Принципы и схемы автоматизации печей цветной металлургии

Размещено на http://www.allbest.ru/

ПРИНЦИПЫ И СХЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ ПЕЧЕЙ ЦВЕТНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ

Методические указания по выполнению курсового

и дипломного проектов

Для студентов специальностей 150103.65 - «Теплофизика, автоматизация и экология промышленных печей, 20301.65 - «Автоматизация промышленных печей и производств»

В. М. Текиев,

А. Л. Рутковский,

М. Э. Багаева

Владикавказ 2009

Допущено редакционно-издательским советом Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический университет)»

металлургический печь автоматизация глинозем

Владикавказ 2009

УДК 669.2/8-52

ББК 34.33

П 75

Текиев В. М., Рутковский А. Л., Багаева М. Э.

П 75Принципы и схемы автоматизации печей цветной металлургии. - Владикавказ: Издательство СКГМИ (ГТУ) «Терек», 2009. - 78 с.

© Текиев В. М., 2009

© Рутковский А. Л., 2009

© Багаева М. Э., 2009

© Изд-во СКГМИ (ГТУ) «Терек», 2009

ВВЕДЕНИЕ

Автоматизация производственного процесса представляет собой сложный комплекс мероприятий, цель которых - освободить человека от функций непосредственного управления процессом, передав их специальным устройствам. Для того чтобы технологическое оборудование работало в требуемом режиме, т.е. с высоким коэффициентом полезного действия, с заданной производительностью, давало продукцию высокого качества и работало надежно, необходимо поддерживать величины, характеризующие процесс, постоянными или изменяющимися во времени по определенному закону, который либо известен заранее, либо автоматически определяется во время регулирования.

При проектировании схем автоматизации любых технологических процессов решаются следующие основные вопросы: выбор регулируемых параметров и регулирующих воздействий для систем автоматического управления процессом; выбор параметров автоматического контроля; выбор средств автоматического контроля и регулирования.

При разработке функциональной схемы автоматизации особенно важен правильный выбор технологических параметров, подлежащих автоматическому регулированию. Обычно для решения этой задачи исходят из известных логических зависимостей между параметрами, влияющими на процесс, и параметрами, характеризующими ход процесса.

В качестве регулируемых величин следует выбирать параметры, непосредственно влияющие на качество готовой продукции, на весь ход технологического процесса. Это прежде всего величины, от которых в наибольшей степени зависят производительность и экономичность работы агрегата, химические и физические свойства продукта на выходе из него. При выборе регулируемых параметров необходимо учитывать главным образом экономический эффект от внедрения автоматики.

Регулирующее воздействие системы должно обеспечить наиболее полное и быстрое изменение регулируемого параметра в требуемом направлении. Вместе с тем регулирующее воздействие одной системы по возможности не должно мешать работе соседних систем.

Непрерывно контролируемые технологические параметры должны наиболее полно отражать ход автоматизируемого процесса и состояние технологического оборудования. Эти величины должны, прежде всего, отражать качество готового продукта, производительность оборудования и экономичность процесса. Кроме того, для наблюдения за режимом работы систем автоматического регулирования необходим непрерывный контроль всех регулируемых параметров. При этом установка каждой системы контроля должна быть строго обоснована, так как завышение без особой необходимости числа контрольно-измерительных приборов уменьшает экономическую эффективность от внедрения автоматики.

Большое значение имеет выбор соответствующих приборов и регуляторов. Выбор средств автоматизации определяется наличием вспомогательной энергии для измерительных приборов и регуляторов; условиями применения автоматической аппаратуры (агрессивностью, абразивностью, кристаллизуемостью и загрязненностью измеряемой среды); необходимой точностью и быстродействием устройств автоматики; однотипностью аппаратуры и удобством ее обслуживания.

Предлагаемое авторами пособие - «Принципиальные схемы автоматизации печей цветной металлургии» - ставит своей целью оказание помощи студентам специальностей «Автоматизация технологических процессов и производств», «Теплофизика, автоматизация и экология промышленных печей» и «Металлургия цветных металлов» при выполнении ими курсовых проектов и разделов дипломных проектов, связанных с разработкой схем автоматизации процессов цветной металлургии, протекающих в промышленных печах различного принципа действия и различного назначения.

Пособие может быть полезным и при изучении теоретических учебных курсов, связанных с предметом данных методических указаний.

1. ВИДЫ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПЕЧЕЙ, ОСОБЕННОСТИ ИХ АВТОМАТИЗАЦИИ

Металлургической печью называют устройство для нагрева, обжига или плавления материала с целью дальнейшей обработки его или придания ему требуемых свойств. По назначению печи цветной металлургии можно разделить на плавильные и нагревательные. При плавке материал в результате повышения температуры расплавляется и продукты плавки разделяются по плотности. По химизму процесса плавка может быть восстановительной, окислительной, осадительной и т.д. К основным типам плавильных печей следует отнести шахтные и отражательные печи для плавки руд и концентратов, а также пламенные рафинировочные печи. В нагревательных печах обрабатываемый материал нагревается ниже температуры плавления. Процессы, протекающие в нагревательных печах, весьма разнообразны. К ним относится прежде всего обжиг материала, который может быть в зависимости от химизма процесса восстановительным, окислительным, сульфатизирующим и т.д. Следует также назвать обжиг со спеканием, сушку материала, спекание, возгонку, кальцинацию, термическую обработку полуфабрикатов и другие процессы, протекающие в нагревательных печах.

По режиму работы печи можно разделить на периодические и непрерывного действия. По способу передачи тепла материалу различают печи с радиационным теплообменом, конвективным теплообменом и смешанного типа. Так, например, в отражательных печах тепло передается материалу главным образом излучением (радиацией). В шахтных печах имеет место конвективный теплообмен. Во вращающихся печах передача тепла происходит тем и другим способом.

