Курсовая работа: Разработка АСР температуры обжига цементного клинкера с циклонным теплообменником

Курсовая работа: Разработка АСР температуры обжига цементного клинкера с циклонным теплообменником

Содержание расчетно-пояснительной записки

Введение

1 Анализ современного состояния автоматизации технологического процесса обжига цементного клинкера

1.1 Анализ литературных источников

1.2 Автоматизация процесса обжига цементного клинкера с циклонным теплообменником

1.3 Требования к автоматизированным системам контроля и управления

2. Определение параметров объекта регулирования

3. Выбор типового регулятора АСР и определение параметров его настройки для заданного технологического параметра

3.1 Определение параметров настройки ПИ - регулятора

4. Анализ динамических характеристик АСР при выбранном типе регулятора и найденных параметрах его настройки

5. Расчет одноконтурной цифровой АСР

6. Выбор технических средств автоматизации

6.1 Датчик температуры

6.2 Регулятор температуры

6.3 Исполнительный механизм

Заключение

Список используемой литературы

Список аппаратных и программных средств

Приложение 1

Введение

Эффективность работы вращающихся печей цементной промышленности в немалой степени зависит от наладки технологического оборудования, процесса обжига клинкера и режима эксплуатации печей при выпуске клинкера высокой активности, минимальном расходе топлива и высоких технико-экономических показателях.

Комплекс процессов, происходящих во вращающихся печах под воздействием тепловой энергии, весьма обширен и сложен. Процессы горения топлива, движения газов и материала, теплообмена и физико-химических превращений сырьевой смеси тесно связаны между собой и каждый из них имеет решающее значение. Они и определяют основные мероприятия при проведении наладки: подбор оптимального химического и минералогического состава клинкера в сырьевой смеси, обеспечивающего необходимые условия для высокоэффективной работы печи и стабильности процесса; выбор рациональной конструкции теплообменных устройств для интенсивного теплообмена и снижения потерь теплоты; отработка рационального режима сжигания топлива, обеспечивающего экономное его расходование и интенсивность высокотемпературных процессов; выбор оптимальных режимных параметров и отработка методов управления процессами.

Производительность печей, удельный расход топлива зависят не только от конструктивных и технологических исходных характеристик, но и от режима работы. Форсирование режима до известного предела повышает производительность, но увеличивает унос материала, температуру отходящих газов, удельный расход теплоты. Дальнейшее форсирование может привести к сокращению производительности из-за большого уноса при одновременном резком увеличении удельного расхода теплоты. Уменьшение нагрузок печей против оптимальных также расстраивает их работу: происходит смещение зон, пересушка материала и т.д.

Выбор и поддержание оптимальных нормативов, показателей и параметров технологического процесса оказывает решающее влияние на получение продукции заданного качества, а также на экономику предприятия.

Обжиг клинкера - самый сложный, важный и энергоемкий передел. Общие энергозатраты на производство цемента распределяются примерно следующим образом: подготовка сырья - 10%, обжиг клинкера - 79%, помол цемента - 10%, прочие - 1%. Поэтому наладка процесса обжига, снижение энергозатрат, прежде всего затрат топлива приобретают исключительное значение.

В основе наладочных работ лежит анализ процессов, происходящих в печи при многочисленных изменяющихся факторах. Не следует полагать, что проведение обычных наладочных работ обеспечит полную оптимизацию процесса обжига клинкера. Каждый оптимальный режим может быть рассчитан только с применением средств вычислительной техники на основании достаточно обширной и точной технической и химико-технологической информации, что требует специальных исследований.

Совершенствование организаций и методов наладки, испытаний технологического оборудования, безусловно, способствует повышению технической культуры его эксплуатации, повышению эффективности цементного производства и ускорению освоения проектных мощностей предприятий.

Интенсивное развитие цементной промышленности в последние годы, внедрение печных установок большой единичной мощности, вовлечение в производственный процесс сырьевых материалов более низкого качества ставят перед цементным производством новые проблемы.

