Способ автоматического управления процессом активации гранулированных углеродсодержащих материалов во вращающейся печи Советский патент 1992 года по МПК C01B31/10 F27D19/00 

Изобретение относится к автоматизации процессов термической обработки углерод со держащих материалов и может быть использовано для автоматизации процесса парогазовой активации угле родео держа- щих материалов в производстве гранулированных и дробленых активных углей.

Известен способ управления процессом термической обработки зернистого материала во вращающейся печи путем регулирования частоты вращения барабана по отключению насыпной плотности мате- риала от заданного значения.

Однако такой способ управления не может обеспечить достаточного воздействия на параметр насыпной плотности продукта, что приводит к снижению выхода качественного продукта.

Наиболее близким к предлагаемому является способ управления, реализуемый с помощью устройства для управления процессом активации зернистого материала во вращающейся печи. Устройство реализует способ комбинированного воздействия на параметры процесса по отклонению насып- ной плотности от заданного значения. При этом в заданной последовательности изменяются расход активирующего агента и частота вращения барабана.

Однако известный способ управления не обеспечивает для данного процесса точности поддержания насыпной плотности продукта на заданном уровне, так как не используются наиболее существенные управляющие воздействия, а именно темпера- тура процесса и величина загрузки исходного материала, что также приводит к снижению выхода продукта требуемого качества.

Целью изобретения является увеличе- ния выхода качественного продукта за счет стабилизации его качества путем расширения диапазона управляющих воздействий и повышения точности регулирования.

Поставленная цель достигается тем, что по величине насыпной плотности готового продукта регулируется в заданном диапазоне температурный режим в начальной и центральной частях барабана печи, при этом температурный режим в начальной части барабана печи регулируют изменением подачи топлива в печь, а температурный режим в центральной части барабана печи регулируют изменением величины разрежения в печи, при достижении заданного гранично- го значения которого изменяют соотношение расходов топлива и воздуха в печь, при достижении заданного граничного значения этого соотношения изменяют подачу паре а печь. Регулирование расхода активирующего агента осуществляют до достижения величины соотношения загрузки исходного материала и частоты вращения барабана печи заданного минимального значения, а при достижении расхода активирующего агента заданного максимального значения изменяют частоту вращения барабана печи, загрузку исходного материала и заданное минимальное значение соотношения исходного материала частоты вращения барабана печи.

С целью анализа эффективности и взаимосвязи регулирующих воздействий проведена серия планированных экспериментов (дробные факторные эксперименты типов 2 и , а также полный факторный эксперимент) и исследованы полиноми- надьные модели, описывающие зависимость насыпной плотности от режимных параметров процесса при разных вариациях факторов:

у - 578-10,2Х1-27,6Х2-1-60,5Хз+

+ 21,5Х2з-19,8Х4;(1)

у - 479-60,6Х2+28,9Хз-22,4Х4-21,1XiX3;(2)

у - 2709-4,ЗХ2-0,002Х22+

+ 2,75X3-0.012X23+0,07XiX4+

+ 0,ЗЗХзХ4-0,055Х2Х4;(3)

где у - насыпная плотность продукта;

Xi - расход активирующего агента;

Хз - температура по длине барабана;

Хз - загрузка исходного материала;

Х4 - частота вращения барабана печи.

Модели (1) и (2) рассчитаны по методу наименьших квадратов (МНК) и включают значения переменных в кодированном виде относительно центра плана. Модель (3) рассчитана по методу группового учета аргументов (МГУА) и включает значения переменных в натуральном выражении. Анализ моделей показывает, что независимо от диапазона варьирования переменных и вида модели влияние таких факторов, как расход активирующего агента и частоты вращения барабана значительно меньше, чем влияние от изменения температурного режима и загрузки исходного материала в барабан. Однако общий вид моделей и их статистическая обработка на значительность коэффициентов показывает, что для управления процессом нельзя игнорировать все указанные факторы (Xi, Х2. Хз, Х4).

