堿回收爐黑液燃燒過程的控制現狀與展望

李志江，唐師琴，丁 翔，陸定律*

（1.廣西廣業貴糖糖業集團有限公司，廣西貴港 537102；2.廣西壯族自治區特種設備檢驗研究院防城港分院，廣西防城港 538001）

隨著國家對教育部門的逐漸重視，國內造紙業的發展規模也在不斷增加。除了滿足校園內部的書籍印刷之外，越來越多的相關企業也在不斷發展，社會體系強化了對紙張的應用需求。堿法制漿作為現階段造紙工藝的主要手段，在實際應用過程中，也伴隨著一些具有污染性的副產物，難以有效地處理。黑液作為堿法制漿工藝進行中的主要廢液，對環境的污染性極大，黑液內部含有的堿也具有一定的回收價值。因此黑液燃燒一直是國內主要的黑液堿回收技術。結合整個制漿造紙業的堿回收工藝流程來看，整體的堿回收工藝機制包括對黑液廢液的蒸發、蒸發殘留物的燃燒，以及最終的綠液苛化和石灰回收處理，其中，黑液燃燒工藝的工序最為復雜，現階段，黑液燃燒的主要工具為噴射形式的堿回收爐，通過內在高溫高壓，提供黑液蒸發燃燒所需要的溫度和壓力，在整體蒸發燃燒過程中，一方面可以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電或造紙干燥之用；另一方面使黑液中的無機堿、鹽（Na2SO4、Na2CO3）經還原反應后回收供制漿蒸煮重復使用[1]。

1 堿回收爐工藝介紹

黑液工藝的燃燒工序中，堿回收爐是整個燃燒系統的關鍵性設備。在實際應用過程中，由于黑液燃燒工序的復雜性，使得整個燃燒階段，需要不斷地對堿回收爐進行相應的功能調節，一方面為了更好地保證黑液燃燒工藝的燃燒流程，另一方面也因為堿回收爐本身的局限性，無法保證黑液工藝的最大化展開。堿回收爐在它的造紙工藝中，造價相對較高，因此也在一定程度上，制約了紙張紙漿廠的生產效率。不同型號和規模的堿回收爐，實現堿回收的工序能力不同。想完成黑液的自動化燃燒，就需要針對堿回收爐的工藝性能加以提升，否則就需要不斷對設備工序進行調整，避免由于燃燒工藝不足造成的環境污染[2]。而提高整體堿回收爐的燃燒性能，能夠保證黑液的燃燒與堿回收率，更能結合自動化控制系統，有效提升黑液堿回收的工作效率，保證系統內在的穩定性，進而提升給整個造紙廠的工作效益。

2 黑液燃燒過程的常規控制

由于黑液燃燒控制的不規范性，基于黑液燃燒的控制研究也相對較少。在實際工藝展開過程中，堿回收爐的內部控制技術不夠完善，整個黑液燃燒，也缺乏穩定的控制手段，不能更好地保證堿回收爐的穩定運行。黑液在實際燃燒階段，會伴隨著激烈的化學反應，產生較高的熱量，整個工藝流程對堿回收爐的質量需求很高，因為極高的熱量以及化學物質產出，伴隨著相應的危險性，一旦出現黑爐、爆炸等危險，輕則影響堿回收工藝的順利進行，重則威脅工作人員的人身安全[3]。結合現階段我國堿回收爐工藝的工作現狀，其控制系統主要是對堿回收爐整體的溫度控制以及產煙量控制。

目前我國堿回收爐的制作工藝以及工程工藝都相對落后，為了保證堿回收爐的安全運行，就需要不斷優化工藝的控制手段與策略，保證整個工藝的可持續穩定進行。

2.1 單純反饋控制

在針對堿回收爐黑液燃燒工藝控制過程中，可以通過結合相應的控制反饋，來確定堿回收爐的正常工作形態。在當下工序發展進行過程中，通過單純反饋控制，能夠最大化優化黑液燃燒工藝，通過對內在溫度的反饋，結合風量調節系統，實現對堿回收爐的控溫。而充足的風量，也能保證堿回收爐內部的燃燒質量，幫助化合物燃燒得更為充分與徹底，進而控制堿回收爐內部的黑液固形物流量，完成整個工藝的優化[4]。

