Автоматизация шахтных печей для производства извести

УДК 66.041.44:691.51

А.В. НЕСТЕРОВ, канд. техн. наук, генеральный директор

ООО «КИАНИТ»

Автоматизация шахтных печей для производства извести

Рассмотрены автоматические системы управления технологическим процессом обжига известняка в шахтных печах (АСУТП ШП), работающих на газовом топливе. Приведена общая схема АСУТП печи, перечислены основные измерительные приборы, используемые для управления обжигом. Рассмотрены системы безопасности при работе с газовыми устройствами, установленными на печах. Рассмотрены новые технические решения, позволяющие повысить управляемость печи, отследить и предотвратить аварийные ситуации при обжиге известняка в шахтных печах с помощью АСУТП. Затронуты вопросы правильной эксплуатации печей и выбора оптимального режима обжига. Даны практические результаты по использованию АСУТП ШП, которые реализованы на известковых и силикатных заводах России.

Ключевые слова: автоматизированные системы управления технологическим процессом, автоматизация, измерительные приборы, известь, известняк, шахтная печь.

Для цитирования: Нестеров А.В. Автоматизация шахтных печей для производства извести // Строительные материалы. 2017. № 12. С. 41-47.

A.V. NESTEROV, Candidate of Sciences

Automation of Shaft Kilns for Producing Lime

Automatic systems of the control over the technological process of limestone burning in shaft kilns (ASCTP SK) operating with gas fuel are considered. A general scheme of the ASCTP kiln is presented; main measuring devices used for the control over burning are listed. The safety systems when operating with gas devices that are installed on kilns are considered. New technical solutions which make it possible to improve the controllability of the kiln, to monitor and prevent emergency situation when limestone burning in the shaft kilns with the help of ASCTP are also considered. Issues of the correct operation of kilns and selection of optimal burning conditions are touched. Practical results of the use of ASCTP SK, which are realized at lime and silicate factories of Russia, are given.

Keywords: automated systems of control over technological process, automation, measuring devices, lime, limestone, shaft kiln.

For citation: Nesterov A.V. Automation of shaft kilns for producing lime. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2017. No. 12, pp. 41-47. (In Russian).

Большинство шахтных печей для производства извести, построенных в конце прошлого века [1], оснащены старыми приборами измерения и автоматики, которые не обеспечивают должный уровень контроля над режимными параметрами обжига.

Для стабильного производства извести с высокой активностью необходим более высокий уровень автоматизации и более современные приборы контроля.

Основной задачей при обжиге известняка является поддержание стабильных параметров работы печи. Любое отклонение от режима приводит к снижению качества извести, повышению расхода топлива. При обжиге известняка в шахтных печах необходимо обеспечить:

• равномерную загрузку известняка в печь;

• постоянный уровень известняка в печи;

• постоянный расход газа;

• распределение газа по горелкам для создания равномерного профиля температуры в зоне обжига.

Производительность шахтной печи и качество извести зависят от следующих основных параметров:

• качества исходного сырья;

• конструкции печи, режима ее работы;

• уровня автоматизации;

• профессиональной грамотности персонала.

Таким образом, уровень автоматизации напрямую влияет на эффективность производства извести.

Автоматизация печи позволяет:

• оперативно влиять на изменение технологических параметров обжига;

• отслеживать и устранять все аварийные ситуации;

• формировать отчеты по производительности печи и качеству продукции за любой отрезок времени.

Современная АСУТП представляет собой трехуровневую систему, представленную на рис. 1 [2, 3].

Первый уровень — это первичные приборы (датчики измерения расхода, температуры, давления, разряжения, исполнительные механизмы и др.).

Второй уровень — это шкаф управления (контроллер, автоматы и др.).

К третьему уровню следует отнести автоматизированное рабочее место оператора (АРМ), выполненное на базе современных SCADA систем для управления, визуализации, накопления и архивирования данных.