1 Анализ современного состояния автоматизации технологического процесса обжига цементного клинкера

1.1 Анализ литературных источников

При обжиге сухих сырьевых смесей используют печи с циклонным теплообменниками. Размеры таких печей намного меньше размеров печей, работающих по мокрому способу, так как процессы подготовки сырья вынесены здесь в запечные агрегаты с интенсивным конвективным теплообменом, обеспечивающим эффективное использование теплоты отходящих газов. Высокая экономичность, малые размеры и низкие капитальные затраты при сооружении таких печей обеспечили им широкое распространение. Благодаря высокой степени декарбонизации сырьевой муки, поступающей в печь, улучшается ее текучесть и снижается тепловая нагрузка на печь. Эти особенности в сочетании с простотой регулирования позволяют легко управлять режимом обжига и обеспечивать надежную работу печного агрегата. На цементных заводах сухого способа производства успешно эксплуатируются печи с размерами 4х60, 5х75, 7/6,4х95 м.

Печи для обжига сухих сырьевых смесей при равной производительности примерно вдвое короче печей для обжига шлама. Это достигается тем, что часть процессов выносится из печи в запечные теплообменные устройства. В России для обжига сухих смесей в основном используют печи с циклонными теплообменниками и с конвейерными кальцинаторами (печи "Леполь").

В основу конструкции печей с циклонными теплообменниками положен принцип теплообмена между отходящими газами и сырьевой мукой во взвешенном состоянии. Уменьшение размера частиц обжигаемого материала, значительное увеличение его поверхности и максимальное использование этой поверхности для контакта с теплоносителем интенсифицируют процесс теплообмена. Сырьевая мука в системе циклонных теплообменников движется навстречу потоку отходящих из вращающейся печи газов с температурой 900...1100°С. Средняя скорость движения газов в газоходах составляет 15...20 м/с, что значительно выше скорости витания частиц сырьевой муки. Поэтому поступающая в газоход между верхними I и II ступенями циклонов сырьевая мука увлекается потоком газов в циклонный теплообменник I ступени. Поскольку диаметр циклона намного больше диаметра газохода, скорость газового потока резко снижается и частицы выпадают из него. Осевший в циклоне материал через затвор-мигалку поступает в газоход, соединяющий II и III ступени, а из него выносится газами в циклон II ступени. В дальнейшем материал движется в газоходах и циклонах III и IV ступеней. Таким образом, сырьевая мука опускается вниз, проходя последовательно циклоны и газоходы всех ступеней, начиная от относительно холодной (I) и кончая горячей (IV). При этом процесс теплообмена на 80% осуществляется в газоходах и только 20% приходится на долю циклонов. Время пребывания сырьевой муки в циклонных теплообменниках не превышает 25...30 с. Несмотря на это, сырьевая мука не только успевает нагреваться до температуры 700...800°С, но полностью дегидратируется и на 25...35% декарбонизируется.

Рис. 1. Схема теплового агрегата для обжига клинкера по сухому способу.

Перспективность применения сухих печей обусловлена тепловой экономичностью, высокой удельной производительностью, простотой конструкции, малыми размерами и низкими капитальными затратами. Недостатки печей этого типа высокий расход электроэнергии и относительно низкая стойкость футеровки. Кроме того, они чувствительны к изменению режима работы печи и колебаниям состава сырья. Поскольку степень декарбонизации цементной сырьевой муки, поступающей из циклонного теплообменника в печь, не превышает 35%, материал должен оставаться в печи продолжительное время для завершения процесса обжига. Для интенсификации процесса разработаны системы трехступенчатого обжига, принцип которого заключается в том, что между циклонным теплообменником и вращающейся печью встраивается специальный реактор - декарбонизатор. Сжигание топлива и декарбонизация материала в таком реакторе происходят в вихревом потоке газов.

Рис. 2. Модель и реальный вид циклонного теплообменника с декарбонизатором.

