СПОСОБ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ПОДАЧИ ШЛАМА В ЦЕМЕНТНУЮ ПЕЧЬ
AUTOMATIC CONTROL METHOD OF SLURRY SUPPLY PROCESS TO CEMENT FURNACE

Изобретение относится к автоматизации процесса обжига портландцементного клинкера в цементных печах мокрого способа производства. Оно может быть использовано в промышленности строительных материалов, металлургической, химической и других отраслях промышленности, где осуществляется дозирование шламов, суспензий и вязкопластических сред.
Известен шламовый питатель вращающейся печи [авт. свид. СССР №827936 кл. F27B 7/32 от 07.05.1981], содержащий корпус, разделенный вертикальными перегородками на емкости постоянного уровня, перелива и питания печи шламом, подводящий, сливной и питающий патрубки, расположенные в нижней части корпуса, дозирующее устройство, кинематически связанное с приводом, при этом подводящий патрубок подсоединен к емкости постоянного уровня, а дозирующее устройство выполнено в виде колена, укрепленного одним концом в перегородке, отделяющей емкость постоянного уровня от емкости питания печи шламом, с возможностью поворота вокруг горизонтальной оси, а другим шарнирно соединенного посредством тяги с приводом, при этом на входном отверстии дозирующего устройства установлена дроссельная шайба.
Расход шлама в этом устройстве регулируется дозирующим устройством, выполненным в виде колена, укрепленного одним концом в сальнике на перегородке, разделяющей емкость постоянного уровня и емкость питания печи шламом, при этом процесс дозирования шлама осуществляется поворотом колена на необходимый угол с помощью тяг и привода. Изменяя наклон колена можно очень точно регулировать расход шлама, однако при этом избыток шлама отводится через перегородку в емкость перелива и далее по сливному патрубку возвращается в магистраль.
Недостатком шламового питателя вращающейся печи является то, что избыток шлама отводится через перегородку в емкость перелива и далее по сливному патрубку возвращается в магистраль, т.е. происходит байпасный возврат шлама, при этом затрачивается неоправданные энергозатраты на перекачку избыточного шлама, обеспечивающего постоянный уровень в емкости постоянного уровня.
1
Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ автоматического контроля и регулирования процесса загрузки шламом (пульпой) вращающейся цементной печи [авт. свид. СССР №295003 кл. F27B 7/32 от 04.11.1971], включающий непрерывный автоматический контроль и регулирование процесса загрузки печи шламом по весу твердого в нем материала. Достигается это тем, что значение сигнала весового расхода шлама перемножают на значение сигнала влажности шлама и их результирующее значение сравнивают с заданным значением сигнала весового расхода твердого материала в шламе, а сигналом рассогласования воздействуют на подачу шлама в печь. При изменении содержания твердого материала в шламе и при изменении задания весового расхода твердого материла в печь или скорости вращения печи, система автоматически воздействует на число оборотов шламового насоса, питающего печь, и поддерживающего заданный весовой расход твердого материала в шламе.
Однако в этом способе автоматического контроля и регулирования процесса загрузки шламом вращающейся цементной печи не учитываются физико-химические свойства шлама, которые влияют на величину подачи шлама в цементную печь. Кроме этого, автоматический контроль подачи шлама в зависимости от скорости вращения печи не всегда соответствует текущему регулированию подачи шлама, т.к. изменение скорости вращения печи определяет степень нагрева всей печи, и это не всегда связано с оптимальной загрузкой печи обжигаемым материалом. Более достоверной информацией для регулирования процесса обжига клинкера и подачи шлама в печь является степень нагрева материала в зоне теплообменных устройств.
Целью изобретения является снижение энергозатрат на производство клинкера и повышение качества управления технологическим процессом, а также увеличение производительности печи.
Достигается поставленная цель за счет снижения энергозатрат на стадии перекачки шлама из шламбассейна в цементную печь исключением байпасного возврата шлама в шламбассейн, а также на стадии обжига клинкера за счет учета физико-химических свойств шлама и тепло физических свойств обжигаемой сырьевой смеси. Повышение качества управления процессом подачи шлама в печь, непрерывный контроль теплового состояния корпуса печи в зоне теплообменных устройств, а также контроль температуры материала на выходе из теплообменных устройств позволяет стабилизировать процесс обжига клинкера и увеличить производительность печи.
Изобретение поясняется чертежами, где изображены на фиг.1 - существующая схема подачи шлама в цементную печь, на фиг.2 - схема управления подачей шлама в цементную печь.
