蔗渣浆厂苛化工段石灰消化控制方法的改进

陶文珍，刘炽东，周锡政

（中国轻工业南宁设计工程有限公司，南宁530031）

蔗渣浆厂苛化工段是将绿液（主要成份是碳酸钠（Na2CO3））转化成白液（主要成份是氢氧化钠（NaOH）），并除去从碱炉带来杂质的过程。黑液经过碱炉燃烧后的溶融物溶于温水或稀白液中形成绿液，然后将绿液澄清除去绿泥，接着与消化石灰（Ca（OH）2）反应生成白液，将白液澄清除去沉淀的白泥（CaCO3），然后将白液应用于蒸煮工段。经过苛化，使蒸煮用碱达到大部分回收，节约工业用碱，降低生产成本，减轻环境污染[1]。

在绿液向白液的转化过程中，石灰的消化和苛化是至关重要的，而石灰的消化是基础，消化得越好，苛化才能获得越充分反应。石灰消化的控制要考虑的因素比较复杂，其中最重要的因素就是控制加入石灰消化提渣机的石灰和绿液的量，因为石灰及绿液的加入量均会直接影响白液的苛化度、澄清度、过量灰等指标。而石灰和绿液的量一般是根据石灰消化提渣机内温度来控制，由于温度检测存在滞后性，给控制系统造成了很不利的影响，如何最大限度地修正检测滞后带来的影响，从而稳定控制系统，提升苛化效率，成为了消化控制的核心。

1 消化反应的控制难点

消化反应是在石灰消化提渣机中连续进行的，绿液与生石灰（来自缓冲仓）按控制速度连续地送入石灰消化提渣机，在石灰消化提渣机内，高温与猛烈的搅拌促使生石灰迅速转化成石灰乳（消石灰），同时绿液也在转变成白液。对随后的苛化作业与白泥沉降来说，充分的消化至关重要。

石灰的消化需要在严格限制的温度范围（90～95 ℃）内进行，在最佳温度时，反应进行得比较完全，未反应的石灰也能较迅速地沉淀在白液澄清器中，从而只使较少的石灰循环到石灰窑中。这就需要稳定绿液浓度、流量、温度以及石灰加入量[2]。

石灰消化提渣机在运行时，采用蒸汽将要进入提渣机的绿液加热，使其温度稳定在90 ℃左右，石灰颗粒直径在30 mm 左右，从而保证石灰消化反应物的稳定。石灰消化提渣机温度的稳定还要求石灰和绿液的加入量要配合恰当，绿液的供给通过流量的检测调节基本可以达到稳定，通常是通过固定绿液流量调节石灰加入量，以控制石灰与绿液的比率。

石灰的消化如果控制得不好，比如欠灰操作虽然对白泥分离，白泥洗涤的澄清操作较为有利，但欠灰造成转化率低，意味着仍有许多死负荷（Na2CO3）滞留在制浆和回收循环中，将会导致诸如蒸煮锅结垢等不良影响。反之石灰加入量过多就会对白泥分离，白泥洗涤的澄清操作产生不好的影响，造成不必要的浪费，同时石灰加入量过多会引起沸腾，如果热碱液从消化器溢出就会出现危险。

最佳的操作要求石灰用量非常接近完成碳酸盐完全转化所需的化学计算量。石灰用量为化学计算量的0.95 时，开始显示对沉淀特性有较大的破坏；石灰用量为化学计算量的1.05 时，白泥的分离状况很差，并且转化率没有进一步提高。所以控制好石灰和绿液加入量是搞高苛化生产的重要条件[3]。

