纯碱碳化过程的DCS控制方案

纯碱生产的方法主要有三种：天然碱加工、氨碱法、联合制碱法（侯氏制碱法）。而氨碱法（即索尔维制碱）是当今世界大规模制造纯碱的通用工业方法之一

其生产工艺经过百多年的生产实践考验，工艺包的技术成熟，稳定可靠。

一.氨碱法纯碱生产流程概述 ：

氨碱法是一种复杂的化学制造工艺，它主要包括一系列的化工单元操作，共分九个工序：盐水精制工序、盐水吸氨工序、碳化工序、过滤工序、蒸馏工序、压缩工序、石灰工序、煅烧工序、包装工序。

氨碱法生产纯碱的主要原料：石灰石、食盐、焦碳、氨等。

氨碱法生产工艺流程：

首先用水将原盐溶解制成饱和粗盐水，再用石灰—纯碱法除去杂质得精盐水。

精盐水吸氨得氨盐水，冷却在吸收塔内与由蒸馏塔蒸出的氨逆流吸收制成氨盐水，冷却后氨盐水在碳化塔内与二氧化碳作用生成碳酸氢钠，带有结晶的悬浮液由塔低压出，经出碱液槽送往真空过滤机分离出重碱。

过滤得到的NaHCO3滤饼在煅烧工序经加热分解，制得轻质纯碱和炉气，轻质纯碱通过运输设备送往水合机，采用固相水合法或液相水合法制得重质纯碱，经干燥、包装得商品重质纯碱（重灰）；轻质纯碱经凉碱塔冷却，包装即为商品轻质纯碱（轻灰）。

分解过程逸出的二氧化碳经分离、冷却、净化后，由压缩机抽吸和压缩返回碳化过程。

由真空过滤机抽出的过滤母液，被送往蒸馏塔与由石灰石煅烧分解和消化所得的石灰乳兑和反应蒸出氨，返回吸收塔循环使用。

蒸馏废液则排入渣场。

石灰石用焦炭在石灰窑内煅烧制得生石灰，再通过化灰机与水反应制成石灰乳，分别送至蒸馏工序和盐水工序使用。

石灰窑产生含40%CO2的窑气与煅烧炉产生的含80%以上CO2的炉气通过压缩机送碳化工序使用。

二 系统配制

1系统配制图

2.系统配置说明

整套装置DCS系统通常配置11个操作员站、其中1个兼工程师站、3台冗余现场控制站及I/O 模块。 其中操作员站，服务器，网络，电源和重要I/O模块冗余配置。

● 服务站主要负责对域内系统数据的集中管理和监视，包括：报警、日志、等事件的捕捉和记录管理，并为域内其他各站的数据请求（包括实时数据、时件信息和历史记录）提供服务和为其他域的数据请求提供服务。

● 工程师站（由操作员站兼任）完成组态修改及下装，包括：数据库、图形、控制算法、报表的组态，参数配置，操作员站、服务站、现场控制站及过程I/O模块的配置组态，数据下装和增量下装等。

● 操作员站进行生产现场的监视和管理，包括：工艺流程图显示，报表打印，控制操作，历史趋势显示，报警管理等。

● 现场控制站又称I/O站，是系统实现数据采集和过程控制的重要站点，主要完成数据采集、工程单位变换、控制和联锁算法、控制输出、通过系统网络将数据和诊断结果传送到系统服务器等功能。

● 现场控制站由主控单元、智能I/O单元、电源单元和专用机柜四部分组成，在主控单元和智能I/O单元上，分别固化了实时控制软件和I/O单元运行软件。

● 现场控制站内部采用了分布式的结构，与系统网络相连接的是现场控制站的主控单元，冗余配置。主控单元通过控制网络（CNET）与各个智能IO单元实现连接。

● 系统采用FM1系列I/O模块及DP主站组成现成控制站，采用ProfibusDP现场总线技术，构成先进的、可靠的DCS分布式控制系统。I/O模块和底座组成现场模块单元（FMU），在现场总线控制系统中成为DP从站。现场控制站主要由I/O模块、底座、电源模块、终端匹配器、DP主站接口卡组成。

系统网络构架:

