蔗渣漿廠苛化工段石灰消化控制方法的改進

陶文珍，劉熾東，周錫政

（中國輕工業南寧設計工程有限公司，南寧530031）

蔗渣漿廠苛化工段是將綠液（主要成份是碳酸鈉（Na2CO3））轉化成白液（主要成份是氫氧化鈉（NaOH）），并除去從堿爐帶來雜質的過程。黑液經過堿爐燃燒后的溶融物溶于溫水或稀白液中形成綠液，然后將綠液澄清除去綠泥，接著與消化石灰（Ca（OH）2）反應生成白液，將白液澄清除去沉淀的白泥（CaCO3），然后將白液應用于蒸煮工段。經過苛化，使蒸煮用堿達到大部分回收，節約工業用堿，降低生產成本，減輕環境污染[1]。

在綠液向白液的轉化過程中，石灰的消化和苛化是至關重要的，而石灰的消化是基礎，消化得越好，苛化才能獲得越充分反應。石灰消化的控制要考慮的因素比較復雜，其中最重要的因素就是控制加入石灰消化提渣機的石灰和綠液的量，因為石灰及綠液的加入量均會直接影響白液的苛化度、澄清度、過量灰等指標。而石灰和綠液的量一般是根據石灰消化提渣機內溫度來控制，由于溫度檢測存在滯后性，給控制系統造成了很不利的影響，如何最大限度地修正檢測滯后帶來的影響，從而穩定控制系統，提升苛化效率，成為了消化控制的核心。

1 消化反應的控制難點

消化反應是在石灰消化提渣機中連續進行的，綠液與生石灰（來自緩沖倉）按控制速度連續地送入石灰消化提渣機，在石灰消化提渣機內，高溫與猛烈的攪拌促使生石灰迅速轉化成石灰乳（消石灰），同時綠液也在轉變成白液。對隨后的苛化作業與白泥沉降來說，充分的消化至關重要。

石灰的消化需要在嚴格限制的溫度范圍（90～95 ℃）內進行，在最佳溫度時，反應進行得比較完全，未反應的石灰也能較迅速地沉淀在白液澄清器中，從而只使較少的石灰循環到石灰窯中。這就需要穩定綠液濃度、流量、溫度以及石灰加入量[2]。

石灰消化提渣機在運行時，采用蒸汽將要進入提渣機的綠液加熱，使其溫度穩定在90 ℃左右，石灰顆粒直徑在30 mm 左右，從而保證石灰消化反應物的穩定。石灰消化提渣機溫度的穩定還要求石灰和綠液的加入量要配合恰當，綠液的供給通過流量的檢測調節基本可以達到穩定，通常是通過固定綠液流量調節石灰加入量，以控制石灰與綠液的比率。

石灰的消化如果控制得不好，比如欠灰操作雖然對白泥分離，白泥洗滌的澄清操作較為有利，但欠灰造成轉化率低，意味著仍有許多死負荷（Na2CO3）滯留在制漿和回收循環中，將會導致諸如蒸煮鍋結垢等不良影響。反之石灰加入量過多就會對白泥分離，白泥洗滌的澄清操作產生不好的影響，造成不必要的浪費，同時石灰加入量過多會引起沸騰，如果熱堿液從消化器溢出就會出現危險。

最佳的操作要求石灰用量非常接近完成碳酸鹽完全轉化所需的化學計算量。石灰用量為化學計算量的0.95 時，開始顯示對沉淀特性有較大的破壞；石灰用量為化學計算量的1.05 時，白泥的分離狀況很差，并且轉化率沒有進一步提高。所以控制好石灰和綠液加入量是搞高苛化生產的重要條件[3]。