2 石灰消化控制方案

石灰消化的控制方法有很多种，经过不断的改进，目前纸厂常用的控制方法主要有以下几种。

2.1 温度反馈控制法

按预先所要求的转化率、苛化度、浓度及白泥沉降速度等来固定绿液的流量，温度控制回路TIC-01 通过检测石灰消化提渣机的温度来调节给料器的转速，从而控制石灰加入量。当石灰消化提渣机的温度升高时，减少石灰加入，当石灰消化提渣机的温度降低时，增加石灰加入；温度控制回路TIC-02 通过检测绿液加热器出口绿液温度来调节通入蒸汽的流量。当绿液温度升高时，减少蒸汽加入，当石灰消化提渣机的温度降低时，增加蒸汽加入。这两个单回路控制保证了石灰消化提渣机的温度稳定在一个范围内，使得反应比较完全。由于投资少，控制结构简单，早期所建的蔗渣浆厂一般采用这种控制方法，其控制原理如图1所示。

图1 温度反馈控制流程Fig.1 Temperature feedback control flow chart

很显然这种控制方法要求所有的工况保持不变，即绿液的流量、浓度、石灰质量及设备状况不变，这在大部分的实际生产运行中是很难满足的。

石灰质量，给料机运行状况以及绿液流量、温度或质量（硫化度、总滴定碱）波动均会使石灰加入量失去平衡。当石灰煅烧过度导致了孔隙率低，表面硬化时会降低石灰在消化过程中的反应能力，从而使石灰消化提渣机的温度达不到设定值，此时给料器会增加石灰加入量，以期达到规定的苛化度指标，而未反应的过量石灰则必须经消化器的分离装置排掉，由此将增加新石灰的供求，造成过量加灰。反之，当石灰反应能力提高使消化温度上升时，又要减少石灰的给料。由于系统多次过量加灰运行，苛化度波动较大，有可能导致白液质量不稳定。因此，仅靠调整温度控制不能兼顾所有工艺参数的变化。为了能够达到符合生产要求的苛化效果，操作人员不得不在生产过程中频繁地修正温控指标的给定值，这样连续的滞后对大规模流水线生产显然是不及时的，误差大，灵敏度太低。

2.2 前馈—反馈控制法

利用2 个PID 调节回路稳定进入石灰消化提渣机绿液的温度及流量，将进入石灰消化提渣机绿液的流量检测作为前馈信号，石灰消化提渣机内的反应温度检测作为反馈信号，一起来控制石灰给料器电机的转速，从而达到调节石灰的加入量。这一方法目前造纸厂应用的比较普遍，其待测点的流程如图2所示。

图2 前馈—反馈控制流程Fig.2 Feedforward-feedback control flow chart

在这个控制方案中，因为石灰的加入量不好控制，所以作为整个控制系统中的主变量。绿液的流量通过PID 回路FIC-02 来稳定，同时绿液流量信号又作为石灰加入量的前馈信号；绿液的温度通过PID 回路TIC-02 来稳定，石灰消化提渣机的温度TIC-01 作为石灰加入量的反馈信号。其控制系统结构如图3所示。

图3 前馈—反馈控制系统结构图Fig.3 Feedforward-feedback control system structure diagram

这种控制方案的优点是：在前馈控制中引入反馈控制，有利于对控制系统中的绿液流量的干扰进行前馈补偿，对系统中的其他干扰而引起的石灰消化提渣机的温度上升进行反馈补偿。反馈控制回路降低了前馈控制器的精度要求，前馈控制回路提高了系统的稳定性，使整个控制系统既可以实现高精度控制，又能保证系统稳定运行。

但是这个控制系统在实际应用中会受到一定的制约。先看前馈控制回路，这里的前馈控制回路实际上是一个开环比值控制系统，在稳定状态时，绿液和石灰的进料流量满足Q2=KQ1的关系。当绿液的流量Q1受到干扰有波动时，比值调节器根据Q1对设定值的偏差情况，按比例去改变石灰给料器电机的转速，从而改变石灰的进料，使石灰的进料量Q2与变化后的绿液的流量Q1仍保持原有的比例关系。但是也不难看到，当石灰的进料量Q2受到外界干扰（如石灰颗粒大小，螺旋给料机运行状况）而发生波动时，Q1与Q2的比值关系将遭到破坏，系统对此无能为力，所以这里的前馈控制还有待完善。再看反馈控制，和第一种控制法一样，同样存在温度连续滞后的问题，尽管前馈控制提高了系统的稳定性，但是控制精度仍然有待提高。