Основным параметром, влияющим на активность извести, являет-

ся удельный расход газа который представляет отношение расхода газа V, к расходу извести Gи:

Для большинства шахтных печей на газовом топливе удельный расход газа составляет 110—140 м3/т*, что соответствует 125—160 кг условного топлива на тонну извести, или 890—1100 ккал/(кг извести). Для каждой печи удельный расход газа определяется практически в зависимости от ее технического состояния и необходимой активности производимой извести.

Увеличение удельного расхода приводит к повышению активности или к завариванию печи. Снижение этого показателя соответственно ведет к уменьшению активности извести.

В первую очередь тепло сгорания газа идет на нагрев известняка, дымовых газов, на компенсацию потерь тепла через кожух и в последнюю очередь на декарбонизацию известняка.

Увеличение удельного расхода газа на 1 м3/т приводит к увеличению активности извести примерно на 1%. Однако при резком увеличении расхода газа возможно спекание извести в зоне обжига.

' Расход дан для газа с низшей теплотой сгорания 33600 кДж/м3 (8020 ккал/м3).

(; научно-технический и производственный журнал

Уровень 1

I___

Печь обжига и

I

Весодозирование

Температура Давление Разрежение Расход .....'

Реле давления Контроль пламени

| Управление приводами

Сигналы с эл. оборудования

Уровень 2

ЛЯ.

' ШК. Шкаф контроллера Комплекс печи обжига

Управление ПЧ ProfiBus DP

Отсечки газа

L, правление клапанами

1

Упр.эл. оборудованием.

ШС. Шкаф силового оборудования

Ethernet

Аналоговые сигналы входные для АСУ ТП

Аналоговые сигналы выходные для АСУ ТП Дискретные сигналы входные для АСУ ТП

Дискретные сигналы выходные для АСУ ТП

___ProfiBus DP

Рис. 1. Структурная схема АСУТП шахтной печи для производства извести

К нарушениям режима обжига могут привести также резкие колебания расхода известняка или извести. Поэтому важно выдерживать стабильный расход газа, известняка и извести на протяжении всего производственного цикла.

Рассмотрим, какие приборы используются для поддержания стабильной работы шахтной печи.

Расход газа измеряется ротационными счетчиками RVG или турбинными СГ-16 (рис. 2). Эти счетчики дают точный результат, снабжены корректором, с выхода которого сигнал подается на контроллер. Расход газа на ярусы и центральную горелку допустимо измерять диафрагмой с цифровым дифференциальным манометром.

На практике часто наблюдается, что печь «работает одним боком», т. е. с одной стороны происходит пережог и спекание извести, а с другой — недожог. Поэтому возникает необходимость регулировать расход газа на всех периферийных горелках.

Оптимальным вариантом является установка манометров (тягонапо-ромеров) перед каждой горелкой. Использование счетчиков газа в этом случае нецелесообразно.

Расход известняка (извести) измеряется путем взвешивания [4]. Существует несколько способов определения массы известняка в скиповом ковше (рис. 3).

Если позволяет высота, массу известняка определяют в промежуточном бункере, подвешенном на тен-зодатчиках. Загрузку камня производят до заданной массы. Массу регистрируют, а известняк высыпа-

ют в скиповый ковш, который отправляют на загрузку печи.

При отсутствии свободного пространства под основным бункером выполняют разрыв на скиповой дороге и нижнюю часть скиповой дороги взвешивают вместе со скиповым ковшом. Кроме того, известняк иногда загружают в скиповый ковш через конвейерные весы.

Выбирается оптимальный способ с учетом пространства под печью и существующих коммуникаций. Взвешивание известняка является обязательным условием проведения процесса обжига в шахтной печи.

Желательным является также взвешивание извести для поддержания оптимального режима работы печи. Взвешивание извести позволяет контролировать скорость прохождения материала в печи, что существенно улучшает условия обжига. В этом случае бункер извести подвешивают на тензодатчиках, которые регистрируют увеличение массы извести в бункере. После наполнения бункера известь быстро из него выгружается и отсчет начинается заново. Для взвешивания бункера используются S-образные датчики. Для взвешивания скипового ковша — датчики типа «весовая балка».

