Автоматизация управления процессом обжига сырья в производстве строительно-технологической извести

Во второй половине уходящего XX века объем известковых строительных растворов в индустриальном строительстве значительно снизился. Известковые растворы вытесняются из строительной практики таким эффективными вяжущими веществами, как высокопрочный и водостойкий портландцемент, быстро твердеющий и более дешевый гипс. Однако потребность строительной отрасли в извести продолжает увеличиваться. Это объясняется тем, что известь в промышленности строительного комплекса стала широко использоваться в производстве стеновых строительных деталей автоклавного твердения (силикатного кирпича, ячеистого и плотного силикатного бетонов). В настоящее время автоклавные изделия по объему производства занимают в Российской Федерации третье место после глиняного кирпича и железобетона.

В мировой практике около 60% общего количества извести производится в шахтных печах. Доля шахтных печей в обжиге карбонатных пород в РФ занимает более 75% и только 25% извести производится во вращающихся и других печных агрегатах. В то же время, при строительстве новых и реконструкции действующих известковых заводов и цехов предусматриваются в основном вращающиеся печи и, пока еще в меньшей степени, печи кипящего слоя. Это объясняется рядом преимуществ такого типа печей, к которым можно отнести: большую производительность единичного агрегата, достигающую 1000−1200 т в суткивозможность использования мелких фракций известняка размером 5−500 мм (в отдельных случаях до 3−5 мм), которые практически невозможно обжигать в шахтных печахвозможность обжига малопрочных и разрушающихся при нагревании, а также рыхлых известняков и меламеньшую продолжительность обжига и возможность получения извести с более стабильными свойствами. Однако, по таким показателям, как расход тепла и электроэнергии и вращающиеся, и печи кипящего слоя уступают шахтным печам. Затраты на сырье и топливо в этих печах составляют более 70% себестоимости готовой продукции.

Повысить эффективность производства извести в скоростных печах можно различными технико-организационными решениями, одним из которых является разработка и внедрение в практику заводской эксплуатации современных автоматических и автоматизированных систем управления из-весгково-обжигательными печами.

В связи с этим разработка математических моделей и алгоритмов управления, учитывающих особенности кинетики и технологии процесса обжига карбонатного сырья и ориентированных на современные средства управляющей вычислительной техники, с целью создания систем, обеспечивающих эффективность автоматизации процесса, определяет актуальность темы настоящей работы.

Диссертация выполнялась в соответствии с планами НИР кафедры Автоматизации инженерно-строительных технологий МГСУ в рамках межвузовской научно-технической программы «Строительств».

Цель работы — теоретическое и экспериментальное изучение процесса обжига известняка во вращающихся агрегатах и печах кипящего слоя, как объектах управления, и на основе этого синтез математических моделей процесса, алгоритмов и систем управления. Для достижения поставленной цели: выполнен анализ физико-химических, теплофизических, аппаратурных и режимных особенностей процесса в скоростных обжиговых печахвыявлены недостатки существующих способов и устройств управления рассматриваемыми печамидана их характеристика как объектов автоматизации и сформулирована задача исследованийизучены современные методы компьютерного моделирования, создано математическое описание, разработаны и построены экспериментально-аналитическая и статистическая модели процесса обжига известнякавыполнена сравнительная оценка экспериментальных и расчетных данных и установлена адекватность разработанных математических моделей реальным процессам обжига карбонатных породразработаны динамические алгоритмы управления процессом и предложены способы их реализации при эксплуатации рассматриваемых типов обжиговых печей: изучены статические и динамические характеристики технических средств стабилизации материальных потоков, выявлены их недостатки и сформулированы рекомендации, позволяющие увеличить точность и надежность работы устройств автоматической загрузки сырья и подачи пыле-угольного топлива в печь.

В перечисленных исследованиях и разработках использованы приемы и методы математического моделирования технологических процессов и топливных печей, методы проектной и оперативной оптимизации, а также синтеза систем автоматического и автоматизированного управления. Вычислительные эксперименты реализованы на цифровых и аналоговых компьютерах.

Научной новизной обладают следующие результаты выполненных исследований: экспериментально-аналитическая математическая модель процесса обжига, включающая уравнения мгновенных материальных и теплового балансов, учитывающих химическую и диффузионную кинетику диссоциации карбоната кальция, условия теплообмена и режим движения материала в рабочем пространстве печистатистическая математическая модель, определяющая зависимость показателя качества извести от температур на границах зоны обжига и состоящая из уравнения линейной регрессии, коэффициенты которого учитывают теплотехническое состояние печи потери тепла в окружающую среду, время пребывания материала в зоне действия соответствующих температур и степень влияния температур на формирование показателя качества готового продуктастатические и динамические алгоритмы управления процессом обжига, способы и устройства реализации которых связаны с непрерывным определением степени обжига исходного сырья и коррекцией заданий регуляторов расхода топлива в зависимости от количества газопылевых выбросовустройства для автоматической загрузки сырья с шщощыо тарельчатых питателей и непрерывных весовых дозаторов и автоматической стабилизации подачи в печь пылеугольного топливу.

