堿回收爐黑液燃燒過程的控制現(xiàn)狀與展望

1、Vol 18,No 2,2003中 國(guó) 造 紙 學(xué) 報(bào)TransactionsofChinaPulpandPaper201堿回收爐黑液燃燒過程的控制現(xiàn)狀與展望孫 計(jì) 鐘偉民 孫優(yōu)賢(浙江大學(xué)現(xiàn)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(jié)了國(guó)內(nèi)外堿回收爐控制的現(xiàn)狀,分析了目前存在的一些問題,并且對(duì)未來的發(fā)展提出了展望關(guān)鍵詞:堿回收;黑液燃燒;堿回收爐;控制技術(shù)中圖分類號(hào):TS733+ 9;TS736+ 3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):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(jù)所采用的植物原料及制漿蒸煮條件不同而有所不同,對(duì)黑液采取回收的方法國(guó)內(nèi)也做過許多嘗試,但經(jīng)過考核比較發(fā)現(xiàn)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(shù)。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(tǒng)是制漿廠整個(gè)堿回收過程中最復(fù)雜也是最關(guān)鍵的工段。燃燒工段的最主要設(shè)備為堿回收鍋爐,目前國(guó)內(nèi)外普遍使用的堿回收鍋爐類型為噴射爐。噴射爐作為整個(gè)硫酸鹽制漿廠體積最大,造價(jià)最高的設(shè)備,其作用一方面是回收黑液中大量有機(jī)物(脫木素)中的有效熱值,以產(chǎn)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(jī)堿鹽(Na2SO4、Na2CO3)經(jīng)

3、還原反應(yīng)后回收供制漿蒸煮重復(fù)使用。1 堿回收爐工藝介紹堿回收爐作為燃燒系統(tǒng)的主要設(shè)備,工藝對(duì)象和運(yùn)行機(jī)理復(fù)雜,在手工操作和模擬儀表調(diào)節(jié)時(shí),很難達(dá)1到理想的運(yùn)行工況。建立一個(gè)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(chǎn)效率進(jìn)一步提高的瓶頸,因此在同等規(guī)模的設(shè)備下提高堿爐處理效率顯得很重要。堿回收爐運(yùn)行情況的好壞對(duì)煙氣中有害污染物的含量影響很大,實(shí)施自動(dòng)控制,可以減少污染物的排放。實(shí)現(xiàn)堿回收爐燃燒的自動(dòng)控制和檢測(cè),做到對(duì)泄露、黑爐等不安全因素的檢測(cè)、報(bào)警和消除,可以保證系統(tǒng)穩(wěn)定、安全的運(yùn)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(duì)提高整個(gè)紙廠的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯得

4、十分重要。2 黑液燃燒過程的常規(guī)控制國(guó)內(nèi)外對(duì)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(yùn)行,防止黑爐、爆炸等前提下提高化學(xué)品回收效率和取得較高的熱能。目前對(duì)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(jù)燃燒機(jī)理和經(jīng)驗(yàn),墊層溫度和一次風(fēng)量之間存在極值關(guān)系,可以通過調(diào)節(jié)一次風(fēng)量來控制墊層溫度,實(shí)現(xiàn)墊層溫度反饋控制。同時(shí)為保證燃燒質(zhì)量,實(shí)現(xiàn)最小過剩空氣系數(shù)指標(biāo),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(shí)現(xiàn)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(zhì)量,可以設(shè)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(shù)由經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)和黑2圖1 堿回收爐流程示意圖液固形物性質(zhì)確定(見圖2)。收稿日期:2003 05 06(修改稿),;202中 國(guó) 造 紙 學(xué) 報(bào)第18卷 第2期散處理簡(jiǎn)化模型。文獻(xiàn)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?xì)怏w氧化區(qū)3個(gè)部分,假設(shè)每個(gè)區(qū)段內(nèi)氣流的濃度和溫度分布都是均勻的,這樣可以把每個(gè)區(qū)段作為一個(gè)集中參數(shù)對(duì)象來考慮,分別建立它們的動(dòng)態(tài)方程:然后再通過相鄰區(qū)段之間的物質(zhì)和能量交換方程使3個(gè)不同區(qū)段的動(dòng)態(tài)模型連接成為一整體,從而構(gòu)成整個(gè)堿回收爐的燃

