【正文】 黑液的燃燒工藝和設(shè)備也仍處在整理與完善中；其次是因?yàn)辂湶轁{黑液屬于一種劣質(zhì)燃料，由于其含灰、含硅量大，燃燒值低，粘度大，濃度低，對(duì)燃燒的許多工藝條件要求都很高，因而使黑液燃燒變得比較困難，極易造成因燃燒不穩(wěn)定而甩不掉油槍?zhuān)箟A回收成本大大增加的局面。因此，在麥草漿黑液的堿回收工程中，燃燒工段是最重要的環(huán)節(jié)之一 [2]。DCS 系統(tǒng)在造紙行業(yè)的廣泛使用，使得造紙的自動(dòng)化程度越來(lái)越高。隨著造紙工業(yè)的不斷發(fā)展，廢水污染日益加劇。因此，制漿黑液的堿回收工藝對(duì)工廠起著尤為重要的作用，它是變廢為寶、化害為利、效益顯著的綜合利用工程，是造紙廠治理水污染的首要措施。 本 論 文 的 工 作本論文重點(diǎn)在對(duì)當(dāng)前堿回收燃燒工段系統(tǒng)分析研究后提出了一種安全可靠的控制方案。堿回收燃燒工段的過(guò)程控制系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜控制系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)對(duì)這方面的系統(tǒng)研究較少，本論文對(duì)堿回收燃燒工段的工藝流程和當(dāng)前的繼電器控制系統(tǒng)、集散控制系統(tǒng)、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)及可編程邏輯控制系統(tǒng)(PLC)的特點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)分析后，結(jié)合具體堿回收燃燒工段項(xiàng)目，采用西門(mén)子 S7300 PLC 設(shè)計(jì)了堿回收燃燒工段的過(guò)程控制系統(tǒng)。本論文要作以下工作：（a）熟練掌握造紙堿回收中燃燒工段的工藝流程。（b）完成燃燒工段控制系統(tǒng)硬件部分的設(shè)計(jì)。（c）了解 STEP7 與 WINCC 之間的通信知識(shí)。2 堿回收簡(jiǎn)介 堿 回 收 的 生 產(chǎn) 過(guò) 程堿回收工程包括四個(gè)生產(chǎn)過(guò)程：提取、蒸發(fā)、燃燒、苛化。（a）提?。罕M量使黑液與漿料分離，把黑液提取出來(lái)。（b）蒸發(fā)：使黑液濃縮到 50%以上的濃度。（c）燃燒：黑液送入燃燒爐，將有機(jī)物燒去，剩下無(wú)機(jī)物碳酸鈉和硫化鈉(草漿情況下還有硅酸鈉) 。燃燒后的無(wú)機(jī)物呈熔融狀態(tài)，經(jīng)溶解澄清后成為綠液。（d）苛化:把石灰加入綠液中，使碳酸鈉(草漿情況下包括硅酸鈉 )苛化成為氫氧化鈉，并將苛化所產(chǎn)生的碳酸鈣和硅酸鈣(即白泥)沉淀分離，最后得到氫氧化鈉和硫化鈉的混合溶液，通稱白液，可供制漿使用 [3]。 實(shí) 施 堿 回 收 的 意 義堿回收系統(tǒng)從堿法制漿黑液中回收了堿和熱能，并實(shí)現(xiàn)了工廠企業(yè)自身封閉循環(huán)使用，對(duì)于堿法制漿黑液還有其它的治理措施，但會(huì)有相應(yīng)的副產(chǎn)品產(chǎn)生，存在運(yùn)行成本和市場(chǎng)對(duì)其副產(chǎn)品需求變化的問(wèn)題，因此堿回收對(duì)堿法制漿造紙企業(yè)而言是實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)、保護(hù)環(huán)境、廢液進(jìn)行廠內(nèi)治理的重要組成部分。堿回收能最經(jīng)濟(jì)有效地削減廢液的污染負(fù)荷，大幅度提高資源回收利用率，再經(jīng)過(guò)物化生化法的綜合處理就可使企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的中段廢水達(dá)標(biāo)排放。