СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ МОКРОГО ГРАНУЛИРОВАНИЯ САЖИ Российский патент 2005 года по МПК C09C1/58 

Изобретение относится к автоматизации химико-технологических процессов и может быть использовано при управлении процессом мокрого гранулирования.

Процесс образования гранул сажи осуществляется при интенсивном смешении пылящей сажи с водой в грануляторе с последующей сушкой влажных гранул в сушильном барабане высокотемпературными дымовыми газами, образующимися при сжигании топлива. Обеспечение требуемого гранулометрического состава гранул достигается при определенном соотношении весовых расходов пылящей сажи и смачивателя (влажности гранул), которое в общем случае определяется их физико-химическими свойствами [1].

Известен способ автоматического регулирования весового соотношения пылящей сажи и воды, в котором расход пылящей сажи определяется с помощью ленточных весов непрерывного действия, а расход воды автоматически регулируется для поддержания заданного соотношения [2].

Недостатком данного способа регулирования являются значительные технические трудности не только точного измерения веса пылящей сажи, но просто ее стабильного транспортирования с помощью ленточного конвейера, оборудованного датчиками измерения веса. Проблемы, связанные с транспортированием, взвешиванием и дозированием пылящей сажи, являются основными причинами, которые обуславливают необходимость гранулирования сажи.

Другим недостатком данного способа является то, что в нем не учитывается изменение физико-химических показателей сажи и смачивателя, что не обеспечивает требуемое качество готового продукта.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ управления процессом мокрого гранулирования сажи, заключающийся в стабилизации мощности, потребляемой электродвигателем привода ротора гранулятора [3].

Этот способ мы принимаем в качестве прототипа.

В данном способе предлагается 2 варианта стабилизации потребляемой мощности, потребляемой электродвигателем привода ротора гранулятора.

По первому варианту мощность регулируется изменением расхода воды (смачивателя), а число оборотов шлюзового питателя, подающего сажу в гранулятор, поддерживается постоянным на заданном уровне.

Данный способ управления не позволяет получить требуемое качество гранулирования и тепловой режим сушки влажных гранул в силу следующего обстоятельства. Объемная подача пылящей сажи шлюзовым питателем при постоянной скорости его вращения не обеспечивает ее постоянного весового расхода. При этом присутствуют как высокочастотные колебания весового расхода пылящей сажи, так и низкочастотные колебания значительной амплитуды. Это связано с тем, что насыпная плотность изменяется в значительных пределах. В бункер-уплотнитель, расположенный перед гранулятором, кроме основного потока сажи из реакторов поступает также сажа из фильтра доулавливания после очистки газов, проходящих через сушильный барабан, и из системы аспирации технологического оборудования. Два последних потока несут сажу, которая уже прошла гранулирование (пыль и мелкие осколки разрушенных гранул) и имеет более высокую насыпную плотность. Поэтому, например, при упаковке продукции поток сажи из системы аспирации резко возрастает, изменяя насыпную плотность всей массы сажи в бункере перед гранулятором. Более высокочастотные изменения подачи сажи возникают при периодическом образовании и обрушивании сводов сажи на конической поверхности бункера, налипании ее на стенках бункера и лопастях шлюзового питателя в связи с ее высокой адгезионной способностью к металлическим поверхностям. Поэтому в известном способе при стабилизации мощности электродвигателя изменением расхода воды при постоянном числе оборотов шлюзового питателя весовой расход сажи в гранулятор может существенно изменяться, что вызывает практически равнозначное изменение расхода воды, а значит и расхода влажных гранул, равный суммарной массе входящих в гранулятор компонентов. Это приводит к существенному изменению температурного режима в сушильном барабане, восстановление которого усложняется большой инерционностью процесса сушки. В результате Пересушивание гранул приводит к их интенсивному разрушению, а при недосушивании получают брак по влажности.

Следует отметить, что в данном варианте стабилизация мощности электродвигателя, а значит и влажности гранул удовлетворительна.

При реализации второго варианта управления по данному способу, а именно при регулировании мощности электродвигателя привода ротора гранулятора путем изменения числа оборотов шлюзового питателя, когда расход воды поддерживается постоянным, не удается добиться стабилизации мощности в заданных пределах, что вызывает колебания влажности гранул, а значит и их размеров. Это связано с тем, что сам регулирующий орган - шлюзовой питатель является источником возмущения по весовому расходу сажи при изменении ее кажущейся плотности и других, указанных выше факторов.