Таким образом, измерение расхода газа и массы загружаемого известняка (выгружаемой извести) позволяет поддерживать постоянным основной параметр, влияющий на качество продукции, — удельный расход газа (или удельный расход тепла на печь).

Измерение уровня. При загрузке известняка в печь нужно выдерживать уровень материала +/- 200 мм*.

а

б

Рис. 2. Счетчики газа RVG

При превышении допустимого уровня возможна поломка загрузочного и распределительного механизмов. При снижении уровня известняка в печи ниже допустимого нарушается тепловой и газодинамический режим работы печи.

Оптимальный вариант — это радарный (микроволновый) уровнемер. Единственный его недостаток — это цена. На рис. 4 изображен бесконтактный микроволновый уровнемер, выдерживающий температуру до 250оС, устойчивый к запыленным дымовым газам в печи.

* Для печи производительностью 100 т извести в сутки.

_J

Тензодатчики

Тензодатчики Балка

Рис. 3. Взвешивание известняка: а -вейерных весах

в промежуточном бункере; б - в скиповом ковше; в - на кон-

В случае ограничений по бюджету устанавливается механический штанговый уровнемер, который можно изготовить самостоятельно. При каждой загрузке щебня через систему блоков штанга поднимается и снова опускается на слой известняка. Индуктивные датчики сигнализируют максимальный и минимальный уровни.

Для равномерной загрузки известняка в печь реализуется следующий алгоритм. Загрузка осуществляется через равные промежутки времени в соответствии с заданной производительностью. Разгрузка извести подстраивается под количество загружаемого известняка частотным преобразователем разгрузочного механизма.

В случае снижения уровня ниже заданного система переходит на загрузку по уровню и посылает сигнал для замедления разгрузки. При достижении заданного уровня АСУ возвращается к загрузке по времени. В случае превышения максимального уровня система ускоряет разгрузку.

Если на печи организовано взвешивание извести, то дополнительно реализуется контроль постоянного расхода извести.

Скиповый подъемник. Управление электродвигателем лебедки осуществляется частотным преобразователем, который регулирует скорость подъема скипового ковша.

Концевые выключатели, установленные на скиповой дороге, по-

ОВРС

Рис. 4. Бесконтактный микроволновый уровнемер

fflW'G

-СО-

Рис. 5. Установка датчика температуры внутри футеровки

Температура 3 яруса

ПIhJÏIH

ИНН

Температура 4 яруса

Рис. 6. Графики изменения температуры зоны обжига по периметру печи в течение суток

научно-технический и производственный журнал

зволяют быстро разгонять ковш в начальный момент времени и замедлять его движение при подходе к загрузочному механизму.

Разрежение в печи измеряют по периметру обечайки. Внутри футеровки устанавливают трубки. Канал в футеровке прорезается насквозь. Важным параметром, влияющим на безопасность работы печи, является разрежение на нижнем ярусе в районе периферийных горелок. При снижении разрежения ниже допустимого уровня АСУ выдает предупреждение и автоматически отключает газ на всех горелочных устройствах. Однако трубки часто засоряются, и возможно ложное срабатывание системы безопасности.

На некоторых печах отбор разрежения производят непосредственно из горелочных ящиков. Такое решение имеет свои недостатки, но трубки не засоряются.

Состав дымовых газов. Контроль состава дымовых газов очень важен для настройки оптимального режима обжига, он позволяет минимизировать расход топлива, повысить производительность печи [5].

Оптимальный избыток воздуха на горение газа в печах составляет 20— 40%, что соответствует содержанию кислорода в отходящих газах 5—7%. На практике часто наблюдается за-

вышенное содержание кислорода за счет неконтролируемых подсосов воздуха через неплотности кожуха печи. Устранение подсосов позволяет добиться снижения расхода топлива и повышения активности извести.

Высокая стоимость стационарных и портативных газоанализаторов не всегда вписывается в бюджет автоматизации печи.

Тем не менее, контроль состава дымовых газов можно выполнять лабораторными методами. Стоимость лабораторного оборудования и реактивов существенно меньше стоимости промышленного газоанализатора.

