智能化制造在拜耳法氧化鋁蒸發工序中的應用

姜元軍

（龍口東海氧化鋁有限公司，山東 龍口 265713）

低溫拜耳法是化工企業生產氧化鋁的常用方法，該工藝流程中，蒸發環節為重要的工藝環節。由于拜耳法氧化鋁蒸發工序的流程較長，且具有較強連續性，因此，在這一環節中的控制難度相對較高，傳統的控制方式已經不能滿足當今的需要，這就需要加強智能化技術的應用，實現對蒸發工序中各項參數的自動精準調節，進一步提高氧化鋁的生產質量，從而創造更高的經濟效益。

1 拜耳法氧化鋁生產工藝概述

在氧化鋁的拜耳法生產過程中，將鋁土礦與苛性堿溶液在磨機中共同進行研磨，以形成鋁土礦漿液，這些漿液在加熱至臨界值后，開始溶出，此過程中，反應體系中的氧化鋁會和強堿發生反應，生成鋁酸鈉，其能夠與反應體系中的鐵、鈦等雜質有效分離[1]。分離出的鋁酸鈉通過過濾和分解等工序，以三水合氫氧化鋁的形式析出，在析出后對氫氧化鋁進行分離、洗滌和高溫焙燒，得到氧化鋁成品。而這一過程中的苛性堿溶液能夠經蒸發后循環使用，亦被稱之為循環母液[2]。

2 拜耳法氧化鋁蒸發工藝中智能制造技術的應用

2.1 蒸發工序概述

目前在拜耳法氧化鋁蒸發工藝中，通常采用六效逆流強制循環法。來自分解工序的母液經過分流后，按照1:1的比例分別進入到4效和6效蒸發器，進入4效蒸發器的母液經過1-4效進行蒸發和1-3級閃蒸；然而，進入6效蒸發器的母液經過6效和5效蒸發，不經過閃蒸程序。通過閃蒸和蒸發后的母液重新進行混合，送回溶出工序。該過程中產生的飽和蒸汽進入1效蒸發器，1效蒸發器中產生的二次蒸汽進入2效蒸發器，以此類推。在蒸汽流動過程中，通過冷凝水自蒸發器進一步回收其中的熱，溶液通過蒸汽直接預熱后，進入蒸發器組，經過間接預熱、強制循環至蒸發室蒸發[3]。

從該工序流程中可知，要提高氧化鋁蒸發工序的效率和質量，智能化調節蒸汽閥門、進料閥門的開度至關重要，因此，引入智能化制造技術優化工序，DCS系統將是可行的途徑[4]。

2.2 DSC系統及其需求分析

在DSC系統的選取上，應當優先選擇組態靈活、硬件種類少、可靠性高和通信網絡開放的Foxboro I/A series系統，其配置如圖1所示。

圖1 蒸發工序DCS系統配置

根據圖1可知，AW為應用操作站處理機，WP為操作站處理機，FCP280為控制處理機，FBM組件為現場總線組件（也稱為I/O卡件）。

應用智能化制造技術的關鍵點在于以大數據平臺為基礎，實現優化程序的計算和控制，其對原有的DCS系統并不存在明顯的影響。在此條件下，智能化制造應用的具體需求分為以下幾點：①用戶能夠根據實際生產需要來靈活選擇是否需要開啟優化控制；②根據原料的流量、濃度、溫度，以及蒸發器內的壓力、溫度等大量參數進行蒸汽流量的最優化調節配置，使之符合設定標準；③對進入四、六效蒸發器的母液分液比進行優化控制，對于某些特殊情況能夠及時調整分液比；④當優化系統檢測到異常，且無法通過自動控制予以調整時，則及時向用戶發出警報，用戶在收到信息后，將自動模式切換為手動模式，維持生產線的穩定運行，并及時解決問題；⑤控制周期短，且讀取頻率高；⑥縮小輸出母液苛性堿濃度的范圍。

