Способ управления процессом обжига апатита во вращающейся печи

 

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.

СО!ОЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)з F 27 0 19/00

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (I 0CllATEHT CCCP) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4952820/33 (22) 03,06.91 (46) 15,07.93. Бюл. N 26 (71) Тамбовский институт химического машиностроения (72) B È.Áîäðîâ, В.Г.Матвейкин, В.М.Ражев, А,Е,Немтинов, С.В.Фролов, Ю.В.Фролов и

В,Я,Финк (56) Авторское свидетельство СССР

f+ 1150461, кл. F 27 О 19/00, 1983.

Авторское свидетельство СССР

N. 1428900, кл. F 27 D19/00,,1986. (54) СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ

ОБЖИГА АПАТИТА ВО ВРАЩАЮЩЕЙСЯ

ПЕЧИ

Изобретение относится к способам автоматического управления процессом обжига сырья во вращающейся печи, например, апатитового концентрата в процессе производства кормовых обесфторенных 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 устройства, рвалиэующего описываемый способ; на фиг.2 — алгоритм определения расхода топлива; на фиг.3 — алгоритм определения температуры спекания; на фиг.4— алгоритм определения внешней поверхности стенки печи.

Объектом управления является печь 1, вращение которой осуществляется двигате„„59„„1827517 А1 (57) 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. лем 2. Система содержит датчик 3 температуры отходящих газов в пыльной камере (Ter), датчик 4 поступающей в печь шихты

{Тщ), датчик 5 содержания кислорода в отходящих газах (Oz) датчик 6 содержания оксида магния в апатите (MgO), датчик 7 содержания диоксида углерода в апатите (С02), датчик 8 содержания оксида кальция в апатите(СаО), датчик 9 содержания оксида фосфора в апатите (Р205), датчик 10 скорости ветра (Ч ), датчик 11 температуры окружающей среды (tcp), датчик l2 концентрации фосфорной кислоты (НзР04), датчик 13 разряжения в пыльной камере (P), датчик 14 расхода фосфорной кислоты (GK), датчик 15 расхода апатита (Ga), датчик 16 расхода топлива (G ), датчик 17 расхода пара (G,) датчик

18 расхода воздуха (G ). датчик 19 скорости вращения печи (п), исполнительные механизмы 20...26, управляющее вычислительное устройство (УВУ) 27.

1827517

Система работает следующим образом.

Вращение печи 1 осуществляется двигателем 2. Стабилизацию скорости вращения печи осуществляет управляющее вычислительное устройство 27, используя датчик скорости вращения печи 19 и исполнительное устройства 26. В процессе обжига в форсунку печи поступает жидкое топливо (мазут) GT, перегретый пар на рас. пыл топлива G, воздух 6>, 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 и печи (исполнительный механизм 25). Расход апатита Ga измеряетсч датчиком 15. Стабилизацию расхода апатита осуществляет управляющее вычислительное устройство путем воздействия нэ исполнительный механизгл 24.

Расход фосфорной кислоты 6» устанавливается, исходя из необходимости поддержания в шихте, поступающей нэ обжиг, стехиометрического отношения; (MCa0 1/2 MMgO)/MPz0-.=3 где MCaO, MMgO, МР205 — количество молей оксида кальция СаО, оксида магния

Mg0 и оксида фосфора Р20 в шихте.

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

G»= 1.38 10 (47,3 (Са О/56 +

+ Mg0/40) — Р205) Ga!НзРОл где 6» — расход фосфорной кислоты, xr/ч;

Ga — расход апатита, т/ч, СаО, Mg0, PzOs — процентное содержание оксида кальция, оксида магния, оксида фосфора в апатите, ;

НзР04 — концентрация фосфорной кислоты, ь.

Рэсчитанное значение расхода фосфорной кислоты G» выставляется управляющим вычислительным устройством и стабилизируется путем использования датчика расхода фосфорной кислоты 14 и исполнительного механизма 23, Содержание Mg0, С02, Са0, Р205 в апатите определяется путем дискретного измерения соответственна датчиками 6, 7, 8, 9. Концентрация фосфорной кислоты

НзРОл измеряется датчиком 12.

В процессе обжига непрерывна измеряют температуру отходящих газов в пыльной камере T>r. температуру поступающей в печь шихты Тш, концентрацию кислорода в

5 пыльной камере Oz, скорость ветра Va, температуру окружающей среды Тср соответственно датчиками 3, 4, 5, 10, 11.

Все непрерывно измеряемые параметры процесса обжига сырья поступают на

"0 вход управляющего нычислительнога уст. ройства 27. На основе этой информации определяется по заданному алгоритму расход топлива Gt, при котором гарантируется заданное качество готового продукта. Алго15 ритм определения расхода топлива 6г представлен на фиг.2.