Известно, что процесс подачи шлама в печь осуществляется по схеме, представленной на рис.1. Из схемы видно, что шлам из шламбассейна 1 с помощью насоса 2 подается в промежуточную буферную емкость 3, из которой шлам подается в мерный бачок 4, и далее из мерного бачка 4 шлам подается в печь 5. При этом с целью стабилизации расхода шлама в промежуточную буферную емкость 3 насосом 2 подается избыточное количество шлама. Избыточный шлам из буферной емкости 3 возвращается обратно в шламбассейн 1. При этом управляет насосом 2 оператор насосной станции, который кнопкой управления 7 дает задание двигателю 6 насоса 2 изменить расход шлама в буферную емкость 3. В этом случае оператор насосной станции не связан с технологическим процессом обжига и не может изменять расход шлама в связи с изменениями технологического процесса и критерием стабильной работы системы подачи шлама в печь является наличие возвращаемого шлама в байпасном шламопроводе.
Процессом обжига управляет машинист вращающейся печи, и именно он определяет степень загрузки печи обжигаемым материалом. В процессе обжига возникают различные ситуации, которые заставляют машиниста изменять расход шлама в печь, т.е. увеличивать или уменьшать его, а в аварийных ситуациях значительно сократить или даже прекратить подачу шлама в печь. При этом оператор насосной станции, не зная об изменениях технологического процесса, подает постоянное избыточное количество шлама в буферную емкость 3 исходя из максимальной производительности печи 5.
Как правило, избыточное количество шлама колеблется от 15 до 50 процентов от общего количества и зависит от числа печей, в которые подается шлам из буферной емкости. Следовательно, затрачивается дополнительная и неоправданная электроэнергия на перекачку избыточного шлама в печь.
2
2
3
2
3
В процессе обжига, лаборантом центральной заводской лаборатории производится отбор проб из шламбассейна и проводится физико-химический анализ подаваемого в печь шлама, при этом определяется содержание его основных компонентов CaO, SiO, FeO и AlO. По результатам анализа рассчитываются основные модули, а именно коэффициент насыщения КН, силикатный модуль р и глиноземный модуль n. Данные физико-химического анализа и расчета модулей передаются машинисту печи после каждого измерения.
Машинист, исходя из собственных интуитивных представлений о состоянии технологического процесса, принимает решение об изменении режима обжига. При этом он учитывает полученные данные о физико-химических свойствах шлама, а также состояние технологического процесса. Так, учитывается температура материала в зоне теплообменных устройств печи и температура материала на выходе из зоны теплообменных устройств.
Анализируются и другие параметры технологического процесса. Однако именно степень нагрева материала в зоне теплообменных устройств играет важную роль в дальнейших физико-химических и теплофизических процессах превращения сырьевой смеси в клинкер. Объясняется это тем, что уже на этой стадии технологического процесса можно оценить степень оптимальной загрузки печи обжигаемым материалом. Так, если температура материала в зоне теплообменных устройств снижается, при условии постоянного расхода топлива, значит, происходит процесс избыточной подачи материала, а если температура материала возрастает, также при условии постоянства расхода топлива на обжиг клинкера, степень загрузки обжигаемым материалом печи недостаточна.
Известно также, что с изменением физико-химического состава шлама и сырьевой смеси, поступающих в печь, изменяются их теплофизические свойства. Так, например, изменение влажности шлама на 1% в большую сторону требует увеличения расхода топлива на 4-5 килограмма условного топлива на тонну получаемого клинкера. В этом случае необходимо либо уменьшить загрузку печи материалом, либо увеличить расход топлива. Изменение коэффициента насыщения КН, теоретически необходимых затрат тепла, также требует изменений в подаче количества обжигаемого материала или изменений в расходе топлива.
Необходимо отметить, что физико-химический состав шлама изменяется в. процессе подачи шлама из одного шламбассейна, так как в шламбассейне происходит расслоение шлама по различным причинам, например, по размеру частиц. В этом случае более крупные частицы шлама в процессе его хранения и подачи в печь, оседают на дно и меняют его химический состав, а, следовательно, и теплофизические свойства.
В связи с этим, непрерывный контроль физико-химических свойств шлама (модулей химического состава, влажности, плотности, теоретически необходимых затрат тепла, т.е. расчета теплового эффекта клинкерообразования), а также теплотехнический контроль печи в зоне теплообменных устройств позволяет более эффективно управлять процессом обжига клинкера, т.е. снизить энергозатраты и стабилизировать процесс обжига, а на этой основе увеличить производительность печи. Таким образом, контроль физико-химических свойств шлама и теплотехнический контроль печи позволяют более качественно и целенаправленно управлять технологическим процессом.
