干燥機出口炭黑溫度的控制

王偉興

(蘇州寶化炭黑有限公司， 江蘇 蘇州 215151)

某炭黑公司造粒工段將造粒水和粉狀炭黑等按約1∶1比例混合攪拌成潮濕粒狀炭黑下料至滾筒干燥機烘干，再脫水成粒狀炭黑。烘干工藝： 操作工按比例調節空氣和尾氣的流量，使其在尾氣燃燒爐內燃燒至1 100～1 200 ℃，高溫煙氣經過火箱在滾筒干燥機內經過40 min將含水炭黑換熱變成180～250 ℃的炭黑，再經過一級提升機至二級提升機后使出口炭黑溫度控制在80～160 ℃并輸送至成品罐存儲。以往根據炭黑溫度和燃燒熱量調節尾氣流量的過程多是憑借經驗，因而二級提升機出口炭黑溫度允許在80～160 ℃內波動。從節能的角度出發，該點溫度最佳控制區間是110～123 ℃，但時有超溫。高溫超上限時，易造成包裝、物流運輸中炭黑溫度過高自燃，粒子破碎、細粉增大、回流炭黑增加、生產成本上升，尾氣浪費，易引發超溫燃燒濾袋等生產事故；溫度低于下限時，則導致產品加熱減量指標不合格，出現回流，使生產成本上升。炭黑造粒后工藝流程如圖1所示。

圖1 炭黑造粒工藝流程示意

未實施改造前，尾氣流量依據經驗操作模式采用人工調節加熱，平均0.8 h改變一次尾氣流量設定值，勞動強度大，儀表自動化程度低。為提高生產效率，實現節能降耗，該公司采取技術改造措施，目前炭黑溫度的控制方案： 尾氣流量和炭黑溫度串級控制，加造粒水流量前饋控制，但該方案仍存在一些不足。由于造粒不穩定，造粒水量作為前饋參數波動很大，易引起尾氣調節過程中蝶閥的快速關閉而使前工段主袋收集袋濾器箱體壓力控制不及時而超壓，存在安全隱患。因此，該控制方案需要增加1套安全聯鎖控制方案。

1 干燥機出口炭黑溫度控制方案

1.1 前饋串級控制方案

前饋串級溫度控制系統如圖2所示，該方案中主回路由一級提升機炭黑溫度調節回路TIC-5212組成，造粒水流量作為前饋變量。由于造粒水流量波動大，采樣平均時間為60 s，采樣后的平均流量參與調節，避免了尾氣流量調節的波動。將前饋變量乘以尾氣流量/造粒水流量的比值(FC)對應的尾氣流量值與TIC-5212調節器輸出值疊加，作為副回路的給定值。副回路由尾氣流量調節回路FIC-5201組成，副回路輸出直接通過尾氣蝶閥控制尾氣流量。

圖2 前饋串級溫度控制系統示意

主調節回路TIC-5212的輸出變量與尾氣熱量成對應關系，起到微調炭黑溫度的作用。以造粒水流量作為前饋變量，較快反映了炭黑中含水量的變化，含水量與需要烘干的熱量成一定的正比例，尾氣流量與加熱熱量成正比例關系，因而尾氣流量根據造粒水流量調節燃燒溫度，即完成了炭黑溫度的快速粗調。

1.2 二級提升機出口炭黑溫度控制

由于炭黑溫度最終控制是以二級提升機出口炭黑溫度TE-5213為主要技術指標，但溫度的變化從造粒水流量調節開始到尾氣流量調節結束后才能反映出來，存在40 min的滯后，炭黑溫度需要及時參與到前饋串級控制中去，一級提升機出口炭黑溫度TE-5212與TE-5213之間有差值。為控制最終溫度TE-5213，增設二級提升機出口溫度TIC-5213調節回路，開環比例CP輸出。

TIC-5213的SP值為115～120 ℃，TE-5213作為溫度調節單元的PV值，CP=0.45×PID模塊輸出值，該CP值作為TIC-5212控制調節單元的SP，該比例系數是1個經驗估算值。