Решение принципиальных вопросов автоматизации прирометаллургических процессов во многом зависит от отмеченных выше особенностей печей различных типов. Так, для плавильных печей система регулирования температуры должна поддерживать максимально возможную для данной конструкции печи температуру. Величина ее при этом ограничивается только условиями надежности работы кладки и других элементов печи, а не требованиями технологического режима.

В то же время в печах для обжига или спекания материала повышение температуры может привести к расплавлению шихты, что недопустимо с точки зрения технологии. Подача воздуха в отражательные печи, сушильные барабаны, вращающиеся печи кальцинации или спекания регулируется обычно в соответствии с режимом горения в рабочем пространстве печи, так как воздух здесь предназначен только для сжигания топлива. А в печах кипящего слоя, вращающихся вельц-печах воздух участвует в технологическом процессе, поэтому система автоматического регулирования подачи воздуха должна быть построена с учетом показателей технологического режима обжига, вельцевания. Для автоматического регулирования технологического режима печей периодического действия (нагревательные устройства различных типов) широко применяют системы программного регулирования, в то время как для печей непрерывного действия чаще всего используют системы стабилизации отдельных параметров процесса.

При всем многообразии металлургических печей общим для всех конструкций является передача тепла материалу. Подавляющее большинство печей отапливается газообразным, жидким или твердым топливом. Углерод, являясь основной горючей составляющей любого топлива, иногда участвует в качестве восстановителя в технологическом процессе. Широкое применение для отопления металлургических печей находит природный газ. Для сжигания газообразного топлива используют щелевые, беспламенные и инжекционные горелки. Твердое кусковое топливо (кокс, коксовая мелочь) обычно подают в печи в смеси с основным материалом. Измерение расхода топлива осуществляется с помощью весоизмерителей непрерывного действия различных типов, а управление подачей топлива - с помощью автоматических дозаторов, тарельчатых и другого типа питателей. Иногда используют в качестве топлива мазут (жидкое топливо).

Металлургическая печь представляет собой тепловой агрегат. Поэтому работа печи зависит главным образом от теплового режима. Тепловым режимом называют изменение во времени тепловыделения в рабочем пространстве печи. Основные системы автоматического регулирования теплового режима - управление подачей топлива, подачей воздуха и тягой - внедрены почти на всех печах металлургической промышленности. Но автоматизация теплового режима еще не означает полной автоматизации какой-либо печи, так как задачей печи является не сжигание топлива, а получение готового продукта заданного качества и в максимальном количестве (или за минимальное время). Полная, комплексная автоматизация агрегата должна обеспечить выполнение этой задачи. Такие системы оптимального регулирования пока еще почти не применяются для печей цветной металлургии. Причины этого кроются в неприспособленности многих агрегатов для автоматизации, в отсутствии датчиков для определения качества материалов, в сложности многих технологических процессов.

Большое внимание всегда уделяется режиму загрузки материалов в печь. Чаще всего в металлургическую печь загружают смесь нескольких компонентов шихты. Правильная дозировка их и своевременное смешивание (шихтовка) обеспечивают равномерный режим печи, заданное качество материала на выходе, максимальную производительность агрегата. Наиболее распространены в настоящее время системы автоматической стабилизации загрузки вне зависимости от технологического режима и качества исходного и готового продукта.

Конечной целью любого пирометаллургического процесса является получение в чистом виде нужного металла или его соединений. Необходимым условием нормального течения технологического процесса является выделение в печи достаточного количества тепла при сжигании топлива. Таким образом, тепловой режим любой печи - это важнейшая составная часть ее технологического режима. Тесная связь технологического и теплового процессов несомненна, но при изучении схем автоматизации печных установок их все же следует разграничивать, так как принципы автоматизации здесь различны.

Тепловой режим печи является основным, но не единственным фактором, определяющим характер технологического процесса. Иначе говоря, количество и качество готового продукта, получаемого из печи, зависит не только от теплового режима, но и от химического состава материала, загружаемого в печь, от фракционного состава его, от конструкции печи, загрузочных и разгрузочных устройств и т.п. Поэтому автоматизация теплового режима печи является только составной, хотя и наиболее важной, частью автоматизации технологического режима данного агрегата. Методика автоматизации теплового режима металлургических печей в настоящее время достаточно хорошо разработана, и на подавляющем большинстве предприятий давно эксплуатируются системы автоматического регулирования теплового режима печей.

Автоматическое регулирование теплового режима печи обеспечивается, как правило, системой регулирования подачи топлива, системой регулирования подачи воздуха и системой регулирования тяги.

Основным назначением системы регулирования подачи топлива является организация такого режима горения в печи, чтобы количество тепла, выделяющегося в рабочем пространстве, было пропорционально количеству тепла, потребляемого материалом. Строгое поддержание баланса прихода - расхода тепла обеспечило бы оптимальные условия для данного пирометаллургического процесса. Однако такая схема регулирования подачи топлива пока неосуществима из-за невозможности непрерывного измерения количества тепла, потребляемого материалом, находящимся в печи. Поэтому сейчас применяются различные косвенные методы регулирования подачи топлива в печь.

Наиболее распространена схема автоматического регулирования подачи топлива в печь по температуре в рабочем пространстве. Принципиальным недостатком такой схемы является неоднозначность зависимости между температурой в печи и теплопередачей от факела горения топлива к материалу. На передачу тепла материалу, кроме температуры в печи, влияют также и положение факела в рабочем пространстве, и степень черноты факела, и скорость движения газов, и степень заполнения факелом рабочего пространства, и атмосферные условия в цехе, и состояние кладки печи.

Температуру в печи чаще всего измеряют с помощью радиационных пирометров, визированных на свод печи через отверстие в боковой стенке ее или с помощью термопар, установленных в своде печи. Погрешность измерения температуры, имеющаяся при использовании любого из указанных способов, ухудшает качество регулирования. Тем не менее, схема регулирования подачи топлива в печь по температуре в ней относительно проста, достаточно надежна, хорошо освоена и широко применяется на предприятиях, так как указанные выше недостатки ее не всегда имеют решающее значение, а лучшие варианты пока не разработаны.