После прохождения циклонных теплообменников сырьевая мука с температурой 720...750 °С поступает в декарбонизатор. Частицы сырьевой муки и распыленное топливо диспергируются и перемешиваются. Теплота, выделяющаяся в результате сгорания топлива, немедленно передается частицам сырьевой муки, которые нагреваются до температуры 920...970°С. Материал в системе "циклонный теплообменник - декарбонизатор" находится лишь 70...75 с и за это время декарбонизируется на 85...95%. Установка декарбонизатора позволяет повысить съем клинкера с 1 м3 внутреннего объема печи в 2,5...3 раза. Удельный расход теплоты снижается до 3,0...3,1 МДж/кг клинкера. Кроме того, в декарбонизаторе можно сжигать низкокачественное топливо, а также бытовые отходы. Стоимость сооружения установки с декарбонизатором на 10% ниже стоимости установки с циклонным теплообменником той же производительности. Размеры установки невелики, и она может использо­ваться не только при строительстве новых заводов, но и при модернизации действующих печей.

Вращающиеся печи с циклонными теплообменниками характеризуются простотой конструкции и соответственно эксплуатации, а также высокой теплотехнической эффективностью.

Эффективность сухого способа производства, в частности с использованием вращающихся печей с циклонными теплообменниками, подтверждается многолетней практикой.

В таблице 1 приведены показатели работы вращающихся печей цементной промышленности Японии.

Таблица 1

Эти данные показывают, что удельная производительность печей с циклонными теплообменниками в 3 раза выше, чем печей мокрого способа. Удельная производительность печей с циклонными теплообменниками на практике в отдельных случаях более высока ≈73 кг/ (м3·ч), а при осуществлении мер по повышению частоты вращения может быть доведена до 95,8 кг/ (м3·ч).

Система циклонных теплообменников работает по принципу противотока горячих газов и материала в системе в целом и прямотока в каждом цикле. Высокая эффективность теплообмена в циклонных теплообменниках обеспечивается вследствие непосредственного контакта частиц материала и горячих газов.

Исследования процесса теплопередачи в системе циклонных теплообменников позволяют предположить, что основной теплообмен между газами и материалом протекает в газоходах (≈80%) и только на 20% в циклонах. Основные параметры газа в системе циклонных теплообменников: скорость в газоходах - 20-22 м/с; расход газа за циклонными 1,4-1,5 м3/кг клинкера; пылеунос из циклонов 6-9% расхода сырьевой муки. Удельный расход теплоты определяется многими факторами и уменьшается с увеличением размеров и мощностей печей. Так, печь с циклонным теплообменниками фирмы "Гумбольдт" при производительности 350 т/сут. Имеет удельный расход теплоты 920×4,1868, а при производительности 3500 т/сут. - 740×4,1868 кДж/кг.

Время пребывания сырьевой муки в системе циклонных теплообменников очень непродолжительно - 25-30 c. За этот короткий промежуток времени газовый поток отдает теплоту и охлаждается примерно с 1050 до 300-350ºC, а сырьевая мука успевает получить теплоту и нагреться примерно от 50 до 780-800ºC.

При температуре материала 780-800ºC, степень декарбонизации составляет 20-25%, при более высокой температуре - 800-810ºC может быть 30-35% и Толька в весьма благоприятных условиях теплообмена достигает 35-40%.

Однако следует иметь ввиду, что на практике степень декарбонизации материала, поступающего из циклонных теплообменников в печь, обычно доходит до 40-45%. Это обусловливается выносом из печи прокаленного материала в систему теплообменников и должно учитываться при наладке процесса и определении фактической подготовки сырья в запечных теплообменниках.

Циклонными теплообменниками оборудуются короткие вращающиеся печи (50-70 м). Теплообменники, установленные над загрузочными концами печей, располагаются один над другим и предназначены подобно конвейерным кальцинаторам для подогрева и частичной декарбонизации сырьевой смеси. Но в отличие от конвейерных кальцинаторов материал, подлежащий обжигу в теплообменники, поступает не в виде гранул, а в виде порошкообразной смеси.

