粗鹽用水溶解后除去其中的泥沙、鈣、鎂等雜質(zhì)制成精鹽水，精鹽水在吸氨塔中吸收氨氣制得一定濃度的氨鹽水，氨鹽水進(jìn)入碳化塔與煅燒濕重堿和石灰石產(chǎn)生的CO₂氣進(jìn)行碳酸化反應(yīng)，反應(yīng)生成的NaHCO₃懸浮濁液經(jīng)過濾、洗滌后，將固體和液體分離，然后將過濾得到的NaHCO₃結(jié)晶在煅燒爐內(nèi)煅燒獲得純堿產(chǎn)品和高濃度的CO₂氣，CO₂氣經(jīng)過冷卻、壓縮后送至碳化塔。經(jīng)過濾得到的濾過母液進(jìn)入母液蒸餾塔進(jìn)行蒸餾，并與石灰石煅燒、化灰得到的石灰乳反應(yīng)蒸出其中的氨氣，氨氣繼續(xù)在系統(tǒng)中循環(huán)使用。

 

 需求分析

 

純堿生產(chǎn)過程工藝流程長，連續(xù)性強(qiáng)，前后工序相互牽制，且有氣、液、固三相物質(zhì)存在，生產(chǎn)裝置中的干擾因素多，部分裝置如石灰窯、煅燒爐等存在較大的時滯，各裝置關(guān)鍵工藝參數(shù)存在較強(qiáng)的相互關(guān)聯(lián)和耦合特性，是典型的連續(xù)過程和間歇過程混合的復(fù)雜工業(yè)過程。常規(guī)控制不能很好地解決裝置內(nèi)部和裝置之間各相關(guān)變量的協(xié)調(diào)控制，在很大程度上依賴于操作人員的操作水平，嚴(yán)重影響了裝置的平穩(wěn)運行，從而影響了產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量。

石灰窯作為純堿生產(chǎn)的龍頭，是生產(chǎn)二氧化碳和生石灰的重要裝置，屬于批量工作的間歇操作設(shè)備。其出灰、上料系統(tǒng)均由人工控制獨立運行，送風(fēng)量、配焦比調(diào)節(jié)不及時且具有較大的時滯，各石灰窯的運行工況不平衡，導(dǎo)致窯底、窯頂溫度波動較大，經(jīng)常造成石灰石的生燒或過燒，影響了石灰石的有效分解率。

氨鹽水碳酸化過程是純堿生產(chǎn)的核心，前后各類物料（CO₂氣、精鹽水、氨鹽水、母液、洗水）流量及濃度等指標(biāo)的波動或切塔操作等干擾事件均對碳化塔的運行產(chǎn)生較大影響。碳化塔具有“清洗”和“制堿”兩種運行狀態(tài)，在制堿過程中各碳化塔所處的制堿階段不同，因此各碳化塔的生產(chǎn)能力及運行工況亦不同。各塔運行負(fù)荷及工況的調(diào)整均靠人工調(diào)節(jié)單回路控制系統(tǒng)的設(shè)定值或閥開度來實現(xiàn)，存在調(diào)節(jié)不及時或調(diào)節(jié)幅度不適當(dāng)?shù)葐栴}，各關(guān)鍵工藝指標(biāo)難以實現(xiàn)較好的約束控制，產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量得不到保證，且勞動強(qiáng)度大。

母液蒸餾塔蒸餾過程的傳質(zhì)、傳熱流程比較長，中部溫度的控制具有較大滯后，且受到蒸汽壓力、母液濃度及流量波動等干擾因素的影響，常規(guī)控制無法實現(xiàn)蒸餾過程關(guān)鍵變量的約束控制，消耗大，蒸餾效果較差。

煅燒爐位于整個生產(chǎn)裝置的末端，主要處理固體物料，具有爐體長、大滯后、干擾因素多等特點，對控制及測量手段要求較高，其關(guān)鍵工藝指標(biāo)的控制和各爐負(fù)荷的分配均由人工操作，勞動強(qiáng)度大，產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量不高，且增加了消耗。

