧化碳含量、墊層質量等,主要的調節(jié)變量有一、二次進風量和濃黑液流量以及輔油量等。文獻8在多變量控制策略的基礎上,構建了三級控制回路(基本回路,優(yōu)化回路和高級回路)。上述三級回路中,基本回路是堿回收爐安全平穩(wěn)運行的前提,也是后續(xù)高級回路和優(yōu)化回路順圖3 前饋+反饋控制示意圖利實施的基礎;而高級回路中的 固形物噴射速率 和 燃燒控制 回路可看成是優(yōu)化目標的輔助回路;優(yōu)化回路中的 黑爐監(jiān)測和防止 保證堿回收爐的安全運行。當實現堿回收爐的優(yōu)化操作時,區(qū)分不同的工況來確定主要的優(yōu)化目標,從而實現燃燒

8、過程的基本控制和優(yōu)化控制,此方案已成功應用于生產現場。(2)自尋優(yōu)控制策略這類控制策略的主要優(yōu)化的目標就是最小的熱損失和燃燒的最小過?？諝庀禂档?。根據經驗曲線的極值關系,運用各種數值尋優(yōu)的計算方法,調節(jié)一、二次引風量,使爐膛溫度和煙氣含氧量保持在最優(yōu)值附近。文獻11為實現以熱效率為最優(yōu)目標的燃燒過程,提出了以進風量!煙氣含氧量通道的數學模型為基礎的自尋優(yōu)!自適應控制策略。在這個策略中,作者引入了隨機系統的雙重控制算法,該算法在無附加激勵的情況下能很好的估計對象模型參數,使該模型對參數發(fā)生變化時具有一定的魯棒跟蹤性。文獻12根據堿回收爐控制的特點,采用遠紅外測溫儀和墊層溫度進行實時檢測,將傳統的

9、爐膛溫度控制改為對爐況溫度控制,采用自尋優(yōu)和模糊控制相結合的辦102 4 小結目前國內在黑液燃燒工段采用的大多是模擬儀表調節(jié)和手工操作。常規(guī)控制的引入,使黑液燃燒過程實現了自動控制,但這樣的控制水平是很保守的,只能保證黑液燃燒盡量運行在安全的工況下,無法最大程度地提高燃燒效率和熱能回收效率。3 黑液燃燒過程的高級控制策略3 1 燃燒過程的建模建立控制對象的動態(tài)仿真模型,有利于深入了解掌握對象在工作狀態(tài)下的各種物理過程及現象,便于對出現的不利問題提出切實可行、有效的控制方案,可以了解對象在不同工作條件下可能導致的不同結果。根據黑液燃燒工藝的特點,主要考慮堿回收爐的建模問題,在這方面的文獻很少,文

10、獻7以一典型堿回收爐為對象,運用機理分析的手段,以黑液流量和空氣進風量為輸入變量,其他都作為干擾輸入,以煙氣氧含量和一氧化碳含量、墊層質量和爐膛出口煙溫為中間變量,輸出變量采用爐膛出口煙溫和煙氣含氧量,建第18卷 第2期堿回收爐墨液燃燒過程的控制現狀與展望203制和墊層厚度和溫度的模糊控制。該系統通過計算機兩級網絡實現控制,在實際應用中,使黑液燃燒更充分,提高了熱效率和堿回收率。(3)其他高級控制策略近來,國內在堿回化燃燒工段又發(fā)展了其他一些控制策略,如基于專家系統的控制和優(yōu)化,模糊預測控制等。文獻2提出了黑爐的計算機檢測和控制技術,實現了黑爐的自動檢測、報警和自動消除。文獻13 14針對黑液

11、燃燒的復雜性,采用了智能控制的方法建立了三層的控制系統:分別為決策層、優(yōu)化控制層和基本控制層。在優(yōu)化控制層利用基于ARMA線性模型或ARK線性模型的神經!模糊系統建立了堿回收爐的動態(tài)模型,并且部分運用最小二乘法提高訓練速度,實現在線自適應。神經模糊系統的訓練結果產生的多個線性ARMA模型或ARK模型可以方便地與廣義預測控制相結合實現分布式計算,并用廣義預測控制算法計算控制率;在用神經!模糊預測控制器根據煙氣含氧量和墊層溫度進行閉環(huán)控制的基礎上,用普通的模糊控制器根據黑液固形物消耗的空氣量并行產生控制量并對神經!模糊預測控制器的輸出進行約束,實踐表明該控制策略性能優(yōu)良,已給企業(yè)帶來了可觀的經濟效

