1.6.2.1. Характеристика объекта управления

В современном производстве целлюлозы все боль­шую роль играют варочные котлы непрерывного действия типа Kamur. Для варочных установок этого класса характерно неуклонное увеличение производительности, повышение качества выраба­тываемой продукции, совершенствование техноло­гии, аппаратурного оформления и систем управле­ния. Все варочные котлы типа Kamur можно раз­делить на два основных вида — котлы гидравли­ческие и котлы с парожидкостной фазой. Оба типа котлов сконструированы как в однососудном, так и двухсосудном варианте с выносной пропиточной колонной. Старейшей, но наиболее общей конст­рукцией варочных установок Kamur является гид­равлический варочный котел с прямоточным дви­жением щепы и щелока в зонах пропитки и вар­ки, с противоточной горячей диффузионной про­мывкой и холодной выдувкой массы. В этом котле древесная щепа после предварительного пропари-вания в пропарочной камере транспортируется с помощью насосов и ротационного питателя вы­сокого давления в верхнюю часть котла. Сюда же подается варочный щелок — смесь белого щелока с черным.

Варочный котел заполнен щепой и щелоком, на­ходится под гидравлическим давлением 1,1... 1,3 МПа, создаваемым специальными насосами высокого дав­ления. Щепа под действием силы тяжести вместе с варочным щелоком движется сверху вниз и по мере движения последовательно проходит зону про­питки щелочью, зоны предварительного и конеч­ного нагрева до температуры варки, зону сульфат­ной варки, зону вытеснения горячего черного ще­лока, образовавшегося в процессе варки, зону го­рячей диффузионной промывки и зону выгрузки массы из котла. Нагрев щепы осуществляется ще­локами, отбираемыми из котла через специальные сита в подогреватели и возвращаемыми обратно в котел циркуляционными насосами. Гидравлическое давление в котле на 0,3...0,4 МПа больше давле­ния, соответствующего конечной температуре вар­ки, что позволяет поддерживать различные темпе­ратуры по высоте котла и избегать вскипания ще­лока внутри котла. Промывной щелок подается в нижнюю часть котла, нагревается в подогревателе и движется навстречу опускающейся массе до зоны отбора щелока в испарительные циклоны.

Горячая диффузионная промывка весьма эффек­тивна и эквивалентна двух- четырехступенчатой промывке массы на вакуум-фильтрах, что позво­ляет сократить промывное оборудование в отделе сортирования и промывки массы. Однако наличие зоны горячей диффузионной промывки существен­но увеличивает (до 50...70 м) высоту гидравличес­кого варочного котла. Поэтому его конструкция не позволяет поднять производительность котла свыше 1000 т в. с. целлюлозы в сутки без сниже­ния качества целлюлозы и ухудшения степени про­мывки массы. В связи с этим был разработан но­вый тип котла — варочный котел с парожидкост-ной фазой. Основное отличие этого варочного кот­ла от обычного гидравлического состоит в том, что стадия пропитки щепы щелоком осуществляется в отдельной колонне под высоким гидравлическим давлением, а процесс нагрева щепы в верхней час­ти котла до конечной температуры варки произво­дится острым паром. Большая часть столба щепы погружена в щелок, и поэтому основная стадия варки ведется в жидкой фазе. Нижняя варочная зона с непрямым нагревом щепы, присущая гид­равлическому котлу, ликвидирована, а верхняя варочная зона предназначается только для допол­нительного регулирования нагрева движущегося столба щепы или выравнивания температуры по сечению котла. Такая варочная установка получи­ла название варочного котла с парожидкостной фазой с двумя сосудами. За счет более интенсивной пропитки щепы в выносной пропиточной колонне и увеличения времени варки в самом варочном котле по сравнению с обычным гидравлическим котлом, в котором и пропитка и варка осуществляются в одном сосуде, удалось решить проблему дальней­шего увеличения производительности свыше 1000 т целлюлозы в сутки без заметного увеличения вы­соты котла.

Недостатком варочной установки с парожидко­стной фазой является то, что для нагрева щепы используется острый пар. Его высокая температу­ра оказывает неблагоприятное воздействие на щепу, кроме того происходит нежелательное разбавление черного щелока и увеличение нагрузки на выпар­ную станцию. В последних конструкциях этот не­достаток частично компенсирован введением пред­варительного нагрева щелока в подогревателе, ус­тановленном в системе верхней питательной цир­куляции. За счет установки подогревателя расход пара для нагрева щепы в паровой фазе значитель­но сокращен.