Для отдельных типов печей применяют схему регулирования подачи топлива по соотношению материал - топливо, считая, что количество топлива, потребное для обработки весовой единицы материала, остается всегда примерно постоянным. Такая схема применима только для печей строго непрерывного действия. Недостатком ее является невозможность учета колебаний качественного состава топлива и материала.

От подачи воздуха в печь во многом зависит экономичность режима горения топлива. Поэтому регулятор подачи воздуха часто называют регулятором экономичности. Действительно, снижение подачи воздуха по сравнению с необходимым количеством вызывает ухудшение условий горения, недожог топлива, а значит, и перерасход его. Повышение подачи воздуха ведет к охлаждению факела в рабочем пространстве печи, т.е. также к перерасходу топлива. Кроме того, увеличивается расход энергии на привод тяго-дутьевых установок. Подача воздуха в печь всегда превышает теоретически необходимое для горения топлива количество его. Это объясняется недостаточно благоприятными условиями перемешивания топлива и воздуха. Отношение рабочего расхода воздуха в печь к теоретически необходимому для горения количеству его называют коэффициентом избытка воздуха . Коэффициент избытка воздуха во многом определяет режим горения. Для современных печей коэффициент составляет 1,05-1,1, а иногда и большую величину. Коэффициент избытка воздуха зависит от конструкции печи, горелок, от качества топлива. Неорганизованные присосы воздуха в печь также сильно влияют на режим горения. На некоторых вращающихся печах неорганизованные присосы воздуха настолько велики, что установка регулятора подачи воздуха полностью теряет смысл.

С учетом вышесказанного на практике повсеместно применяют схему регулирования подачи воздуха в печь по соотношению топливо - воздух. Эта схема поддерживает постоянно заданное соотношение между расходом топлива и расходом воздуха. Схема соотношения давно и очень хорошо освоена, проста, надежна, но имеет некоторые принципиальные недостатки. Здесь не учитываются колебания теплоты сгорания топлива, всегда имеющиеся на практике. Кроме того, изменения условий горения топлива не отражаются на работе регулятора подачи воздуха. Между тем при изменении качественного состава топлива или условий его сжигания требуется соответствующим образом изменить коэффициент избытка воздуха. Принципиально более правильной схемой регулирования подачи воздуха является управление расходом его по импульсу от содержания кислорода в отходящих газах печи. Действительно, поддерживая в отходящих газах минимальное содержание кислорода, можно обеспечить наибольшую экономичность режима горения. Из-за значительного запаздывания, недостаточно высокой надежности и сложности существующих газоанализаторов на кислород такая схема применяется редко. Практически надежной и правильной следует считать схему регулирования подачи воздуха по соотношению топливо - воздух с коррекцией по содержанию кислорода в отходящих газах.

Разрежение (давление) в печи также является важным фактором, влияющим на тепловой режим. Повышенное разрежение в рабочем пространстве приводит к увеличению неорганизованных присосов воздуха в печь, т.е. к перегрузке тяговых устройств и к снижению экономичности режима горения. Уменьшение разрежения в печи приводит к выбиванию горячих газов из нее, т.е. ухудшению условий труда, к потерям тепла с газами, к преждевременному разрушению кладки.

Принципиально правильной и применяемой на подавляющем большинстве печей является схема автоматического регулирования тяги по разрежению в рабочем пространстве печи воздействием на регулирующий орган на дымовом тракте ее. Схема эта проста и работает достаточно надежно. При реализации этой схемы следует особенно внимательно отнестись к выбору точки отбора регулирующего импульса, так как нестабильность поля давлений в рабочем пространстве печи, вызванная колебаниями положения факела и неравномерность загрузки материала, затрудняет получение представительного отбора импульса.

Изложенные в данном разделе общие принципы автоматического регулирования теплового режима могут быть отнесены почти ко всем типам пламенных печей цветной металлургии. Принципы и схемы автоматизации рассмотрены в этом пособии на примере печей кипящего слоя для обжига цинкового и молибденитового концентратов, вельц-печи цинкового производства, печей спекания и кальцинации алюминиевого производства, печи отражательной плавки медного концентрата и аппарата для агломерации свинцового концентрата.

2. АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ОБЖИГА ЦИНКОВОГО КОНЦЕНТРАТА В КИПЯЩЕМ СЛОЕ

2.1 ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА

Для интенсификации многих технологических процессов широко применяют метод так называемого кипящего слоя. Кипящий слой получают в печах продуванием воздуха снизу через слой мелкого материала. При этом зерна материала находятся в постоянном движении в потоке воздуха, слой материала как бы кипит. Кипящий слой обладает основными свойствами жидкости: текучестью, способностью принимать форму сосуда, в котором он находится. Крупным преимуществом данного состояния материала является резкое увеличение поверхности соприкосновения материала с воздухом, что и приводит к интенсификации технологического процесса.

В цветной металлургии печи кипящего слоя применяют для обжига медных, никелевых, молибденитовых и цинковых концентратов, для сушки различных материалов, для возгонки сурьмы и т.д. Рассмотрим основные принципиальные вопросы автоматизации процесса обжига цинкового концентрата.

На рис. 2.1 представлена схема цепи аппаратов процесса обжига цинковых концентратов в кипящем слое. Цинковый концентрат подвергается обжигу для перевода сульфида цинка в окись и частично в сернокислый цинк.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Полученный в печи огарок выщелачивается затем серной кислотой, а газы с содержанием SO₂ до 8-10 % используют в сернокислотном производстве. При окислении сульфидов в печи выделяется значительно больше тепла, чем необходимо для поддержания требуемой температуры (930-950 ^оС), поэтому часть тепла приходится выводить из слоя. Для этого могут быть применены кессоны, змеевки с водой, впрыск воды в печь.