Практическая значимость перечисленных выше результатов исследований для автоматизации процессов обжига в производстве строительно-технологической извести заключается в том, что они являются теоретической базой для научно-обоснованного выбора способов, структуры и технических средств управления обжиговыми печами на стадии проектирования новых и модернизации действующих АСУ ТП. Предварительные ориентировочные расчеты показывают, что резервы экономической эффективности, которые могут быть использованы благодаря внедрению перечисленных результатов исследований, в зависимости от производительности печных агрегатов и состояния технологии обжига, составляют от 1 до 7%.

На основе полученных практических результатов для АОЗТ Научно-производственный Центр «Энерготех» подготовлены рекомендации по выбору способов и технических средств автоматического управления извест-ково-обжигательными печами. Эти же результаты используются в учебном процессе при подготовке в МГСУ инженеров по специальностям: 21.02 -«Автоматизация технологических процессов и производств в строительстве» и 29.06 — «Производство строительных изделий и конструкций».

Результаты исследований отражены в 7 публикациях автора, докладывались и обсуждались на 11-й международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (г. Владимир, 1998 г.), 1-й и 2-й научно практических конференциях молодых ученых, аспирантов и докторантов МГСУ «Окружающая среда — Развитие — Строительство — Образование» (г. Москва, 1998 г.), «Строительство — Формирование среды жизнедеятельности» (г. Москва, 1999 г.), заседаниях Ученого Совета факультета «Механизация и Автоматизация строительства» и научных семинарах кафедры Автоматизации инженерно-строительных технологий МГСУ.

На основании результатов исследований и практических разработок на защиту выносятся следующие основные положения:

1. При разработке систем автоматического управления для проектируемых известково-обжигательных печей кипящего слоя построение математических моделей следует выполнять с использованием комбинированного (экспериментально-аналитического) метода, в то время, как применение формально-статистического метода, ограниченного необходимостью в действующем объекте, наиболее целесообразно для создания моделей процесса обжига во вращающихся агрегатах.

2. Поскольку разложение известняка является сложным топохимиче-ским процессом, состоящим из множества элементарных стадий, и ввиду трудности получения полного математического описания реального процесса, которое из-за громоздкости сложно использовать в практических расчетах, в диссертации рассматриваются идеализированные модели, так как принятие некоторых допущений не искажающих общей картины процесса, значительно упрощает получение конечного результата.

3. С учетом положений 1 и 2 комбинированная динамическая модель процесса обжига известняка для объекта с сосредоточенными параметрами должна учитывать наличие двух фаз процесса и состоять из уравнений мгновенных материальных балансов реакционного пространства печи по твердому исходному сырью и газообразному продукту его диссоциации, включающих скорости прямой и обратной реакций, адсорбции и десорбции газа, и учитывающих состояние поверхности взаимодействия. Уравнение мгновенного теплового баланса может оставаться единственным для каждой конкретной зоны печи.

4. При использовании математической модели для оперативного определения показателей качества обжига во вращающихся печах задача определения степени превращения исходного вещества при прохождении его через реакционное пространство должна решаться одновременно с расчетом температуры по длине печи. В этом случае вместо решения известного уравнения однопараметрической диффузии необходимо и достаточно измерять температуру материала в двух точках на границе зоны обжига, лимитирующих образование извести, а зависимость ее активности от измеренных температур представить в виде уравнения линейной регрессии.

5. Полученные результаты математического моделирования по исследованию статических и динамических свойств исследуемых объектов показали преимущества использования в качестве критерия автоматической оптимизации процесса величины степени обжига, определяемой путем кон.

10 троля газовой фазы, в частности, по величине концентрации диоксида углерода в отходящих газах и его количеству, образующемуся при горении топлива. В разработанном алгоритме управления предусмотрена возможность введения корректирующего воздействия регулятору расхода топлива по величине пылевыноса из печи.

6. Значительный рост эффективности процесса обжига возможен за счет повышения качества автоматической стабилизации работы узла загрузки сырьевых материалов в печь путем выбора рациональных схем и технических средств управления тарельчатым питателем, оптимальных настроек регулятора и весового дозатора, а также эксцентричного расположения бункера по отношению к тарели.

Основные результаты работы состоят в следующем:

1. Установлено, что в настоящее время строгая постановка задачи оперативного управления процессом обработки карбонатного сырья в производстве строительно-технологиеской извести практически невозможна, поскольку нельзя точно и достоверно назначить экономически и социально обоснованный критерий качества управления, определить все ограничения и дать количественную характеристику возмущающих воздействий. Трудно также перечислить возможные управления и определить область их допустимых значений. Если бы это и удалось сделать, то задача управления приобрела бы столь большую размерность, что алгоритмизация управления современными методами оказалась бы невозможной. Эту задачу следует подвергнуть декомпозиции — некоторому разделению на несколько подзадач меньшей размерности. Для каждой из подзадач необходимо назначить свои критерии управления, ограничения и допустимые управления. Все условия решения подзадач должны быть согласованы с соответствующими условиями исходной глобальной задачи управления производством извести в цепом.