6、燒動(dòng)態(tài)機(jī)理模型。在黑液燃燒過程中,用計(jì)算機(jī)控制代替?zhèn)鹘y(tǒng)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(fēng)量作為調(diào)節(jié)手段,把黑液固形物的流量和組分變化作為干擾,設(shè)計(jì)前饋控制器抵消這部分的擾動(dòng),并根據(jù)煙氣過氧量或一氧化碳的含量進(jìn)行反饋控制,實(shí)現(xiàn)堿回收爐的閉環(huán)控制(見圖3)。這個(gè)控制策略比單純反饋控制對(duì)實(shí)現(xiàn)墊層溫度控制和過氧量控制有著一定的優(yōu)勢(shì)。擬調(diào)節(jié)系統(tǒng),引入高級(jí)控制策略,可以在保證燃燒的穩(wěn)定安全的基礎(chǔ)上盡可能的提高黑液燃燒質(zhì)量,使系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行在良好的工況上。目前國(guó)內(nèi)這方面的研究主要有以下幾個(gè)方向:(1)多變量控制策略以多變量的動(dòng)態(tài)模型為基礎(chǔ),考慮各輸入變量間的相互關(guān)系,設(shè)計(jì)多輸入多輸

7、出控制器,并利用解耦技術(shù)和補(bǔ)償技術(shù)等優(yōu)化控制器設(shè)計(jì)7 9。堿回收爐的主要被控參數(shù)有爐膛溫度、煙氣含氧量和一氧化碳含量、墊層質(zhì)量等,主要的調(diào)節(jié)變量有一、二次進(jìn)風(fēng)量和濃黑液流量以及輔油量等。文獻(xiàn)8在多變量控制策略的基礎(chǔ)上,構(gòu)建了三級(jí)控制回路(基本回路,優(yōu)化回路和高級(jí)回路)。上述三級(jí)回路中,基本回路是堿回收爐安全平穩(wěn)運(yùn)行的前提,也是后續(xù)高級(jí)回路和優(yōu)化回路順圖3 前饋+反饋控制示意圖利實(shí)施的基礎(chǔ);而高級(jí)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(biāo)的輔助回路;優(yōu)化回路中的 黑爐監(jiān)測(cè)和防止 保證堿回收爐的安全運(yùn)行。當(dāng)實(shí)現(xiàn)堿回收爐的優(yōu)化操作時(shí),區(qū)分不同的工況來確定主要的優(yōu)化目標(biāo),從而實(shí)現(xiàn)燃燒

8、過程的基本控制和優(yōu)化控制,此方案已成功應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)。(2)自尋優(yōu)控制策略這類控制策略的主要優(yōu)化的目標(biāo)就是最小的熱損失和燃燒的最小過?？諝庀禂?shù)等。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)曲線的極值關(guān)系,運(yùn)用各種數(shù)值尋優(yōu)的計(jì)算方法,調(diào)節(jié)一、二次引風(fēng)量,使?fàn)t膛溫度和煙氣含氧量保持在最優(yōu)值附近。文獻(xiàn)11為實(shí)現(xiàn)以熱效率為最優(yōu)目標(biāo)的燃燒過程,提出了以進(jìn)風(fēng)量!煙氣含氧量通道的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)的自尋優(yōu)!自適應(yīng)控制策略。在這個(gè)策略中,作者引入了隨機(jī)系統(tǒng)的雙重控制算法,該算法在無附加激勵(lì)的情況下能很好的估計(jì)對(duì)象模型參數(shù),使該模型對(duì)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)具有一定的魯棒跟蹤性。文獻(xiàn)12根據(jù)堿回收爐控制的特點(diǎn),采用遠(yuǎn)紅外測(cè)溫儀和墊層溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè),將傳統(tǒng)的