В блоке 1 осуществляется ввод исходных данных: температуры шихты Тш, состава топлина S, содержания оксида магния

MgO и диоксида углерода COz в апатите, скорости ветра Ч,. температуры окружающей среды Т,р, начального расхода топлива

G-,o, расхода материала 6м, концентрации кислорода в пыльной камере Oz.

В логических блоках 2, 4, 6 происходит классификация сырья на три разновидности в зависимости от содержания MgO и С02 в апатите. В блоках 3, 5, 7 задаются в зависимости от разновиднОсти сырья границы мак30 симальной температуры спекания сырья

tea и tcn при которых происходит получение качественного продукта. Если вид сырья неизвестен, то происходит переход на ручное управление (блок 3). В блоке 9

35 логической переменной l присваивается значение "true".; устанавливается начальное значение расхода топлива GT, В блоке 10 определяется значение максимальной температуры спекания Еса. Если tcn входит в

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

14). В блок 15 текущий расход топлива увеличивается на шаг Мт и осуществляется переход на блок 10. Если tc< не входит в допустимые границы и l имеет значение

"false" (блок 12), то определяется правая

50 граница диапазона расхода топлина GT" " (блок 16).

В блоке 17 выбиоается расход топлива

Gt как среднее из диапазона (6т ", 6г ").

При таком расходе топлива продукт должен

55 получаться кондиционным.

Рассчитанное управляющим вычислительным устройством значение расхода топлива Gt выставляется исполнительным механизмом 20. Управляющее вычислительное устройство стабилизирует соотношение

1827517 расхода топлива От и пара Gn подаваемого на распыл топлива. Расход пара измеряется датчиком 17 и устанавливается исполнительным механизмом 22.

Максимальная температура материала в зоне спекания tcn 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:

Сг От d Тт/dl 0о {Tr — TM ) X

z хж0-2me 1" 1(L-1) 0 Р От и материала по длине печи

См Ом б TM/dl GOo (Tr Тм ) X х Л0"С1п(Тм, Vs Tcp)

Граничные условия имеют вид;

TM/1» 0 Тш, Tr/Í. Тср где Сг, См — коэффициент теплоемкости газа и материала, Дж/кг К;

e — степень черноты поверхности материала; оо- коэффициент излучения абсолютного черного тела, Вт/м К;

2 4, 0 — внутренний диаметр печи, м;

° Gr, Ом — расход газа и материала, кг/с;

Tr, T> — температура газа и материала, К;

GT — расход топлива, кг/с;

QHp — теплота, выделяющаяся при сгорании 1 кг топлива, Дж/кг; цл{Тм, Н, Tcp) — потери тепла футеровкой

s окружающую среду, ВТ/м;

Ч вЂ” скорость ветра. м/с;

Т р — температура окружающей среды, К;

1- текущая длина печи, м;

L — полная длина печи, м;

m — экспериментальная контанта:

Т вЂ” температура поступающей в печь шихты, К.

Система дифференциальных уравнений решается с использованием метода РунгеКупа IV порядка, Интегрирование системы дифференциальных уравнений начинается с холодного конца печи.

При этом граничные условия для материала известны, т.е. T l t-o- Тщ, а граничными условиями для газа Т4-о - Тог задаются.

Температура отходящих газов Т, в граничных условиях подбирается до тех пор, пока при решении системы дифференциальных уравнений температура газа при l - L станет равна температуре среды Т,>, т.е. будет выполняться условие

Trll""Е = Tcp

Для подбора граничного условия по газу исполъзуется метод половинного деления.

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

20 спекания tcn. Алгоритм определения tcn показан на фиг.3.

В блоке 1 расчитываются параметры горения топлива: коэффициент избытка воздуха ао, действительный расход воздуха на горение 1 кг топлива Lg, м /кг, объем проз дуктов сгорания 1 кг топлива V, м /кг, теплота сгорания 1 кг топлива Q

30 углерода СР, водорода НР, кислорода Ор. веры SP, воды WP, концентрации кислорода в пыльной камере 02, $, количество пара на распыл 100 кг топлива М/ф, кг/кг. Формулы для расчета величин а, 1, V, 0>р имеют вид

21-02

1 ао 4,762 — 0,01 (1,867 Cp +

+ 5,6 Н + 0,7 (SP — Q ))

V 0,01 ° 1,867 СР + 0,07 $Р +

+0,01 0.8 Йр+ 3,762/4,762 L +

+ 0.01 {11,2 HP + 1,24 (WP + И/фЦ +

+(ао — 1)/(ао . 4,762) 1 „1, Он" (340СР + 1030НР— 1091 ОР—

- SP — 25W" 10з, где ao — коэффициент избытка воздуха;

02- концентрация кислорода в пыльной камере, ;

1827517

Lg- действительный расход воздуха на горение 1 кг топлива, мз/кг;

С, Н, О", SP, УР— процентное содержание в топливе углерода, водорода, кислорода, серы, воды., (;

Vg обьем продуктов сгорания 1 кг топлива, м /кг;

ОпР— теплота сгоРаниЯ 1 кг топлива, Дж/кг;

Иф — количество пара на распыл 100 кг топлива, кг/кг.