系统的网络由上到下分为、系统网络和控制网络二个层次，系统网络实现工程师站、操作员站、打印服务站，现场控制站与系统服务器的互连，控制网络实现现场控制站与过程I/O模块的通讯。

系统网络采用可靠性高的双冗余结构，应用时可以保证在任何一条网络失效的情况下都不影响系统通信。系统的网络的拓扑结构为星型，中央节点为服务器。

系统网络(SNET)由100M工业以太网构成，用于工程师站、操作站、系统服务器与现场控制站、通信控制站的连接，完成现场控制站、通讯控制站的数据下装，服务器与现场控制站、通讯控制站之间的实时数据通讯。

控制网络(CNET)由PROFIBUS-DP总线构成，用来实现过程I/O模块与现场控制站主控单元的通信，完成实时输入、输出数据的传送。PROFIBUS-DP是专门为自动控制系统与在设备级分散I/O之间进行通讯而设计的。既可满足高速传输，又有简单实用、经济性强等特点。

三.主要控制回路

纯碱装置典型控制回路及方案：

1. 盐水精制工序：

除钙塔出卤温度的控制：

除钙塔底圈温度高，则有利于除钙反应的进行和碳酸钙结晶的生成和长大以加速碳酸钙的沉降；底圈温度较底则反之。但过高的温度必然带来能源的消耗，这往往不经济又增加吸氨的冷却负荷。所以为达到经济合理、技术先进的要求，兼顾除镁、除钙对温度的需要，除钙塔底圈的适宜温度应维持在50℃左右，以保证二次盐水的除钙效率和浊度指标。

灰乳流量的控制：

加灰除镁后的一次盐水，在质量上应符合以下要求：

（1）必须将镁离子完全清除；

（2）一次盐水的浊度必须维持在100PPM以下。

为达到要求，必须使粗盐水和石灰乳充分混合，并且石灰乳的加入量必须过剩，其大小应以一次盐水过剩灰的大小作为调节依据。

杂水温度的控制：

为了加快氢氧化镁沉淀的沉降速度，调和液必须维持适宜的温度。而这通过调节化盐用的杂水温度在42~50℃来实现。为了防止盐水在一次澄清桶内发生对流影响澄清，杂水温度要维持衡稳，切忌波动幅度太大。

化盐桶料位的控制：

维持化盐桶的盐层料位在杂水液面以下1M以内，使粗盐水浓度达到规定要求。

化灰池酸度的控制：

用PH酸度计测试调和液过剩灰的大小，通过调节加灰量，使之符合指标要求。

蒸汽流量控制：

为了调控杂水温度在合适的范围内。

电气控制:

为常规开停车控制，监控电机的运行电流。

2.盐水吸氨工序：

蒸馏总量的控制：

上段、下段冷却水总管压力控制：冷却器操作的好坏，关系到氨盐水温度及各段吸收温度合格与否，是制约吸氨能力和全厂总生产能力的因素之一。对于钛板冷却器来说，通过对上、下段压力的检测，可了解冷热流体传热情况及流量的分配是否均匀，流动是否通畅，通过调节各出口阀门，达到流量均匀衡稳，提高冷却水的利用率。

氨盐水温度控制：

氨盐水温度是重要的技术条件之一，对碳化塔制碱能力及氨、盐、CO2利用率影响很大。其适宜的范围是：32~38℃。氨盐水温度的降低取决于冷却操作情况及冷却面积、给水量是否足够等，可通过增减循环氨盐水量，以调节底圈温度，使氨盐水温度达到要求。