На смену традиционным варочным котлам в конце 1970-х годов были разработаны усовер­шенствованные варочные установки — гидравли­ческие котлы с двумя сосудами, которые объеди­няют преимущества непрямого нагрева щепы ще­локом и увеличивают продолжительность стадий пропитки и варки в отдельных сосудах.

В последнее десятилетие появилось множество разработок по совершенствованию технологии не­прерывной варки. Наиболее интересные из них — технология непрерывной варки целлюлозы Lo-Solids корпорации «Andritz» и технология Compact Cooking корпорации «Kvaerner Pulping* [98, 99]. Главны­ми технологическими особенностями этих техно­логий являются:

• минимизация концентрации растворенных органических веществ в варочном щелоке на ста­дии основной делигнификации и в конце варки;

• поддержание как можно более равномерного профиля концентрации эффективной щелочи по высоте варочного котла;

• проведение варочного процесса при макси­мально возможном времени варки и минимально возможной температуре.

Техническая реализация принципов новых тех­нологий Lo-Solids и Compact Cooking на котлах типа Kamur осуществляется распределением пода­чи общего количества белого щелока в заданном соотношении во все нагревательные и промывные циркуляции, обеспечением противотока варочного и промывного щелока снизу вверх по котлу и уда­лением растворенного лигнина в процессе варки путем отбора отработанного черного щелока из не­скольких точек варочного котла [100].

Использование указанных технологий по срав­нению с технологией обычной прямоточной варки способствует повышению селективности варочного процесса, соответствующему снижению степени де­лигнификации целлюлозы и повышению ее выхода. В результате вырабатывается целлюлоза с большей сохранностью углеводов и лучшей способностью к отбелке кислородом, диоксидом хлора, озоном и пероксидом водорода, что позволяет исключить из схем отбелки целлюлозы молекулярный хлор, яв­ляющийся основным источником загрязнения при­роды.

Параллельно с разработкой новых технологий непрерывной варки идет и совершенствование обо­рудования варочных котлов. Особое внимание уде­ляется конструкциям бункеров и системам подачи щепы в варочные котлы. Выяснилось, что пропар­ка щепы под давлением 0,12...0,15 МПа даже в удлиненных пропарочных камерах продолжитель­ностью 5...6 мин недостаточна для полного удале­ния из нее воздуха. В результате не обеспечивает­ся глубокая и равномерная пропитка древесной щепы варочными химикатами, что не позволяет повысить стабильность движения щепы, достиг­нуть равномерной степени делигнификации целлю­лозы после варки, свести к минимуму количество непровара. Для устранения этого недостатка были разработаны специальные бункеры для предва­рительной пропарки щепы продолжительностью 2О...30 мин при температуре 80...90 °С до полного насыщения ее конденсатом пара при атмосферном давлении. При этом отпала необходимость исполь­зования питателя низкого давления (ПНД) и про­парочной камеры для пропарки щепы под давле­нием пара 0,12...0,15 МПа. Форма бункеров имеет такую конструкцию, при которой пропаренная щепа не зависает на стенках и равномерно продвигается в дозаторы щепы. Примером подобных бункеров

■■: предварительной пропарки щепы являются Зункер DiamondBack Chip Bin фирмы «Andritz» и бункер Dual Steam Bin фирмы «Kvaerner Pulping*.

Предварительная пропарка щепы в бункерах под атмосферным давлением, отказ от использования пропарочной камеры и ПНД привели к разработке новых систем подачи щепы Lo-Level фирмы «Andritz» и Compact Feed фирмы «Kvaerner». По сравнению с обычной конструкцией линии загрузки щепы, включающей ПНД и пропарочную камеру, приме­нение новых систем позволяет существенно сни­зить капитальные и эксплуатационные затраты и значительно увеличить производительность загру­зочных линий [101].

Дальнейшим совершенствованием подачи щепы стала разработка конструкции Turbo Feed фирмы *Andritz», исключающая самый дорогостоящий и :ожный компонент оборудования варочного кот­ла — питатель высокого давления (ПВД). В этой конструкции щепа после пропарки ее в бункере DiamondBack под атмосферным давлением поступа­ет через дозатор в специальную трубу и смешивает­ся с циркуляционным щелоком, возвращающимся из варочного котла. Суспензия щепы подается в варочный котел с помощью трех низкоскорост­ных насосов для щепы с регулируемой скоростью. При этом каждый насос по очереди повышает дав­ление на 0,3...0,4 МПа, обеспечивая результиру­ющий напор, который требуется для доставки сус­пензии щепы в верхнюю часть варочного котла.

Оборотный щелок из котла охлаждается ниже 100 °С с помощью охладителя загрузочной цирку­ляции и возвращается в трубу для смешивания со щепой в следующем цикле подачи. В результате исключения ПВД существенно упрощается систе­ма подачи щепы в варочный котел, сокращаются капитальные и эксплуатационные затраты, затра­ты на обслуживание загрузочных линий щепы, по­вышается надежность работы варочного котла в целом [101].