Вращающиеся печи с циклонными теплообменниками из прямоточных элементов, предложенные Ф. Мюллером, в начале пятидесятых годов стала выпускать фирма "Гумбольдт" (ФРГ). Вращающиеся печи с циклонными теплообменниками оказались настолько эффективными, что вслед за фирмой "Гумбольдт" их стали конструировать и выпускать почти все зарубежные фирмы, производящие оборудование для цементной промышленности. Наилучших результатов в отношении экономичности и мощности печей достигли фирмы "Полизиус", "Ведаг" и "Крупп" (ФРГ). Печи относительно небольшой производительности выпустили американский филиал датской фирмы "Смидт" и Пржеровский машиностроительный завод (Чехия).

В настоящее время основное наиболее эффективное и перспективное направление развития техники производства цементного клинкера сухим способом состоит в применении и усовершенствовании вращающихся печей с циклонными теплообменниками.

1.2 Автоматизация процесса обжига цементного клинкера с циклонным теплообменником

Цементный клинкер обжигают во вращающихся печах. Вращающаяся печь представляет собой теплообменный технологический аппарат в виде вращающегося со скоростью 0,5 - 1 об/мин цилиндра, расположенного на опорах. Благодаря наклону (3 - 5% к горизонту) и вращению цилиндра на опорах сырьевой материал непрерывно перемещается в печи. Цилиндр вращается при помощи привода, устанавливаемого примерно посередине цилиндра.

Современные вращающиеся печи для обжига клинкера, как правило, оборудованы запечными теплообменниками, в которых осуществляется подогрев и частичная декарбонизация сырьевой смеси. Расход тепла на обжиг клинкера составляет 750-850 ккал/кг клинкера. При мокром способе размол сырьевых компонентов осуществляется в мельницах в присутствии воды, которая играет роль понизителя твёрдости, интенсифицирует процесс помола и снижает удельный расход энергии на помол. Полученная сметанообразная масса (шлам) корректируется до заданного состава и направляется на обжиг. За счёт испарения воды шлама в печи расход тепла на обжиг увеличивается в зависимости от размера и конструкции печи составляет 5,45 - 6,7 Мдж/кг (1300-1600 ккал/кг) клинкера. При комбинированном способе сырьевая смесь готовится по схеме мокрого способа, затем обезвоживается на вакуум-фильтрах или вакуум-прессах, формуется (обычно в виде гранул) и поступает на обжиг. Расход тепла при этом составляет около 4,19 Мдж/кг (1000 ккал/кг) клинкера.

На процесс, происходящий в печи, влияет множество факторов - количество, влажность, химический состав и тонкость помола шлама (или состав и количество муки), количество и калорийность топлива, температура и количество вторичного воздуха, волнообразность движения материала внутри печи и т.п.

Правильному выбору и поддержанию заданного режима работы печи в значительной мере способствует автоматический контроль и автоматическое регулирование параметров процесса обжига. В настоящее время печи оснащают большим количеством приборов контроля и регулирования.

Полная схема системы автоматического контроля и регулирования печи сложна и громоздка. Ниже рассмотрена упрощенная схема автоматического регулирования основных параметров печи.

Вращающаяся печь в зависимости от характера процессов, протекающих в обжигаемом материале на различных ее участках, условно может быть разделены на зоны сушки, подогрева, кальцинирования, экзотермических реакций, спекания и охлаждения. Сырьевая смесь, поступающая в печь, в зоне сушки нагревается до температуры мокрого термометра. Этот участок характеризуется конвективным теплообменом между дымовыми газами и шламом. Большая часть тепла расходуется на испарение физически связанной влаги. Материал переходит в пластичное состояние, а в конце зоны гранулируется. Зона подогрева характеризуется быстрым ростом температуры до 700º C и дегидратацией минералов сырьевой смеси. В этой зоне происходит лучистый теплообмен между футеровкой и материалом, газом и материалом и регенеративный теплообмен через футеровку.