Поскольку количество воды постоянно, то температурный режим в этом варианте управления более стабилен, однако в этом варианте колебания температуры на выходе барабана вызваны колебаниями исходной влажности гранул.

Целью настоящего изобретения является повышение качества грануляции и стабильности теплового режима процесса сушки.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе, включающем стабилизацию мощности, потребляемой электродвигателем привода ротора гранулятора, изменением расхода воды на грануляцию, дополнительно корректируют сглаженное текущее значение расхода воды изменением числа оборотов шлюзового питателя.

Сущность предлагаемого способа управления иллюстрируется нижеприведенными экспериментальными данными.

На фиг.1 показаны временные диаграммы мощности N, расход воды на грануляцию Qв и температуры сажи на выходе сушильного барабана Тс, полученные при стабилизации мощности изменением расхода воды по прототипу [3]. Поскольку стабилизация мощности N обеспечивает постоянство соотношения сажи и воды (примерно 50:50), то график расхода воды почти однозначно отражает как расход пылящей сажи, так и влажных гранул. Как видно на фиг.1 диаграмма колебания подачи пылящей сажи включает как высокочастотные, так и низкочастотные составляющие, причем на температуру гранулированной сажи на выходе из сушильного барабана Тc оказывает влияние только низкочастотные составляющие расхода влажных гранул.

Динамические различия параметров гранулирования и сушки объясняются различными скоростями процессов: время пребывания сажи в грануляторе составляет 10-20 сек, а в сушильном барабане - 10-20 мин. Поэтому высокочастотные колебания влажных гранул нивелируются в сушильном барабане, что видно при сравнении диаграмм Тc и Qв на фиг.1. Кроме того, видно, что диаграмма температуры сажи смещена во времени на величину τ относительно расхода воды Qв, что также свидетельствует об инерционности процесса сушки. Более тесная связь температуры Тс наблюдается для низкочастотных колебаний значений расхода воды Qв.

Сушильный барабан, оборудованный на внутренней поверхности лопастями с целью интенсификации тепло- и массообмена слоя влажных гранул с горячими дымовыми газами, представляет собой объект управления с ярко выраженным перемешиванием, что приводит к нивелированию высокочастотных возмущений по расходу влажных гранул, поэтому на температурный режим оказывает влияние в основном только низкочастотные колебания расхода пылящей сажи, которые при постоянной мощности вызывают адекватные колебания воды и влажных гранул.

В предлагаемом способе управления процессом мокрого гранулирования сажи, включающем стабилизацию мощности, потребляемой электродвигателем привода ротора гранулятора, изменением расхода воды на грануляцию, дополнительно изменением числа оборотов шлюзового питателя, подающего в гранулятор пылящую сажу, поддерживают сглаженное текущее значение расхода воды (на фиг.1 сглаженное текущее значение расхода воды показано пунктирной линией).

Существенным отличием предлагаемого способа, обеспечивающего стабильность влажности гранул и температурного режима сушки, является то, что более динамичный процесс образования гранул управляется с помощью контура регулирования расходом воды, обеспечивающего более высокое быстродействие, а стабилизация температурного режима сушки, характеризующейся значительной инерционностью, достигается посредством корректировки сглаженного текущего расхода воды. При управлении быстро меняющейся потребляемой мощности путем изменения расхода воды само значение этого управляющего параметра должно совершать колебания около заданной величины посредством изменения числа оборотов шлюзового питателя, подающего пылящую сажу в гранулятор. Только такое управление процессом мокрого гранулирования при существующем характере возмущений по расходу пылящей сажи может в отличие от обоих вариантов прототипа одновременно обеспечить стабилизацию влажности гранул и температурного режима сушки.

На фиг.2 показана схема реализации данного способа.

Пылящая сажа из емкости 1 с помощью шлюзового питателя 2, управляемого электродвигателем 3, подается в гранулятор 4. Расход воды в гранулятор контролируется расходомером 5 и автоматически изменяется регулятором 6 путем воздействия на регулирующий клапан 7, сравнивая заданное значение мощности с измеренным датчиком 8 с электродвигателя привода ротора гранулятора 9. Сигнал с расходомера 5 поступает через фильтр 10 на регулятор 11, с которого подается на частотно-регулируемый привод 12, управляющий частотой питающего напряжения электродвигателя 3.