1.3 前饋補償選擇計算單元裝置

FC的設定，決定了炭黑溫度的快速恒定，但由于炭黑溫度的滯后性，當前的炭黑溫度反應的是40 min之前的FC值。而且生產炭黑品種的改變，原料油等工藝控制參數變化，也將引起尾氣熱值改變，造成尾氣燃燒后燃燒溫度值的改變，尾氣流量也將隨著燃燒溫度和炭黑溫度調節改變，進而FC也隨之改變。因此，FC的取值需要一定控制調節經驗，且有必要采取DCS自動計算該系數，計算公式如下：

FC=[尾氣流量+20 m3/(h·℃)×(二級提升機出口炭黑溫度給定值-二級提升機出口炭黑溫度)]/造粒水流量。

由于流量等參數的采樣平均時間設定較長，加大了數據在平均時間內的真實性和可靠性、穩定性，但該系數的生成條件是必須在生產運行1.5 h后自動計算。

2 前饋串級投運安全聯鎖控制邏輯方案

尾氣流量在前饋串級模式下受到炭黑生產工藝其他因素影響，有時尾氣流量調節閥會出現快速關閉，造成尾氣加壓風機出口系統壓力急劇上升，主袋收集袋濾器儀表安全聯鎖保護啟動不及時，主袋箱體壓力超壓，造成安全危害。因此，增加邏輯聯鎖控制條件，前饋串級投切安全聯鎖邏輯如圖3所示，通過DCS組態實現。

3 前饋串級炭黑溫度控制調節精度分析

該公司炭黑5號生產線尾氣前饋串級控制方案投運前，自2018年8月27日0時開始，12 h內的炭黑溫度數據記錄見表1所例。

圖3 前饋串級投切安全聯鎖邏輯示意

測量參數00 0000 3001 0001 3002 0002 3003 0003 3004 0004 3005 0005 3006 00最大偏差造粒水流量/(kg·h-1)3722377237403734373236043623351735203542353637343736尾氣流量/(m3·h-1)6103685068506850650065006502562456005600560056006263二級提升機出口炭黑溫度/℃127.3119.3127.7136.7138.4137.9145.4135.0123.3123.0115.090.0106.3偏差1)/℃9.31.39.718.720.419.927.417.05.35.0-3.0-28.0-11.7-28.0測量參數06 3007 0007 3008 0008 3009 0009 3010 0010 3011 0011 3012 0012 30最大偏差造粒水流量/(kg·h-1)3725371036833517352035423536373437363725371036833740尾氣流量/(m3·h-1)7276631763175624560056005600560062637276631763176850二級提升機出口炭黑溫度/℃83.2121.3124.0135.0123.3123.0115.090.0106.383.2121.3124.0127.7偏差1)/℃-34.83.36.017.05.35.0-3.0-28.0-11.7-34.83.36.09.7-34.8

注： 1) 以TE-5213控制溫度118 ℃為基準統計偏差，前饋串級未投運最大偏差溫度達到-34.8 ℃，動態誤差±29%。

自2018年8月28日0時開始，前饋串級控制方案投運后12 h內炭黑溫度數據記錄見表2所列。

表2 前饋串級投運炭黑溫度數據記錄

續 表 2

注： 1) 以TE-5213控制溫度118 ℃為基準統計偏差，其中前饋串級投運后最大偏差溫度9 ℃，動態誤差±8%。

通過分析以上前饋串級投運前后的溫度控制誤差，投運后溫度誤差明顯可控制在±10%內，前饋串級炭黑溫度控制調節精度相當好。投運前后炭黑溫度的疊加趨勢比較分別如圖4、圖5所示，投運后溫度波動幅度收斂明顯。

圖4 前饋串級投運前炭黑溫度TE-5213趨勢

圖5 前饋串級投運后炭黑溫度TE-5213趨勢

通過圖4和圖5基本上能夠明確，滾筒干燥機出口炭黑溫度在前饋串級控制下，溫度控制精度得到了大幅度的提升，且在聯鎖控制方案上也實現安全生產。

4 結束語

滾筒干燥機出口炭黑溫度的有效控制是炭黑行業自動化程度提高的必要進程，前饋串級溫度控制投運的作用巨大： 減少了操作人員勞動強度、實現了尾氣流量節能降耗、減少了炭黑粒子溫度的超調、降低了細粉含量、延長了設備的使用壽命、降低了回流炭黑的量，起到降本增效的作用。