В следующей зоне - кальцинирования - при температуре 850 - 950º C протекает эндотермическая реакция декарбонизации CaCO3 с выделением CO2. Эту зону можно рассматривать в виде теплообменника с постоянной температурой потока. В зоне экзотермических реакций и спекания протекают экзотермические реакции новообразований, что приводит к резкому подъему температуры материала до 1300º C. Затем происходит клинкерообразование, причем возникающая жидкая фаза играет роль катализатора для образования трехкальциевого силиката при температуре 1400º C. Здесь поглощается большое количество тепла, при этом температура материала является постоянной по длине зоны. В зоне охлаждения температура клинкера снижается до 1000º C. Окончательно клинкер охлаждается в холодильниках.

Из краткого описания процессов, происходящих во вращающейся печи, видно, что необходимым условием протекания процесса обжига клинкера является поддержание нужной температуры в определенных участках.

Экономическая эффективность и простота вращающихся печей с циклонными теплообменниками выгодно отличают от других типов печей, например от печей с конвейерными кальцинаторами.

Вращающаяся печь с циклонными теплообменниками (рис.3, стр.13) состоит из циклонов, соединенных последовательно друг с другом и расположенных один над другим, вращающегося цилиндра и колосникового холодильника. Сырьевая мука при помощи питательных устройств подается в газоход перед циклоном III; в газоходе сырье подхватывается идущим из печи газовым потоком и поступает в циклоны IV, в которых основная масса сырьевой муки осаждается. Осажденная часть сырья из этих циклонов возвращается в газоход перед циклоном II, где снова подхватывается газовым потоком и поступает в циклон III. Осажденная в этом циклоне сырьевая мука поступает в газоход над циклоном I и т.д. При прохождении через циклоны сырье за счет тепла газового потока подвергается сушке и частичной декарбонизации и по питательной течке поступает в печь. В печи, продвигаясь навстречу потоку горячих газов, сырье обжигается и выходит из нее уже в виде клинкера, имеющего температуру около 1100º C. Клинкер поступает в колосниковый холодильник.

Рис. 3. Функциональная схема АСР обжига цементного клинкера с циклонным теплообмінником.

После охлаждения клинкера часть нагревшегося в холодильнике воздуха поступает в печь, а часть, пройдя очистку в аспирационной установке, сбрасывается через выхлопную трубу. Осажденная в аспирационной камере пыль по течке поступает на клинкерный конвейер. Тепло выходящих из печи газов используют в циклонных теплообменниках. После циклонных теплообменников дымовые газы проходят осадительные циклоны и электрофильтры, в которых очищаются от пыли, и далее выбрасываются через дымовую трубу в атмосферу. Пыль из циклонов подается в печь шнеками, а из электрофильтров - пневмонасосами либо в отделение смесительных силосов, либо в печь. В печи с циклонными теплообменниками имеются механизмы следующих трех групп: механизмы питания печи сырьевой мукой, обжига и охлаждения; тягодутьевые механизмы и механизмы пылеулавливания и транспортирования уловленной пыли. Для управления этими механизмами предусматривается дистанционное управление с блокировкой со щита машиниста печи, являющееся основным видом управления. И местное управление (без блокировки), которым пользуются только при проведении наладочных и ремонтных работ. На период розжига печи предусмотрено деблокированное управление отдельными механизмами печного агрегата (в том числе главным приводом печи и вентилятором первичного воздуха). С деблокированного управления на блокированное переводят на ходу без остановки механизмов. Работа главного привода печи сблокирована с работой системы смазки. Вспомогательный привод печи используют только при ремонтных работах. Для него применено местное управление.

Управляют встряхивающими механизмами электрофильтров и включают высоковольтные агрегаты электрофильтров со щита управления подстанции электрофильтров с одновременной сигнализацией об их работе на щите машиниста печи. При этом электроды электрофильтров встряхивают автоматически по заданной программе в соответствии с режимом встряхивания.

При нарушении нормальной работы системы смазки автоматически включается резервный маслонасос. Если после включения резервного насоса нормальная работа смазки не восстанавливается, то с выдержкой времени отключается электродвигатель привода печи. При превышении уровнем сырья в бункере заданного предела прекращается подача сырьевой муки из отделения смесительных силосов.

Страницы: 1, 2, 3