粗盐用水溶解后除去其中的泥沙、钙、镁等杂质制成精盐水，精盐水在吸氨塔中吸收氨气制得一定浓度的氨盐水，氨盐水进入碳化塔与煅烧湿重碱和石灰石产生的CO₂气进行碳酸化反应，反应生成的NaHCO₃悬浮浊液经过滤、洗涤后，将固体和液体分离，然后将过滤得到的NaHCO₃结晶在煅烧炉内煅烧获得纯碱产品和高浓度的CO₂气，CO₂气经过冷却、压缩后送至碳化塔。经过滤得到的滤过母液进入母液蒸馏塔进行蒸馏，并与石灰石煅烧、化灰得到的石灰乳反应蒸出其中的氨气，氨气继续在系统中循环使用。

 

 需求分析

 

纯碱生产过程工艺流程长，连续性强，前后工序相互牵制，且有气、液、固三相物质存在，生产装置中的干扰因素多，部分装置如石灰窑、煅烧炉等存在较大的时滞，各装置关键工艺参数存在较强的相互关联和耦合特性，是典型的连续过程和间歇过程混合的复杂工业过程。常规控制不能很好地解决装置内部和装置之间各相关变量的协调控制，在很大程度上依赖于操作人员的操作水平，严重影响了装置的平稳运行，从而影响了产品质量和产量。

石灰窑作为纯碱生产的龙头，是生产二氧化碳和生石灰的重要装置，属于批量工作的间歇操作设备。其出灰、上料系统均由人工控制独立运行，送风量、配焦比调节不及时且具有较大的时滞，各石灰窑的运行工况不平衡，导致窑底、窑顶温度波动较大，经常造成石灰石的生烧或过烧，影响了石灰石的有效分解率。

氨盐水碳酸化过程是纯碱生产的核心，前后各类物料（CO₂气、精盐水、氨盐水、母液、洗水）流量及浓度等指标的波动或切塔操作等干扰事件均对碳化塔的运行产生较大影响。碳化塔具有“清洗”和“制碱”两种运行状态，在制碱过程中各碳化塔所处的制碱阶段不同，因此各碳化塔的生产能力及运行工况亦不同。各塔运行负荷及工况的调整均靠人工调节单回路控制系统的设定值或阀开度来实现，存在调节不及时或调节幅度不适当等问题，各关键工艺指标难以实现较好的约束控制，产品质量和产量得不到保证，且劳动强度大。

母液蒸馏塔蒸馏过程的传质、传热流程比较长，中部温度的控制具有较大滞后，且受到蒸汽压力、母液浓度及流量波动等干扰因素的影响，常规控制无法实现蒸馏过程关键变量的约束控制，消耗大，蒸馏效果较差。

煅烧炉位于整个生产装置的末端，主要处理固体物料，具有炉体长、大滞后、干扰因素多等特点，对控制及测量手段要求较高，其关键工艺指标的控制和各炉负荷的分配均由人工操作，劳动强度大，产品质量和产量不高，且增加了消耗。

综上，以碳化生产为中心协调控制好纯碱生产过程前后的物料平衡和能量平衡，合理分配各单元装置的运行负荷，实现产量最大化，品质最优化是纯碱生产装置操作及控制的目标。

 

 先进控制方案

 

应用多变量预测控制手段，建立碳化塔、母液蒸馏塔的动态数学模型；设计了以碳化出碱总量为优化目标的APC-Adcon控制器及母液蒸馏塔中部温度的APC-Adcon控制器；根据装置特点并总结操作经验，采用智能控制手段建立石灰窑、煅烧炉装置的自定义控制器；为各并联运行的装置设计了负荷优化分配与工况平衡的控制；针对石灰窑出灰、上料系统及煅烧炉电动刮刀等电气设备的特点和运行逻辑，研究开发了适合装置工艺特点的智能控制系统；应用专家控制、均匀控制等手段建立了以碳化生产为中心的整体物料平衡即出碱总量与母液蒸量平衡、精盐水量与氨盐水量平衡、气量平衡、洗水平衡，并实现了对相关装置关键工艺指标的约束控制；结合DCS系统的特点，设计了便捷的操作界面，编写了安全、可靠的切换逻辑。

 

 应用效果

 

APC-Adcon先进控制软件在纯碱装置上实施应用后系统运行良好，能正确执行系统功能，较大程度的提高了装置综合自动化水平，稳定生产工况，提高了主要工艺参数的平稳度，降低了消耗。系统能够根据并联生产装置的特点进行生产负荷与运行工况的优化调整，加强了前后装置的协调控制，减小了生产波动，保证了产品质量和产量，降低了操作人员的劳动强度，为企业带来显著的经济效益和社会效益。该项成果是先进控制软件在国内纯碱行业中的首次成功应用，引起了行业内的广泛关注，达到了国内同行业的先进水平。

下图为纯碱生产装置先进控制系统投运前后部分装置的控制效果。

 

 效益分析

 

纯碱生产过程先进控制项目的实施，进一步提高了装置的自动化水平，较大程度的降低了干扰，稳定了装置关键工艺指标，提高了产品产量和质量，降低了消耗，统一了操作，降低了操作人员的劳动强度。碳化转化率在原有基础上提高0.5%， 110万吨单套纯碱装置就可为企业带来815万元/年的直接经济效益。

纯碱生产过程先进控制的成功应用不仅对国内的同行业具有良好的示范作用，可以直接进行项目成果的推广，而且本项目所研究开发的纯碱生产装置先进控制策略具有较高的应用价值和广阔的前景，可以为纯碱生产企业进一步提高装置的整体控制水平，降低成本，提高经济效益。