Предлагаемая последовательность на-с несения управляющих воздействий при отклонении насыпной плотности от заданного значения осуществляется следующим образом. Сначала используют те из них, которые не оказывают существенного влияния на производительность аппарата, и только затем, если исчерпан допустимый диапазон

изменения этих регулирующих воздействий, как исключительное средство корректируется загрузка исходного материала в барабан. Кроме того, при регулировании температурного режима в барабан печи должно быть выдержано условие равномерного распределения температуры по длине барабана, что выполняется с помощью комбинированного воздействия на температуру в начальной зоне барабана и в средней его части. Так как на температуру в начальной зоне барабана влияет расход топлива и загрузка исходного материала, то в качестве регулирующего воздействия используется расход топлива. На температуру в средней части барабана действует множество возмущений и, как подтверждено экспериментально, наиболее существенными управляющими воздействиями для компенсации возмущений и уменьшения отклонения температуры от заданного значения являются скорость потока греющих газов по длине барабана, их количество и теплоемкость. С целью повышения точности регулирования температуры в средней части барабана и расширение диапазона регулирующего воздействия при отклонении температуры от заданного значения сначала корректируют задание регулятору разрежения в топке, затем измеряют соотношение топлива и воздуха на горение и таким образом регулируют скорость и величину потока греющих газов. Если диапазон изменения этих регулирующих воздействий исчерпан, регулируют расход пара в выходную часть топочной камеры с целью изменения теплоемкости потока греющих газов. Однако температурный режим можно регулировать только в определенных пределах, вне которых следует использовать другие управляющие воздействия. Такими воздействиями могут быть варьирование частоты вращения барабана и загрузки исходного материала. Загрузку исходного материала корректируют в последнюю очередь, когда исчерпаны все средства воздействия на параметр насыпной плотности. Введение количественных соотношений между загрузкой исходного материала и нижним пределом регулирования расхода активирующего агента, а также между загрузкой и частотой вращения барабана обеспечивает проведение технологического процесса в границах протекания химических реакций по развитию пористой структуры материала и исключение возможных перегрузок аппарата.

Все это позволяет расширить диапазон регулирования,, что приводит к повышению точности управления, стабилизации качества готового продукта, увеличению выхода качественного продукта.

На чертеже изображена схема, поясняющая предлагаемый способ. 5 Принципиальная схема включает вращающуюся печь 1, дозирующее устройство 2 с задатчиком 3, датчики 4i, 42 температуры в барабане печи, датчики расхода топлива 5. воздуха 6, пара на разбавление топочных

0 газов 7, активирующего агента 8, датчик 9 насыпной плотности готового продукта, регуляторы температуры в начальной зоне барабана 10 и в центральной части барабана 11, регулятор 12 расхода топлива, регулятор

5 13 соотношения топлива и воздуха, регулятор 17 разрежения, регулятор 29 расхода пара на разбавление топочных газов, регулятор 30 насыпкой плотности, регулятор 35 частоты вращения барабана, регулятор 43

0 расхода активирующего агента, устройство 37 соотношения сигналов, задатчики 16, 18. 25, 28, 33, 41, сумматоры 19, 21, 22,- устройства 15, 24,32,36,39 масштабирования сигналов; устройства 14, 20, 23, 26, 27. 31, 34,

5 38, 42 ограничения сигналов.

Способ автоматического управления осуществляют следующим образом.

Исходный материал поступает во вращающуюся печь 1 через дозирующее уст0 ройство 2, задание которому первоначально„ устанавливается задатчикогл 3. Температурный режим контролируется датчиками 4i и 42 температуры, подключенными к регуляторам 10 и 11. Задание регуляторам 10 и 11

5 изначально устанавливается задатчиком 18 и окончательно формируется в сумматоре 19 с ограничением диапазона в устройстве -20. Регулятор 10 температуры в начальной зоне барабана при отклонении от заданного зна0 чения формирует управляющее воздействие в качестве задания регулятору 12 расхода топлива. Регулятор 11 температуры в средней части барабана при отклонении от заданного значения формирует комплек5 сное управляющее воздействие. Выходной сигнал регулятора 11, пока его значение не превысит порог ограничения, установленный в устройстве 14. через согласующее масштабное устройство 15 и задатчик 16

0 корректирует задание регулятору 17 разрежения, тем самым регулируя отток тепла из начальной зоны барабана в среднюю его часть. Если значение выходного сигнала регулятора 11 превышает пороговое значение