Работа схемы осуществляется следующим образом.

Пусть, например, увеличится насыпная плотность пылящей сажи и при постоянном числе оборотов шлюзового питателя увеличивается ее массовый расход. При этом влажность сажи снизится и соответственно снизится потребляемая мощность электродвигателя 9. Это нарушает равновесие регулятора 6, который, воздействуя на регулирующий клапан 7, будет увеличивать расход воды до тех пор, пока не восстановит заданное значение мощности электродвигателя 9.

Контур регулирования сглаженного текущего расхода воды работает следующим образом. Сигнал расхода воды измеряется датчиком 5 и проходит через фильтр 10, в котором подавляются высокочастотные колебания как это показано на фиг.1 на графиках расхода воды и ее сглаженного текущего значения. До тех пор, пока сглаженное текущее значение расхода воды постоянно и соответствует заданному значению, число оборотов остается неизменным. Пусть, например, сигнал расхода воды, измеренный датчиком 5 и прошедший через фильтр 10, подавляющий высокочастотные колебания, превышает заданное значение. При этом регулятор 11 выработает сигнал частотно-регулируемому приводу 12 на понижение частоты питающего напряжения электродвигателя 3. Снижение числа оборотов шлюзового питателя уменьшает подачу пылящей сажи, восстанавливая заданное значение расхода воды.

Пример 1.

Способ управления испытывался в промышленных условиях ОАО “Ярославский технический углерод”.

Управление контурами регулирования мощности путем изменения расхода воды и расхода воды посредством изменения числа оборотов шлюзового питателя производилось с помощью малоканального контроллера “Ремиконт-130”. Сигнал расхода воды подавался в ПИ-регулятор через фильтр с передаточной функцией апериодического звена:

где s, Т - оператор Лапласа и постоянная времени соответственно.

Командный сигнал об изменении числа оборотов шлюзового питателя с контроллера “Ремиконт-130” подавался на частотно-регулируемый привод, управляющий частотой питающего напряжения электродвигателя шлюзового питателя.

Постоянная времени фильтра Т определялась опытным путем, исходя, во-первых, из условия минимизации влияния изменения числа оборотов шлюзового питателя на стабильность поддержания потребляемой мощности изменением расхода воды, во-вторых, обеспечения стабильного значения сглаженного текущего расхода воды и, следовательно, температуры гранулированной сажи на выходе сушильного барабана. В процессе настройки контуров регулирования постоянная времени фильтра изменялась в пределах 0.5÷3 мин. Наилучшее значение постоянной времени было около 1 минуты, что соответствует подавлению амплитуды гармонического сигнала с частотой 2π рад/мин до 15%, а с частотой 1 рад/мин - только до 70%. Для гармонического сигнала максимальное значение достигается через 1/4 часть периода, что для частоты 1 рад/мин составляет примерно 1.5 минуты или 10% времени пребывания сажи в сушильном барабане.

На фиг.3 показаны временные диаграммы потребляемой мощности электродвигателя привода ротора гранулятора N, расхода воды Qв (сглаженный текущий расход воды показан пунктирной линией), числа оборотов шлюзового питателя n, температуры гранулированной сажи на выходе сушильного барабана Тс. На фиг.1 видно, что до 6-ой минуты регулятор сглаженного текущего расхода воды находился в равновесии и число оборотов шлюзового питателя n практически оставалось неизменным. Начиная с 6-ой минуты, число оборотов n увеличивалось, поддерживая постоянным среднее значение массового расхода пылящей сажи. В дальнейшем происходило постепенное снижение числа оборотов n до близкого к первоначальному значению. При этом высокочастотные флуктуации расхода воды Qв, обусловленные работой регулятора мощности N, совершали колебания около заданного значения, не оказывая существенного влияния на температуру гранулированной сажи Тc на выходе сушильного барабана.

Результаты сравнительных испытаний способа управления по прототипу и вариантов предлагаемого способа приведены в таблице.