Для производства волокнистых полуфабрикатов высокого выхода используются варочные установ­ки другого типа. Аппаратурное оформление этих установок базируется на применении конструкции с механическими шнековыми конвейерами, кото­рые заставляют щепу перемещаться внутри уста­новок. В отличие от варочных котлов типа Kamur с движением щепы под действием силы тяжести и работающих по режимам, близким к режимам пе­риодической варки, в этих аппаратах осуществля­ется так называемая «быстрая» изотермическая варка. Для «быстрой» варки характерны примене­ние высоких температур и существенное снижение продолжительности термохимической обработки ма­териала. Такие аппараты используются в основном для производства полуфабрикатов высокого выхо­да, в частности, термомеханической древесной мас­сы (ТММ), термохимической древесной массы (ХТММ), химической древесной массы (ХММ), по­луцеллюлозы и целлюлозы высокого выхода нейт­рально-сульфитным, натронным и сульфатным спо­собами. Для варки полуфабрикатов в этих аппара­тах используются самые различные породы древе­сины — хвойные, лиственные, их смеси, отходы лесопиления, тростник и солома. К ним относятся горизонтальные многотрубные аппараты типа Pandia, Sprout Waldron, Sunds Defibrator, Bauer M&D, Escher-Wyss и др. В нашей стране наиболь­шее распространение получили варочные аппара­ты типа Pandia. Однако в России, как и во всем мире, основной объем технической целлюлозы про­изводится в варочных котлах типа Kamur ввиду их технических и экономических преимуществ по сравнению с котлами периодической варки целлю­лозы и другими варочными установками непрерыв­ного действия. Большинство варочных котлов Kamur было запущено в эксплуатацию в 1960-1980 гг. Это в основном гидравлические односо-судные котлы с диффузионным отбором щелока или с зоной горячей диффузионной промывки. Неболь­шое количество из них было модифицировано в двухсосудные варианты с пропиточными колонна­ми, с варкой целлюлозы в парожидкостной фазе. Что касается наиболее современных и технически совершенных двухсосудных гидравлических котлов, то они в нашей стране отсутствуют. В 2004-2006 гг.

корпорацией «Andritz» на ОАО «Сегежский ЦБК» и ОАО «Усть-Илимский ЛПК» проведена модерни­зация гидравлических котлов Kamur с установкой современных бункеров для пропарки щепы под ат­мосферным давлением DiamondBack, с новой сис­темой подачи щепы Lo-Level. На этих предприяти­ях в процессе модернизации была внедрена одна из модификаций прогрессивной технологии Lo-Solids — Downflow Lo-Solids [102, 103]. На ос­тальных варочных котлах Kamur в России исполь­зуется традиционная технология с прямоточным движением щепы и щелока в зонах пропитки и варки и с противоточной диффузионной промыв­кой. Поэтому в дальнейшем рассматриваются сис­темы автоматизации только для этих типов котлов.

Варочные котлы Kamur — это сложнейшие мно­госвязные объекты управления, нормальное функ­ционирование которых возможно лишь при под­держании основных параметров процесса варки целлюлозы в достаточно узких пределах. При экс­плуатации и в процессе управления возникает мно­жество различных проблем, обусловленных особен­ностями технологии и аппаратурного оформления. Процесс непрерывной сульфатной варки целлюло­зы протекает в движущейся среде щепы и варочно­го щелока. Поступающая в котел щепа насыщает­ся щелоком, и ее плотность становится выше плот­ности окружающего щелока. Поэтому щепа начи­нает тонуть и равномерно укладывается по сечению котла, образуя в соответствии с формой котла вер­тикальный столб пористой структуры с определен­ными физическими свойствами. Этот столб древес­ного материала движется сверху вниз по котлу подобно поршню в потоке жидкости. Часть щело­ка внутри пор древесины движется вместе со ще­пой, а другая часть образует свободный поток жид­кости. Столб щепы (твердая фаза) движется со скоростью, отличной от скорости свободного потока жидкости, быстрее его в верхней части котла. В ниж­ней части котла в зоне диффузионной промывки направление потока промывного щелока противо­положно движению щепы, так что возникающие внутри столба силы вязкого трения за счет фильт­рации жидкости через пористую структуру создают значительное сопротивление его движению.