5 устройства 14 ограничения, то в сумматоре 21, плюсовой вход которого подключен к входу ограничителя 14, а минусовой вход к выходу ограничителя 14, начинает формироваться сигнал, который через устройство 23 ограничения и согласующее устройство поступает в задатчик 25, где корректируется сигнал задания регулятора 13 соотношения топлива и воздуха. Таким образом в пределах ограничений, определяемых устройством 23 ограничения сигналов, изменяется величина газового потока, а следовательно, и его скорость по барабану вращающейся печи. При большей скорости газового потока интенсифицируется теплообмен между газовой средой, обрабатываемым материалом и корпусом барабана. Если указанные управляющие воздействия не устранили рассогласование между сигналами датчика 42 температур и устройства 20, то после того, как сигнал на выходе устройства 23 ограничения достигает насыщения, на выходе сумматора 22 по аналогии с работой сумматора 21 начинает формироваться корректирующий сигнал, который через согласующее устройство 27 изменяет в устройстве 28 уровень задания регулятора 29 расхода пара. Изменение расхода пэра на вход барабана эффективно влияет на изменение температурного режима, причем при увеличении расхода пара температура в начальной зоне уменьшается, а в средней части увеличивается. По сравнению с воздухом пар имеет большую удельную теплоемкость, поэтому является эффективным транспортировщиком тепла из камеры сгорания в центральную часть барабана. Кроме того, невозможность регулировать соотношение топлива и воздуха с большим коэффициентом избытка воздуха из-за чрезмерного увеличения содержания кислорода в газовой среде в начальной зоне барабана негативно сказывается на эффективности процесса активации, а также повышается степень пожароопасности процесса. Насыпная плотность готового продукта измеряется датчиком 9 и регулируется устройством 30, причем регулирующий сигнал делится на два поддиапазона с помощью ограничительных устройств 31 и 38. В первом поддиапазоне выходной сигнал регулятора 30 ограничивается по максимуму в устройстве 38 и через согласующие устройства 39 и 40 поступает в устройство 19 и 41 формирования задающих сигналов соответственно регуляторам 10 и 11 температурного режима и регулятору 43 расхода активирующего агента. Причем сигнал задания регулятору 43 активирующего агента устанавливается в рамках ограничения по минимуму в устройстве 42, а уровень ограничения формируется в устройстве 37 сот- ношения сигналов загрузки исходного материале в барабан и частоты вращения барабана. Второй поддиапазон выходного сигнала регулятора 30 определяется устройством 31 ограничения на входе которого начинает применяться сигнал, как только сигнал в устройстве 38 войдет в зону ограничения. В этом случае выходной сигнал

устройства 31 через согласующее устройство 36 изменяет задание дозирующему устройству 2, а через согласующее устройство 32 корректирует сигнал задатчика 33 для регулятора 35 частоты вращения барабана.

0 Таким образом автоматический процесс входит в область такой производительности аппарата, при которой обеспечивается заданное качество готового продукта в области допустимых значений параметров

5 технологического режима.

Пример. При увеличении, например, насыпной плотности сверх заданного значения на выходе устройства 38 ограничения появляется сигнал, который через согласую0 щее устройство 39 увеличивает уровень задания регуляторам 10 и 11 температурного режима во вращающейся печи и одновременно через согласующее устройство 40 увеличивает уровень задания регулятору 43

5 расхода активирующего агента. Регулятор 10 температуры в начальной зоне увеличивает задание регулятору 12 расхода топлива для устранения рассогласования между сигналами датчика 41 и устройства 20. Регуля0 тор 11 температуры в средней части барабана вначале увеличивает уровень задания регулятору 17 разрежения, который увеличивает скорость протяжки газов по барабану и вынос тепла из начальной зоны

5 барабана в его центральную часть. После того, как выходной сигнал устройства 14 достиг установленного ограничения на выходе сумматора 21 появляется сигнал, который через согласующее устройство 24 изменяет

0 установку регулятора 13 соотношения топлива и воздуха, увеличивая коэффициент избытка воздуха. Тем самым увеличивается общий объем теплоносителя, поступающего из зоны топочной камеры в барабан. Так как

5 разрежение на входе в барабан стабилизирован автоматически, то при большем объеме теплоносителя увеличивается скорость его протяжки и передача тепла в центральную часть аппарата. Если и после этого тем0 пература в средней части не соответствует заданному значению, то появляется сигнал на выходе сумматора 22 и через согласующее устройство 27 увеличивается задание регулятору 29 расхода пара на разбавление

5 топочных газов. Если комплексное увеличение температуры и расхода активирующего агента не устранило рассогласования между сигналами датчика 9 насыпной плотности и эадатчика, что появляется сигнал на выходе устройства 31 ограничения, который через согласующие устройства 32 и 36 уменьшает частоту вращения барабана и задание дозирующему устройству 2. Одновременно через устройство 37 корректируется нижний предел ограничения для задающего устройства 42 регулятора 32 расхода активирующего агента. Уменьшение частоты вращения и загрузки исходного материала приводит к уменьшению степени заполнения барабана и к интенсификации процесса активации, в результате которого насыпная плотность готового продукта приходит к заданному значению.