Реализация поставленной цели и задач по снижению энергозатрат на перекачку шлама из шламбассейна во вращающуюся печь и на обжиг клинкера с повышением качества управления процессом подачи шлама в печь, представлена на схеме (фиг.2).
Схема (фиг.2) управления процессом подачи шлама в цементную печь включает следующее оборудование: цементную печь 1, пылеосадительную камеру 2, шибер 3, регулирующий расход шлама, расходомер. 4, контролирующий расход шлама, буферную емкость 5, измеритель уровня 6 шлама в буферной емкости, шламбассейн 7, насос для перекачки шлама 8, электродвигатель насоса 9, частотный преобразователь 10 двигателя насоса, измеритель плотности шлама 11, измеритель влажности шлама 12, спектрометр 13, регулятор 14 расхода шлама, блок расчета 15 подачи шлама в печь, включающий расчет теплового эффекта клинкерообразования, задатчик расхода шлама 16, блок расчета 17 энтальпии корпуса печи, сканер температуры СКТ корпуса печи 18 в зоне теплообменных устройств, измеритель температуры ДТ 19 обжигаемого материала на выходе из зоны теплообменных устройств, регулятор 20 положения шибера расхода шлама, исполнительный механизм 21 изменения положения шибера расхода шлама, измерительный блок 22 расхода шлама в печь. В схеме управления предусмотрен также задатчик 23 - значения энтальпии корпуса печи в зоне теплообменных устройств.
Способ управления процессом подачи шлама осуществляется в следующей последовательности: откорректированный и готовый шлам из шламбассейна 7 с помощью насоса 8 подается в буферную емкость 5, и далее через расходомер 4, шибер 3 и пылеосадительную камеру 2 подается в цементную печь 1.
Способ управления процессом подачи шлама в печь включает два контура регулирования. Первый контур с помощью регулятора 14 расхода шлама, насоса 8 и датчика уровня 6 поддерживает, в широком диапазоне расхода шлама, постоянный уровень шлама в буферной емкости 5. Это, во-первых, исключает необходимость использования байпасного сброса избыточной подачи шлама в буферную емкость 5, как это осуществляется по схеме, показанной на фиг.1 (на фиг.1 это емкость 3), а во-вторых, обеспечивает стабильность расхода и давления движения шлама на участке - буферная емкость 5, расходомер 4 и задвижка 3, регулирующая расход шлама. Таким образом, поддержание постоянного уровня шлама в буферной емкости 5 обеспечивает стабильность расхода, давления и движения при подаче шлама в печь и, как следствие, обеспечивает стабильность показаний расходомера, при этом исключаются колебания потока шлама на участке дозирования шлама в печь 1. Второй контур обеспечивает дополнительное корректирование подачи шлама в печь, обусловленное состоянием теплообменных устройств и режимом обжига клинкера. Процесс регулирования подачи шлама в печь осуществляется регулятором 20 Рпш положения шибера 3, которое изменяется исполнительным механизмом 21.
Основным элементом в предлагаемой схеме управления процессом подачи шлама в печь является блок 15. Назначение этого блока заключается в расчете объема шлама, который необходимо подать в печь и поддержании постоянного уровня шлама в буферной емкости. Объем подаваемого шлама в печь рассчитывается с учетом задания расхода шлама машинистом и поступающей информации от датчиков, характеризующих физико-химические параметры шлама, в частности, плотность ρ, влажность ω и физико-химический состава шлама. Сигнал, характеризующий плотность шлама определяется датчиком 11, влажность датчиком 12, физико-химический состав спектрометром 13.
На основе задания машиниста, поступающего от задатчика 16 и данных полученных от датчиков 11, 12 и спектрометра 13 в блоке 15 рассчитываются физико-химические и теплофизические (тепловой эффект клинкерообразования (ТЭК)) свойства сырьевой смеси.
В блоке 15 рассчитываются параметры сигнала, характеризующего значения расхода шлама в печь, который в свою очередь подается на регулятор 14 расхода шлама в печь 1.