3 改进后的石灰消化控制方法

根据前馈—反馈的控制原则，结合工艺针对上述控制系统的不足，为了提高系统的稳定性和精度，采取串级及比值控制法来对石灰消化进行自动控制，其待测点流程如图4所示。

图4 串级及比值控制流程Fig.4 Flow chart of cascade and ratio control

进石灰消化提渣机的绿液温度TIC-02 与反应后提渣机温度TI-01 之间的温差与进石灰消化提渣机的石灰进料量FIC-01 形成串级控制，进石灰消化提渣机的绿液流量FIC-02 与石灰进料量FIC-01 形成双闭环比值控制系统。

进石灰消化提渣机的绿液流量与石灰进料量的双闭环比值控制系统其实起到的是一个前馈作用，提高了系统的稳定度，其控制系统如图5所示。

图5 双闭环比值控制系统Fig.5 Double closed-loop ratio control system diagram

石灰消化最关键的就是绿液和石灰反应完全。之前把消化提渣机的温度作为主要控制对象不是很合适，因为进入消化提渣机绿液的温度也会对消化提渣机的温度有所影响，比如把消化提渣机温度设定为95 ℃，当进入消化提渣机绿液温度为90 ℃时，石灰的进料量设定为3 kg/s，如果进入消化提渣机绿液温度受到波动为85 ℃时，此时绿液加入量和前面一样，石灰的加入量会因为消化提渣机温度下降而增加，导致了过量加灰。所以改进后的系统采用进消化提渣机绿液和反应后绿液温度差作为主控制对象，把石灰进料量作为副控制对象，构成了串级控制系统，如图6所示。

图6 串级控制系统Fig.6 Cascade control system diagram

设Gc1（s），Gc2（s）分别为主副控制器的传递函数，Go1（s），Go2（s）分别为反应前后绿液温差和石灰给料的传递函数，Gm1（s），Gm2（s）分别为主副检测变送器的传递函数，Gv（s）为给料电机的传递函数，G′o2（s）为等效副对象的传递函数。

假定Gc2（s）=Kc2，Gv（s）=Kv，Gm2（s）=Km2，Go2（s）=，则副回路的等效传递函数为

将各环节传递函数代入式（1）得：

无论在什么情况下，1+Kc2KvKo2Km2>1 不等式总是成立，所以，经过串级控制后，系统的等效副对象的控制时间比原来的控制时间减小了1+Kc2KvKo2Km2倍[4]，这就意味着减小了滞后时间，这样就使对石灰消化的控制更加及时和精确，降低了石灰的消耗，也会减少白液过滤器的清洗次数，为后续工作带来了很大的方便。

4 方案应用效果

广西某蔗渣浆厂苛化车间的石灰消化控制采用温度反馈控制法，由于温度检测滞后，调节误差大，人工干预度高，控制效果不理想，后经技改，采用串级及比值控制法，克服了以往石灰加入量控制方法的不足，以前由于各种原因，容易引起各种波动，改造后无需操作人员人工干预，能自动预判修正各种扰动，控制系统十分平稳，石灰投入过量能控制稳定在1.06～1.08 之间，节约了石灰用量的同时又保证了石灰消化的效果，整个石灰消化工艺控制得到优化，大大提高了生产效率，为后续的苛化工序奠定良好基础，实际生产的苛化率能稳定保证在80%～85%。

5 结语

经过走访设计院设计的蔗渣浆厂苛化车间不同的石灰消化控制方法，并查看了各控制方法的控制曲线，串级及比值控制法是波动最小，最稳定的控制方法。它克服了以往传统控制方法的各种弊端，能自动预判修正各种扰动，使得该车间的整个工艺得到了优化，节约了原料，大大提升了石灰消化效率，达到了令人满意的控制效果，提高了企业的经济效益和社会效益。