При использовании предлагаемого способа управления процессом активацииугле- родсодержащих материалов увеличивается выход готового продукта, стабилизируется качество активированных материалов за счет повышения точности управления при расширенном диапазоне управляющих воздействий. Кроме того, расширенный диапазон управляющих воздействий позволяет достичь заданного качества готового продукта при повышенной производительности аппарата. Расчет, например, по полиноминальной модели (1) показывает, что одно и то же значение насыпной плотности можно поддерживать при увеличенной загрузке материала в барабан, но и при повышенной температуре по всей длине аппарата. А для этого необходим расширенный диапазон управляющих воздействий.

Экспериментальное опробование спо соба автоматического управления процессом активации показало, что регулируемое значение насыпной плотности отличалось от заданного не более чем на 3%, что удовлетворяет требованиям классификации продукта на марки определенного качества. Например, гранулированный активный ре- куперационный уголь в зависимости от показателей (по ГОСТ 8703-74), одним из которых является касыпная плотность, подразделяется на марки следующим образом (см. таблицу).

Формула изобретения

Способ автоматического управления процессом активации гранулированных уг- 5 леродсодержащих материалов во вращающейся печи, включающий регулирование подачи активирующего агента в печь в зависимости от насыпной плотности готового продукта, регулирование подачи пара в

0 печь, соотношения расходов топлива и воздуха в печь изменением подачи воздуха, загрузки исходного материала в печь, частоты вращения барабана печи, температурного режима в начальной и центральной частях

5 барабана печи и регулирования разрежения в печи изменением расхода отходящих газов, отличающийся тем, что, с целью увеличения выхода готового продукта за счет стабилизации его качества, дополни0 тельно регулируют в заданном диапазоне температурный режим в начальной и центральной частях барабана печи в зависимости от насыпной плотности готового продукта, при этом температурный режим в

5 нз зльной части барабана печи регулируют изменением поди п топлива в печь, а температурный рг им в центральной части барабана печи - р мсяением величины разрежения в печи при достижении заданного

0 граничного значения которого изменяют соотношение расходов топпива и р ,yxa в печь, при достижении заданного граничного значения этого соотношения изменяют подачу пара в печь, регулирование подачи

5 активирующего агента осуществляют до достижения величиной соотношения загрузки исходного материала и частоты вра- щения барабана печи заданного минимального значения, а при достиже0 нии величиной расхода активирующего агента заданного максимального значения изменяют частоту вращения барабана печи, загрузку исходного материала и заданное минимальное значение соотношения

5 загрузки исходного материала и частоты вращения барабана печи.

Изобретение относится к автоматизации процессов термической обработки угле- родсодержащих материалов и может быть использовано для автоматизации процесса парогазовой активации углеродсодержа- щих материалов в производстве гранулированных и дробленых активных углей и позволяет увеличить выход качественного продукта за счет стабилизации его качества. Способ автоматического управления процессом активации гранулированных уг- леродсодержащих материалов во вращающейся печи заключается в регулировании подачи активирующего агента в печь в зависимости от насыпной плотности готового продукта, регулировании подачи пара в печь, соотношения расходов топлива и воздуха в печь изменением подачи воздуха, загрузки исходного материала в печь, частоты вращения барабана печи, температурного режима в начальной и центральной частях барабана печи, регулирования разрежения в печи изменением расхода отходящих газов и регулировании в заданном диапазоне температурного режима в начальной и центральной частях барабана печи в зависимости от насыпной плотности готового продукта, при этом температурный режим в начальной части барабана печи регулируют изменением подачи топлива, в печь, а температурный режим в центральной части барабана печи -изменением величины разрежения в печи, при достижении заданного граничного значения которого изменяют соотношение расхо- дов топлива и воздуха в печь, при достижении заданного граничного значения этого соотношения изменяют подачу пара в печь, регулирование подачи активирующего агента осуществляют до достижения величины соотношения загрузки исходного материала и частоты вращения барабана печи заданного минимального значения, а при достижении расхода активирующего агента заданного максимально-, го значения изменяют частоту вращения барабана печи, загрузку исходного материала и заданное минимальное значение соотношения загрузки исходного материала и частоты вращения барабана печи. 1 ил., 1 табл. СП с VI со о о N) СП