Из расходного бункера I концентрат подается ленточным питателем II в форкамеру печи III. Форкамера (подготовительная камера) служит для образования кипящего слоя, для предварительного подогрева материала. Из форкамеры материал перетекает в собственно печь IV, где и происходит основной процесс обжига. В бетонный под печи вмонтированы воздушные сопла, создающие скорость воздушной струи до 10-12 м/с. Воздух к соплам подводится от воздуходувки VII через распределительные воздушные коробки. Для более равномерного распределения дутья по участкам пода воздухораспределительные коробки секционированы. При среднем размере зерен материала около 2-3 мм давление воздуха в распределительной коробке составляет 10-20 кПа. На 1 кг концентрата расходуется примерно 2 м³ воздуха. Высота кипящего слоя в этих условиях достигает 1,0-1,3 м. В нормальном режиме топливом для процесса служит сам концентрат. Материал постепенно перемещается в кипящем слое по направлению от форкамеры к сливному порогу V. В процессе движения сульфиды окисляются и готовый огарок ссыпается через сливной порог в смывной желоб VI. Струя отработанного электролита, содержащего кислоту H₂SO₄, смывает огарок по желобу в цех выщелачивания.

Печь кипящего слоя является типичной беспламенной печью. Отходящие газы в печи не охлаждаются и имеют на выходе температуру до 850-900 ^оС. Для нормальной работы всех последующих устройств необходимо снизить температуру до 450-550 ^оС. Первая пылеосадительная камера VIII является одновременно и холодильником. Наличие мелких фракций в концентрате обуславливает унос значительного количества огарка с уходящими газами. Иногда до половины всего материала уносится в газоходы. Для улавливания ценной пыли из газов устанавливается мощная пылеосадительная система. На схеме показана часть этой системы: циклон IX и электрофильтр X. Пыль из бункеров пылеочистки собирается шнеком XI и подается в смывной желоб, а газ поступает на сернокислотное производство. Разрежение перед эксгаустером XII составляет 1200-1300 Па. Температура газа за батарейным циклоном не превышает 300-350 ^оС. Для отвода избыточного тепла от кипящего слоя в рассматриваемой схеме предусмотрены кессоны с водяным охлаждением.

2.2 АНАЛИЗ ПРОЦЕССА ОБЖИГА В ПЕЧИ КС КАК ОБЪЕКТА АВТОМАТИЗАЦИИ

Основным параметром процесса обжига является температура слоя. Повышение температуры может вызвать частичное расплавление материала и спекание его в крупные куски, из-за чего нарушается кипящий слой. Снижение температуры ведет к неполному окислению сульфидов, т.е. к уменьшению производительности печи. Поскольку топливом для печи служит концентрат, то температура слоя зависит и от его качества. Режим отъема тепла от слоя также отражается на температуре в печи. Таким образом, поддержание постоянной температуры слоя может быть осуществлено воздействием либо на загрузку материала, либо на режим отъема тепла. Первый метод чаще применяют на отечественных предприятиях: он прост, надежен и хорошо освоен. Тем не менее, система автоматического регулирования температуры слоя управлением загрузкой концентрата имеет принципиальные недостатки. Объект регулирования - обжиговая печь - обладает большой постоянной времени, что вызывает значительное запаздывание в системе регулирования. Кроме того, по данным технологических испытаний, при отсутствии серьезных возмущений в системе регулирования, поддержание температуры слоя в пределах 10 ^оС вызывает колебания расхода материала до 3 %. Такая неравномерность хода печи, т.е. неравномерность ее производительности и концентрации сернистого газа за печью, неблагоприятно отражается на последующих процессах.

Для того чтобы уменьшить колебания производительности печи, вызываемые системой регулирования температуры слоя, целесообразно использовать схему стабилизации подачи материала с коррекцией по температуре слоя. Такая двухкаскадная схема регулирования применяется при наличии значительного запаздывания в линии питатель - загрузочная воронка печи.

Охлаждение слоя с помощью кессонов не позволяет решить вопрос автоматического регулирования температуры воздействием на количество отбираемого тепла. Изменение подачи воды в кессоны быстро сказывается лишь на температуре периферийных слоев материала в печи. А датчик системы регулирования устанавливают обычно почти в центре печи.

Проведенные исследования показали, что для высокотемпературных процессов при температуре слоя выше 600 ^оС более эффективным оказывается регулирование температуры слоя загрузкой, а не отъемом тепла. При высоких температурах в печи оптимальный диапазон регулирования требует отбора слишком большого количества тепла, что по технологическим нормам недопустимо.

Контроль температуры в нескольких точках кипящего слоя необходим как для настройки системы регулирования подачи материала, так и для правильного ведения технологического процесса обжига. Четыре - шесть термопар устанавливают перпендикулярно стенкам печи так, что рабочие концы их размещались в разных точках слоя.

Воздух, поступающий в печь, необходим для образования кипящего слоя и для окисления сульфидов. Технологические расчеты показывают, что для образования слоя обычно требуется несколько больше воздуха, чем для окисления сульфидов, т.е. для горения материала в печи. Следовательно, система автоматического регулирования подачи воздуха должна обеспечить необходимую высоту кипящего слоя. Высота слоя, видимо, зависит от давления воздуха в распределительной коробке печи, от количества и гранулометрического состава материала в рабочей камере печи. Последний параметр не поддается измерению, а количество материала в печи можно определить по величине загрузки. Считая, что фракционный состав материала остается примерно постоянным, можно выбрать два регулирующих импульса: расход концентрата и давление воздуха перед соплами. Оба варианта нашли применение на предприятиях.