2.2 比值控制

為了更好地控制堿回收爐內部的燃燒質量，就需要針對性地控制整個燃燒工序的穩定。通過黑液燃燒過程中的空氣流量以及黑液固形物含量的比值控制，來實現堿燃燒爐內部的閉環控制。具體的閉環控制流程如圖1所示。通過有效地控制堿回收爐內部兩者的含量穩定，來保證整個工藝流程的順利進行，維持堿回收爐內部的化學平衡。除了單一的比值控制之外，也能加入其他元素的控制，諸如風量等，實現雙閉環或者多閉環控制回路，保證黑液燃燒的充分進行。

圖1 燃燒過程單閉環控制一覽

2.3 前饋加反饋控制

前饋加反饋控制，強調的是整個反應工藝進行過程中，通過堿回收爐內部的相關信息反饋，進行有效的外在調節。諸如內部溫度過高，便調節外在注入風量，來保持堿回收爐的穩定性。反饋控制則是基于堿回收爐穩定運轉過程中，內部相關產物生成過程中的調節，最終實現堿回收爐內部的閉環控制[5]。前饋加反饋控制相較于單純的控制系統，對于堿回收爐工作過程中的各項控制更為準確與具體。

2.4 小節

結合當前我國黑液燃燒的工藝發展現狀，自動控制技術的開發與使用并不普遍，大部分制漿廠都是通過模擬儀表進行黑液燃燒工序的內部調節或者通過操作者本身的經驗，結合堿回收爐的具體表現，進行相應的控制調節。隨著國內黑液燃燒工藝流程的不斷完善，自動化工藝技術也開始逐漸引入，幫助堿回收爐黑液燃燒工序的有效控制，但是由于國內相關技術的局限性，黑液燃燒自動控制工序依舊不完善，不能保證整體工藝的有效開展以及可回收堿和熱能回收質量。

3 黑液燃燒過程的高級控制策略

3.1 燃燒過程的建模

黑液在堿回收爐燃燒過程中，屬于一個動態的運作體系。對于內部相關工藝的控制，需要一定的依據。最常見的就是針對堿回收爐內部的燃燒工藝進行工藝建模。以此來了解其中的一些物理現象以及化學反應，通過對工藝內在問題的提出，實現相應控制方案的擬定，最終完成控制方案的落實。結合黑液整體的燃燒工藝，就需要控制堿回收爐內部的反應環境，結合國內外學者對于堿回收爐建模方向的研究，就整個化學反應的黑液流量以及空氣進風量進行探討，通過內在一氧化碳含量、溫度、風量等元素的結合，完成燃燒建模，然后結合反應現狀，進行建模優化。

在模型構建階段，通過將堿回收爐內部的各個環境進行工序分工，對每個反應區塊的閉合反應鏈或者反應闡述進行調整，并擬定相應的反應動態方程，將堿回收爐內部各個元素通過動態方程有效地結合成一個整體，最終完成堿回收爐燃燒反應動態模型的構建。

3.2 黑液燃燒過程中的高級控制策略

黑液在堿回收爐中的燃燒反應較為復雜，想要完成對堿回收爐內在黑液燃燒過程的有效控制，就需要保證整體的燃燒反應基于相對穩定環境下進行，在黑液燃燒過程中，引入相應的高級控制方法，保證堿回收爐內部黑液燃燒充足，實現整體工藝的穩定進行。

3.2.1 多變量控制策略

多變量控制強調的是堿回收爐內部各個變量之間的均衡與穩定，實現對內在穩定性的有序調節。在堿回收爐內部黑液燃燒過程中，通過對燃膛溫度、煙氣含氧量、一氧化碳含量、墊層含量等多變量的有序調節，實現堿回收爐內部的動態平衡。在實際反應過程中，通過對堿回收爐內部的黑液固形物含量以及進風量的有效控制，形成內部反應體系的閉環，完成與實現整體環境的多變量控制。由于當前我國堿回收爐工藝流程尚不完善，直接導致了在實際發展過程中，各個閉環空間的穩定控制的必要性，通過優化多變量體系中的爐內監測與防控體系，確保堿回收爐內在反應的穩定進行。而隨著相關工藝的完成，堿回收爐內在反應體系也得到了有效控制，變相地保證了對堿回收爐內部黑液燃燒的有效控制。