對(duì)造紙廠的黑液進(jìn)行堿回收有以下好處 [2]:(a）環(huán)境效益:黑液是紙廠主要污染源。其中的固形物約有 2/3 是有機(jī)物，1/3 是無(wú)機(jī)物。有機(jī)物是紙漿廠污水中的 BOD, COD, SS 和色度的主要來(lái)源。無(wú)機(jī)物中主要是堿。因此每回收一噸堿大約要燒去兩噸以上的污染物，可以大大減輕紙漿廠對(duì)江河水質(zhì)的污染。(b）社會(huì)效益:電解法制堿，每噸堿要耗電 2700 度，食鹽 ～ 噸。每回收一噸堿，大廠耗電 400～600 度，小廠 1000 噸左右，不用鹽只用石灰。因此每回收一噸堿比電解法節(jié)電 1700～2300 度，且不必由外廠運(yùn)來(lái) 30～40%的堿液，每噸固堿可節(jié)約運(yùn)力 255 噸以上。(c）經(jīng)濟(jì)效益:外購(gòu)堿到廠價(jià)在 2022 元/噸左右?；厥諌A成本小廠約 1000 元/噸，大廠只要 400—600 元/噸，經(jīng)濟(jì)效益非常顯著。3 燃燒工段的工藝流程我國(guó)堿法化學(xué)漿產(chǎn)量約占全國(guó)化學(xué)漿總產(chǎn)量的 90%，而堿法制漿產(chǎn)生黑液的污染負(fù)荷大，約占制漿造紙生產(chǎn)產(chǎn)生廢水總污染負(fù)荷的 90% 左右。由此可見(jiàn)，制漿造紙工業(yè)水污染的防治，首先必須解決對(duì)制漿黑液的源頭治理。國(guó)內(nèi)外實(shí)踐證明，黑液治理最佳技術(shù)是堿回收，它是削減堿法蒸煮黑液最經(jīng)濟(jì)、最有效的途徑 [2]。造紙企業(yè)通常采用分布式控制系統(tǒng)即采用西門(mén)子 CPU4142DP 為核心的 DCS 控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信息的采集和控制。同時(shí)，采用基于 WinCC 的上位機(jī)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和即時(shí)控制。但有時(shí)各工段間需要相互調(diào)用數(shù)據(jù)，這就牽涉到網(wǎng)絡(luò)通訊問(wèn)題。例如在造紙堿回收蒸發(fā)和燃燒工段中，負(fù)責(zé)監(jiān)控蒸發(fā)工段的主機(jī)需要調(diào)用燃燒工段的數(shù)據(jù)，這時(shí)如果采用在燃燒工段增加一個(gè)變送器的方法，那么相應(yīng)地就必須在蒸發(fā)工段的控制站中增加 AI 模塊，這樣大大增加了成本。如果利用西門(mén)子 S7300 系列的CPU 模塊內(nèi)置的 MPI 接口，把多個(gè)工段的控制站組成一個(gè) MPI 網(wǎng)絡(luò)，那么就可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)工段之間數(shù)的傳送。 黑 液 的 燃 燒 過(guò) 程黑液的燃燒過(guò)程基本上可分三個(gè)彼此相關(guān)的階段 [5]：第一階段：黑液的蒸發(fā)干燥階段。經(jīng)過(guò)多效蒸發(fā)和直接蒸發(fā)后，送入堿回收爐的黑液濃度，草漿約 50%，木漿約 60%~65%，這樣的濃度的黑液還不能直接燃燒。因此，黑液送入爐內(nèi)之后，要利用燃燒產(chǎn)生的熱量增大濃黑液，使其干燥成含水 10%~15%的黑灰，才能燃燒，并發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng)，使全部游離的氫氧化鈉和大部分硫化鈉轉(zhuǎn)化為碳酸鈉、硫酸鈉和硫化鈉等，黑液中有機(jī)化合的堿也生成亞硫酸鈉和硫酸鈉。