В процессе варки в ходе химических реакций де-лигнификации происходит растворение компонентов древесины. Вследствие этого под действием силы тя­жести и увеличения давления выше расположенных слоев щепы происходят сжатие и уплотнение столба щепы в нижней его части. В результате уплотнения древесного материала изменяется и скорость его дви­жения по высоте котла. Скорость верхней части стол­ба щепы существенно отличается от его нижней час­ти и примерно в два раза больше ее.

На ситах нагревательных циркуляции и отбора щелока в испарительные циклоны, где основная масса жидкой фазы движется в радиальном на­правлении — от центра котла к периферии, столб щепы испытывает значительную силу трения, ко­торая зависит от состояния поверхности сит, плот­ности слоев щепы в этих участках котла, расхода щелока в циркуляциях. При забивании сит дре­весной мелочью возрастает сопротивление движе­нию столба щепы. При этом скорость его движе­ния может снизиться до нуля («зависание» столба щепы).

Ввиду возникновения сопротивлений движению столба щепы на ситах отбора щелока, упругих де­формаций и сжатия массы в нижней части котла изменение скорости нижней части столба массы сказывается на скорости верхней части с запазды­ванием, что создает большие трудности для под­держания устойчивой гидродинамики котла при нарушениях материального баланса между поступ­лением щепы в котел и выдувкой массы. К процес­су движения щепы предъявляются следующие ос­новные требования:

• движение должно быть устойчивым во всех точках котла и максимально стационарным;

• уровень щепы в котле должен находиться в нормальных пределах показаний датчиков уровня щепы, так как чрезмерное повышение уровня пере­гружает загрузочные устройства котла, а пониже­ние может привести к нарушению движения щепы;

• не допускается большая плотность массы вни­зу котла, так как при этом перегружается разгру­зочное устройство.

Обеспечить выполнение этих требований в про­цессе управления работой котла не всегда удается даже высококвалифицированному персоналу.

На устойчивость движения оказывает влияние величина потоков жидкости сверху и снизу котла. Увеличение потока жидкости сверху котла (гидро­модуль при загрузке щепы), имеющего одинаковое направление движения с твердой фазой, уменьша­ет разность скоростей фаз и способствует ускоре­нию движения верхней части. Увеличение потока промывного щелока снизу котла в зоне диффузи­онной промывки (фактор разбавления), направле­ние которого противоположно движению щепы, приводит к увеличению перепада скоростей фаз, а следовательно, к увеличению сопротивления дви­жению твердой фазы.

Для эффективного управления работой вароч­ного котла, обеспечивающего оптимальное распре­деление плотности столба щепы в различных его участках, при котором достигаются устойчивость и стационарность движения древесного материала, нормальная промывка массы и ее выгрузка из кот­ла, необходима строгая стабилизация соотноше­ния неизмеряемых потоков жидкости внутри кот­ла. Эти потоки часто изменяются случайным обра­зом, что вызывает неустойчивость движения щепы и потерю стабильности работы котла в целом.

Сложный многоступенчатый процесс непрерыв­ной варки целлюлозы подвержен действию некон­тролируемых возмущений со стороны изменений показателей качества используемой щепы и соста­ва варочного щелока, стабильное состояние кото­рых на производстве бывает крайне редко. В ре­зультате нарушаются начальные условия термо­химической обработки щепы, которые приводят к изменению качества вырабатываемой целлюлозы.

В варочных котлах Kamur имеют место значи­тельные запаздывания между моментами изменений параметров и результатами их изменений, что мо­жет быть причиной создания неясных ситуаций при оперативном управлении технологией варки, так как к моменту изменения качества целлюлозы на выхо­де из котла причина, вызвавшая его, может исчез­нуть. В итоге затрудняется накопление практиче­ского опыта из-за невозможности установить одно­значное соответствие между причиной и следствием. Отсутствие точных сведений о причинах изменения качества целлюлозы, большое динамическое запаз­дывание, обусловленное временем прохождения щепы и щелока по различным зонам варочного котла и задержкой в определении качества целлюлозы в ла­боратории, приводят к тому, что решения при уп­равлении технологическим режимом варки прини­маются несвоевременно и бывают ошибочными.

На практике по разным причинам часто прихо­дится изменять производительность варочного кот­ла в достаточно широких пределах. Перевод котла на новую производительность ввиду его конструк­тивных особенностей сопровождается выработкой некондиционной целлюлозы в переходном режиме. Чтобы предотвратить изменение степени делигни-фикации целлюлозы при смене производительнос­ти, необходимо упреждающее и скоординирован­ное во времени управление всеми основными пара­метрами технологического режима. Реализация та­кого управления — далеко не простая задача.

Существенную помощь обслуживающему персо­налу в преодолении перечисленных проблем управ­ления варочными котлами Kamur оказывают АСУ, создаваемые на базе современных технологий ав­томатизации.