В блоке 2 задаются допустимые границы возможных значений температуры OTxo" дящих газов Топ являющейся граничным условием для решения дифференциального уравнения.

В блоке 3 принимается значение газа Тг 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 оксинания поиска граничного условия Tor.

В блоке 6 задается значение текущей длины печи I О, температура материала на входе в печь Т = Tnr, начальный шаг интегрирования A I, для поиска Т п принимается

Tcn = Тм, вычисляются вспомогательные переменные ît, F. В блоке 7 текущая длина увеличивается на шаг интегрирования Л I.

В блоке 8 вычисляется теплота от сгорания топлива на длине печи, В блоке 9 расчитывается расход газа на длине печи. В блоке IO по формулам интегрирования дифференциальных уоавнений методом РунгеКутта onðåäåëëåòñÿ температура газа Tr на длине печи. В блоке 11 вычисляется погрешность интегрирования дифференциального уравнения Л. Если погрешность Л превышает заданную величину и шаг A I не слишком мал (блок 12), ти шаг интегрирования уменьшается в два раза и интегрирование продолжается с малым шагом. Если точность Л достаточна, то в блоках 14. 16 проверяется условие на правильность значения допустимых границ А и B. В блоках 15, 17 изменяются границы А и В, интегрирование начинается с начала при I О.

В блоке 18 по формуле интегрирования дифференциального уравнения методом

Рунге-Кутта определяется температура материала по длине почи, В блоках 19, 20 определяется искомая температура.

В блоке 21 проверяется условие на окончание интегрирования.

В блоке 22 вычисляется расхождение д между заданным граничным условием

Тг/ -L = Тср и найденным Tr при интегрировании дифференциального уравнения. В блоке 23-28 реализуется метод половинного деления для определения Tor. В блоке 18

5 потери тепла в окружающую среду gn на длине 1 определяется из решения системы уравнений.

qn =-2 л(Тм — Т„)Ар/4п((О+ 2Ьф}/О) (а}

qn"= (ал + а,)(Tcr — Tcp) л(О+ 2h ) (b) ап = еп оо (Т вЂ” Tcp )/(Tcr — Тср) (с)

4 а. = 0,00672 Л РО5 /(эРо5 х х (О+ 2Ьф)оЮ5

qn =qn =цп (е) (тотЯ- т {r ) ) 2 к =.1 ТГт(") 00 где Тот — значение температур отходящих газов в пыльной камере, измеренные в последние 48 часов;

ТптР— Расчетные значениЯ темпеРатУР отходящих газов.

Коррекция коэффициента к определяется согласно алгоритму, показанному на фиг.5. где Tcr — температура внешней поверхности стенки печи, К;

Ц вЂ” коэффициент теплопроводности материала футеровки, Вт/(м К); ц — толщина футеровки, м; ал — коэффициент теплоотдачи лучеиспусканием от внешней поверхности стенки печи, Вт/(м К);

30 ак — коэффициент теплоотдачи конвекцией от внешней поверхности стенки печи, . Вт/(м К);

ßü — коэффициент теплопроводности воздуха, Вт/(м К);. рь — коэффициент кинематической вязt:eñòè воздуха. м /с.

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

40 показан на фиг.4, где Яо, Я1, Sz, в . ce, La являются вспомогательными переменными, Через каждые 24 ч проводится коррекция коэффициента степени черноты

45 е модели. Для этого уточняется значение, при котором функция невязки имеет минимум

1827517

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- 5 ной информации значения расхода топлива, гарантирующего заданное качество получаемого продукта. позволяет построить более совершенную систему управления процессом обжига апатитового концентрата во 10 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 15 точно определить температуру материала в зоне спекания по сравнению со способом определения температуры, используемого в и рототи пе. Регулирование соотношения расходов апатита и фосфорной кислоты в 20 зависимости от состава апатита и концентрации кислоты позволяет уменьшить влияние возмущений по составу сырья на качество получаемого продукта.

Технико-экономической эффективно- . 25 стью описываемого способа является снижение расходных норм по топливу и по фосфорной кислоте.

Формула изобретения 30

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 pара и топлива, а коэффициент степени черноты поверхности материала корректируют по температуре отходящих газов.

1827517

182Т537

1827517

182 7Я7

182 7Яу

1827517

182751 Т

Фи . б.

Составитель И.Плотникова

Техред М,Моргентал Корректор Г,Пекарь

Редактор Т.Иванова

Производствейно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина. 101

Заказ 2351 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35. Раушскэя наб,. 4/5