浅析制钛沸腾氯化炉自动控制技术

摘要：本文分析了制钛沸腾氯化炉自反应式流化床自动控制的难点，提出了一些控制思路和解决方法。

关键字：氯化炉 流化床 PLC 自动控制

一、 引言

随着钛冶金技术的迅猛发展，我国万吨级海绵钛生产所需的沸腾氯化炉和还原-蒸馏联合炉等装备基本实现了大型化。但是需要提高生产工艺技术水平，降低环境污染。主要通过研究大型化高钙镁钛渣沸腾氯化制造四氯化钛技术研究，进一步提高氯化率、氯气的利用率、TiCl4的回收率；四氯化钛精制除钒工艺技术；大型镁还原-蒸馏联合炉提高海绵化率技术；高效的废料处理新技术和综合回收技术；氯化和精制过程中的自动控制技术。形成先进的大规模（万吨级）海绵钛的生产技术。本文主要探讨沸腾氯化过程中的自动控制技术。

二、 控制难点

沸腾氯化又称流态化氯化，其生产工艺流程是：石油焦通过破碎达到一定的粒度，并按照一定的配比与高钛渣混合，得到混合料；然后将混合料加入氯化炉，通入一定量的氯气进行氯化；将沸腾炉顶排出的炉气通过除尘，再通过冷凝、冷却而得到粗四氯化钛液体，此粗四氯化钛液体的悬浮物较多，不能直接进入下一道工序，所以要通过沉降过滤得到工艺粗四氯化钛。从炉底排出的炉渣返回钛渣电炉进行回收处理：沉降渣、过滤渣返回氯化炉内回收四氯化钛，尾气送入尾气处理站回收盐酸。

沸腾氯化炉作为氯化生产中的一个重要环节，其在生产中的控制是一个难题，目前国际上仅有少数一两个国家具有较为成熟的沸腾氯化炉自动控制技术，可供参考的技术文献几乎没有。而我国的氯化炉基本采用的人工手动控制，控制效果不是十分理想，难于满足连续大规模生产的需要。通过分析沸腾氯化炉的控制，主要有以下几个难点：

1、 混合物料的加料速度—控制混合物料的适宜加料速度，就可以保持合适的炉内料层堆积高度（即固定层高度），合适的料层高度，就可以加长氯气在料层中的停留时间，提高氯气的利用率，但料层太高，容易出现不正常流化状态；料层太矮，氯气在料层中的停留时间太短，会降低氯气的利用率，增加尾气中的含氯量。因此，控制混合物料的合适加入速度是正常氯化操作的重要工艺条件之一。具体大小要由进入炉内的氯气实际流量与料量和氯气流量的比值来决定。

2、 氯气流量的确定—进入氯化炉的氯气流量既要满足流态化层内流体力学的条件，又要满足反应动力学的要求，它与采用的物料颗粒特征、炉子的结构尺寸和反应温度等有关。实践表明，适宜的氯气流量控制范围也比较宽。在一般情况下，为了提高生产率，在满足流体力学的条件下，常控制较大的氯气流量。最佳的氯气流量可以通过实验和计算确定。

3、 炉内物料的反应温度的控制—较高的反应温度可使氯化速度加快，其反应温度一般应高于800℃，但是太高的反应温度，容易腐蚀炉体，理想的温度在900℃至1000℃范围内。因此，炉内反应温度是该控制系统的被控量（被调参数）。然而，影响沸腾氯化炉炉内反应温度的因素很多，例如：工艺物料TiO2进料的料量和温度，氯气的压力、浓度等。显然，该系统属于典型的多变量、强耦合的系统。

三、控制思路

在实际的系统设计中，系统的可控制点主要有三个：混合了石油焦的精钛矿的进炉量、补充氯气流量、电解氯气流量。由于沸腾氯化炉正常运行的关键在于流化床层厚度的合理性和炉内温度的稳定性。根据这一特点，拟采用的控制思路是：

1、料层高度控制在0.5～1.0m之间，最佳为0.8m左右；由于炉体为金属全密封和氯气的强腐蚀，使得料层高度不管是采用目测法和仪表测量都比较困难。所以在实际生产中常借助于床层压降（Δp）来进行判断；流态化层床层压降值和单位面积的气体分布板上堆积的料层重量是接近的，在流态化状态下，可用下式表示：

