Способ управления процессом обжига апатита во вращающейся печи

(19) (1 1)5 Г 27 О 19/О ТЕНИ- повышение качеста счет повь 1 шения точвлена блок-схема устго описываемый спогоритм определения фиг.3 - алгоритм опреспекания; на фиг,4 - я внешней поверхноения является печь 1, уществляется двигатеОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕДОМСТВО СССРОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБР ТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(71) Тамбовский институт химического машиностроения(56) Авторское свидетельство СССРМ 1150461, кл. Е 27 О 19/00, 1983,Авторское свидетельство СССРВ 1428900, кл. Р 27 О 19/00, 1986.(54) СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМОБЖИГА АПАТИТА ВО ВРАЩАЮЩЕЙСЯПЕЧИ 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 изобретенива готового продуктаности управления,На Фиг.1 предстаройства, рвалиэующсоб; на фиг.2 - алрасхода топлива; наделения температурыалгоритм определенсти стенки печи.Объектом управлвращение которой ос(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 (Т 0 г), датчик 4 поступающей в печь шихты (Тш). датчик 5 содержания кислорода в отходящих газах (02), датчик 6 содержания оксида магния в апатите (М 90), датчик 7 содержания диоксида углерода в апатите (С 02), датчик 8 содержания оксида кальция в апатите(СаО), датчик 9 содержания оксида фосфора в апатите (Р 205), датчик 10 скорости ветра (Ч), датчик 11 температуры окружающей среды ср), датчик 12 концентрации ФосФорной кислоты (НзРО 4), датчик 13 разряжения в пыльной камере (Р), датчик 14 расхода фосфорной кислоты (Ок), датчик 15 расхода апатита (Оа), датчик 16 расхода топлива (От), датчик 17 расхода пара (6,) датчик 18 расхода воздуха (0), датчик 19 скорости вращения печи (п), исполнительные механизмы 2026, управляющее вычислительное устройство (УВУ) 27.1827517 Фий. 5. Составитель И.ПлотниковаТехред М,Моргентал Кор р Т.Иван С.Пекарь йно-издатель й комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина роизво Заказ 2351 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СС 113035, Москва, Ж. Раушскэя наб,. 4/5Система работает следующим образом.Вращение печи 1 осуществляетсл 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) От, перегретый пар на рас. пыл топлива Оп, воздух Оа, расходы которых измеряются соответственно датчиками расхода 16, 17, 18. Управляющее вычислительное устройство стабилизирует концентрацию кислорода в отходящих газах 02 о , которая измерлетсл датчиком 5 путем воздействил на расход воздуха (исполнительныймеханизм 21) и на растяжение в печи (исполнительный механизм 25). Расход апатита Оа измеряетсч датчиком 15. Стабилизацию расхода апатита осуществляет управляющее вычислительное устройство путем воздействия на исполнительный механизгл 24,Расход фосфорной кислоты О устанэвливаетсл, исходя из необходимости поддержания в шихте, поступающей нэ обжиг, стехиометрического отношенил;(МсаО+1/г М МдО)М Р 2 О 5=3где МСаО, ММ 90, МР 205 - количество молей оксида кальция Сао, оксида магния мдо и оксида фосФора Р 205 в шихте.Исходя из этого соотношения, значение расхода фосфорной кислоты О определяется по Формуле:О= 1,38 10 (47,3 (СаО/56++ М 90/40) - Р 205) ОаНЗРО 4где О - расход фосфорной кислоты, кг/ч;Оа - расход апатита, т/ч,Сао, МдО, Р 205 - процентное содержание оксида кальция, оксида магния, оксида фосфора в апатите, фНзР 04 - концентрация Фосфорной кислоты, .,ь.Расчитанное значение расхода фосфорной кислоты О выставляется управляющим вычислительным устройством и стабилизируется путем использованил датчика расхода фосфорной кислоты 14 и исполнительного механизма 23,СодержаниЕ М 90, С 02, СаО, Р 205 вапатите определяется путем дискретного измерения соответственна датчиками 6, 7, 8, 9, Концентрация фосфорной кислоты НзР 04 измерлетсл датчиком 12. В процессе обжига непрерывно измеряют температуру отходлщих газов в пыльнойкамере Тог. температуру поступающей впечь шихты Тш, концентрацию кислорода в5 пыльной камеРе 02, скоРость ветРа Ча, температуру окружающей среды Тср соответственно датчиками 3, 4, 5, 10, 11.