冷却塔出气温度控制：

出气温度不能超过40℃，以提高氨回收率，减少尾气损失。如过高，发生“热顶”现象，将多倍增加氨的损失。如果出气温度过低顶部气体通道有被碳酸氨盐结晶堵塞的危险。

其他典型控制方案还有：

二次盐水压力控制：

二次盐水温度控制：

吸收塔2圈压力控制：

吸收尾气温度控制：

氨盐水PH控制检测：

电气控制主要是泵搅拌电机的控制，部分电机采用变频控制。

3.碳化工序：

碳化工序是整个纯碱生产的“心脏”，是涉及工艺条件最多、影响因素最广、物理和化学变化最繁杂的工序，碳化转化率的高低直接影响着纯碱的生产效益。

碳化塔的正常操作控制要点：

1 认真检测氨盐水的温度、流量和组成，如果不符合工艺规定，及时通知吸氨工序设法解决。

2 经常检查窑气、下段气的温度、流量、压力、CO2的浓度，如果不符合工艺规定，及时通知石灰、煅烧、压缩等工序设法解决。

3 按工艺指标要求，随时作好各塔氨盐水、CO2、冷却水和出碱量检查及调节工作，维持较高而稳定的塔压，做到进、出塔物料流量相对平衡。

4 严格进行制碱塔中部温度、出碱温度和其他各点温度的控制，使之符合工艺要求；作到中部温度和出碱温度（新制碱塔除外）的波动幅度不大于每小时3℃。

5 按工艺要求，做好冷却水流量或压力的检查及与供水工序的联系工作。

6 适当安排塔数组合，定期换塔，随时调节好清洗塔的温度、氨盐水进量、清洗气进量和预碳化氨盐水的温度和CO2浓度，使之符合工艺要求。

7 及时对制碱塔的结晶质量、铁分含量、尾气压力和CO2含量、出碱液FNH3浓度等浓度进行查验，发现不符合工艺要求时，针对原因，采取适宜的处理方法。

8 合理调节冷却水的使用层次及流量，随时掌握冷却条件的变化；本着产量、结晶和转化率兼顾的原则进行操作的优化控制。

碳化塔的典型控制方案：

下段气总管压力的控制

中和气总管压力的控制

中段气总管压力的控制

碳化尾气总管压力的控制

中和水总管压力的控制

氨盐水总管压力的控制

碳化塔压力的控制

下段气冷却塔液位的控制

中段气冷却塔液位的控制

中和气冷却塔液位的控制

碳化塔液位的控制

下段气CO2浓度的控制

中段气CO2浓度的控制

中和气CO2浓度的控制

碳化废气CO2浓度的控制

4.过滤工序：

过滤真空度的控制：

过滤系统的真空度是实现出碱液液固分离的推动力，是保证各项指标达到要求的主要条件，也是判断作业情况好坏的标志。工况正常时的过滤真空度一般为-40~-53Kpa。如果出现系统真空度变低，则过滤介质两侧的压力差变小，过滤速率降低，同时阻力变大，影响产量；而如果过滤真空度过大，过滤速率增加，那么过滤损失也增加了，同样会影响产量。

过滤机吹风压力的控制：

采用压缩空气反吹滤布上未卸尽的滤饼残渣，是使滤机过滤能力再生的基本手段。滤机前压缩空气的绝对压力一般需要控制在0.1275~0.1471Mpa。当风压过低，风量不足时，过滤作业就不能有效的进行。

洗水温度的控制：

从碱液中滤出的重碱滤饼，含有盐份很高的母液，需用水加以洗涤，使重碱NaCL含量控制在合格品指标的范围以内，洗水温度应控制在38~45℃范围内。

洗水含氨的控制：

电气控制主要是皮带电机、过滤机电机的控制，过滤机电机采用变频控制。

5.蒸馏工序：

蒸馏工序的作用是回收制碱母液及其他含氨杂水中所含的以NH4CL、（NH4）2CO3、NH4OH等形式存在的氨及二氧化碳。它是NH3与CO2返回下一个制碱循环的连接点，是建立全系统良性工业循环的关键，也是降低物料消耗与能量消耗的一个重点。

蒸馏工序操作控制要点：

1 严格控制塔底、中部、精馏圈顶及出气的压力在规定范围，并保持平稳，不超标，不骤升骤降。如各点压力或各段压力差过大，可能的原因是负荷过高，致气速大，或液面高等，要判明原因，进行调节和处理。

2 严格控制底圈液面、调和槽液面在规定范围。

3 根据生产情况维持和调整母液蒸量，尽可能保持塔的高负荷作业这是重要的优化控制的条件，因满负荷生产可以提高鼓泡塔及填料塔的传热传质效率，使蒸汽消耗量降低。

4 根据母液处理量的增减，并参照调和液过量灰等及时配加和调整石灰乳加入量以稳定的维持废液过量灰在适中范围，使铵、盐反应及蒸出完全。

5 调整塔温，最常用也是最有效的方法是增减进塔蒸汽量，如果进汽量已达到最大限度，而塔温仍不能维持，则应以汽定产，减少母液蒸量，而不能由于负荷过高使技术指标偏离正常范围。此外还要力求进塔溶液（包括母液、灰乳、凝液、氨水等）温度均维持在高限，减少设备管道的热损失。