12、益和社會效益。堿回收爐最重要的輔助設備運行操作之一,是運行中清除受熱面煙氣的堿灰和結渣。文獻15對堿回收爐進行優(yōu)化控制中涉及的方案選擇、系統組成和吹灰條件的確定進行了分析與介紹。文獻18通過對麥草漿黑液燃燒工藝的認識,根據燃燒工段的工藝流程劃分成三個系統來考慮測控點的布局提出了相應的系統測控方案和手段,對保證堿回收爐的正常燃燒和安全運行提供了有益的幫助。3 2 小結目前國內堿爐的控制水平是很低的,真正投入使用的自動化裝置很少。根據堿爐燃燒的特點,首先應當組成底層的控制回路,然后組建更高級別的優(yōu)化層回路。由于模糊控制不需要模型,只依靠專家知識和經驗知識的特點,很適合堿爐燃燒控制,再結合自適應、自

13、尋優(yōu)、預測等先進控制技術,可以組成燃燒工段的高級控制策略。在這個策略中,應當可以融合故障診斷技術實現對黑爐的在線檢測和恢復。4 堿回收黑液燃燒工段控制技術展望我國在堿回收爐自動控制方面起步較晚,而相對于造紙的其他工藝過程堿回收爐的自動控制是長期相,爐自動控制水平提高的主要因素是過程本身的復雜性(如非線性、時變、隨機性等)和在線檢測手段的限制。對于生產過程的復雜性和非線性,可以研究新的控制策略和控制算法,也可以將成熟的控制理論運用到堿回收爐控制,堿回收爐與一般的工業(yè)鍋爐有一定的相似性,可以借鑒一般工業(yè)鍋爐的成熟控制策略,然后結合堿回收爐的本身特點做相應的改進。由于堿回收爐既是蒸汽發(fā)生器又是化學反

14、應器,工況惡劣,測量十分困難,要實現先進控制技術必須是建立在準確檢測的基礎上,因此對于堿爐燃燒煙氣中一氧化碳和氧氣的實時在線分析儀,爐膛溫度傳感器等檢測儀表的開發(fā)是一個十分迫切的需求。另一方面如果缺乏最新的測量儀表,或由于進口儀器很貴,可以采用計算機軟測量技術來成為黑液處理控制的有效輔助手段。軟測量儀表有開發(fā)成本比常規(guī)儀表成本低的多,開發(fā)周期比較短的特點,很適合目前國內堿回收爐控制的現狀,相信軟測量技術和在此基礎上開發(fā)出來的軟測量儀表在堿回收爐控制中將會發(fā)揮很大的作用。浙江大學現代控制工程研究所在黑液燃燒工段,利用浙江浙大中自集成控制股份有限公司開發(fā)的性價比較高的DCS系統!SUNYTDCS9

15、200,實現了堿回收燃燒工段的基本單元回路控制和部分優(yōu)化控制,在實際的應用中取得了不錯的效果。參 考 文 獻1 陳嘉翔,李元祿,等 制漿原理與工程M 北京:中國輕工業(yè)出版社,19902 章 輝 隨機控制系統若干問題的信息理論方法及應用研究D浙江大學碩士學位論文,19953 王驥程,祝和云,等 化工過程控制工程(第2版)M 北京:化學工業(yè)出版社,19914 VigaP,CiprianoA,dePradaCetal ProceedingsoftheThirdIEEEConferenceon,1994,16485 ChengG,WangQiang,SnialkowskiS Model freeada

16、ptivecontrolofevaporatorsDynamicModelingontrolApplicationsforIndustryWorkshop,1998IEEEIndustryApplications,1998:166 PeterMMills,AlbertYZomaya,MosesOTad ApplicationofNeuralModel BasedControl Proceedingofthe32ndConferenceonDecisionandControl,Texas:19937 章 輝,孫優(yōu)賢 堿回收爐燃燒過程的數學模型J 信息與控制,1995,24(增刊):5038 張良

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