Все непрерывно измеряемые параметры процесса обжига сырьл поступают на"0 вход управляющего вычислительнога уст. ройства 27. На основе этой информации апределяетсл по заданному алгоритму расходтоплива От, при котором гарантируется заданное качество готового продукта. Алго 15 ритм определенил расхода топлива Отпредставлен на Фиг,2,В блоке 1 осуществляется ввод исходных данных: температуры шихты Тш, состава топлива Я, содержания оксида магния20 Мдо и диоксида углерода СО 2 в апатите,скорости ветра Чв температуры окружающей среды Т,р, начального расхода топливаО-,о, расхода материала Ом, концентрациикислорода в пыльной камере 02,25 В логических блоках 2, 4, 6 происходитклассификация сырья на три разновидностив зависимости от содержанил М 90 и С 02 вапатите. В блоках 3, 5, 7 задаются в зависимости от разновидности сырья границы мак 30 симальной температуры спекания сырьлтспи тп, при которых происходит получение качественного продукта, Если видсырья неизвестен, то происходит переходна ручное управление (блок 3). В блоке 935 логической переменнойприсваиваетсязначение "1 гце".; устанавливается начальноезначение расхода топлива От В блоке 10апределяетсл значение максимальной температуры спекания тсп, Если тсп входит в40 допустимые гранулы (блок 11) и имеет значение "тгце" (блок 13),то определяется леваяграница диапазона расхода топлива О ",при котором продукт получается качественным и присваивается значение "1 эзе" (блок45 14). В блок 15 текущий расход топлива увеличиваетсл на шаг Мт и осуществляетсяпереход на блок 10. Если 1 сп не входит вдопустимые границы иимеет значение"Газе" (блок 12), то определяется правая50 граница диапазона расхода топлива От(блок 16).В блоке 17 выбиоается расход топливаОт как среднее из диапазона От, От "3.При таком расходе топлива продукт должен55 получаться кондиционным.Рассчитанное управляющим вычислительным устройством значение расхода топлива От выставляется исполнительныммеханизмом 20, Управляющее вычислительное устройство стабилизирует соотношениерасхода топлива От и пара Оп, подаваемого на распыл топлива. Расход пара измеряется датчиком 17 и устанавливается исполнительным механизмом 22,Максимальная температура материала в зоне спекания тсп 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:СгОтб Тт/б Еоо (Тг - Тм ) х4хжО -2 гпе 1"(-1) ОнР Оти материала по длине печиСм Ом б Тм/б - е ао (Тг - Тм ) хх ЛО"С 1 п(Тм, Чв, Тср)Граничные условия имеют вид;Тм/1 о Тш, Тг/и. Тсргде Сг, См - коэффициент теплоемкости газаи материала, Дж/кг К;е - степень черноты поверхности материала;0 о- коэффициент излучения абсолютного черного тела, Вт/м К;2 4,О - внутренний диаметр печи, м;Ог, Ом - расход газа и материала, кг/с;Тг, Тм - температура газа и материала,К;От - , расход топлива, кг/с;ОнР - теплота, выделяющаяся при сгорании 1 кг топлива, Дж/кг;Ро(Тм, Нв, Тср) - потери тепла футеровкой в окружающую среду, ВТ/м;Чъ - скорость ветра, м/с;Тср - температура окружающей среды, К;1- текущая длина печи, м;- полная длина печи, м;в - экспериментальная контанта: Тш - температура поступающей в печь шихты, К.Система дифференциальных уравнений решается с использованием метода Рунге- Купа 1 Ч порядка, Интегрирование системы дифференциальных уравнений начинается с холодного конца печи. При этом граничные условия для материала известны, т.е, Тм -о" Тш, а граничными условиями для газа ТА-о - Тог задаются.Температура отходящих газов Т, в гранич ных условиях подбирается до тех пор, покапри решении системы дифференциальных уравнений температура газа при 1- 1. станет равна температуре среды Т т.