以下列出的是本工序较典型的控制回路：

蒸馏塔底压力的控制：

适宜的塔底压力应在45~55Kpa之间，通过对压力的有效控制，能够控制蒸氨废液的排出和合适的底圈液位。如果操作压力过低，使气相NH3、CO2分压低固然有利于它们的蒸出，但压力底使γg值变小，实际气速较快达到许可的限定值，导致设备能力的下降。

蒸馏出气温度控制：

出气温度高于规定范围，则出气中水的含量高，进入吸氨工序后，增加了它的冷却负荷，而且冷凝下来稀释成了氨盐水；反之出气温度过低则可形成铵的碳酸盐结晶析出，使气路发生堵塞。所以，当压力在0Kpa（表压）上下，出气温度一般维持在60~65℃左右为宜。

调和槽压力控制：

母液总管压力控制：

低压蒸汽压力控制：

高压蒸汽压力控制：

予热母液温度控制：

石灰乳浓度控制：

石灰乳温度控制：

6.压缩工序：

含二氧化碳气体的压缩是纯碱制造过程中的一个重要环节，其任务是借助压缩机的吸气真空抽吸石灰窑窑气及煅烧炉炉气，并将其压缩到足够克服碳化塔内液柱的静压头及设备管道阻力所产生的压力，同时按碳化所需的气量，将这些气量分别送到碳化清洗塔及制碱塔的中、下段入口，供碳化制碱之用。

二氧化碳压缩工序与碳化、石灰、煅烧、供汽及蒸氨工序都有紧密的联系，操作的好坏直接影响到上述各工序的正常运行。

压缩工序还配备有真空泵及空压机兼管为过滤工序滤气系统维持所需的真空抽气和提供压缩空气的任务。

压缩工序操作控制要点：

1 CO2的浓度：

CO2浓度的提高不仅可以节约压缩机的动力消耗，而且有利于碳化反应的平衡和速度，强化塔的操作，对碳化提高产量和食盐转化率、改善重碱结晶都有决定性的作用。

2 气量：

供给气量（包括中、下段气、清洗气）的多少决定于石灰窑的上石量、煅烧炉投入的重碱量及投运的压缩机数量，气量对碳化操作影响很大。但在正常条件下，各段气体中的CO2总量应有一个适当的范围与配比，使供应量与使用量达到平衡，CO2不足或过多都将影响经济效果。

3 压力：

在有足够气量的前提下，CO2气的压力决定于所开用压缩机能力的大小，如果能力适当，可以达到中、下段气及清洗气的要求压力，便于碳化的操作，做到调节自如并达到高产稳产。

4 气体的温度：

由于碳化反应是放热反应，碳化塔的中段气进气处均应保持一定的适宜温度，中段气和下段气温度必须与入口处塔温相适应，故在进入碳化塔前中段气应冷却到40~46℃，下段气应冷却到30~36℃。

5 带水量：

中、下段气、清洗气入碳化塔前均应考虑分离水雾问题，以免水稀释塔内液体。而适当降低各段气体温度使其水汽分压降低，是减少气体带水量的重要措施。

下面列出的是压缩工序的典型控制回路：

进气负压控制：

进气温度控制：

出气压力控制：

压缩机转速检测控制：

中压蒸汽总管压力控制：

压缩乏气压力控制：

压缩机油压、油温控制：

压缩机轴瓦温度控制：

CO2出气温度控制：

冷却水温度控制：

电气部分主要是油泵、水泵的控制，压缩机本体采用连锁控制。

7.石灰工序：

氨碱法制纯碱所需的CO2是由石灰石煅烧分解所产生的，同时在盐水精制和氨的回收过程中又需要消耗大量石灰乳，因而煅烧石灰石制取CO2及生石灰（CaO），再由生石灰消化制取石灰乳，就成为氨碱法制纯碱生产过程中必要的工序。