Достаточно настроить режим обжига по данным газоанализа один раз и затем время от времени контролировать состав дымовых газов лабораторными методами.

Расход воздуха контролируется диафрагмой с дифференциальным манометром на каждый ярус периферийных горелок печи и на центральную горелку. При настройке режима устанавливают расход воздуха несколько меньший, чем необходимо для горения газа, поскольку остальное количество воздуха должно поступать снизу печи через разгрузочное устройство. Герметизация разгрузочного устройства и контролируемая подача воздуха в нижнюю

часть печи позволяют добиться полного сгорания топлива и создать оптимальный тепловой режим в зоне обжига.

Датчики температуры. Температура дымовых газов регистрируется термометрами сопротивления. Температура извести на выгрузке измеряется пирометрами.

Для измерения температуры внутри печи устанавливают датчики температуры внутри футеровки, как показано на рис. 5. Поскольку невозможно ввести рабочую часть термодатчика непосредственно в движущийся слой обжигаемого материала, температуру измеряют в футеровке печи датчиком, который касается своим концом внутренней поверхности магнезитового кирпича футеровки. По уравнению теплопроводности для слоя магнезита рассчитывается температура в печи.

Следует отметить, что температура по сечению печи может быть очень неравномерной. На рис. 6 даны графики изменения температуры в зоне обжига. Как видно из рисунка, в начальный момент времени разница температуры на разных сторонах по периметру печи составляла более 200оС, причем на одной стороне печи температура была 860—900оС, при которой скорость обжига практически равна нулю. За сутки за счет перерас-

ООО «КИАНИТ»

Тел.: (812) 947-04-58 E-mail: anest126@mail.ru www.kianit.ruwww.processes-apparates.ru Россия, Санкт-Петербург, пр. Юрия Гагарина, 1, оф. 642

Мобильный пневмотранспортер для перемещения сыпучих материалов (известь, цемент, минеральные соли):

• изготовление пневмотранспортера;

• доставка на объект и пуск:

Реклама

научно-технический и производственный журнал

¡SrrotfjSjiaiiJbds

Основные аварийные ситуации на шахтной печи производительностью 100 т/сут

Контролируемый параметр Допустимые пределы Предупреждение при превышении (понижении)значения Отключение при превышении (понижении) значения

Расход газа, нм3/ч*

Общий расход 0-1000 Нет Нет

Верхний(2-й) ярус 0-400 Нет Нет

Нижний (1-й) ярус 0-400 Нет Нет

Центральная горелка 0-400 Нет Нет

Давление газа, кПа

На шахтной печи 10-100 Предупреждение Нет

На нижнем ярусе 10-100 Предупреждение Нет

На верхнем ярусе 10-100 Предупреждение Нет

На центральной горелке 10-100 Предупреждение Нет

Расход воздуха, нм3/ч

На 1-й ярус 600-4000 Предупреждение при расходе ниже/выше допустимого Предупреждение при расходе выше допустимого

На 2-й ярус 600-4000

На центральную горелку 600-4000

Разрежение, кПа

В зоне нижнего яруса 0,1-0,3 Предупреждение при разрежении ниже допустимого Отсечение газа при разрежении ниже допустимого

В зоне верхнего яруса 0,3-0,6 Предупреждение при разрежении ниже допустимого Отсечение газа при разрежении допустимого

В дымоотводе на выходе из печи 0,8-4 Предупреждение при разрежении ниже или выше допустимого Отсечение газа при остановке дымососа

Температура, оС

В футеровке 1-го яруса 1050-1250 Предупреждение при температуре выше допустимой Нет

В футеровке 2-го яруса

На центральной горелке 220-370 Предупреждение при температуре выше допустимой Отсечение газа при температуре выше допустимой

Верх печи 50-500 Предупреждение при температуре выше 200оС Нет

Отходящие газы 150-350 Предупреждение при температуре выше 350оС Нет

На дымососе 50-350 Предупреждение при температуре выше допустимой Отсечение газа при температуре выше допустимой

