碱回收炉黑液燃烧过程的控制现状与展望

李志江，唐师琴，丁 翔，陆定律*

（1.广西广业贵糖糖业集团有限公司，广西贵港 537102；2.广西壮族自治区特种设备检验研究院防城港分院，广西防城港 538001）

随着国家对教育部门的逐渐重视，国内造纸业的发展规模也在不断增加。除了满足校园内部的书籍印刷之外，越来越多的相关企业也在不断发展，社会体系强化了对纸张的应用需求。碱法制浆作为现阶段造纸工艺的主要手段，在实际应用过程中，也伴随着一些具有污染性的副产物，难以有效地处理。黑液作为碱法制浆工艺进行中的主要废液，对环境的污染性极大，黑液内部含有的碱也具有一定的回收价值。因此黑液燃烧一直是国内主要的黑液碱回收技术。结合整个制浆造纸业的碱回收工艺流程来看，整体的碱回收工艺机制包括对黑液废液的蒸发、蒸发残留物的燃烧，以及最终的绿液苛化和石灰回收处理，其中，黑液燃烧工艺的工序最为复杂，现阶段，黑液燃烧的主要工具为喷射形式的碱回收炉，通过内在高温高压，提供黑液蒸发燃烧所需要的温度和压力，在整体蒸发燃烧过程中，一方面可以回收黑液中大量有机物（脱木素）中的有效热值，以产生蒸汽供工厂发电或造纸干燥之用；另一方面使黑液中的无机碱、盐（Na2SO4、Na2CO3）经还原反应后回收供制浆蒸煮重复使用[1]。

1 碱回收炉工艺介绍

黑液工艺的燃烧工序中，碱回收炉是整个燃烧系统的关键性设备。在实际应用过程中，由于黑液燃烧工序的复杂性，使得整个燃烧阶段，需要不断地对碱回收炉进行相应的功能调节，一方面为了更好地保证黑液燃烧工艺的燃烧流程，另一方面也因为碱回收炉本身的局限性，无法保证黑液工艺的最大化展开。碱回收炉在它的造纸工艺中，造价相对较高，因此也在一定程度上，制约了纸张纸浆厂的生产效率。不同型号和规模的碱回收炉，实现碱回收的工序能力不同。想完成黑液的自动化燃烧，就需要针对碱回收炉的工艺性能加以提升，否则就需要不断对设备工序进行调整，避免由于燃烧工艺不足造成的环境污染[2]。而提高整体碱回收炉的燃烧性能，能够保证黑液的燃烧与碱回收率，更能结合自动化控制系统，有效提升黑液碱回收的工作效率，保证系统内在的稳定性，进而提升给整个造纸厂的工作效益。

2 黑液燃烧过程的常规控制

由于黑液燃烧控制的不规范性，基于黑液燃烧的控制研究也相对较少。在实际工艺展开过程中，碱回收炉的内部控制技术不够完善，整个黑液燃烧，也缺乏稳定的控制手段，不能更好地保证碱回收炉的稳定运行。黑液在实际燃烧阶段，会伴随着激烈的化学反应，产生较高的热量，整个工艺流程对碱回收炉的质量需求很高，因为极高的热量以及化学物质产出，伴随着相应的危险性，一旦出现黑炉、爆炸等危险，轻则影响碱回收工艺的顺利进行，重则威胁工作人员的人身安全[3]。结合现阶段我国碱回收炉工艺的工作现状，其控制系统主要是对碱回收炉整体的温度控制以及产烟量控制。

目前我国碱回收炉的制作工艺以及工程工艺都相对落后，为了保证碱回收炉的安全运行，就需要不断优化工艺的控制手段与策略，保证整个工艺的可持续稳定进行。

2.1 单纯反馈控制

在针对碱回收炉黑液燃烧工艺控制过程中，可以通过结合相应的控制反馈，来确定碱回收炉的正常工作形态。在当下工序发展进行过程中，通过单纯反馈控制，能够最大化优化黑液燃烧工艺，通过对内在温度的反馈，结合风量调节系统，实现对碱回收炉的控温。而充足的风量，也能保证碱回收炉内部的燃烧质量，帮助化合物燃烧得更为充分与彻底，进而控制碱回收炉内部的黑液固形物流量，完成整个工艺的优化[4]。