以下是石灰工序的典型控制回路：

窑气浓度控制：

窑气CO2浓度的高低，直接影响氨盐水碳酸化的速度和反应平衡，CO2浓度越高碳酸化反应速度越快，碳化塔生产能力大，而且碳化转化率也相应提高。

窑顶压力控制：

为使石灰窑的生产能力提高，空气应均匀的通过窑的整个截面，煅烧反应必须强烈进行，并使燃烧在此区内结束。由此，必须保证有足够的空气量。空气量是用风压的高低及风门的开度大小来调节的。

化灰机灰、水比值控制：

适宜的灰（CaO）、水比值不但提高了灰乳产量，避免因比值不适合造成的浪费，而且使制得的灰乳石灰粒子细腻粘稠性好，分散均匀不易沉淀。

8.煅烧工序：

煅烧出碱温度控制：

维持正常的出碱温度是关系到产品质量、生产能力及蒸汽消耗的关键，出碱温度过低则产品分解不完全，成为Na2CO3含量不够标准的低温碱，同时还增加了产品带走的CO2及NH3的损失；出碱温度过高则煅烧炉的生产能力未充分发挥，同时热损过大，蒸汽等消耗增加，故要达到高产、稳产、低耗就必须维持适当的出碱温度。

煅烧出气温度控制和联合塔出气温度控制：

炉气温度是维持正常操作的基本条件，炉气温度低于100℃则可能使其中的水蒸气凝结导致碱疤在管道内壁生成，并酿成堵塞事故从而导致停产。炉气冷凝塔炉气温度过低，可能形成碳酸铵盐的结晶堵塞管道，炉气洗涤塔后的温度应控制在30~35℃，温度过低耗水量大并可能引起洗水不平衡，如过高不但增大炉气带走的氨，造成损失，有时还形成碳酸铵盐结晶，凝结在压缩机入口通路。同时还影响压缩机打气效率。

中压蒸汽压力控制：

中压蒸汽的压力和温度是维持煅烧炉正常运行的基础，是非常重要的控制。中压蒸汽流量是随着投入重碱量的变化而变化的，在碱量稳定时，中压蒸汽流量也应是稳定的，压力及温度也应基本稳定。如果出现波动，则应及时联系各相关车间作出调整，以维持蒸汽压力和温度的正常指标。蒸汽压力低将减少煅烧炉传热面传递的热量，造成出碱及出气温度低，被迫降低煅烧炉的生产能力；蒸汽压力过高可能是由于投入重碱量突然减少所引起的，此时造成出碱温高。

进煅烧炉重碱流量控制：

重碱流量是影响煅烧炉操作最活跃的因素，也是调节煅烧炉操作最及时的手段，由于重碱的投入量实际上就是煅烧炉的生产能力，因此适宜的重碱流量是重要的。如流量过少则造成出碱温度高，煅烧炉能力低同时各项消耗高；而重碱流量过多则造成炉的出碱温度低及炉气温度低造成出“低温碱”，同时煅烧炉的负荷过大还可能造成炉及其附属设备的机件故障，破坏炉的正常作业。

凉碱炉碱温控制：

从煅烧炉出来的轻灰或重灰因为温度太高（80~100℃），所以不能直接送到包装工序，而要先在凉碱炉中冷却。如果碱温太高，不但容易造成运输皮带受热变形，易断裂，而且容易受潮、结块，影响成品质量。

炉头出气压力控制：

炉头压力大时，造成部分炉气及碱粉逸出，不但损失氨、二氧化碳及纯碱，而且造成碱粉飞扬，氨味强烈，恶化了岗位的工作条件，此外炉头压力大还会增加旋风除尘器和进碱螺旋输送机清扫的次数。反之，炉头真空度大时空气漏入炉气中，使炉气CO2浓度降低。

水合机料仓料位控制：

水合机化合水流量控制：

一水碱水碱比值控制：

不论液相或固相水合技术，一水碱水碱比都是一个重要的技术参数，因为它直接影响着重灰产量、质量以及能耗。

重灰蒸汽的分程控制系统：

循环碱液槽液位控制：

控制功能示例和联锁控制功能示例

纯碱工艺及控制方案