結合上述需求，本文應用智能化制造技術主要采用模型預測控制方法，利用大數據和人工智能技術，構建準確的控制模型，該模型的原理見圖2。

圖2 控制模型的基本原理圖

根據圖2可知，該模型主要根據生產現場所采集的工藝參數，結合歷史數據進行分析和計算，并根據計算結果，實時調整蒸汽流量和循環母液分液比，使其達到最優值。采用預測控制模型后，其優點為：模型要求不高，不需要深入了解過程內部機理，建模方便；參數可調，有利于提高系統的魯棒性；較好的動態控制效果；可處理約束；可實現多目標優化（包括經濟指標）；不增加理論困難，可推廣到有約束條件、大純滯后、非最小相位及非線性等過程。

2.3 系統主要功能

該DCS系統的功能種類較多，主要為以下幾種。

（1）顯示功能。在該DCS系統中，具有彩色LED顯示屏，實時顯示氧化鋁蒸發環節中的溫度、壓力和液位等實時數據，包括電機工作狀態參數以及槽罐液位信息等。同時，其對各項參數的歷史數據及趨勢等進行詳細的記錄和顯示。

（2）控制功能。該DCS系統可以接入鼠標和鍵盤等操作設備，當自動控制不能滿足需要時，操作人員通過硬件設備進行手動控制，如開啟或關閉電機、閥門、調整變頻電機轉速或修改調節閥開度位置等。

（3）報警功能。該DCS系統的控制模塊中已內置多種報警功能，包括測量值越限報警、偏差越限報警、輸出越限報警、變化速率報警、輸入信號超量程報警、過程狀態報警及輸入輸出通道故障報警等。

（4）打印功能。通過連接DCS系統與打印機，可以定時或即時打印出各個蒸發器的主要參數、槽罐液位、主蒸汽管道壓力、實時蒸汽流量及其歷史累計值、實時蒸發母液流量及其累計值、蒸發母液密度及其苛性堿液濃度值、歷史趨勢等，方便操作人員查看和調整生產策略。同時，其可打印用于日常生產管理所需的報表。

（5）數據存儲管理功能。在該DCS系統中，內置數據庫管理軟件，用于對自控制系統的過程數據進行采集、存儲、處理和歸檔等操作。其數據采樣周期可以根據實際需要進行設置，并能夠實現對各過程參數的歷史數據進行濃縮操作，當濃縮數據的保留時間達到臨界值后，即可將數據進行歸檔，并在存儲介質中進行長期保存，這些保存的數據可以被裝回到系統中重新讀出，或根據實際需要整理為報表格式進行分析。同時，該模塊詳細記錄操作員的操作過程，當出現生產事故時，能夠以此為依據進行準確分析。

3 智能化制造系統在拜耳法氧化鋁蒸發工序中的主要控制功能

3.1 蒸發工序內設備的啟停控制與聯鎖控制

通過智能化制造系統對蒸發工序內各效蒸發器的循環泵和出料泵、母液泵、冷凝水泵、污水泵、真空泵、稀酸泵及污水槽等設備可進行遠程手動啟停控制和按工藝流程需要進行啟停控制。設備工作狀況實時反映在監視界面上,避免生產中出現設備故障后，生產人員不知情，未能及時處理故障和切換生產流程，進而導致跑料和空載等問題。污水泵的啟停根據污水槽液位檢測信號進行聯鎖控制，當液位高報警開啟污水泵；液位低報警則關閉污水泵，避免污水泵空載，有效節省能源。根據冷凝水電導率檢測結果，聯鎖控制開關閥引導冷凝水流向，避免好水的浪費和壞水污染下游生產流程。當蒸發機組運行出現問題或進汽壓力超過上限時，其能夠緊急聯鎖關閉主蒸汽管道閥門，禁止新蒸汽進入蒸發機組，避免安全事故的發生。

3.2 蒸發工序內的回路控制

蒸發器的液位控制目標是將蒸發器液位穩定在一定的范圍內。液面過高,影響蒸發效率，而且容易造成二次汽帶料；液面過低，造成蒸發器自循環泵空轉，影響溶液在蒸發器內的成膜效果，造成管束干燒的情況，引起設備損壞。為保證蒸發器料位的穩定性，設置一個PID 調節器，當料位產生擾動時，通過PID 調節器控制蒸發器出料泵(變頻泵)的轉速，達到消除偏差的目的。