Δp=9.8?γsh0 （1）

在一般情况下，实际炉料的重度γs是不变的，而且当氯气流速变化不大时，压降缩小系数?基本上是为一常数。因此，床层压降随料层堆积高度h0变化而变化。也就是说，Δp随混合物料加料速度而变化着。实际操作时，通过控制一定的床层压降变化范围来达到合适的混合物料加料速度范围。因此，可以采用变频器调节给料机的方式来控制混合物料的加料速度。设计进料量的控制采用设定初始进料量进行调节，在正常运行中以床层厚度（上下压差）为主要控制因素，而以炉顶温度为辅助控制因素。

2、影响氯化反应动力学的因素还包括氯气流量和浓度。要提高反应速度必须提高氯气浓度，最好是使用纯氯。但是在大规模生产过程中，过多地使用纯氯会大大增加生产成本，不利于生产建设。一般在实际生产中，采用电解氯气来进行氯化反应，为了提高氯气浓度再适当补充一些纯氯。在实践中表明，采用浓度较低的氯气（如果浓度>75%）对氯化反应速度没有明显的不良影响。同时单单提高氯气浓度来增加反应速度是不够的，还需要加大氯气流量。由于适宜的流化操作速度范围比较宽，适当地加大氯气流量来加速流化操作是可行的。为了保持良好的流化状况，使炉内反应快速充分，需要调节参加反应的氯气流量和浓度。实际应用中设计电解氯气流量的控制采用跟踪氯/料比的方式，以炉顶温度的变化作辅助控制；根据进料配比值适当调节氯/料比，以满足反应需要；补充氯气流量以电解氯气浓度为跟踪目标值，控制电解氯气浓度>75%。

3、控制算法的选取。

作为粗四氯化钛生产的主要反应炉—沸腾氯化炉，对它的控制格外重要。从国内目前的生产状况来看，还没有一套完整的自动化控制方案，在传统控制系统方法（串级控制、比值控制、选择控制、前馈控制、PID控制等）中，对于这种多变量、强耦合的系统是无法实现其控制的，即使勉强进行控制，其控制效果亦是可想而知的，鉴于此，设计采用先进的人工智能及模糊控制技术。

模糊控制是一种基于规则的控制方法。它直接采用语言型控制规则，出发点是现场操作人员的控制经验或相关专家的知识，在设计中不需要建立被控对象的精确数学模型，因而使得控制机理和策略更易于接受和理解，控制模型设计简单，便于现场应用。

并且模糊控制算法是基于启发性的知识及语言决策规则设计的，这有利于模拟人工控制的过程和方法，增强控制系统的适应能力，使之具有自学习的智能水平。模糊控制系统的鲁棒性强，干扰和参数变化对控制效果的影响被大大减弱，尤其适合于氯化炉这种非线性、时变及纯滞后系统的控制。

4、由于被控参数具有时变、非线性、不确定等多种因素，在实际应用中还需要结合氯化炉人工控制的经验，采用仿人规则对控制参数或者控制对象进行在线整定，以实现控制系统运行的长期稳定性。规则的语言描述如下：

IF　炉底压力　AND　氯气流量　THEN　布气孔堵塞 （1）

IF　炉温　AND　给料量　THEN　减少氯气量 （2）

IF　炉温　AND　给料量　THEN　增加氯气量 （3）

这些规则根据人工控制的经验进行总结，在现场调试和试运行过程中进行添加和修改。

四、结束语

从系统长期稳定性考虑，一套完整的沸腾氯化炉生产控制系统，对影响炉内反应的混合物料配料阶段以及电解氯气生产车间的自动控制都应纳入系统控制范围。自动化系统的投运对提高海绵钛生产技术经济指标、“三废”治理、设备配套水平和自动控制等方面，实现“清洁、文明、无公害化”的现代化生产具有巨大影响和积极作用。

参考文献：

1、莫畏、邓国珠、罗方承编著.钛冶金第二版.北京：冶金工业出版社，2006