Таблица№ опытаРасход воды, кг/чВлажность гранул, %Расход пылящей сажи, %Расход влажных гранул, кг/чПотребляемая мощность, кВтЧисло оборотов шлюзового питателяТемпература сухих гранул, °ССодержание пыли, %По известному способуОпыт 1355050.13536708672161602.9Опыт 2400048.34280828272161032.1По предлагаемому способуПример 1Опыт 3356050.63617703572151201.6Опыт 4348050.33440684072191250.8Пример 2Опыт 5350050.63416691772171221.4Опыт 6354049.73482712272141181.7

В опыте 2 показано, что величина расхода пылящей сажи при постоянном числе оборотов шлюзового питателя достигала 4280 кг/ч в сравнении с 3536 кг/ч в опыте 1 при постоянном числе оборотов - 16 об/мин. Низкочастотные колебания весового расхода пылящей сажи при постоянном числе оборотов явились причиной увеличения расхода влажных гранул с 7086 до 8282 кг/ч. Температура гранул на выходе из сушильного барабана снизилась с 160 до 103°С, то есть до близкой к критической, когда в готовой продукции может появиться влага, поэтому известный способ управления предполагает повышенный температурный режим, что в свою очередь приводит к увеличению содержания пыли в готовой продукции.

В опыте 4 уменьшение расхода пылящей сажи компенсируется увеличением числа оборотов до 19 об/мин с 15 об/мин в опыте 3. При постоянной влажности гранул стабилизация их массового расхода позволила удержать температуру на выходе сушильного барабана в пределах 120÷125°С. Кроме того, более высокая стабильность температурного режима в сушильном барабане позволила снизить расход топлива в опытах 3, 4 в сравнении с известным способом управления на 3-5%.

Пример 2.

В опытах 5, 6 вместо фильтра и ПИ-регулятора в контуре регулирования сглаженного текущего расхода воды изменением числа оборотов шлюзового питателя был использован интегральный регулятор, обладающий свойством сглаживать высокочастотные колебания. Время изодрома изменялось в пределах 1÷4 мин, а наилучшие результаты были получены при значении, близком 1.5 мин. В опыте 6 приведены данные, иллюстрирующие работу схемы регулирования в условиях уменьшения числа оборотов шлюзового питателя до 14 об/мин с 17 об/мин в опыте 5.

В опытах 3, 4 и 5, 6 получен практически равноценный результат: отклонение массового расхода влажных гранул с 16% в известном способе были уменьшены в предлагаемом способе за счет стабилизации сглаженного текущего расхода воды изменением числа оборотов шлюзового питателя до 3%.

Технологический цикл процесса подготовки готовой продукции завершается аспирацией пыли, образующейся в результате разрушения части гранул, и рециркуляцией ее на повторное гранулирование, поэтому технико-экономические преимущества предлагаемого способа включают как снижение энергетических затрат на сушку за счет снижения предельно допустимой температуры гранулированной сажи на выходе сушильного барабана, так и уменьшения количества сажи, разрушенной в процессе сушки и возвращаемой на повторную грануляцию. В целом оба эти фактора создают предпосылки для увеличения производительности всей технологической линии, так как производительность процессов гранулирования и сушки лимитирует объем выпуска готовой продукции данной установки.

Источники информации:

1. В.Ю.Орлов, А.М.Комаров, Л.А.Ляпина, Производство и использование технического углерода для резин. Ярославль, изд. АР, 2002, с.314.

2. Патент USA 3337907, 1967.

3. Патент USA 3266873, 1966.

Изобретение относится к автоматизации химико-технологических процессов и может быть использовано при управлении процессом мокрого гранулирования сажи. Способ управления процессом мокрого гранулирования предусматривает стабилизацию мощности, потребляемой электродвигателем привода ротора гранулятора, изменением расхода воды в гранулятор и стабилизацию сглаженного текущего значения расхода воды изменением числа оборотов шлюзового питателя, подающего в гранулятор пылящую сажу. Использование изобретения позволяет повысить качество гранулирования сажи и обеспечить высокую стабильность температурного режима сушки влажных гранул. 3 ил., 1 табл.

Способ управления процессом мокрого гранулирования сажи, включающий стабилизацию мощности, потребляемой электродвигателем привода ротора гранулятора, изменением расхода воды на грануляцию, отличающийся тем, что дополнительно изменением числа оборотов шлюзового питателя, подающего в гранулятор пылящую сажу, стабилизируют сглаженное текущее значение расхода воды.