閃蒸器料位控制的目標是穩定液面在閃蒸器處于合適的位置，避免因液面過高，導致料漿閃蒸空間不足，影響閃蒸效果。采用一個PID 調節器，當料位產生擾動時，通過PID 調節來控制閃蒸器出料管上閥門的開度。

3.3 對母液濃度進行控制

拜耳法工藝中的母液濃度是蒸發生產過程的重要指標之一。從單一蒸發器的工作流程來看,母液濃度主要受蒸汽流量和入口原液流量控制。但從整個蒸發區域的工作流程來看，分解工序來的種分母液一部分直接送往母液調配工序，另一部分經蒸發后送母液調配工序；最終在母液調配工序由種分母液、蒸發母液和液堿調配成合格的循環母液后送往配料工序。如果在蒸發工序通過調節原液(種分母液)的進料量控制出料濃度，若出料濃度下降，則減少蒸發器進料量，勢必造成直接送往母液調配工序的種分母液流量增加。為了配置出濃度合格的母液，必須增加液堿的添加量，這與實際生產中需要降低原材料消耗的目的背道而馳，因此，在實際應用中，選擇主蒸汽流量作為被控參數來調節母液濃度。

3.4 節能控制

在DCS 系統上層建立智能控制平臺,對DCS系統內的歷史數據進行大數據分析與處理。運用先進的信息技術、運籌學及統計學理論等在蒸發工序的生產和管理中，根據蒸發器進料、循環泵的循環量和蒸發器的各級溫度、壓力及蒸發母液密度等在線檢測數據，通過不斷建立和完善的智能控制模型，推理最佳新蒸汽用量，進而使DCS 系統自動調節蒸汽閥門，控制新蒸汽的流量，實現優化母液濃度的控制，最終使蒸發工序的汽耗達到最低，進而降低生產的能耗。

3.5 預防性維護

來自分解的種分母液中主要含有苛性鈉、碳酸鈉和硫酸鈉,同時還含有鋁、硅及鈣等物質。在母液增濃過程中,由于各種鹽類濃度的提高,一部分鹽類(如碳酸鈉、硫酸鈉)將結晶析出；同時，由于溫度的升高，具有逆溶解度特性的鋁硅酸鈉材料以水合物的形式也結晶析出。這些結晶物附著在加熱管上，并不斷增加，最終形成極為致密堅硬的結晶體，致使蒸發效率明顯下降，蒸水能力無法滿足設備運行的要求，當這種情況發生時，通常需要停車，暫停生產，清理加熱管上的結晶體，即結疤。同時，結疤的生成并不是固定的、周期性的過程，每次清洗時，結疤厚度和清洗難度不同。這就需要將蒸發器的蒸汽流量、各效蒸發器的溫度、壓力變化趨勢等數據通過分析處理，與同類檢測項目的歷史數據和變化趨勢進行對比分析。

由此，即可在已有的基礎上，進一步建立智能化控制模型,逐步找到各項參數變化與蒸發器結疤的對應規律，系統便可預測出蒸發器的結疤情況，給出哪一效蒸發器需要進行水洗或酸洗的管理策略，以及提供如不進行清洗會造成的能源損耗量和損耗增長趨勢，生產管理者根據系統給出的清洗提示，結合各運轉設備的工作狀態和生產任務，合理進行蒸發器清洗及其他設備的維護工作，通過此方法有效地提高設備的運轉率。

4 結語

總而言之，通過在拜耳法氧化鋁蒸發工序中應用智能化制造的相關技術，有效提高蒸發工序的各項工作指標，使其更符合工藝控制的要求，從而達到提高生產效率和降低成本的最終目的。因此，在今后的工作中，仍需對此方面的內容做進一步研究，力爭在蒸發工序控制系統的智能化方面尋求更大的突破，從而進一步提高工藝水平。