第二階段：黑液的熱裂解及燃燒階段。經(jīng)過(guò)干燥的黑灰落在墊層上，有機(jī)物快速分解，同時(shí)放出大量的熱。第三階段：無(wú)機(jī)物的熔融及芒硝還原階段。此階段除有機(jī)物繼續(xù)燃燒外，主要是無(wú)機(jī)物熔融及芒硝還原。此階段溫度高達(dá) 1000℃以上。黑液燃燒系統(tǒng)是制漿廠整個(gè)堿回收過(guò)程中最復(fù)雜也是最關(guān)鍵的工段。燃燒工沒(méi)的最主要設(shè)備為堿回收鍋爐，目前國(guó)內(nèi)外普通使用的堿回收鍋爐類(lèi)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)也最高的設(shè)備，其作用一方面是回收黑液中大量有機(jī)質(zhì)（脫木素）中的有效熱值，以產(chǎn)生蒸汽供全廠發(fā)電或造紙干燥之用；另一方面使黑液中的無(wú)機(jī)堿鹽（ ，24NaSO） 經(jīng)還原反應(yīng)后回收供制漿蒸煮重復(fù)使用 。23NaCO 影 響 黑 液 燃 燒 的 因 素（1）影響黑液燃燒的因素很多，主要有以下幾個(gè)方面：（a）黑液的組成和性質(zhì)這是影響黑液燃燒的一個(gè)主要因素，應(yīng)根據(jù)黑液的不同組成和性質(zhì)，確定合適的工藝和燃燒條件。（b）黑液濃度黑液流量一定時(shí)，濃度低，會(huì)降低堿回收爐效率，如濃度太低，會(huì)使?fàn)t溫下降，爐襯脫落，滅火，甚至?xí)l(fā)生爆炸。黑液濃度太高時(shí)，輸送和霧化就困難，流量不穩(wěn)定，會(huì)影響正常燃燒。（c）黑液噴射量和粘度最好能保持黑液噴射量保持一定，并使黑液粘度保持在一定范圍內(nèi)。（d）燃燒所需的空氣量根據(jù)燃燒工藝的要求，燃燒所需的空氣量分二次或三次送入爐內(nèi)。其中燃燒所需要的空氣量也是黑液利用的一個(gè)參考點(diǎn)，這里先討論一下燃燒所需要的空氣量的分配問(wèn)題以及風(fēng)的作用問(wèn)題。（2）空氣分配與燃燒（a）硫的還原與燃燒溫度有關(guān)。如圖 31 所示，在爐底溫度高，還原率就高。適合的還原條件是通過(guò)調(diào)整分配一次風(fēng)和二次風(fēng)空氣流通的壓力和位置來(lái)獲得。溫度曲線1 0 0 0 1 5 0 02 0 0 06 0 08 0 01 0 0 01 2 0 0三次風(fēng)1 0 %黑液噴射器二次風(fēng)6 0 %一次風(fēng)3 0 %攝氏度華氏溫度圖 31 燃燒室的溫度立面圖（b）當(dāng)燃燒的黑液濃度為 70%～75%時(shí)，燃燒空氣的分配如圖所示：一次風(fēng)量 30%，二次風(fēng)量 60%，三次風(fēng)量 10%。在爐子底完全碳化的墊層上方，適合于二次空氣的燃燒。（c）黑液向下噴射在爐底碳化的墊層上方，但不是噴射在爐壁上。相應(yīng)高度的黑液噴嘴分布在爐壁四周，噴嘴數(shù)量與堿爐的蒸汽產(chǎn)量和規(guī)格相適應(yīng)。（3）一、二、三次風(fēng)的作用一次風(fēng)的作用：一次風(fēng)位于爐底 450～1000mm 處。主要供給墊層中游離碳燃燒所需的氧氣，使墊層中有足夠的熱量，保證無(wú)機(jī)鹽和芒硝的還原反應(yīng)。若一次風(fēng)量過(guò)大，會(huì)造成墊層燃燒過(guò)快，難以保持適當(dāng)高度的墊層，供給芒硝還原的碳量和 CO 量減少，不利于芒硝的還原，而且促使鈉鹽升華或熱分解，降低芒硝的還原率和堿回收率。但也不能過(guò)小，否則會(huì)使揮發(fā)性的硫損失加大、爐溫過(guò)低和硫化鈉還原率降低。一般將一次風(fēng)量控制在總風(fēng)量的 45％～50％之間。