綜上，以碳化生產(chǎn)為中心協(xié)調(diào)控制好純堿生產(chǎn)過程前后的物料平衡和能量平衡，合理分配各單元裝置的運行負(fù)荷，實現(xiàn)產(chǎn)量最大化，品質(zhì)最優(yōu)化是純堿生產(chǎn)裝置操作及控制的目標(biāo)。

 

 先進(jìn)控制方案

 

應(yīng)用多變量預(yù)測控制手段，建立碳化塔、母液蒸餾塔的動態(tài)數(shù)學(xué)模型；設(shè)計了以碳化出堿總量為優(yōu)化目標(biāo)的APC-Adcon控制器及母液蒸餾塔中部溫度的APC-Adcon控制器；根據(jù)裝置特點并總結(jié)操作經(jīng)驗，采用智能控制手段建立石灰窯、煅燒爐裝置的自定義控制器；為各并聯(lián)運行的裝置設(shè)計了負(fù)荷優(yōu)化分配與工況平衡的控制；針對石灰窯出灰、上料系統(tǒng)及煅燒爐電動刮刀等電氣設(shè)備的特點和運行邏輯，研究開發(fā)了適合裝置工藝特點的智能控制系統(tǒng)；應(yīng)用專家控制、均勻控制等手段建立了以碳化生產(chǎn)為中心的整體物料平衡即出堿總量與母液蒸量平衡、精鹽水量與氨鹽水量平衡、氣量平衡、洗水平衡，并實現(xiàn)了對相關(guān)裝置關(guān)鍵工藝指標(biāo)的約束控制；結(jié)合DCS系統(tǒng)的特點，設(shè)計了便捷的操作界面，編寫了安全、可靠的切換邏輯。

 

 應(yīng)用效果

 

APC-Adcon先進(jìn)控制軟件在純堿裝置上實施應(yīng)用后系統(tǒng)運行良好，能正確執(zhí)行系統(tǒng)功能，較大程度的提高了裝置綜合自動化水平，穩(wěn)定生產(chǎn)工況，提高了主要工藝參數(shù)的平穩(wěn)度，降低了消耗。系統(tǒng)能夠根據(jù)并聯(lián)生產(chǎn)裝置的特點進(jìn)行生產(chǎn)負(fù)荷與運行工況的優(yōu)化調(diào)整，加強(qiáng)了前后裝置的協(xié)調(diào)控制，減小了生產(chǎn)波動，保證了產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量，降低了操作人員的勞動強(qiáng)度，為企業(yè)帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。該項成果是先進(jìn)控制軟件在國內(nèi)純堿行業(yè)中的首次成功應(yīng)用，引起了行業(yè)內(nèi)的廣泛關(guān)注，達(dá)到了國內(nèi)同行業(yè)的先進(jìn)水平。

下圖為純堿生產(chǎn)裝置先進(jìn)控制系統(tǒng)投運前后部分裝置的控制效果。

 

 效益分析

 

純堿生產(chǎn)過程先進(jìn)控制項目的實施，進(jìn)一步提高了裝置的自動化水平，較大程度的降低了干擾，穩(wěn)定了裝置關(guān)鍵工藝指標(biāo)，提高了產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量，降低了消耗，統(tǒng)一了操作，降低了操作人員的勞動強(qiáng)度。碳化轉(zhuǎn)化率在原有基礎(chǔ)上提高0.5%， 110萬噸單套純堿裝置就可為企業(yè)帶來815萬元/年的直接經(jīng)濟(jì)效益。

純堿生產(chǎn)過程先進(jìn)控制的成功應(yīng)用不僅對國內(nèi)的同行業(yè)具有良好的示范作用，可以直接進(jìn)行項目成果的推廣，而且本項目所研究開發(fā)的純堿生產(chǎn)裝置先進(jìn)控制策略具有較高的應(yīng)用價值和廣闊的前景，可以為純堿生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)一步提高裝置的整體控制水平，降低成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。