Известны схемы автоматического регулирования подачи воздуха по расходу концентрата в печь, по соотношению расходов концентрат - воздух, по давлению воздуха в распределительной коробке печи, по схеме стабилизации. Последние две схемы используют несколько чаще первых двух, так как они позволяют лучше стабилизировать высоту слоя. От высоты кипящего слоя в печи в значительной мере зависит безаварийность работы установки. Небольшое повышение слоя, связанное с увеличением расхода воздуха, приводит к выносу весьма значительной части материала в газовый тракт, к забиванию газоходов и пылеосадительных устройств. Снижение слоя может вызвать уменьшение производительности печи и даже аварийную остановку ее из-за забивания воздушных сопел. Поэтому колебания давления воздуха, резко отражающиеся на высоте слоя, недопустимы.

В нашем случае целесообразно применять стабилизацию подачи воздуха. Коррекция по импульсу от давления в воздухораспределительной коробке вводится в регулятор постоянства расхода воздуха. Построение двухкаскадной системы регулирования позволяет учесть и расход, и давление воздуха.

Тяговый режим печи связан с состоянием кипящего слоя, так как унос мелких фракций из слоя зависит от разрежения под сводом печи. Нулевая линия, на которой давление равно атмосферному, располагается обычно на 0,5-1,0 м выше уровня слоя. Перемещение нулевой линии вверх, связанное с уменьшением разрежения под сводом, может вызвать выбивание газов из неплотностей печи. Снижение нулевой линии, соответствующее увеличению разрежения в печи, приводит к повышенному уносу мелкого материала. Работа пылеосадительных камер и циклонов тоже зависит от тягового режима. Все это обуславливает необходимость автоматического регулирования разрежения в печи. Нормально разрежение под сводом составляет 80-120 Па.

Контроль разрежений по газовому тракту необходим не только для настройки системы автоматического регулирования тяги, но и для проверки состояния газоходов и пылеуловителей. Увеличение перепада разрежений на любом участке газоходной системы свидетельствует о забивании его, а уменьшение перепада может означать появление неплотностей на данном участке. Разрежение желательно контролировать в четырех точках: за печью, за пылевой камерой, за циклоном и перед эксгаустером.

Процентное содержание SO₂ в отходящих газах - важный показатель работы серно-кислотной установки. Наиболее полное выжигание серы повышает качество огарка и положительно отражается на экономических показателях серно-кислотного производства.

Температура отходящих газов при продвижении их по газовому тракту снижается с 850-900 ^оС в печи до 250-300 ^оС перед эксгаустером. Контроль температур по газовому тракту позволяет следить за работой холодильника, наличием подсосов в газоходах и т.д. Температура должна контролироваться в четырех точках: в печи, перед холодильником, за ним и перед эксгаустером.

Хотя водоохлажадемые кессоны печи и не используют для автоматического регулирования температуры слоя, непрерывный контроль работы их необходим. Нормально температура воды на выходе из кессонов составляет 80-85 ^оС. Повышение этой температуры может вызвать парообразование внутри кессона, а образование паровой подушки на внутренней стенке приводит к прожогу его. Таким образом, аварийный выход кессона из строя является следствием недостаточной подачи воды. Снижение температуры воды на выходе из кессона означает, что подача воды в него слишком велика, а это неэкономично. Расход воды в кессоны, давление воды на входе и на выходе из них также являются показателями режима работы системы охлаждения. Прожог одного из кессонов может вызвать увеличение расхода воды в систему и снижение давления во входной линии по сравнению с обычным давлением, равным 0,1-0,15 МПа, поэтому необходим контроль и стабилизация расхода воды. Забивание одной из линий подвода воды вызывает повышение давления перед кессонами.

Печь кипящего слоя имеет обычно несколько кессонов, а все описанные ранее устройства установлены на общей линии. Между тем неправильный режим работы только одного из кессонов не всегда заметно отражается на параметрах общей магистрали. Ввиду этого установка измерителей температуры и давления на каждом кессоне резко повысила бы надежность работы системы охлаждения. Такая сложная схема контроля требует слишком больших затрат. Кроме контроля основных параметров режима работы кессонов, иногда осуществляется автоматическое регулирование подачи воды в них по температуре отходящей воды. Однако установка даже простых регуляторов прямого действия на каждом кессоне экономически нецелесообразна, а один регулятор на общей линии не обеспечивает достаточно надежного и устойчивого регулирования.

2.3 ВЫБОР СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ И РЕГУЛИРОВАНИЯ

Проведенный анализ особенностей процесса обжига цинкового концентрата в печи кипящего слоя показывает, что для обеспечения нормальных условий протекания процесса, а также исходя из особенностей динамики процесса, и кроме того, учитывая наличие или отсутствие специальной аппаратуры, предназначенной для автоматического контроля различных технологических параметров, целесообразно в проекте автоматизации предусмотреть следующие системы автоматического контроля и регулирования технологических параметров, значения которых характеризуют печь обжига цинкового сульфидного концентрата как объекта автоматизации:

1. Системы автоматического регулирования

- температуры кипящего слоя в печи;

- расхода воздуха в распределительную коробку печи;

- разрежения под сводом печи.

2. Системы автоматического контроля

- температуры в различных точках кипящего слоя;

- разрежения по всей длине газоходного тракта;

- расхода воды на кессоны;

- содержания SO₂ в отходящих газах;

- давления воздуха в распределительной коробке печи.

Номинальные значения выходных параметров данного объекта автоматизации приводятся в табл. 2.1.