一次風(fēng)風(fēng)壓可低些，一般在784～1176Pa。二次風(fēng)的作用：二次風(fēng)位于黑液噴槍口上下，主要是為了加速黑液中水分汽化和固形物干燥與上升的煙氣流產(chǎn)生較強(qiáng)烈的混合作用，在爐膛內(nèi)產(chǎn)生充分的旋轉(zhuǎn)，并保持爐床墊層高度之完整形成；三次風(fēng)的作用：三次風(fēng)位于黑液噴槍以上，主要是用于可燃的揮發(fā)性氣體及少量未完全燃燒產(chǎn)物的進(jìn)一步完全燃燒，以提高煙氣熱含量，同時(shí)起到封閉爐膛出口，捕集煙氣中所帶堿塵的作用。三次風(fēng)進(jìn)爐要送到爐膛中心空間與上升的煙氣產(chǎn)生較強(qiáng)烈的混合作用，在爐膛產(chǎn)生強(qiáng)烈的旋轉(zhuǎn)，使黑液和氣體燃燒均勻一致，風(fēng)壓要高一些，一般控制在 ～ [6]。 燃 燒 工 段 的 工 藝 流 程主要工藝流程如圖 32 所示。一二次風(fēng)機(jī)將空氣鼓入，一二次風(fēng)經(jīng)空氣加熱器加熱，使風(fēng)溫提高到 150℃左右，一、二次風(fēng)再經(jīng)堿回收噴射爐的尾部的板式空氣加熱器再使進(jìn)堿回收爐的一、二次風(fēng)風(fēng)溫達(dá)到 280℃左右，以此提高了爐瞠的干燥區(qū)、燃燒區(qū)的環(huán)境溫度和熔融區(qū)溫度。經(jīng)過(guò)一二次風(fēng)風(fēng)管門(mén)調(diào)節(jié)，一二次風(fēng)的按照一定的比例分配后，分別從不同高度鼓入堿回收爐。三次風(fēng)機(jī)將三次風(fēng)送往空加器后送入堿回收爐。蒸發(fā)工段送來(lái)的濃黑液首先送往濃黑液槽，再經(jīng)黑液泵進(jìn)入圓盤(pán)蒸發(fā)器。在這里，黑液與堿回收爐出來(lái)的煙氣相接觸，使黑液再次濃縮，且可以吸收煙氣的堿灰，減少了堿飛失，提高了堿回收率。而后圓盤(pán)蒸發(fā)器中的黑液自然溢流出來(lái)，進(jìn)入入爐黑液槽，入爐黑液泵再將濃黑液泵往黑液加熱器。經(jīng)黑液加熱器的加熱后，經(jīng)黑液噴槍高壓噴入高溫狀態(tài)下的堿回收爐。在堿回收爐中，黑液經(jīng)霧化、干燥后進(jìn)行燃燒。部分燃燒后的黑液落到堿回收爐的墊層上，在墊層上，黑液中的無(wú)機(jī)物不斷熔融，部分有機(jī)物熱裂解成氣體從墊層排出，部分有機(jī)物炭化為元素碳，供燃燒和還原硫酸鈉之用，芒硝還原成硫化鈉，部分有機(jī)物熱裂解能更完全燃燒，含硅量高的熔融物能順利流出。在硫酸鹽法木漿堿回收工藝流程中，堿灰溶解槽中的堿灰液被送入芒硝黑液混合器，然后送入燃燒爐。麥草制漿則多采用燒堿法，若黑液堿回收沿用上述這樣的流程，會(huì)形成大量堿灰液在燃燒爐、堿灰溶解槽及黑液中間槽內(nèi)循環(huán)、沉淀，造成能源損耗，影響工藝流程的暢通。根據(jù)麥草漿黑液燃燒特性，讓堿回收爐燃燒產(chǎn)生的堿灰直接進(jìn)入綠液溶解槽。靜電除塵器排出的堿灰進(jìn)入堿灰溶解槽形成堿灰液，然后泵入綠液溶解槽。溶解槽中的綠液送苛化工段進(jìn)行苛化，從而回收麥草漿中的堿 [5]。圖 32 燃燒工段工藝流程 燃 燒 工 段 設(shè) 備 介 紹 [7]整個(gè)堿回收燃燒工段涉及的設(shè)備較多，且有一些諸如堿回收噴射爐，圓盤(pán)蒸發(fā)器等大型設(shè)備，有必要對(duì)此作以介紹。 堿 回 收 爐堿回收爐與一般工業(yè)蒸汽鍋爐有所不同。工業(yè)蒸汽鍋爐是以煤為燃料進(jìn)行燃燒的壓力容器，它的成品是蒸氣，而堿爐是以黑液形物為燃料進(jìn)行燃燒的壓力容器，它不但具備了工業(yè)鍋爐的危險(xiǎn)性條件，還具備了工業(yè)鍋爐所沒(méi)有的更強(qiáng)烈的危險(xiǎn)性（如水與融物接觸發(fā)生爆炸、未燃?xì)怏w爆炸） 。