2.2 比值控制

为了更好地控制碱回收炉内部的燃烧质量，就需要针对性地控制整个燃烧工序的稳定。通过黑液燃烧过程中的空气流量以及黑液固形物含量的比值控制，来实现碱燃烧炉内部的闭环控制。具体的闭环控制流程如图1所示。通过有效地控制碱回收炉内部两者的含量稳定，来保证整个工艺流程的顺利进行，维持碱回收炉内部的化学平衡。除了单一的比值控制之外，也能加入其他元素的控制，诸如风量等，实现双闭环或者多闭环控制回路，保证黑液燃烧的充分进行。

图1 燃烧过程单闭环控制一览

2.3 前馈加反馈控制

前馈加反馈控制，强调的是整个反应工艺进行过程中，通过碱回收炉内部的相关信息反馈，进行有效的外在调节。诸如内部温度过高，便调节外在注入风量，来保持碱回收炉的稳定性。反馈控制则是基于碱回收炉稳定运转过程中，内部相关产物生成过程中的调节，最终实现碱回收炉内部的闭环控制[5]。前馈加反馈控制相较于单纯的控制系统，对于碱回收炉工作过程中的各项控制更为准确与具体。

2.4 小节

结合当前我国黑液燃烧的工艺发展现状，自动控制技术的开发与使用并不普遍，大部分制浆厂都是通过模拟仪表进行黑液燃烧工序的内部调节或者通过操作者本身的经验，结合碱回收炉的具体表现，进行相应的控制调节。随着国内黑液燃烧工艺流程的不断完善，自动化工艺技术也开始逐渐引入，帮助碱回收炉黑液燃烧工序的有效控制，但是由于国内相关技术的局限性，黑液燃烧自动控制工序依旧不完善，不能保证整体工艺的有效开展以及可回收碱和热能回收质量。

3 黑液燃烧过程的高级控制策略

3.1 燃烧过程的建模

黑液在碱回收炉燃烧过程中，属于一个动态的运作体系。对于内部相关工艺的控制，需要一定的依据。最常见的就是针对碱回收炉内部的燃烧工艺进行工艺建模。以此来了解其中的一些物理现象以及化学反应，通过对工艺内在问题的提出，实现相应控制方案的拟定，最终完成控制方案的落实。结合黑液整体的燃烧工艺，就需要控制碱回收炉内部的反应环境，结合国内外学者对于碱回收炉建模方向的研究，就整个化学反应的黑液流量以及空气进风量进行探讨，通过内在一氧化碳含量、温度、风量等元素的结合，完成燃烧建模，然后结合反应现状，进行建模优化。

在模型构建阶段，通过将碱回收炉内部的各个环境进行工序分工，对每个反应区块的闭合反应链或者反应阐述进行调整，并拟定相应的反应动态方程，将碱回收炉内部各个元素通过动态方程有效地结合成一个整体，最终完成碱回收炉燃烧反应动态模型的构建。

3.2 黑液燃烧过程中的高级控制策略

黑液在碱回收炉中的燃烧反应较为复杂，想要完成对碱回收炉内在黑液燃烧过程的有效控制，就需要保证整体的燃烧反应基于相对稳定环境下进行，在黑液燃烧过程中，引入相应的高级控制方法，保证碱回收炉内部黑液燃烧充足，实现整体工艺的稳定进行。

3.2.1 多变量控制策略

多变量控制强调的是碱回收炉内部各个变量之间的均衡与稳定，实现对内在稳定性的有序调节。在碱回收炉内部黑液燃烧过程中，通过对燃膛温度、烟气含氧量、一氧化碳含量、垫层含量等多变量的有序调节，实现碱回收炉内部的动态平衡。在实际反应过程中，通过对碱回收炉内部的黑液固形物含量以及进风量的有效控制，形成内部反应体系的闭环，完成与实现整体环境的多变量控制。由于当前我国碱回收炉工艺流程尚不完善，直接导致了在实际发展过程中，各个闭环空间的稳定控制的必要性，通过优化多变量体系中的炉内监测与防控体系，确保碱回收炉内在反应的稳定进行。而随着相关工艺的完成，碱回收炉内在反应体系也得到了有效控制，变相地保证了对碱回收炉内部黑液燃烧的有效控制。