2. Обоснована целесообразность при исследовании и разработке системы управления процессом обжига известняка в проектируемых печах кипящего слоя использования нелинейной экспериментальна-аналитической (комбинированной) модели, базирующейся на физико-химических особенностях кинетики и механизма диссоциации карбоната кальция, конструкции печного агрегата и теплотехнического режима его работы, и включающей уравнения мгновенных материальных балансов взаимодействующих веществ и энергетических (тепловых) балансов зон подогрева и обжига сырья и зоны охлаждения готового продукта.

3. Показано, что при создании систем автоматического и автоматизированного управления действующими на предприятиях известково-обжигательными вращающимися печами целесообразным следует считать использование простых экспериментально-статистических математических моделей в виде уравнений линейной регрессии, отражающих зависимость показателя качества целевого продукта (активности извести) от температур обрабатываемого карбонатного сырья в двух точках на границах зоны обжига, лимитирующих скорость разложения известняка.

4. Составлено аналитическое математическое описание диссоциации карбоната кальция, учитывающее наличие в реакционном пространстве печи твердой и газообразной фаз процесса и состоящее из уравнений скорости прямой и обратной химических реакций, скорости адсорбции и десорбции образующейся двуокиси углерода и его диффузии в объем газовой фазы.

5. Разработана упрощенная идеализированная математическая модель зоны обжига печи, в которой механизм представлен одним стехиомегриче-ским уравнением разложения известняка, а уравнение зависимости его скорости от температуры кипящего слоя и расхода дутьевого воздуха — в виде полинома второй степени. Доказана адекватность этой модели реальному процессу обжига карбонатного сырья. Показано, что воспроизводимость на модели экспериментальных данных — кривых переходного процесса по каналу «расход сырья — температура» — составляет почти 90%.

6. Доказаны преимущества использования при автоматизации управления печами кипящего слоя критерия, представляющего степень обжига и отличающегося от ранее известных тем, что его величину предложено рассчитывать с учетом содержания двуокиси углерода в отходящих дымовых газах печи. Составлен алгоритм управления процессом обжига, по этому критерию и разработана схема его реализации с помощью технических средств, выпускаемых отечественной промышленностью.

7. Установлено, что наибольшие трудности получения заданной точности поддержания активности извести обусловлены распределенностью параметров теплового режима и запаздыванием информации, поступающей в систему управления вращающейся печью. Доказано, что для удовлетворения требования заданной точности регулирования и условий эксплуатационной надежности целесообразно использование дифференциально-инерционного (ДИН) регулятора, состоящего из параллельно соединенных дифференциального звена и инерционного звена 1-го порядка.

8. Доказано, что полноту горения топлива можно определять не только по коэффициенту избытка воздуха, но и по максимальному содержанию двуокиси углерода в отходящих газах. Достоверность этого утверждения базируется на характере выявленной экспериментальной зависимости содержания двуокиси углерода от расхода топлива, которая носит экстремальный характер. С учетом этого предложен новый алгоритм поиска максимума, разработана схема экстремального регулирования и ее техническое обеспечение.

9. Показано, что дальнейшее повышение качества стабилизации узла загрузки исходного сырья в печь возможно лишь при комплексном исследовании конструктивных и режимных параметров всех трех его основных взаимосвязанных элементов — «бункер — тарельчатый питатель — измеритель весового расхода сырья». Исследования показали, что улучшение выхода материала на сборный транспортер возможно за счет эксцентричного расположения бункера, изменения диаметра его выходного отверстия и герметизации питателя, при этом вместо традиционного канала регулирования «перемещение ножа питателя — расход сырья» рекомендован канал -«обороты тарели — расход сырья», как обеспечивающий более высокое качество управления. Для печей работающих на пылеугольном топливе с целью стабилизации положения факела разработан и рекомендован новый способ контроля и автоматического управления путем поддержания постоянной величины разряжения в горячей головке печи за счет изменения положения направляющих элементов дымососа.

10. На основании выполненных исследований подготовлены практические рекомендации для научно-производственного центра «Энерготех» по автоматизации проектируемых и действующих известково-обжигательных печей. Результаты используются в учебном-процессе при подготовке в МГСУ инженеров по автоматизации строительства, доложены на международной и внутривузовских научных конференциях, опубликованы в периодической печати и сборниках научных статей [91−98].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Диссертация посвящена решению актуальной научно-технической задачи в производстве строительных материалов и изделий — повышению качества строительно-технологической извести и минимизации энергетических затрат на ее производство.

Конкретная цель выполненных исследований состояла в теоретическом и экспериментальном изучении процесса обжига карбонатного сырья во вращающихся агрегатах и печах кипящего слоя как объекта автоматического и автоматизированного управления, синтезе математических моделей, разработке алгоритмов и систем управления процессом.