е, будет выполняться условие10ТА-Е = ТсрДля подбора граничного условия по газуисполъзуется метод половинного деления.15 В результате решения системы дифференциальных уравнений определяется распределение температуры материала по длинепечи, максимум которой соответствует максимальной температуре матерйала в зоне20 спекания тсо, Алгоритм определения тсп показан на фиг,з,В блоке 1 расчитываются параметры горения топлива: коэффициент избытка воздуха ао, действительный расход воздуха нагорение 1 кг топлива 4, м /кг, объем проздуктов сгорания 1 кг топлива Ч, м /кг, теплота сгорания 1 кг топлива Оня Дж/кг. Этипараметры определяются на основе данныхв составе топлива, процентном содержанииЗ 0 углерода СР, водорода НР, кислорода ОР,веры Зр, воды 9/р, концентрации кислородав пыльной камере 02, , количество пара нараспыл 100 кг топлива М/ф, кг/кг. Формулыдля расчета величин ао, 1 Ч, Онр имеют вид3521 21-02 401,1- действительный расход воздуха на горение 1 кг топлива, мз/кг;СР, НР, О", ЯР, УР - процентное содержание в топливе углерода, водорода, кислорода, серы, воды., ,;Ч- обьем продуктов сгорания 1 кг топдива, м /кг;ОНР - 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 отходящих,газов Тот, являющейся граничным условием для решения дифференциального уравнения.В блоке 3 принимается значение газа Тг на выходе равной А и логической переменной 1 присваивается значение "багие"..В блоке 4 выбирается начальное приближение для определения температуры наружной стенки печи Тст. В блоке 5 проверяется условие оксинания поиска граничного условия Тот,В блоке 6 задается значение текущей длины печи 1= О, температура материала на входе в печь Тм = Тш, начальный шаг интегрирования Л 1, для поиска Тсл принимается Тсп = Тм, вычисляются вспомогательные переменные 81, Р. В блоке 7 текущая длина увеличивается на шаг интегриоования Л 1.В блоке 8 вычисляется теплота от сгорания топлива на длине печи, В блоке 9 расчитывается расход газа на длине печи. 8 блоке 10 по формулам интегрирования дифференциальных уоавнений методом РунгеКутта определяется температура газа Тт на длине печи, В блоке 11 вычисляется погрешность интегрирования дифференциального уравнения Ь. Если погрешность Ь превы. шает заданную величину и шаг Л 1 не слишком мал (блок 12), ти шаг интегрирования уменьшается в два раза и интегрирование продолжается с малым шагом. Если точность Ь достаточна, то в блоках 14, 16 проверяется условие на правильность значения допустимых границ А и 8, В блоках 15, 17 изменяются границы А и В, интегрирование начинается с начала при 1= 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/1- = Тср и найденным Тт при интегрировании дифференциального уравнения, В блоке 23-28 реализуется метод половинного деления для определения Тот. В блоке 18 5 потери тепла в окружающую среду уп надлине 1 определяется из решения системы уравнений.цп 2 л(Тм - Тст) Л,р/1 пО+ 2 Ьф)/О) (а)10цп =(ад +ак)(Тст-Тср) л(О+ 2 Ьф) (Ь)а, = е, оЬ (Тст - Тср")/(Тст - Тср) (с)4а, = 0,00672 ЛыРО 5 /(эРо 5 хх (О+ 21, )о 095цп=цп =цп (е)где Тст - температура внешней поверхностистенки печи, К;Ц - коэффициент теплопроводностиматериала футеровки, Вт/(м К);Ьф - толщина футеровки, м;ал - коэффициент теплоотдачи лучеиспусканием от внешней поверхности стенкипечи, Вт/(м К);30 ак - коэффициент теплоотдачи конвекцией от внешней поверхности стенки печи,. Вт/(м 2 К);Яь - коэффициент тепло проводностивоздуха, Вт/(м К);Ъ - коэффициент кинематической вязкости воздуха,м /с,Искомая температура внешней поверхности стенки печи Тст определяется методом секущих. Алгоритм определения Тст40 показан на фиг,4,где Яо, Я 1,Я 2, в, в 2,1.4являются вспомогательными переменными,Через каждые 24 ч проводится коррекция коэффициента степени черноты45 е модели. Для этого уточняется значение,при котором функция невязки имеет минимумтатя- тЬ) ) 2к =Тот(")где Тот - значение температур отходящих газов в пыльной камере, измеренные в последние 48 часов;ТотР - Расчетные значениЯ темпеРатУРотходящих газов,Коррекция коэффициента к 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 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 30Способ 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, о т л и ч а ю щ и й с я 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 нара и топлива, а коэффициент степени черноты поверхности материала корректируют по температуре отходящих газов.