Во втором контуре изменением положения шибера 3 с помощью исполнительного механизма ИМ 21 регулятором Рпш 20 определяется расход шлама в печь 1. В этом контуре регулирования сканером 18 контролируется степень нагрева корпуса печи в зоне теплообменных устройств. От сканера 18 сигнал, характеризующий температуру корпуса печи, передается в блок 17 расчета энтальпии корпуса печи в контролируемой зоне. В блок расчета энтальпии корпуса печи 17 дополнительно подается корректирующий сигнал от датчика ДТ 19 температуры материала, измеряемой в конце зоны теплообменных устройств. Из блока 17 расчетное значение энтальпии подается на регулятор 20 расхода шлама.
Процесс регулирования подачи шлама в печь 1 в первом контуре осуществляется в следующей последовательности: машинист печи 1 с помощью задатчика 16 устанавливает задание блоку 15 расчета подачи шлама в печь 1. В блоке 15, в соответствии с заданием 16 и сигналами, поступающими от датчиков плотности 11, влажности 12 и спектрометра 13, рассчитывается и устанавливается задание регулятору 14 расхода шлама, который выдает управляющий сигнал частотному преобразователю ЧП 10, который, в свою очередь, управляет двигателем 9 насоса 8. Насос 8, в соответствии с полученным сигналом управления, подает шлам из шламбассейна 7 в промежуточную буферную емкость 5. В буферной емкости 5 воздерживается постоянный уровень шлама с помощью датчика уровня ДУ 6, от которого на регулятор 14 расхода шлама Ррш подается корректирующий сигнал увеличения или уменьшения расхода шлама с таким расчетом, чтобы в промежуточной буферной емкости поддерживался постоянный уровень шлама.
Фактическое регулирование расхода шлама в печь 1 осуществляется во втором контуре регулятором 20 положения шибера 3. Шибер 3 изменяет свое положение с помощью исполнительного механизма 21. Сигнал управления на регулятор 20 поступает из блока 15 расчета расхода шлама в печь 1. На регулятор 20 подается также сигнал от измерителя 22 расхода шлама. Этот сигнал характеризует фактическое значение расхода шлама, измеренное расходомером 4. Кроме этого, по измеренной сканером 18 температуре корпуса печи в зоне теплообменных устройств, дополнительно в блоке 17 рассчитывается значение энтальпии корпуса печи и в зависимости от изменения этой энтальпии, на регулятор 20 поступает корректирующий сигнал увеличения или уменьшения расхода шлама из блока 17, а с целью определения подготовленности обжигаемого материала на выходе из зоны теплообменных устройств, от датчика ДТ 19 подается информация о значениях температуры материала на выходе из теплообменных устройств.
Таким образом, в блоке 17 осуществляется анализ степени нагрева корпуса печи в зоне теплообменных устройств и степени нагрева материала, выходящего из зоны теплообменных устройств. Корректирующий сигнал, характеризующий состояние нагрева корпуса печи в зоне теплообменных устройств и температуры материала на выходе из теплообменных устройств, подается на регулятор 20 положения шибера 3.
Таким образом, предлагаемый способ регулирования подачи шлама в печь позволяет первым контуром регулирования, включающим регулятор 14, блок 15 расчета подачи шлама в печь и датчик 6 уровня шлама в буферной емкости 5 обеспечить постоянный уровень шлама в буферной емкости 5, а вторым контуром регулирования, включающим регулятор 20 положения шибера 3, блок 17 расчета энтальпии корпуса печи и температуры материала ни выходе теплообменных устройств, позволяет учесть состояние теплообменных устройств и состояние режима обжига и тем самым оптимизировать процесс подачи шлама в печь 1, при этом в блоке 15 учитываются физико-химические свойства шлама и теплофизические свойства сырьевой смеси, составляющей основу шлама.
Таким образом, поддержание постоянного уровня шлама в буферной емкости 5, а также регулирование подачи шлама регулятором 20 положения шибера 3, позволяет стабилизировать процесс подачи шлама, исключить колебания расхода шлама и возмущения, обусловленные различными причинами, например изменением объема подачи и за счет этого повысить качество управления технологическим процессом.
Предлагаемый способ позволяет снизить энергозатраты за счет исключения байпасного возвращения шлама по возвратному шламопроводу, а за счет дополнительного учета физико-химических свойств шлама и теплофизических свойств сырьевой смеси, а также измерения температуры корпуса печи и обжигаемого материала на выходе из теплообменных устройств увеличить производительность печи и снизить энергозатраты на обжиг клинкера…
Таким образом, внедрение в технологию процесса обжига клинкера предлагаемого способа автоматизированного управления процессом подачи шлама в цементную печь позволяет снизить энергозатраты, повысить эффективность управления технологическим процессом и за счет этого увеличить производительность технологического оборудования.