Извести в бункере 50-200 Предупреждение при температуре выше 200оС Нет

Расход известняка, 1/ч

Количество ковшей 6-10 Предупреждение, если известняк не грузится в печь более 20 мин Отсечение газа, если известняк не грузится в печь более 30 мин

Загрузка скипового ковша Предупреждение, если скиповый ковш не загружен Звуковой сигнал и остановка скипа, если пустой ковш пошел наверх

Уровень, м

Уровень известняка в печи(от верхней крышки) 1,8-3 Предупреждение, если значение уровня меньше/больше допустимого Меньше 1,8 м: прекращается подъем скипового ковша на загрузку. Больше 3 м: загрузка происходит постоянно до достижения заданного уровня

* нм3/ч - расход, приведенный к нормальным условиям (0оС, 760 мм рт. ст.).

а

= \;-> »л ' ---_ |_________ ..'..,.:,, ЩщЩШШЩ^

-——

б

н . . - ,'. . , /У _ V \  . ч- ^ Ч ••У " у ^1} с . -\

С". . . - — _г _г ^г-." 1 —г"Т'~Т" -"-Ч^-ч*-- 1

Рис. 7. Графики изменения режимных параметров шахтной печи: а - штатный режим работы; б - аварийный режим работы

Рис. 8. Экраны мониторов для печей производительностью 100 и 150 т/сут

пределения расхода газа по периферийным горелкам удалость несколько выровнять температуру по сечению печи и поднять среднюю температуру обжига.

Очень важную информацию о режиме обжига дает температура удаляемых из печи дымовых газов.

Установка частотного преобразователя на электродвигатель дымососа позволяет изменять высоту и положение зоны обжига в шахте печи, а приборы контроля дают возможность отрегулировать оптимальный режим.

При увеличении частоты вращения рабочего колеса дымососа зона обжига растягивается и поднимается вверх. Это повышает качество обжига, однако приводит к некоторому повышению температуры отходящих газов.

При уменьшении частоты вращения рабочего колеса дымососа температура дымовых газов уменьшается, зона обжига опускается вниз. Однако снижение разрежения на дымососе может привести к повышению температуры выгружаемой извести и нарушить тепловой режим центральной горелки.

По графикам изменения температуры дымовых газов можно судить о режиме обжига известняка. Стабильный режим работы печи показан на рис. 7, а. Режим характеризуется постоянным расходом газа, равномерной загрузкой материала, стабильным разрежением в печи. Температура дымовых газов имеет вид равномерных подъемов и спадов, что характеризует хорошую осадку печи: через равные промежутки времени (20—30 мин) слой известняка резко опускается («садится»). Резкое перемещение слоя вниз приводит к обновлению поверхности контакта обжигаемого известняка с газами, и температура дымовых газов резко падает.

Однако сбои в подаче газа или известняка могут привести к зависанию материала в печи и затем к лавинообразному его спеканию («коз-лению» печи). На рис. 7, б видно, что в некоторый момент в результате сбоя в подаче материала температура дымовых газов начала расти и осадка печи прекратилась. Своевременное вмешательство оператора позволило вернуть режим в стабильное состояние.

Рабочее место оператора располагается в отдельном помещении и позволяет управлять печами, отображая информацию о технологических параметрах в реальном масштабе времени на экране монитора. Оператор задает производительность, расход газа, воздуха и другие режимные параметры печи.

На экране компьютера отображается вся информация о работе печи, а также предупреждения, подсказки. На рис. 8 показаны экраны мониторов для печей производительностью 100 и 150 т/сут соответственно.

Обычно на экран помимо основной схемы можно вывести информацию о работе отдельных механизмов печи (горелки, загрузка, выгрузка), а также графики (тренды), таблицы, список аварий и др.

Рассмотренные выше технические решения реализованы на Угловском известковом комбина-

те [6] и на Борском силикатном заводе в 2014-2016 гг. АСУТП ШП позволила повысить качество извести и обеспечить стабильность работы шахтных печей.

Таким образом, приборы автоматики обеспечивают безопасность работы шахтной печи, а также позволяют оперативно вмешиваться в процесс обжига с целью получения извести высокого качества с низкими затратами топлива.