В соответствии с требованиями, определяющими оптимальные условия протекания процесса обжига цинкового сульфидного концентрата в печи кипящего слоя, разработана функциональная схема автоматизации, представленная на рис. 2.2.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Таблица 2.1

№№ п/п	Наименование параметра	Единица измерения	Номинальная величина
1.	Температура кипящего слоя	оС	930-950
2.	Расход воздуха в печь	м3/ч	Зависит от производительности печи
3.	Разрежение под сводом печи	Па	80-120
4.	Температура в различных точках кипящего слоя	оС	930-950
5.	Разрежение по всей длине газоходного тракта (от печи до эксгаустера)	Па	от 80-120 до 1200-1300
6.	Температура по всей длине газоходного тракта ( от печи до эксгаустера)	оС	от 850-900 до 250-300
7.	Расход воды на кессоны	м3/ч	Зависит от производительности печи
8.	Температура воды на выходе из кессонов	оС	80-85
9.	Содержание SO2 в отходящих газах	%	8-10
10.	Давление воздуха в распределительной коробке печи	кПа	10-20

Схема включает все вышеперечисленные системы автоматического контроля и регулирования и построена главным образом по принципу стабилизации основных параметров процесса с введением коррекций в отдельных случаях. Как известно, это не наилучший вариант схем автоматизации технологических процессов. Сложность процесса обжига в кипящем слое и взаимосвязанность подавляющего большинства параметров его заставляют создавать схемы комплексного регулирования. В настоящее время для печей кипящего слоя разрабатывают специальные оптимизаторы, которые получив информацию о параметрах объекта, будут вырабатывать оптимальные задания регуляторам загрузки, подачи воздуха, тяги, впрыска воды и т.д.

2.4 ОПИСАНИЕ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ И РЕГУЛИРОВАНИЯ

2.4.1 Система автоматического регулирования температуры кипящего слоя в печи

Расход материала измеряют ленточным весоизмерителем (поз. 1а) и вторичным прибором (поз. 1б), а температуру в слое - термопарой (поз. 1в) и потенциометром (поз. 1г). С показывающих и самопишущих приборов 1б и 1г электрические сигналы подаются на автоматический регулятор (поз. 1д), который через блок ручного управления (поз. 1е) и пусковое устройство (поз. 1ж) осуществляет изменение скорости вращения электродвигателя (поз. 1 з), приводящее к изменению расхода шихты в печь.

Таким образом, в системе осуществляется стабилизация расхода шихты в печь с коррекцией по температуре в слое.

2.4.2 Система автоматического регулирования расхода воздуха в распределительную коробку печи

Расход воздуха измеряют комплектом приборов, включающим сужающее устройство (поз. 2а), дифманометр (поз. 2б) и вторичный прибор (поз. 2в), а давление воздуха в распределительной коробке печи - бесшкальным манометром (поз. 2г) и вторичным прибором (поз. 2д). С вторичных приборов сигналы подаются на автоматический регулятор (поз. 2е), а затем через блок ручного управления (поз. 2ж) и магнитный пускатель (поз. 2з) - на исполнительный механизм (поз. 2и), перемещающий регулирующий орган (поз. 2к), который изменяет расход воздуха в печь.

В этой системе предусмотрена стабилизация подачи воздуха с коррекцией по импульсу давления в воздухораспределительной коробке. Построение каскадной системы регулирования в данном случае связано с желанием учесть и расход, и давление воздуха.

2.4.3 Система автоматического регулирования разрежения под сводом печи

Импульс по разрежению отбирается в центре свода печи, если газы из печи отводятся сверху, и в точке свода, смещенной в сторону газохода, при боковом отводе газов. В комплект системы регулирования входят: бесшкальный дифманометр (поз. 3а), вторичный прибор (поз. 3б), автоматический регулятор (поз. 3в), блок ручного управления (поз. 3г), магнитный пускатель (поз. 3д) и исполнительный механизм (поз. 3е). Исполнительный механизм по сигналу с регулятора поворачивает заслонку (поз. 3ж) на газопроводе перед эксгаустером, изменяя величину тяги.

2.4.4 Система автоматического контроля в различных точках кипящего слоя

Несколько термопар (поз 4а) устанавливают перпендикулярно стенкам печи так, что рабочие концы их были в разных точках слоя. В комплекте с термопарами работает многоточечный потенциометр (поз. 4б).

2.4.5 Система автоматического контроля разрежения по длине газоходного тракта

Отборные устройства для контроля разрежения устанавливают в четырех точках: за печью, за стояком, за циклоном и перед эксгаустером. Наглядное представление о тяговом режиме печи дает четырехточечный вторичный прибор (поз. 5б), на которой поступают унифицированные сигналы с манометров - преобразователей (поз. 5а).

2.4.6 Система автоматического контроля температуры по всей длине газоходного тракта

Температура контролируется в трех точках (после стояка, после циклона и перед эксгаустером) с помощью термопар (поз. 6а) и многоточечного потенциометра (поз. 6б).

2.4.7 Система автоматического контроля расхода воды на кессоны

Контроль осуществляется комплектом, включающим сужающее устройство (поз. 7а), дифманометр (поз. 7б) и вторичный показывающий и самопишущий прибор (поз. 7в).

2.4.8 Система автоматического контроля температуры воды на выходе из кессонов

Контроль температуры осуществляется с помощью термометра сопротивления (поз. 8а) и электронного моста (поз. 8б).

2.4.9 Система автоматического контроля содержания SO₂ в отходящих газах

Контроль концентрации сернистого газа осуществляется с помощью газоанализатора (поз. 9а, 9б) со вторичным прибором (поз. 9в).

3. АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ОБЖИГА МОЛИБДЕНИТОВОГО КОНЦЕНТРАТА В КИПЯЩЕМ СЛОЕ

3.1 ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА

Молибденитовые концентраты служат исходным сырьем для производства различных соединений молибдена. Основной, широко применяемый в промышленной практике способ разложения молибденитовых концентратов - окислительный обжиг с образованием огарка, содержащего триоксид молибдена и примеси других соединений.

При обжиге молибденитовых концентратов протекает ряд химических реакций, главной из которых является реакция окисления молибденита с образованием триоксида молибдена. Эта реакция протекает при температурах выше 500 ^оС, в суммарном виде ее можно представить следующим образом:

.

