1.6.1.7. Стратегия управления процессами периодической варки целлюлозы

Основным инструментом управления процессом варки являются технологическая клавиатура и эк­ран дисплея. Оператор должен осуществлять сле­дующие действия: •

• вызвать на экран мнемосхему котла с теку­щей информацией о состоянии процесса;

• контролировать технологические задания, ввести необходимую информацию (например, ла­бораторные анализы) или изменить задания;

• проверить возможность перехода на следую­щую стадию;

• разрешить переход и проверить правильность срабатывания арматуры;

• управлять процессом в автоматическом или дистанционном (т. е. каждым клапаном и насо­сом) режиме;

• включать или отключать системы управле­ния котлом.

Например, процесс периодической сульфатной варки состоит из шести стадий: 1) загрузка щепы и пропарка; 2)закачка щелоков;

3. подъем до конечной температуры;

4. стоянка;

5. выдувка;

6. ожидание (осмотр котла).

Загрузка щепы и пропарка — системой рассчи­тывается количество пара на уплотнение, количе­ство загруженной щепы, длительность стадии и по данным лабораторных анализов — количество химикатов, которые необходимо закачать в котел.

Закачка щелоков начинается при получении подтверждения от варщика. По этому сигналу открывается соответствующая арматура и вклю­чаются насосы. После заливки заданного количе­ства щелоков система прекращает закачку и выда­ет сообщение о возможности перехода на следую­щую стадию. На стадии рассчитывается реаль­ное количество залитых щелоков и длительность стадии.

Подъем до конечной температуры — по разре­шающему сигналу варщика включается соответ­ствующая арматура, после поступления сигнала от­работки включаются системы управления темпе­ратурой. Задание системе управления определяет­ся задачей «Расчет температурно-временного графика». На стадии начинается расчет интеграль­ных критериев.

Стоянка — продолжается расчет интегральных критериев, рассчитываются длительность, средняя температура и среднее давление. Выдается прогноз на окончание стадии с использованием адаптивной математической модели. При выполнении условий прогноза выдается сигнал на окончание стадии.

Выдувка — система представляет всю необхо­димую информацию для управления выдувкой в дистанционном режиме.

Ожидание — система контролирует состояние арматуры и при поступлении сигнала «загрузка щепы» переводит котел на стадию загрузки.

1.6.1.8. Периодическая сульфатная варка с использованием тепла черного щелока

Как отмечалось выше, периодическая сульфат­ная варка по сравнению с непрерывной требует зна­чительно большего удельного расхода пара. При обычных режимах периодической варки удельный расход пара составляет 1,8...2,3 т на 1 т целлюло­зы. Из всех затрат тепла больше всего (80...85 %) расходуется на нагрев жидкости: щелоков, влаги в щепе, конденсата от пропарки. Среди различных способов сокращения расхода пара на варку наи­больший эффект дает увеличение начальной тем­пературы заливаемых в котел щелоков с 60...80 до 140... 160 °С. В современной практике существует несколько способов нагрева белого и черного ще­локов, основанных на использовании тепла черно­го щелока, отобранного из котла после заверше­ния варочного процесса (рис. 1.80).

SuperBatch [95]. Варочный котел отличается от обычного тем, что сетка для отбора щелока рас­положена в верхней его части, а циркуляция щело­ка осуществляется путем отбора щелока из верхней части и подачи его в нижнюю часть. Установка для утилизации тепла выдувки не требуется, однако не­обходимо следующее дополнительное оборудование:

— баки-аккумуляторы горячего черного щело­ка (первичного и вторичного), работающие под дав­лением;

— емкость для вытесненного черного щелока;

• бак-аккумулятор горячего белого щелока, ра­ботающий под давлением;

• теплообменник для нагрева белого щелока горячим черным щелоком.

По окончании варки в нижнюю часть котла на­сосом высокого давления подают фильтрат из про­мывного цеха. Из верхней части котла в аккуму­лятор первичного горячего черного щелока отби­рают необходимое его количество для следующей варки. Остальную часть горячего черного щелока отбирают в бак-аккумулятор вторичного горячего черного щелока. После этого температура в котле становится ниже 100 °С и массу выкачивают из котла в опорожнительную емкость.

Вторичный горячий черный щелок пропускают через теплообменник для нагрева белого щелока.

После охлаждения черного щелока до температу­ры ниже 100 °С с него снимается мыло. Этот ще­лок может быть использован как пропиточный.

Варка начинается с заполнения котла щепой и пропарки. Воздух из котла отводится вентилято­ром. Затем в котел закачивается теплый черный щелок с температурой ниже 100 °С, который на­гревает щепу. В конце стадии в котле с помощью насоса создается давление. Теплый щелок цирку­лирует через варочный котел и емкость для тепло­го щелока. Затем в нижнюю часть котла подают горячий черный щелок и необходимое количество горячего белого щелока. Одновременно пропиточ­ный черный щелок вытесняется из верхней части котла обратно в емкость теплого черного щелока. Затем этот щелок поступает на выпарку. Во время заливки горячих щелоков давление в котле повы­шают до уровня, соответствующего температуре щелока.