9、爐膛溫度控制改為對(duì)爐況溫度控制,采用自尋優(yōu)和模糊控制相結(jié)合的辦102 4 小結(jié)目前國(guó)內(nèi)在黑液燃燒工段采用的大多是模擬儀表調(diào)節(jié)和手工操作。常規(guī)控制的引入,使黑液燃燒過程實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)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(yùn)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(jí)控制策略3 1 燃燒過程的建模建立控制對(duì)象的動(dòng)態(tài)仿真模型,有利于深入了解掌握對(duì)象在工作狀態(tài)下的各種物理過程及現(xiàn)象,便于對(duì)出現(xiàn)的不利問題提出切實(shí)可行、有效的控制方案,可以了解對(duì)象在不同工作條件下可能導(dǎo)致的不同結(jié)果。根據(jù)黑液燃燒工藝的特點(diǎn),主要考慮堿回收爐的建模問題,在這方面的文獻(xiàn)很少,文

10、獻(xiàn)7以一典型堿回收爐為對(duì)象,運(yùn)用機(jī)理分析的手段,以黑液流量和空氣進(jìn)風(fēng)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(zhì)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(xiàn)狀與展望203制和墊層厚度和溫度的模糊控制。該系統(tǒng)通過計(jì)算機(jī)兩級(jí)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)控制,在實(shí)際應(yīng)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(jí)控制策略近來,國(guó)內(nèi)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(tǒng)的控制和優(yōu)化,模糊預(yù)測(cè)控制等。文獻(xiàn)2提出了黑爐的計(jì)算機(jī)檢測(cè)和控制技術(shù),實(shí)現(xiàn)了黑爐的自動(dòng)檢測(cè)、報(bào)警和自動(dòng)消除。文獻(xiàn)13 14針對(duì)黑液

11、燃燒的復(fù)雜性,采用了智能控制的方法建立了三層的控制系統(tǒng):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(jīng)!模糊系統(tǒng)建立了堿回收爐的動(dòng)態(tài)模型,并且部分運(yùn)用最小二乘法提高訓(xùn)練速度,實(shí)現(xiàn)在線自適應(yīng)。神經(jīng)模糊系統(tǒng)的訓(xùn)練結(jié)果產(chǎn)生的多個(gè)線性ARMA模型或ARK模型可以方便地與廣義預(yù)測(cè)控制相結(jié)合實(shí)現(xiàn)分布式計(jì)算,并用廣義預(yù)測(cè)控制算法計(jì)算控制率;在用神經(jīng)!模糊預(yù)測(cè)控制器根據(jù)煙氣含氧量和墊層溫度進(jìn)行閉環(huán)控制的基礎(chǔ)上,用普通的模糊控制器根據(jù)黑液固形物消耗的空氣量并行產(chǎn)生控制量并對(duì)神經(jīng)!模糊預(yù)測(cè)控制器的輸出進(jìn)行約束,實(shí)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(jīng)濟(jì)效

12、益和社會(huì)效益。堿回收爐最重要的輔助設(shè)備運(yùn)行操作之一,是運(yùn)行中清除受熱面煙氣的堿灰和結(jié)渣。文獻(xiàn)15對(duì)堿回收爐進(jìn)行優(yōu)化控制中涉及的方案選擇、系統(tǒng)組成和吹灰條件的確定進(jìn)行了分析與介紹。文獻(xiàn)18通過對(duì)麥草漿黑液燃燒工藝的認(rèn)識(shí),根據(jù)燃燒工段的工藝流程劃分成三個(gè)系統(tǒng)來考慮測(cè)控點(diǎn)的布局提出了相應(yīng)的系統(tǒng)測(cè)控方案和手段,對(duì)保證堿回收爐的正常燃燒和安全運(yùn)行提供了有益的幫助。3 2 小結(jié)目前國(guó)內(nèi)堿爐的控制水平是很低的,真正投入使用的自動(dòng)化裝置很少。根據(jù)堿爐燃燒的特點(diǎn),首先應(yīng)當(dāng)組成底層的控制回路,然后組建更高級(jí)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(shí)和經(jīng)驗(yàn)知識(shí)的特點(diǎn),很適合堿爐燃燒控制,再結(jié)合自適應(yīng)、自

