Способ управления процессом обжига апатита во вращающейся печи Советский патент 1993 года по МПК F27D19/00 

Изобретение относится к способам автоматического управления процессом обжига сырья во вращающейся печи, например, апатитового концентрата в процессе производства кормовых обесф- торенных фосфатов и может быть использовано в промышленности минеральных удобрений.

Цель изобретения - повышение качества готового продукта за счет повышения точности управления.

На фиг.1 представлена блок-схема устройств, реализующего описываемый способ; на фиг.2 - алгоритм определения расхода топлива; на фиг.З - алгоритм определения температуры спекания; на фиг.4 - алгоритм определения внешней поверхности стенки печи.

Объектом управления является печь 1, вращение которой осуществляется двигателем 2. Система содержит датчик 3 температуры отходящих газов в пыльной камере (Тог), датчик 4 поступающей в печь шихты ). датчик 5 содержания кислорода в отходящих газах (О2). датчик 6 содержания оксида магния в апатите (МдО). датчик 7 содержания диоксида углерода в апатите (С02), датчик 8 содержания оксида кальция в апатите (СаО), датчик 9 содержания оксида фосфора в апатите (PzOs). датчик 10 скорости ветра (Ув), датчик 11 температуры окружающей среды (tCp), датчик 12 концентрации фосфорной кислоты (НзРО-О, датчик 13 разряжения в пыльной камере (Р), датчик 14 расхода фосфорной кислоты (G), датчик 15 расхода апатита (Ga). датчик 16 расхода топлива (GT), датчик 17 расхода пара (Gn) датчик 18 расхода воздуха (GB). датчик 19 скорости вращения печи (п), исполнительные механизмы 20...26. управляющее вычислительное устройство (УВУ) 27.

Ё

00

Ю

VI ел

-ч

Система работает следующим образом.

Вращение печи 1 осуществляется двигателем 2. Стабилизацию скорости вращения печи осуществляет упрапляющее вычислительное устройство 27, используя датчик скорости вращения печи 19 и исполнительное устройство 26. В про.цессе обжига в форсунку печи поступает жидкое топливо (мазут) GT, перегретый пар на рас- пыл топлива Gn, воздух GB, расходы которых измеряются соответственно датчиками расхода 16, 17, 18. Управляющее вычислительное устройство стабилизирует концентрацию кислорода в отходящих газах 02%, которая измеряется датчиком 5 путем воздействия на расход воздуха (исполнительный механизм 21) и на растяжение в печи (исполнительный механизм 25). Расход апатита Ga измеряется датчиком 15. Стабилизацию расхода апатита осуществляет управляющее вычислительное устройство путем воздействия на исполнительный механизм 24. .

Расход фосфорной кислоты GK устанавливается, исходя из необходимости поддержания в шихте, поступающей на обжиг, стехиометрического отношения:

(МСаО + 1 /2 М MgOJ/M PzOs 3

где МСаО, MMgO, MP20s - количество молей оксида кальция СаО, оксида магния МдО и оксида фосфора Р20з в шихте.

Исходя из этого соотношения, значение расхода фосфорной кислоты GK определяется по формуле:

Ск 1,38 10 47,3 (СаО/56 + + MgO/4G) - P20s Оа/НзР04

где Gx - расход фосфорной кислоты, кг/ч;

Ga- расход апатита, т/ч,

СаО, MgO, P20s - процентное содержание оксида кальция, оксида магния, оксида фосфора в апатите, %;

- концентрация фосфорной кислоты, %.

Расчитанное значение расхода фосфорной кислоты GK выставляется управляющим вычислительным устройством и стабилизируется путем использования датчика расхода фосфорной кислоты 14 и исполнительного механизма 23.

Содержание MgO, C02, СаО, P20s в апатите определяется путем дискретного измерения соответственно датчиками б, 7, 8. 9. Концентраций фосфорной кислоты НзРОч измеряется датчиком 12.

В процессе обжига непрерывно измеряют температуру отходящих газов в пыльной камере Тог, температуру поступающей в печь шихты Тш. концентрацию кислорода в

пыльной камере 02, скорость ветра VB, температуру окружающей среды ТСр соответственно датчиками 3, 4, 5, 10, 11.

Все непрерывно измеряемые параметры процесса обжига сырья поступают на

вход управляющего вычислительного уст- . ройства 27. На основе этой информации определяется по заданному алгоритму расход топлива GT, при котором гарантируется заданное качество готового продукта, Алгоритм определения расхода топлива GT представлен на фиг.2.