Подъем температуры до конечной осуществля­ется путем циркуляции щелока и подачи пара не­посредственно в циркуляционную линию. По за­вершении стоянки переходят к операции вытесне­ния горячего черного щелока и к разгрузке котла. Если конечная температура варки составляет 170 °С, то в бак-аккумулятор горячего черного щелока от­бирают щелок при температуре около 165 °С. Бе­лый щелок возможно нагреть до температуры 140...160°С. Благодаря этому после заливки ще­локов в котле достигается высокая температура и пар необходим только для доведения температуры содержимого котла до температуры варки.

Поскольку температура в выдувном резервуаре составляет примерно 90 °С, выделение дурнопах-нущих сернистых газов при разгрузке уменьшает­ся по сравнению с обычной периодической варкой в 10...20 раз.

Преимущества процесса SuperBatch:

• снижение удельного расхода пара на варку на 50...70 %;

• увеличение прочности целлюлозы при более высоком выходе из древесины;

• возможность получения глубоко проварен­ной целлюлозы с числом Каппа 10... 15, что облег­чает отбелку без применения хлора;

• более полный отбор щелока;

• дополнительная ступень промывки целлю­лозы;

• значительное сокращение дурнопахнущих выбросов при разгрузке котла.

SuperBatch-K [96]. При дальнейшей работе в промышленных условиях методом SuperBatch воз­никли некоторые трудности при переработке дре­весины хвойных пород. На трубках выпарных ап­паратов образовывались отложения солей кальция. Оказалось, что источником кальция является хвой­ная древесина. В процессе варки в раствор перехо­дят комплексные соединения, содержащие каль­ций. При их высокой концентрации на горячих поверхностях (например, на трубках выпарных аппаратов) эти соединения разлагаются с образо­ванием осадка СаСОд. В начале варки методом SuperBatch щепа пропитывается теплым черным щелоком при температуре около 100 °С. Затем этот щелок идет на выпарку. Перед выпаркой щелок больше не подвергается тепловой обработке. По­падая в выпарные аппараты, присутствующие в щелоке комплексные соединения кальция разла­гаются в трубках выпарных аппаратов с образова­нием отложений. Новый способ SuperBatch-K ис­пользует разрушение комплексных соединений кальция непосредственно в варочном котле. Пре­дусмотрено комбинированное заполнение котла ще­пой и последующая пропитка смесью черного и бе­лого щелоков, что позволяет сократить время за­полнения котла по сравнению с процессом SuperBatch на 25 %.

После завершения пропитки из бака-аккумуля­тора в котел закачивается горячий черный щелок. Пропиточный щелок вытесняется в К-бак. Затем в котел заливают горячий белый щелок, который подают в два этапа — большую часть вместе с чер­ным щелоком, оставшуюся часть — в течение пе­риодов нагрева и варки. Затем начинается стадия вытеснения, для которой сначала используют ще­лок из К-бака. Таким образом, высокая темпера­тура в котле способствует разрушению комплекс­ных соединений кальция, находящихся в пропи­точном щелоке. Окончательное вытеснение горя­чего черного щелока производится фильтратом от промывной установки. Вытесненный горячий чер­ный щелок идет на выпарку и на следующую вар­ку. В конце вытеснения температура массы ниже 90 °С. Масса выгружается из котла насосом. При выгрузке она разбавляется в нижней части котла черным щелоком, отобранным из котла в конце вытеснения.

В состав варочной установки входят два бака-аккумулятора (для черного и белого щелоков), ус­тройства для улавливания волокна из вытеснен­ного щелока, пеносборник и К-бак.

Горячий черный щелок, не используемый для последующих варок, охлаждается в темплообмен-нике белым щелоком. Затем он идет на фильтра­цию от мелкого волокна, съем мыла и на выпарку. Бак-аккумулятор горячего черного щелока соеди­нен с системой поверхностных конденсаторов. Газы охлаждаются в две ступени, конденсат идет в де-кантатор скипидара, а скипидар далее на очистку. Загрязненные конденсаты поступают в отгонную колонну. Неконденсируемые газы высокой концен­трации сжигаются, а газы из баков, работающих

без давления, так же как и газы из варочных кот­лов, идут на дезодорацию.

Преимущества процесса SuperBatch-K перед SuperBatch состоят в следующем:

• комбинированная подача щепы и пропиточ­ного щелока сокращает загрузку и обеспечивает более равномерную варку;

• в цикле варки снижается концентрация су­хих веществ, что улучшает делигнификацию;

— более эффективно отделяется мыло;

— капитальные вложения снижаются за счет горизонтальной компоновки баков.