Высокий тепловой эффект реакции окисления обеспечивает возможность обжига молибденитовых концентратов за счет теплоты процесса.

Анализ химизма процесса обжига показал, что для получения огарков с высоким содержанием выщелачиваемого в растворах аммиака молибдена необходимо вести обжиг при строго определенной температуре, не допуская спекания материала, и при возможно меньшем взаимном контакте частиц. В наибольшей степени эти условия соблюдаются при обжиге в кипящем слое.

На рис. 3.1 представлена схема цепи аппаратов для обжига молибденитовых концентратов в кипящем слое.



Печь I представляет собой огнеупорную камеру круглого или прямоугольного сечения, в нижней части которой расположена воздухораспределительная решетка III (подина). Решетка состоит из ряда стальных сопел с грибовидными съемными колпачками. Промежутки между соплами залиты жароупорным бетоном.

Равномерное питание печи концентратом - важнейшее условие поддержания заданного режима его обжига. При неравномерной подаче концентрата температура в слое будет сильно изменяться, так как реакция окисления сопровождается большим выделением тепла. Концентрат подается в печь узлом загрузки, состоящим из цилиндрического бункера IV (в конических концентрат зависает), под которыми находится тарельчатый питатель V с регулируемой скоростью оборотов. Нож питателя сбрасывает концентрат в бункер шлюзового затвора, откуда он по течке поступает в печь. На уровне 1000-1500 мм от подины в кладке имеется разгрузочное отверстие (порог выгрузки), через которое огарок непрерывно выгружается и через шлюзовой затвор II ссыпается в приемники. Вследствие близости температур возгорания молибденитового концентрата в КС (500-510 ^оС) и начала спекания огарков (580-590 ^оС) обжиг концентрата можно проводить лишь при относительно низкой температуре в слое, поддерживаемой в пределах 560-570 ^оС. При более высокой температуре обжига на стенках печи в надслоевой зоне образуются плотные наросты (результат окисления уносимых тонких частиц концентрата, приводящего к повышению температуры в этой зоне до 650-700 ^оС). Куски наростов падают в слой, постепенно накапливаются на подине, что приводит к нарушению процесса.

С газами уносится 20-40 % концентрата (в зависимости от его гранулометрического состава). Пыль большей частью улавливают в системе, состоящей из циклонов VIII и сухого электрофильтра IХ. Если газы содержат оксид рения Re₂O₇ (температура кипения 360 ^оС), то эффективное улавливание рения достигается установкой за циклонами или сухими электрофильтрами мокрых пылеуловителей: скруббера и мокрого электрофильтра или скрубберов Вентури. Отходящие газы содержат 2-2,5 % SO₂ и с целью защиты окружающей среды осуществляют очистку обжиговых газов в специальных установках.

В печи кипящего слоя для обжига молибденитового концентрата так же, как и при обжиге цинкового концентрата, за счет экзотермических реакций выделяется значительное количество тепла, часть из которого желательно изъять с последующей утилизацией. Эта операция осуществляется с помощью водоохлаждаемых кессонов VII, устанавливаемых в кипящем слое печи.

3.2 ВЫБОР СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ И РЕГУЛИРОВАНИЯ

В целом, химические процессы, протекающие при обжиге молибденитовых и цинковых концентратов, аналогичны, источники энергии (экзотермические реакции) одни и те же, аналогична также конструкция аппаратов обжига в кипящем слое, их гидродинамика и способы очистки газов от пыли и поэтому при автоматизации обжига молибденитового концентрата можно применять те же обоснования и те же принципы, что и при автоматизации обжига цинковых концентратов в печи КС.

Таким образом, при формировании функциональной схемы автоматизации процесса обжига молибденитового концентрата в печи КС целесообразно предусмотреть следующие системы автоматического контроля и регулирования:

1. Системы автоматического регулирования

- температуры кипящего слоя в печи;

- расхода воздуха в воздухораспределительную коробку;

- разрежения под сводом печи.

2. Системы автоматического контроля

- температуры в различных точках печного пространства и по длине газоходного тракта;

- разрежения по всей длине газоходного тракта;

- расхода воды на кессоны;

- температуры воды на выходе их кессонов;

- содержания SO₂ в отходящих газах;

- давления воздуха в распределительной коробке печи.

Номинальные значения выходных параметров данного объекта автоматизации приведены в табл. 3.1.

Схема автоматизации процесса обжига молибденитового концентрата в печи кипящего слоя представлена на рисунке 3.2. Принципы управления и описание систем автоматического контроля и регулирования здесь те же самые, что и при автоматизации процесса обжига цинкового концентрата в печи КС с той лишь разницей, что в данном случае загрузка концентрата обеспечивается тарельчатым питателем с переменной скоростью вращения тарелки, а не ленточным.

Таблица 3.1.

№№ п/п	Наименование параметра	Единица измерения	Номинальная величина
1.	Температура кипящего слоя	оС	560-570
2.	Температура в различных точках печного пространства	оС	560-570
3.	Температура по длине газоходного тракта	оС	560-250
4.	Разрежение под сводом печи	Па	80-120
5.	Разрежение по длине газоходного тракта	Па	80-1000
6.	Температура воды после кессонов	оС	60-80
7.	Содержание SO2 в отходящих газах	%	2-2,5
8.	Давление воздуха в распределительной коробке печи	кПа	10-20

4. АВТОМАТИЗАЦИЯ ВРАЩАЮЩЕЙСЯ ВЕЛЬЦ-ПЕЧИ ЦИНКОВОГО ПРОИЗВОДСТВА

4.1 ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА

Отходы производства цветных металлов часто содержат еще немало полезных компонентов. Извлечение их производится в процессах вторичного передела - переработки отходов. Извлечение окислов свинца и цинка из свинцовых шлаков и цинковых кеков осуществляется обычно методом возгонки, т.е. переводом соединений металла из твердой фазы непосредственно в газообразную. Такой процесс называют вельцеванием и проводят во вращающихся трубчатых печах (вельц-печах).