В блоке 1 осуществляется ввод исходных данных емпературы шихты Тш, состава топлива S, содержания оксида магния

MgO и диоксида углерода С02 в апатите, скорости ветра VB. температуры окружающей среды ТСр, начального расхода топлива GT°, расхода материала GM, концентрации кислорода в пыльной камере 02.

в логических блоках 2, 4, б происходит классификация сырья на три разновидности с зависимости от содержания MgO и С02 в апатите. В блоках 3, 5, 7 задаются в зависимости от разновидности сырья границы максимальной температуры спекания сырья и tcnmax, при которых происходит получение качественного продукта. Если вид сырья неизвестен, то происходит переход на ручное управление (блок 3). В блоке 9

логической переменной I присваивается значение устанавливается начальное значение расхода топлива GT°. В блоке 10 определяется значение максимальной температуры спекания ten. Если ten входит в

допустимые гранулы (блок 11) и имеет значение true (блок 13), то определяется левая граница диапазона расхода топлива GTmln. при котором продукт получается качественным и присваивается значение false (блок

14). В блок 15 текущий расход топлива увеличивается на шаг ДСт и осуществляется переход на блок 10. Если ten не входит в допустимые границы и имеет значение false (блок 12), то определяется правая

граница диапазона расхода топлива Grmax (блок 16). t

В блоке 17 выбирается расход топлива GT как среднее из диапазона GTmin, Grmax. При таком расходе топлива продукт должен

получаться кондиционным.

Рассчитанное управляющим вычислительным устройством значение расхода топ- лива GT выставляется исполнительным механизмом 20. Управляющее вычислительное устройство стабилизирует соотношение

расхода топлива GT и пара Gn. подаваемого на распыл топлива. Расход пара измеряется датчиком 17 и устанавливается исполнительным механизмом 22. .

Максимальная температура материала в зоне спекания ten вычисляется в блоке 10 на основе математической модели процесса теплообмена. Считается, что материал в сечении расположен в виде тонкого кольца. Температура материала и внутренней поверхности стенки равны. Математическая модель представляет собой систему двух обыкновенных дифференциальных уравнений, описывающих распределение температур газа:

CrGTdTT/dl ЕОЬ OV-Тм4) х хлгО-2гпе гп(ы)()ОнрСт и материала по длине печи

См GM d Тм/dl Е00 fTr4 - Тм4) X ХЯО-рпГГм, VB. Тер) Граничные условия имеют вид: Тм/|-0 Тш. Tr/H. TCp

где Сг, См - коэффициент теплоемкости газа и материала, Дж/кг К;

е - степень черноты поверхности материала;

OQ- коэффициент излучения абсолютного черного тела. Вт/м2К4;

D - внутренний диаметр печи, м; - Gr. GM - расход газа и материала, кг/с:

Тг, Тм - температура газа и материала, Кг

G - расход топлива, кг/с;

QHP - теплота, выделяющаяся при сгорании 1 кг топлива, Дж/кг;

дп(Тм, VB. ТСр) - потери тепла футеровкой в окружающую среду, ВТ/м;

VB - скорость ветра, м/с;

Тер - температура окружающей среды, К;

I - текущая длина печи, м;

| - полная длина печи, м;

m - экспериментальная контакта:

Тш - температура поступающей в печь шихты, К.

Система дифференциальных уравнений решается с использованием метода Рунге- Кутта IV порядка. Интегрирование системы дифференциальных уравнений начинается с холодного конца печи.

0

При этом граничные условия для материала известны, т.е. Тм1 к Тш, а граничными условиями для газа Tffi-o Tor задаются. Температура отходящих газов Т„г в граничных условиях подбирается до тех пор, пока при решении системы дифференциальных уравнений температура газа при I L станет равна температуре среды , т.е. будет выполняться условие

Trl|-L Тер

Для подбора граничного условия по газу используется метод половинного деления.

в результате решения системы дифференциальных уравнений определяется распределение температуры материала по длине печи, максимум которой соответствует максимальной температуре материала в зоне

спекания ten. Алгоритм определения ten показан на фиг.З.