2 石灰消化控制方案

石灰消化的控制方法有很多種，經過不斷的改進，目前紙廠常用的控制方法主要有以下幾種。

2.1 溫度反饋控制法

按預先所要求的轉化率、苛化度、濃度及白泥沉降速度等來固定綠液的流量，溫度控制回路TIC-01 通過檢測石灰消化提渣機的溫度來調節給料器的轉速，從而控制石灰加入量。當石灰消化提渣機的溫度升高時，減少石灰加入，當石灰消化提渣機的溫度降低時，增加石灰加入；溫度控制回路TIC-02 通過檢測綠液加熱器出口綠液溫度來調節通入蒸汽的流量。當綠液溫度升高時，減少蒸汽加入，當石灰消化提渣機的溫度降低時，增加蒸汽加入。這兩個單回路控制保證了石灰消化提渣機的溫度穩定在一個范圍內，使得反應比較完全。由于投資少，控制結構簡單，早期所建的蔗渣漿廠一般采用這種控制方法，其控制原理如圖1所示。

圖1 溫度反饋控制流程Fig.1 Temperature feedback control flow chart

很顯然這種控制方法要求所有的工況保持不變，即綠液的流量、濃度、石灰質量及設備狀況不變，這在大部分的實際生產運行中是很難滿足的。

石灰質量，給料機運行狀況以及綠液流量、溫度或質量（硫化度、總滴定堿）波動均會使石灰加入量失去平衡。當石灰煅燒過度導致了孔隙率低，表面硬化時會降低石灰在消化過程中的反應能力，從而使石灰消化提渣機的溫度達不到設定值，此時給料器會增加石灰加入量，以期達到規定的苛化度指標，而未反應的過量石灰則必須經消化器的分離裝置排掉，由此將增加新石灰的供求，造成過量加灰。反之，當石灰反應能力提高使消化溫度上升時，又要減少石灰的給料。由于系統多次過量加灰運行，苛化度波動較大，有可能導致白液質量不穩定。因此，僅靠調整溫度控制不能兼顧所有工藝參數的變化。為了能夠達到符合生產要求的苛化效果，操作人員不得不在生產過程中頻繁地修正溫控指標的給定值，這樣連續的滯后對大規模流水線生產顯然是不及時的，誤差大，靈敏度太低。

2.2 前饋—反饋控制法

利用2 個PID 調節回路穩定進入石灰消化提渣機綠液的溫度及流量，將進入石灰消化提渣機綠液的流量檢測作為前饋信號，石灰消化提渣機內的反應溫度檢測作為反饋信號，一起來控制石灰給料器電機的轉速，從而達到調節石灰的加入量。這一方法目前造紙廠應用的比較普遍，其待測點的流程如圖2所示。

圖2 前饋—反饋控制流程Fig.2 Feedforward-feedback control flow chart

在這個控制方案中，因為石灰的加入量不好控制，所以作為整個控制系統中的主變量。綠液的流量通過PID 回路FIC-02 來穩定，同時綠液流量信號又作為石灰加入量的前饋信號；綠液的溫度通過PID 回路TIC-02 來穩定，石灰消化提渣機的溫度TIC-01 作為石灰加入量的反饋信號。其控制系統結構如圖3所示。

圖3 前饋—反饋控制系統結構圖Fig.3 Feedforward-feedback control system structure diagram

這種控制方案的優點是：在前饋控制中引入反饋控制，有利于對控制系統中的綠液流量的干擾進行前饋補償，對系統中的其他干擾而引起的石灰消化提渣機的溫度上升進行反饋補償。反饋控制回路降低了前饋控制器的精度要求，前饋控制回路提高了系統的穩定性，使整個控制系統既可以實現高精度控制，又能保證系統穩定運行。

但是這個控制系統在實際應用中會受到一定的制約。先看前饋控制回路，這里的前饋控制回路實際上是一個開環比值控制系統，在穩定狀態時，綠液和石灰的進料流量滿足Q2=KQ1的關系。當綠液的流量Q1受到干擾有波動時，比值調節器根據Q1對設定值的偏差情況，按比例去改變石灰給料器電機的轉速，從而改變石灰的進料，使石灰的進料量Q2與變化后的綠液的流量Q1仍保持原有的比例關系。但是也不難看到，當石灰的進料量Q2受到外界干擾（如石灰顆粒大小，螺旋給料機運行狀況）而發生波動時，Q1與Q2的比值關系將遭到破壞，系統對此無能為力，所以這里的前饋控制還有待完善。再看反饋控制，和第一種控制法一樣，同樣存在溫度連續滯后的問題，盡管前饋控制提高了系統的穩定性，但是控制精度仍然有待提高。