13、尋優(yōu)、預(yù)測(cè)等先進(jìn)控制技術(shù),可以組成燃燒工段的高級(jí)控制策略。在這個(gè)策略中,應(yīng)當(dāng)可以融合故障診斷技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)黑爐的在線檢測(cè)和恢復(fù)。4 堿回收黑液燃燒工段控制技術(shù)展望我國(guó)在堿回收爐自動(dòng)控制方面起步較晚,而相對(duì)于造紙的其他工藝過程堿回收爐的自動(dòng)控制是長(zhǎng)期相,爐自動(dòng)控制水平提高的主要因素是過程本身的復(fù)雜性(如非線性、時(shí)變、隨機(jī)性等)和在線檢測(cè)手段的限制。對(duì)于生產(chǎn)過程的復(fù)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(yùn)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(jié)合堿回收爐的本身特點(diǎn)做相應(yīng)的改進(jìn)。由于堿回收爐既是蒸汽發(fā)生器又是化學(xué)反

14、應(yīng)器,工況惡劣,測(cè)量十分困難,要實(shí)現(xiàn)先進(jìn)控制技術(shù)必須是建立在準(zhǔn)確檢測(cè)的基礎(chǔ)上,因此對(duì)于堿爐燃燒煙氣中一氧化碳和氧氣的實(shí)時(shí)在線分析儀,爐膛溫度傳感器等檢測(cè)儀表的開發(fā)是一個(gè)十分迫切的需求。另一方面如果缺乏最新的測(cè)量?jī)x表,或由于進(jìn)口儀器很貴,可以采用計(jì)算機(jī)軟測(cè)量技術(shù)來成為黑液處理控制的有效輔助手段。軟測(cè)量?jī)x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(diǎn),很適合目前國(guó)內(nèi)堿回收爐控制的現(xiàn)狀,相信軟測(cè)量技術(shù)和在此基礎(chǔ)上開發(fā)出來的軟測(cè)量?jī)x表在堿回收爐控制中將會(huì)發(fā)揮很大的作用。浙江大學(xué)現(xiàn)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(jià)比較高的DCS系統(tǒng)!SUNYTDCS9

15、200,實(shí)現(xiàn)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(shí)際的應(yīng)用中取得了不錯(cuò)的效果。參 考 文 獻(xiàn)1 陳嘉翔,李元祿,等 制漿原理與工程M 北京:中國(guó)輕工業(yè)出版社,19902 章 輝 隨機(jī)控制系統(tǒng)若干問題的信息理論方法及應(yīng)用研究D浙江大學(xué)碩士學(xué)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(xué)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(shù)學(xué)模型J 信息與控制,1995,24(增刊):5038 張良

17、軍,李 江,李 平 大型紙漿廠堿回收爐建模與優(yōu)化控制策略研究J 機(jī)電工程,2000(3):979 JutilaEAA,UronenP,HuovinenN,etal Improvedrecoveryboilercontrolsystymreducesenergy,costs Pulp&Paper,1981,7M K,con204中 國(guó) 造 紙 學(xué) 報(bào)trol theecalutionandstateoftheart Tappiproceedings,1982PulpingConference第18卷 第2期14 李 江 神經(jīng) 模糊預(yù)測(cè)控制算法及其應(yīng)用J 浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2002,

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