В блоке 1 расчитываются параметры горения топлива: коэффициент избытка воздуха оь, действительный расход воздуха на

горение 1 кг топлива LA, м3/кг, объем продуктов сгорания 1 кг топлива V , м3/кг, теплота сгорания 1 кг топлива Онр Дж/кг. Эти параметры определяются на основе данных в составе топлива, процентном содержании

углерода Ср, водорода Нр, кислорода Ор. серы Sp, воды Wp, концентрации кислорода в пыльной камере 02. %. количество пара на распыл 100 кг топлива Л/ф, кг/кг. Формулы для расчета величин оь, 1, V,, QHP имеют вид

оъ LJ-сь 4,762 - 0,01 (1,867 Ср + + 5,6HP + 0,7(SP-QP)) VL 0,01-1,867 Ср + 0.07 Sp + + 0,,8 Np + 3,762/4.762 L +

оС

+ 0.01 11,2 Нр 1.24 (Wp + А/ф) + + (йЬ-1)/(ЗЬ- 4.762) 1

QHp-(340Cp + 1030Hp-1091 Op- -SP-25WP)103.

где оь - коэффициент избытка воздуха;

Оа- концентрация кислорода в пыльной камере, %;

Ц- действительный расход воздуха на горение 1 кг топлива, м3/кг;

Ср, Нр, Ор, Sp, Wp - процентное содержание в топливе углерода, водорода, кислорода, серы, воды, %;

4,-обьем продуктов сгорания 1 кг топлива, м3/кг;

Qnp - теплота сгорания 1 кг топлива, Дж/кг;

- количество пара на распыл 100 кг топлива, кг/кг.

В блоке 2 задаются допустимые границы возможных значений температуры отходящих .газов Т0г, являющейся граничным условием для решения дифференциального уравнения.

В блоке 3 принимается значение газа 7Y на выходе равной А и логической переменной 1 присваивается значение true.

-В блоке 4 выбирается начальное приближение для определения температуры наружной стенки печи Тст. В блоке 5 проверяется условие оксинаиия поиска граничного условия Тог.

В блоке б задается значение текущей длины печи I - 0, температура материала на входе в печь Тм Тш, начальный шаг интегрирования Д|, для поиска ТСц принимается Теп Тм, вычисляются вспомогательные переменные ei, F. В блоке 7 текущая длина увеличивается на шаг интегрирования Д1.

В блоке 8 вычисляется теплота от сгорания топлива на длине печи. В блоке 9 расчитывается расход газа на длине печи. В блоке 10 по формулам интегрирования дифференциальных уравнений методом Рунге- Кутта определяется температура газа Тг на длине печи, В блоке 11 вычисляется погрешность интегрирования дифференциального уравнения Д. Если погрешность Д превышает заданную величину и шаг ДI не слишком мал (блок 12), то шаг интегрирования уменьшается в два роза и интегрирование продолжается с малым шагом. Если точность Д достаточна, то в блоках 14, 16 проверяется условие на правильность значения допустимых границ А и В. В блоках 15, 17 изменяются границы А и В, интегрирование начинается с начала при 0.

В блоке 18 по формуле интегрирования дифференциального уравнения методом Рунге-Кутта определяется температура материала по длине печи.

В блоках 19, 20 определяется искомая температура.

В блоке 21 проверяется условие на окончание интегрирования.

В блоке 22 вычисляется расхождение 6 между заданным граничным условием

Тг/и. Тер и найденным Тг при интегрировании дифференциального уравнения. В блоке 23-28 реализуется метод половинного деления для определения Т0г. В блоке 18 потери тепла в окружающую среду gn на длине I определяется из решения системы уравнений.

10

qn 2 я(Тм - Тст) Vln((D + 2пф)/0) (а) Qn («л + «к ХТст - Тер) л:(О + 2Ьф) (Ь) «л еп сг0 (Тс/ - TcpVCTcr ТСР) (с)

15 «k 0,00672 Ль 1#905/(г#905 х

х (D + 2г,ф)° 095(d)

20

Qn

(е)

где Тст температура внешней поверхности стенки печи, К,ф

Аф - коэффициент теплопроводности материала футеровки, Вт/(м К); Ьф - толщина футеровки, м; Gn - коэффициент теплоотдачи лучеиспусканием от внешней поверхности стенки печи, Вт/(м2К);

°fc коэффициент теплоотдачи конвекцией от внешней поверхности стенки печи,

Вт/(м2к);

Ль - коэффициент теплопроводности воздуха, Вт/(мК);Vb - коэффициент кинематической вяз- кссти воздуха, м 7с.