3.2.2 自寻优控制策略

自寻优策略主要是基于碱回收炉在反应过程中，对内在反应条件的控制，从而保证整个碱回收炉反应的彻底进行。减少原料的使用，增加回收产物。自寻优控制策略实施过程中，主要结合碱回收炉反应的进风量以及内部的黑液固形物含量展开讨论，不断优化整个反应炉的反应数据，实现黑液的彻底燃烧。自寻优策略的实施，需要依据进风量与黑液固形物含量的参数模型，保证内在工序的正常进行。然后根据整体的实际反应，作出相应的数据调整。在进风量调整过程中，还需要观察与记载碱回收炉内部的黑液固形物含量的变化，进而选择进风量最少固形物含量最多的反应数据搭配。通过对整个碱回收炉温度的控制，实现黑液的彻底燃烧，通过自寻优策略，保证黑液的充分燃烧以及更多的碱回收。

3.3.3 其他高级控制策略

随着经济与科技的发展，我国碱回收炉的相关工艺也在不断优化，基于碱回收炉内部燃烧反应的控制策略也在不断增加，为了更好地保证碱回收炉内部黑液的充分燃烧，就需要不断结合新的控制策略，帮助保证碱回收炉的稳定性，提升碱回收炉的工作效率。黑液的均衡燃烧需要稳定地控制，通过对碱回收炉内部温度的控制来保证黑液的燃烧环境，确保在最适合的环境下，完成相关的工序与工程。基于高级控制策略方面的研究，国内学者多是结合现代化科学技术，使用计算机先进手段，完成相关功能与秩序的调节，实现对燃烧环境内在的控制。通过自动监测与报警系统，对碱回收炉的内部温度、压力进行及时的监测与示警，让整个工艺流程在可控的范围下进行。

现阶段，随着理论知识的逐渐完善，基于黑液燃烧理论的相关研究也逐渐清晰，就碱回收炉的高级控制策略，主要分为了三层不同控制体系：决策层、优化控制层和基本控制层。而优化控制层作为最关键的控制层，对于工艺需求较高。在优化控制层利用基于ARMA 线性模型或ARK 线性模型的神经-模糊系统建立了碱回收炉的动态模型，并且部分运用最小二乘法提高训练速度，实现在线自适应。

神经模糊系统的训练结果产生的多个线性ARMA 模型或ARK 模型可以方便地与广义预测控制相结合实现分布式计算，并用广义预测控制算法计算控制率；在用神经——模糊预测控制器根据烟气含氧量和垫层温度进行闭环控制的基础上，用普通的模糊控制器根据黑液固形物消耗的空气量并行产生控制量，并对神经模糊预测控制器的输出进行约束。实践表明该控制策略性能优良，已给企业带来了可观的经济效益和社会效益。碱回收炉最重要的辅助设备运行操作之一，是运行中清除受热面烟气的碱灰和结渣[10]。

3.3 小节

就我国目前的碱回收炉工艺技术的发展来看，自动化装置设备的有效导入与实施技术尚不完善，整体的工艺流程展现，也并不能很好地保证黑液在燃烧过程中燃烧充分以及实际的碱回收率高。因此在实际投入工艺使用过程中，需要根据当前所使用的碱回收炉的基本特性，进行相关回收工艺流程的制定，结合细节化操控的控制回路体系，保证整个黑液燃烧和碱回收工序的稳定进行。针对相关工艺的展开，也并没有相应的判定依据，主要是结合工作者本身的工作经验，进行燃烧工段的相关控制，整体工艺的运行，也具有一定的人为判别误差，想要保证整个工艺的准确度，就需要结合现代化技术实现对黑液燃烧过程中，碱回收炉的内部燃烧情况的在线监测和相关功能修复。

4 结束语

随着造纸工业技术的不断进步，我国碱回收炉的相关控制工艺也在不断优化，不同于早期黑液燃烧体系的传统控制手段，自动化控制技术不仅能有效地解决造纸工艺中的黑液燃烧问题，还能通过相应自动控制化技术，尽可能地减少整个工序进行过程中的使用误差，进而保证整个工序的稳定有序性。相较于国外的先进碱回收炉自动控制技术，我国仍有很大的进步空间，基于相关的学者研究也在不断深入与优化，比如现阶段，浙江大学现代控制工程研究所，就针对黑液燃烧工段开发出了性价比较高的DCS 系统——SUNY TDCS9200，实现了碱回收燃烧工段的基本单元回路控制和部分优化控制，相信在不久的将来，我国碱回收炉自动化控制技术将会逐渐落实与完善。