Характеристика процесса обжига как объекта управления

При разработке автоматизированной системы управления процессом обжига цинковых концентратов в печи кипящего слоя, важнейшим этапом синтеза системы является анализ процесса, как объекта управления, то есть определение входных и выходных переменных, нахождение математических зависимостей между входными и выходными переменными описывающих поведение объекта регулирования.

Печь кипящего слоя можно рассматривать, как непрерывно действующий реактор почти идеального перемешивания. Загружаемый сульфидный цинковый концентрат в реакционной ванне печи становится текуч в состоянии кипящего слоя или приобретения псевдоожижения, имеет горизонтальную поверхность, интенсивно перемешивается, перетекает через сливной порог и приобретает другие свойства жидкости за счет подаваемого под давлением воздуха в печь под слой концентрата.

При малых скоростях сыпучий слой цинкового концентрата, лежащий на газопроницаемой поверхности представляет собой фильтрующий слой и его объем не изменяется, он остается неподвижным. С увеличением скорости потока воздуха, обогащенного кислородом, сопротивление слоя возрастает, вследствие трения газовой смеси о поверхность зерен и при прохождении газовых струй по каналам различного сечения, образующимися между зернами концентрата. При достижении определенной скорости газового потока, называемой минимально критической, качественно и объемно изменяется сыпучий слой концентрата и переходит в псевдоожиженное состояние, приобретает свойства жидкости выше перечисленные.

Главной целью обжига является перевод сульфидного цинкового концентрата в окисленный цинк из которого цинк рациональнее восстанавливать.

Таким образом, для процесса обжига цинковых концентратов в печи КС, можно выделить входные материальные переменные, свойства которых изменяются в данном процессе. Ими являются: материальный поток сульфидного цинкового концентрата, который в результате процесса обжига изменяет физико-химические свойства, для чего затрачивается другой материальный поток - воздух обогащенный кислородом.

Выделенные входные переменные или материальные потоки будут характеризоваться некоторой совокупностью входных переменных, зависящих от конструктивных и технологических особенностей агрегата и ведения процесса. Для данного процесса этими особенностями являются: автогенность процесса, так, как для ведения его не требуется затрат энергии со стороны, а затрачиваются лишь воздух и концентрат. Другой особенностью являются выше отмеченное указание, что печь КС рассматривается, как непрерывно действующий реактор почти идеального перемешивания, то есть градиент концентрации ограничен лишь размерами реакционной ванны. Состояние входного материального потока будут характеризоваться входными переменными по концентрату, ими будут являться:

расход концентрата 130 т/сут;

химический состав концентрата, где важнейшие элементы, - это Zn общее содержание которого в концентрате составляет 49,34% и сера общая, содержание составляет в цинковом концентрате 31,40%; гранулометрический состав концентрата с d_ср равным 0,085 мм, где d_ср - это средний диаметр зерен концентрата.

Такое выделение входных переменных, характеризующих состояние входного потока по концентрату обусловлено следующими причинами:

расход концентрата влияет на весь режим работы печи кипящего слоя, на ее производительность, на тепловой баланс и т.д.;

химический состав концентрата влияет на химический состав получаемого продукта - огарка, на химический состав образующихся газов и т.д.;

гранулометрический состав концентрата - эта характеристика введена в связи с особенностью процесса, а именно значительным пылевыносом, сопровождающим процесс обжига, который может достигать до 99% вообще, а для конкретного процесса и конкретного объекта управления составляет 38%, в условиях УК МК АО "Казцинк" печи "КС-5", унос фракций до 0,047мм.

Состояние входного материального потока по воздуху будет характеризоваться следующими входными переменными: расходом дутья, концентрации кислорода в газовой фазе, давлением в воздушной коробке.

Такое выделение входных переменных основывается по следующим причинам.

Расход дутья влияет на скорость ведения процесса обжига, температурный режим печи, одновременно он должен обеспечивать псевдоожиженное состояние слоя цинкового концентрата с наложенными на него ограничениями, а именно линейная скорость истечения воздуха из сопел должно быть выше или равной минимально необходимой с одной стороны и быть ниже предельно допустимой с другой стороны, при котором слой переходит во взвешенное состояние. Расход воздуха составляет 13000 м³/ч, линейная скорость воздуха 0,1м/сек. Переменная по давлению также влияет на гидродинамический режим работы печи и составляет 1100мм вод. ст. или 10,786 кПа. Введение переменной концентрации кислорода в газовой фазе, характеризующий материальный поток по воздуху вызвано зависимостью скорости процесса окисления от концентрации кислорода, чем выше процентное содержание кислорода в дутье, тем меньше требуется времени для десульфаризации концентрата. На концентрацию кислорода наложено ограничение - процентное содержание которого недолжно превышать 50-60%. Еще одним входным материальным потоком является подача воды, которая характеризуется переменной расхода. Такое выделение связано с особенностью процесса обжига. Как уже отмечалось ранее, процесс обжига сульфидных цинковых концентратов является автогенным, необходимая энергия для ведения процесса выделяется в результате протекания химических реакций, основная из которых:

ZnS+1.5O₂→ZnO+SO₂+Q

Эта реакция является экзотермичной, выделяющееся тепло расходуется на ведение процесса, теряется с отходящими газами и в результате теплообмена. Но остается еще и некоторый избыток тепла, который по условиям процесса должен быть отведен. Отвод тепла обеспечивается подачей воды в кессоны испарительного охлаждения.