3 改進后的石灰消化控制方法

根據前饋—反饋的控制原則，結合工藝針對上述控制系統的不足，為了提高系統的穩定性和精度，采取串級及比值控制法來對石灰消化進行自動控制，其待測點流程如圖4所示。

圖4 串級及比值控制流程Fig.4 Flow chart of cascade and ratio control

進石灰消化提渣機的綠液溫度TIC-02 與反應后提渣機溫度TI-01 之間的溫差與進石灰消化提渣機的石灰進料量FIC-01 形成串級控制，進石灰消化提渣機的綠液流量FIC-02 與石灰進料量FIC-01 形成雙閉環比值控制系統。

進石灰消化提渣機的綠液流量與石灰進料量的雙閉環比值控制系統其實起到的是一個前饋作用，提高了系統的穩定度，其控制系統如圖5所示。

圖5 雙閉環比值控制系統Fig.5 Double closed-loop ratio control system diagram

石灰消化最關鍵的就是綠液和石灰反應完全。之前把消化提渣機的溫度作為主要控制對象不是很合適，因為進入消化提渣機綠液的溫度也會對消化提渣機的溫度有所影響，比如把消化提渣機溫度設定為95 ℃，當進入消化提渣機綠液溫度為90 ℃時，石灰的進料量設定為3 kg/s，如果進入消化提渣機綠液溫度受到波動為85 ℃時，此時綠液加入量和前面一樣，石灰的加入量會因為消化提渣機溫度下降而增加，導致了過量加灰。所以改進后的系統采用進消化提渣機綠液和反應后綠液溫度差作為主控制對象，把石灰進料量作為副控制對象，構成了串級控制系統，如圖6所示。

圖6 串級控制系統Fig.6 Cascade control system diagram

設Gc1（s），Gc2（s）分別為主副控制器的傳遞函數，Go1（s），Go2（s）分別為反應前后綠液溫差和石灰給料的傳遞函數，Gm1（s），Gm2（s）分別為主副檢測變送器的傳遞函數，Gv（s）為給料電機的傳遞函數，G′o2（s）為等效副對象的傳遞函數。

假定Gc2（s）=Kc2，Gv（s）=Kv，Gm2（s）=Km2，Go2（s）=，則副回路的等效傳遞函數為

將各環節傳遞函數代入式（1）得：

無論在什么情況下，1+Kc2KvKo2Km2>1 不等式總是成立，所以，經過串級控制后，系統的等效副對象的控制時間比原來的控制時間減小了1+Kc2KvKo2Km2倍[4]，這就意味著減小了滯后時間，這樣就使對石灰消化的控制更加及時和精確，降低了石灰的消耗，也會減少白液過濾器的清洗次數，為后續工作帶來了很大的方便。

4 方案應用效果

廣西某蔗渣漿廠苛化車間的石灰消化控制采用溫度反饋控制法，由于溫度檢測滯后，調節誤差大，人工干預度高，控制效果不理想，后經技改，采用串級及比值控制法，克服了以往石灰加入量控制方法的不足，以前由于各種原因，容易引起各種波動，改造后無需操作人員人工干預，能自動預判修正各種擾動，控制系統十分平穩，石灰投入過量能控制穩定在1.06～1.08 之間，節約了石灰用量的同時又保證了石灰消化的效果，整個石灰消化工藝控制得到優化，大大提高了生產效率，為后續的苛化工序奠定良好基礎，實際生產的苛化率能穩定保證在80%～85%。

5 結語

經過走訪設計院設計的蔗渣漿廠苛化車間不同的石灰消化控制方法，并查看了各控制方法的控制曲線，串級及比值控制法是波動最小，最穩定的控制方法。它克服了以往傳統控制方法的各種弊端，能自動預判修正各種擾動，使得該車間的整個工藝得到了優化，節約了原料，大大提升了石灰消化效率，達到了令人滿意的控制效果，提高了企業的經濟效益和社會效益。