Архивация данных позволяет поднять всю историю работы печи и оценить действия оператора в аварийных ситуациях.

Система автоматики обеспечивает надежную безопасность работы печи и поддерживает стабильные параметры режима. В таблице дан перечень аварийных ситуаций, при которых срабатывает система автоматики.

Колебания качества сырья, отказ оборудования не позволяют полностью исключить человеческий фактор из схемы управления печью. Однако АСУТП ШП дает возможность максимально оперативно откликаться на изменение условий обжига и стабильно получать продукцию высокого качества.

Список литературы

1. Монастырев А.В. Производство извести. М.: Высшая школа, 1971. 272 с.

2. Клюев А.С., Глазов Б.В., Дубровский А.Х., Клюев А.А. Проектирование систем автоматизации технологических процессов. М.: Энергоатомиздат, 1990. 464 с.

3. Системы автоматического управления на основе программных логических контроллеров. Шнайдер Электрик. 2008. Вып. 16. 81 с.

4. Монастырев А.В., Галиахметов Р.Ф. Печи для производства извести. Воронеж: Истоки, 2011. 392 с.

5. Нестеров А.В., Датукашвили Д.О. Производство кальциевой извести в России // Строительные материалы. 2017. № 3. С. 52-60.

6. Нестеров А.В., Батыжев. Новая жизнь шахтных печей // Строительные материалы. 2015. № 3. С. 49-52.

References

1. Monastyrev A.V. Proizvodstvo izvesti [Production of lime]. Moscow: Vysshaya shkola. 1971. 272 p.

2. Klyuev A.S., Glazov B.V., Dubrovskiy A.H., Klyuev A.A. Proektirovanie sistem avtomatizatsii tekhnologicheskikh protsessov [Projection of systems of automation of technological processes]. Moscow: Energoatomizdat. 1990. 464 p.

3. The systems of automatic control on the basis of program logical controllers. Shnaider Elektrik. 2008. Issue 16. 81 p.

4. Monastyrev A.V., Galiakhmetov R.F. Pechi dlya proiz-vodstva izvesti [Kilns for production of lime]. Voronezh: Istoki. 2011. 392 p.

5. Nesterov A.N., Datukashvili D.O. Production of high-calcium lime in Russia. Stroitel'nye Materialy [Construction materials]. 2017. No. 3, pp. 52—59. (In Russian).

6. Nesterov A.V., Batyzhev D.Z. A New Life of Shaft Kilns. Stroitel'nye Materialy [Construction materials]. 2015. No. 3, pp. 49—52. (In Russian).

• ПЕРВАЯ МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ по сухим строительным смесям для стран Азиатского региона

Узбекистан, г. Самарканд, Отель «Регистан Плаза», 26 - 27 апреля 2018 года

BaltiMix ASIA проводится в рамках деловой программы первой российско-узбекской промышленной выставки

«EXPO-RUSSIA UZBEKISTAN 2018» 25 апреля - Ташкентская сессия, круглый стол по промышленности строительно-отделочных материалов.

ТЕМАТИКА КОНФЕРЕНЦИИ:

• Рынки сухих смесей и гипсовых материалов Казахстана, Азербайджана и стран Средней Азии: общие черты и специфические особенности.

• Использование модифицирующих химических добавок для оптимизации рецептур ССС: удешевление материалов без потери качества.

• Применение специальной техники для механизации строительных работ: стабильное качество, высокая скорость, экономия ресурсов.

• Внедрение высокотехнологичных решений на заводах ССС.

• Сухие строительные смеси для ремонта и огнезащиты строительных конструкций.

• Передовые технологии фасовки, паллетирования и упаковки ССС.

По всем вопросам, связанным с участием в конференции, обращайтесь: Мария Суслова (прием заявок на участие в конференции, реклама), msuslova@baltimix.ru Евгений Беляев (прием на рассмотрение докладов), ebelyaev@baltimix.ru Тел./факс: +7 (812) 703-10-19 www.baltimix.ru,www.baltimix-tour.ru