3.2.2 自尋優控制策略

自尋優策略主要是基于堿回收爐在反應過程中，對內在反應條件的控制，從而保證整個堿回收爐反應的徹底進行。減少原料的使用，增加回收產物。自尋優控制策略實施過程中，主要結合堿回收爐反應的進風量以及內部的黑液固形物含量展開討論，不斷優化整個反應爐的反應數據，實現黑液的徹底燃燒。自尋優策略的實施，需要依據進風量與黑液固形物含量的參數模型，保證內在工序的正常進行。然后根據整體的實際反應，作出相應的數據調整。在進風量調整過程中，還需要觀察與記載堿回收爐內部的黑液固形物含量的變化，進而選擇進風量最少固形物含量最多的反應數據搭配。通過對整個堿回收爐溫度的控制，實現黑液的徹底燃燒，通過自尋優策略，保證黑液的充分燃燒以及更多的堿回收。

3.3.3 其他高級控制策略

隨著經濟與科技的發展，我國堿回收爐的相關工藝也在不斷優化，基于堿回收爐內部燃燒反應的控制策略也在不斷增加，為了更好地保證堿回收爐內部黑液的充分燃燒，就需要不斷結合新的控制策略，幫助保證堿回收爐的穩定性，提升堿回收爐的工作效率。黑液的均衡燃燒需要穩定地控制，通過對堿回收爐內部溫度的控制來保證黑液的燃燒環境，確保在最適合的環境下，完成相關的工序與工程。基于高級控制策略方面的研究，國內學者多是結合現代化科學技術，使用計算機先進手段，完成相關功能與秩序的調節，實現對燃燒環境內在的控制。通過自動監測與報警系統，對堿回收爐的內部溫度、壓力進行及時的監測與示警，讓整個工藝流程在可控的范圍下進行。

現階段，隨著理論知識的逐漸完善，基于黑液燃燒理論的相關研究也逐漸清晰，就堿回收爐的高級控制策略，主要分為了三層不同控制體系：決策層、優化控制層和基本控制層。而優化控制層作為最關鍵的控制層，對于工藝需求較高。在優化控制層利用基于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良，已給企業帶來了可觀的經濟效益和社會效益。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[10]。

3.3 小節

就我國目前的堿回收爐工藝技術的發展來看，自動化裝置設備的有效導入與實施技術尚不完善，整體的工藝流程展現，也并不能很好地保證黑液在燃燒過程中燃燒充分以及實際的堿回收率高。因此在實際投入工藝使用過程中，需要根據當前所使用的堿回收爐的基本特性，進行相關回收工藝流程的制定，結合細節化操控的控制回路體系，保證整個黑液燃燒和堿回收工序的穩定進行。針對相關工藝的展開，也并沒有相應的判定依據，主要是結合工作者本身的工作經驗，進行燃燒工段的相關控制，整體工藝的運行，也具有一定的人為判別誤差，想要保證整個工藝的準確度，就需要結合現代化技術實現對黑液燃燒過程中，堿回收爐的內部燃燒情況的在線監測和相關功能修復。

4 結束語

隨著造紙工業技術的不斷進步，我國堿回收爐的相關控制工藝也在不斷優化，不同于早期黑液燃燒體系的傳統控制手段，自動化控制技術不僅能有效地解決造紙工藝中的黑液燃燒問題，還能通過相應自動控制化技術，盡可能地減少整個工序進行過程中的使用誤差，進而保證整個工序的穩定有序性。相較于國外的先進堿回收爐自動控制技術，我國仍有很大的進步空間，基于相關的學者研究也在不斷深入與優化，比如現階段，浙江大學現代控制工程研究所，就針對黑液燃燒工段開發出了性價比較高的DCS 系統——SUNY TDCS9200，實現了堿回收燃燒工段的基本單元回路控制和部分優化控制，相信在不久的將來，我國堿回收爐自動化控制技術將會逐漸落實與完善。