На рис. 4.1 показана схема вращающейся трубчатой вельц-печи.

Исходные материалы для печи - это цинковый кек, остающийся после выщелачивания цинкового огарка, и коксовая мелочь, необходимая как топливо для создания высокой температуры в печи и как восстановитель. Сырье из бункеров I (коксик) и II (кек) ленточными питателями III и IV подается на ленточный транспортер V. С ленточного транспортера смесь исходных продуктов поступает в печь. Вельц-печь представляет собой стальной барабан диаметром 2,5-3,5 м, длиной 40-50 м, установленный с уклоном 2-5^о на роликовых опорах VI. Барабан изнутри футерован огнеупорным кирпичом. С торцов барабан входит в горячую (нижнюю) VII и холодную (верхнюю) VIII головки печи. Головки выполнены в виде камер из огнеупорного кирпича. Барабан печи приводится во вращение со скоростью 0,1-0,15 рад/сек (1,0-1,5 об/мин) мощным электродвигателем с редуктором (на схеме не показаны).

Из-за наклонной установки барабана и в результате его вращения материал перемещается к нижней головке печи. Время пребывания материала в печи 2-3 ч. По мере медленного продвижения шихты вдоль печи коксовая мелочь загорается и разогревает весь слой материала. В средней, реакционной зоне печи топливо сгорает в атмосфере недостатка кислорода. Образующаяся при этом окись углерода СО восстанавливает окислы металлов. При температуре в реакционной зоне 1200-1300 ^оС чистые металлы возгоняются (испаряются) и сразу же вновь окисляются в потоке газов, проходящих вдоль печи. Мелкие частицы окислов выносятся газами из печи. Оставшийся в ней раскаленный материал проходит в нижнюю часть барабана и выпускается через нижнюю (горячую) головку печи с температурой до 1150 ^оС. Этот материал - клинкер - содержит еще некоторое количество Fe, Zn, Pb, Cu, Ag и углерода и поэтому его направляют на дальнейшую переработку.

В печи организован противоток, т.е. потоки газа и материала движутся в противоположных направлениях. Воздух для горения коксика и для образования газового потока внутри барабана подается в горячую головку печи вентилятором IХ. Газы с температурой 650-700 ^оС отводятся из холодной головки через систему газоходов и холодильников в пылеосадительные устройства Х, а затем дымососом XI выбрасываются в атмосферу. Система очистки газов состоит из пылеосадительных камер, кулеров, электрофильтров (или рукавных фильтров) и т.д. Вся эта сложная установка необходима для наиболее полного выделения из газового потока возгонов - готового продукта процесса вельцевания. Для разогрева печи в период пуска и для надежного зажигания коксика в отдельные периоды нестабильного режима горения в горячую головку печи иногда подается вспомогательное топливо - горючий газ. При нормальном ходе печи газ отключается.

Основным экономическим и технологическим показателем режима вельцевания является степень извлечения ценных металлов из сырья или количество оставшихся в клинкере металлов. При разработке комплексной системы автоматизации процесса вельцевания следует направить работу отдельных регуляторов на достижение оптимального качества клинкера или на получение максимального количества возгонов. Сейчас еще не существует датчиков для автоматического непрерывного определения указанных параметров. Поэтому принятые на предприятиях схемы автоматизации предусматривают лишь стабилизацию главных технологических параметров вельц-печи.

В рассматриваемой технологической схеме основным исходным материалом для вельцевания является цинковый кек. Подача его в печь должна быть поставлена в зависимость от качества готовой продукции. Ввиду отсутствия соответствующих датчиков можно предусмотреть поддержание постоянной подачи кека с ручной перестановкой задания регулятору. Уменьшение подачи кека против технологической нормы не отражается на качестве возгонов или клинкера, но ведет к уменьшению производительности печи по сырью, снижает экономичность ее работы. Увеличение расхода кека вызывает перегрузку печи и резкое повышение содержания цинка и свинца в клинкере. Степень извлечения металлов при этом понижается.

Коксик является топливом, восстановителем и «осушителем» для процесса вельцевания. Расход топлива, необходимого для разогрева находящегося в печи материала, зависит от количества последнего. А необходимое для возгонки ценных металлов количество восстановителя также зависит от количества материала в печи и от процентного содержания в нем металлов. Автоматический непрерывный анализ кека сейчас еще не производят. Следовательно, подача коксика должна быть поставлена в зависимость от подачи основного материала - кека. Подачу коксика в такой системе можно регулировать либо по расходу кека, либо по соотношению расходов кека и коксика. Второй вариант встречается чаще, так как он более совершенен.

Пылеосадительные устройства, улавливающие возгоны из отходящих газов печи, являются весьма важным звеном в процессе вельцевания. Любое нарушение режима работы их снижает коэффициент полезного действия установки, т.е. степень очистки газа от полезных материалов. При этом теряется часть готового продукта. На работе системы пылеулавливания и холодильников отрицательно отражаются резкие колебания температуры газа. Температура отходящих газов в холодной головке печи связана с тяговым режимом. Так как газ нагревается от горящего в реакционной зоне коксика, то изменение скорости движения газа отражается и на температуре его. При повышении температуры следует увеличить скорость газа, т.е. открыть дымовой шибер, и наоборот. При отсутствии запаса по тяге, когда дымовой шибер уже полностью открыт, а температура все еще высока, приходится уменьшать производительность печи. Таким образом, можно предложить такую схему, когда система регулирования температуры работает в две стадии. Первая стадия - управление дымовым шибером до полного открытия его; вторая - снижение подачи материала в печь. Если печь работает не на форсированном режиме и мощность дымососа выбрана правильно, то уменьшение подачи кека регулятором температуры отходящих газов происходит достаточно редко.

...