Искомая температура внешней поверхности стенки печи ТСт определяется методом секущих. Алгоритм определения ТСт

показан на фиг.4, где So, 81, 82, (о. а& , U являются вспомогательными переменными.

Через каждые 24 ч проводится коррекция коэффициента степени черноты

e модели. Для этого уточняется значение, при котором функция невязки имеет минимум:

ко-2 (

К И

Т§т(к.)Тбт(к)2

Tgrf)

)

где Т0тэ - значение температур отходящих газов в пыльной камере, измеренные в по- следние 48 часов;

Тотр - расчетные значения температур отходящих газов.

Коррекция коэффициента Е определяется согласно алгоритму, показанному на фиг.5.

Таким образом, введение в систему управления измерений состава сырья, температуры окружающей среды и скорости ветра, определения в результате расчета по математической модели на основе получен- ной информации значения расхода топлива, гарантирующего заданное качество получаемого продукта, позволяет построить более совершенную систему управления процессом обжига апатитового концентрата во вращающейся печи в отличие от прототипа, так как в управлении учитывается влияние состава сырья и атмосферных факторов на качество продукта. Расчет определения температуры по длине печи позволит более точно определить температуру материала в зоне спекания по сравнению со способом определения температуры, используемого в прототипе. Регулирование соотношения расходов апатита и фосфорной кислоты в зависимости от состава апатита и концентрации кислоты позволяет уменьшить влияние возмущений по составу сырья на качество получаемого продукта.

Технико-экономической эффективно- стью описываемого способа является снижение расходных норм по топливу и по фосфорной кислоте.

Формула изобретения

Способ управления процессом обжига апатита во вращающейся печи, включающий измерение и изменение расхода топлива, измерение и стабилизацию расходов апатита и фосфорной кислоты, измерение разряжения в пыльной камере печи, программное усреднение за 1 ч непрерывно измеряемых величин, отличающийся тем, что, с целью повышения качества готового продукта за счет повышения точности управления, измеряют и стабилизируют скорость вращения печи, стабилизируют концентрацию кислорода в пыльной камере путем изменения расхода воздуха и разряжения в печи, измеряют расход пара, температуры апатита и отходящих газов, температуру среды и скорость ветра около печи, концентрацию оксида магния и диоксида углерода в апатите, определяют состав топлива, вычисляют на основе математической модели процесса теплообмена температуру спекания в печи по составу топлива, измеренным величинам температуры и расхода апатита, температуры окружающей среды и скорости ветра около печи, концентрации кислорода в пыльной камере и с учетом коэффициента черноты поверхности материала, причем изменение расхода топлива ведут по отклонению вычисленной температуры от задания, значение которого устанавливают в зависимости от измеренных величин оксида магния и диоксида углерода в апатите, стабилизируют соотношение расходов пара и топлива, а коэффициент степени черноты поверхности материала корректируют по температуре отходящих газов.

s

Зс

Ja

Использование: промышленность минеральных удобрений, управление процессом обжига апатита во вращающейся печи. Сущность: вычисляют температуру спекания в печи на основе математической модели процесса теплообмена по составу топлива, измеренным величинам температуры и расхода апатита, температуры окружающей среды и скорости ветра около печи, концентрации кислорода в пыльной камере и с учетом коэффициента черноты поверхности материала, изменение расхода топлива ведут по отклонению вычисленной температуры от задания, коэффициент степени черноты поверхности материала корректируют по температуре отходящих газов. 5 ил.

p ®

, ©

S

v

4

I

in

f CM

00

Ј Z7}& frfixfu

№ №$-JtfZ-jZ &J f

ff-jPf X e/}

fsW/Ft-jttf-j-xW V Ъ-i/jW 3V

(«y- yJ/№-j{# S2j fr Г W«7/ /-//f

(($-jl j-jDy)- /

ifSiZSt

$

I

ч

: V

Ј

сч

00

S

5в & $9$ Тел

Ј « fftvt/e

Јд/ /г/Ј/ е/я/

/ р#/ Щ//Д4

W,MM w

fa / w-Ja/ 03 b(-Z0f zeb-#fe

lit -- &/ J ur-fy

far fr Ј -f&fre

.

№ff

w-Ja/ zeb-#fe

т

§ю, 4

( ЗГОР