EnerBatch^R [97]. При варке способом EnerBatch пропитка щепы производится белым щелоком при температуре 90 °С под давлением 0,8 МПа, что спо­собствует улучшению равномерности провара цел­люлозы.

Затем последовательно выполняются операции, показанные на рис. 1.80. Белый щелок вводится в ходе варки постепенно, что улучшает условия ра­створения лигнина. Особенностью аппаратурного оформления способом EnerBatch является вытес­нение горячего черного щелока из котла фильтра­том сверху вниз, а не снизу вверх, как способом SuperBatch. Это позволяет уменьшить количество фильтрата на вытеснение. Преимущества метода EnerBatch по сравнению с обычной периодической варкой следующие:

— снижение удельного расхода пара на варку на 60...70 %;

• увеличение выхода целлюлозы, меньшее ко­личество отходов сортирования;

• снижение выбросов при разгрузке котла;

• улучшение промывки целлюлозы за счет от­бора крепкого черного щелока из котла;

• сокращение оборота котла при высоком ка­честве целлюлозы.

На рис. 1.81 приведена схема потоков щелоков для процесса EnerBatch .

В настоящее время в России нет предприятий, которые работают по полной схеме с холодной вы­грузкой массы из котла. Системы управления та­ким сложным взаимосвязанным объектом по трак­там отбора и закачки щелоков должны обеспечить решение стандартных задач управления варочным цехом, а также управление уровнями в резервуарах отдела регенерации тепла и обеспечение ритмичнос­ти процесса путем расчета графика работы котлов, который проводится исходя из следующих условий:

• задана производительность варочного цеха М*, т/мин;

• заданы допустимые длительности стадий

i min ~ i — i max'

— заданы ограничения на одноканальность ста­дий, на совпадение во времени стадий отбора горя­чего черного щелока из котла и заливки его в ко­тел из бака-аккумулятора.

Математическая постановка задачи формулиру­ется следующим образом: по числу заданных реак­торов и заданной производительности найти обо-

рот котла, длительности стадий и время дистан­ции при соблюдении ограничений, определяемых технологической схемой процесса и технологиче­ским регламентом.

Производительность варочного цеха зависит только от выхода целлюлозы из котла и времени дистанции:

M = (BV)/d, (1.193)

о

где В — выход целлюлозы с 1 м котла, т; V — объем котла, м .

Отсюда по заданной производительности рассчи­тывается время дистанции:

d = BV/M*. (1.194)

Требуемый оборот котла вычисляется по фор­муле:

Т = dN = (BVN)/M*, (1.195)

где d — время дистанции, определяется по форму­ле (1.194); N — заданное число реакторов в вароч­ном цехе.

Требование одноканальности стадий выполня­ется при соблюдении условия

8; < d, i g R_t, (1.196)

где R_L — множество одноканальных стадий (за­грузка щепы, заливка белого щелока, выгрузка мас­сы и т. д.).

Суммарное ограничение на длительность стадий составит

k

ЕМГ, (1.197)

;=1

где k — число стадий; 8^ — длительность i-й ста­дии, мин; i — номер стадии.

Ограничения на длительность каждой стадии задаются двухсторонними неравенствами или ра­венствами:

bfⁿ <8_t <5^, 5; =5*, (1.198)

где 6у — неуправляемые стадии, деятельность ко­торых задана.

К управляемым стадиям относятся осмотр котла и ожидание, ожидание заливки и заливка горячего черного щелока, экстракция и подъем температуры. К неуправляемым стадиям относятся заливка бело­го щелока и загрузка котла щепой, стоянка, отбор черного щелока и выгрузка массы. При расчете их длительность задается технологическим регламентом.

Условие совпадения стадий заливки горячего черного щелока и отбора его из котла записывает­ся в виде

8₄ + 8₅ + 8_б + 5₇ + 5₈ + 8₉ < nd <

< 8₃ +84 +8₅ +8₆ +8₇ + 8₈, (1.199) где п — число варок, через которое совпадают стадии.

Это условие обеспечивает минимизацию колеба­ний уровня в баке-аккумуляторе горячего черного щелока.

Управление цехом рекуперации тепла должно обеспечить выполнение следующих условий:

• поддержание уровня в баке-аккумуляторе го­рячего черного щелока в заданных пределах;

• поддержание уровня в баке-аккумуляторе го­рячего белого щелока в заданных пределах при условии, что его температура находится в требуе­мом диапазоне;

• поддержание уровня и температуры теплого черного щелока в заданных пределах;

• поддержание уровня и температуры горячей воды в заданных пределах.

Поддержание графика варки осуществляется традиционными системами управления.

1.6.2. АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ НЕПРЕРЫВНОЙ ВАРКИ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