堿爐不僅處在高溫、高壓的條件下，而且還處于強(qiáng)堿及高灰塵的堿性介質(zhì)中，堿性黑液及高溫熔融物對(duì)鍋爐有強(qiáng)烈的腐蝕作用。因此，堿回收噴射爐無(wú)論設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)上，還是材料選取上及制造要求上都比普通蒸汽鍋爐復(fù)雜得多。本設(shè)計(jì)采用全水冷壁噴射爐（也稱作方形噴射爐） ，它是漿廠黑液堿回收的重要設(shè)備。它由爐膛燃燒室和鍋爐兩大部分組成燃燒室的爐壁、爐頂和爐底都由水冷壁管組成，故由此而得名。其燃燒室為黑液固形物燃燒和進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的場(chǎng)所，作用是干燥、燃燒、還原和熔融，由爐底及四面水冷壁組成的密封方形空室。燃燒室根據(jù)工藝的不同，大致可分為三次風(fēng)口處的煙氣完全燃燒區(qū)、黑液噴口附近的黑液干燥區(qū)，二次風(fēng)口以下至一次風(fēng)口的黑液燃燒區(qū)、一次風(fēng)口以下的熔融區(qū)，其鍋爐是吸收燃燒過(guò)程中釋放的熱量而產(chǎn)生蒸汽的設(shè)備，與燃燒室連成一體。由上下汽包、水冷屏管束、省煤器、以及爐墻、構(gòu)架、管件等組成。這種噴射爐的主要特點(diǎn)是生產(chǎn)能力大，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，操作簡(jiǎn)便，廢熱利用率可達(dá) 60％，芒硝還原率可達(dá) 90％以上。缺點(diǎn)是構(gòu)造復(fù)雜，造價(jià)高，投資大，修理更換爐管不方便，適用于大型紙廠的堿回收使用。 靜 電 除 塵 器靜電除塵的原理是在電場(chǎng)的負(fù)極加上負(fù)直流高壓電源，并將正極接地。在負(fù)極周?chē)纬伞半姇灐碑a(chǎn)生帶電離子，灰塵顆粒被帶電離子充電后，向正極運(yùn)行而吸附在接地的正極板上，再通過(guò)震打、落下而收集起來(lái)。電暈電流的大小是決定除塵率的主要因素，因而靜電除塵也可稱為電暈除塵。 圓 盤(pán) 蒸 發(fā) 器從堿爐尾部出來(lái)的煙氣進(jìn)人圓盤(pán)蒸發(fā)器，黑液與煙氣直接接觸蒸發(fā)，濃度由 43％濃縮至 45％～48％。同時(shí)降低了煙氣溫度，除掉了煙氣中較大顆粒的灰塵。由于麥草漿黑液具有較高的粘度，圓盤(pán)蒸發(fā)器的優(yōu)點(diǎn)：操作簡(jiǎn)單，動(dòng)力消耗低，可以單獨(dú)使用，也可以與靜電除塵器串聯(lián)使用，特別是對(duì)最初含塵量高的煙氣，與靜電除塵器串聯(lián)使用時(shí)，可以提高靜電除塵效果。圓盤(pán)蒸發(fā)器的缺點(diǎn)是因圓盤(pán)蒸發(fā)器中黑液沒(méi)有霧化，接觸表而積小，因此無(wú)論除塵、降溫及黑液增濃的效果并不理想。 引 風(fēng) 機(jī)引風(fēng)機(jī)能有效控制堿爐的爐膛負(fù)壓，是燃燒工段的主要輔機(jī)。 燃 燒 工 段 的 控 制 方 法配合流程圖和測(cè)控點(diǎn)表，下面分為幾個(gè)子系統(tǒng)對(duì)控制方案加以敘述。 黑 液 子 系 統(tǒng)由蒸發(fā)工段來(lái)的濃度約 50%的濃黑液被直接送往“圓盤(pán)蒸發(fā)器” ，進(jìn)行下一步濃縮?！皥A盤(pán)蒸發(fā)器”設(shè)有溫度指示 TI8011 及液位指示 LIA810。然后進(jìn)入“入爐黑液槽” ，該槽的液位由 LI801 控制黑液流量來(lái)實(shí)現(xiàn)。在該處還設(shè)有溫度指示 TI8012。接著由黑液泵泵至“濃黑液加熱器”后入爐燃燒。為了穩(wěn)定入爐燃料量，設(shè)置了流量控制回