Состояние выходных материальных потоков характеризуется некоторой совокупностью выходных переменных, зависящих от входных переменных и возмущающих воздействий. Как уже было отмечено выше, для протекания процесса необходимо и достаточно ввести в объект управления материальные входные потоки. В результате их взаимодействия в реакционном пространстве печи КС, будут протекать следующие химические реакции:

ZnS+1.5O₂→ZnO+SO₂+Q

ZnO+SO₂+0.5O₂→ZnSO₄+Q

ZnS+3ZnSO₄→4ZnO+4SO₂-Q

Очевидно, что выходными переменными характеризующими выходные материальные потоки будут являться:

по огарку - количество получаемого огарка, его химический состав.

Твердые продукты обжига распределены следующим образом:

- огарок - 62%, от общего количества;

- пыль - 38%, от общего количества.

Химический состав огарка по основным компонентам:

- цинк кислоторастворимый 97%;

- серы сульфидной до 0,3%.

Химический состав пыли по следующим составляющим:

- цинк кислоторастворимый 90%;

- серы сульфидной 0,3.

Эти выходные переменные выделены, в связи с задачей процесса обжига цинковых сульфидных концентратов, целью которого является получение структурно-свободной окиси в таком состоянии, чтобы она была наиболее благоприятна для проведения последующих стадий переработки технологии и в конечном счете обеспечивало высокие технико-экономические показатели производства в целом.

Отсюда вытекает требования к огарку, которые можно представить в виде ограничений наложенных на химический состав выходного потока. Огарок должен иметь содержание сульфидной серы не более 0,3%, сульфатов не более 4%. Таким образом, особенностью технологических требований, предъявляемых к операции обжига цинковых концентратов, является глубокий обжиг сульфидов цинка. Ещё одной технологической особенностью процесса обжига является получение обжиговых газов с высокой концентрацией сернистого ангидрида, направляемых на получение серной кислоты в соответствующий цех. Следовательно, следующим выделенным материальным потоком будут обжиговые газы, получающиеся в результате протекания процесса. Выходными переменными, характеризующие этот поток будут:

количество получаемых газов 15000м³/час;

концентрация в них сернистого ангидрида 6-12%.

Важнейшей выходной переменной является температура в кипящем слое. От нее зависит скорость десульфаризации, а, следовательно, получение продуктов обжига в количественном отношении, химический состав получаемых продуктов, протекание химической реакции. На значение этой переменной наложены ограничения - температура в КС должна находиться в пределах 950-980⁰С. Эти ограничения вызваны рядом причин: во-первых, как было установлено в процессе опытов, константа скорости массопереноса возрастает, начиная при 910⁰С, а затем падает. Следовательно, максимум выхода оксида цинка достигается при вышеуказанной температуре.

Кроме того, более высокая температура, чем указанный интервал, способствует нежелательному содержанию примесей в получаемом огарке, в результате более интенсивного протекания побочных химических реакций. Скорость же основной химической реакций - окисления сульфида цинка, при более высокой температуре весьма незначительно влияет на скорость протекания процесса. Температура более низкая, чем указанный интервал (950-980⁰С) имеет существенное влияние на скорость обжига, так как ход процесса будет лимитироваться уже кинетикой и определяется ее законами.

Возмущающими воздействиями, действующими на объект управления по выходному материальному потоку будут: влажность концентрата и его удельный вес в определенный момент времени на ленте транспортера.

Основной регулируемой переменной по которой строится автоматическая система управления, является температура КС. Для регулирования температуры необходимо выбрать управляющее входное воздействие по соответствующему каналу. Для процесса обжига в КС выходная переменная - температура зависит от нескольких входных переменных и в общем виде может быть представлено выражением:

T=f (Fк,F_возд,Cо₂,F_воды)

Т - температура кипящего слоя

Fк - расход концентрата

Со₂ - концентрация кислорода

F_возд - расход воздуха

F_воды - расход воды

Однако в результате изучения процесса был сделан вывод о том, что в регулировании температуры процесса обжига цинковых концентратов, единственным каналом по которому можно осуществлять регулирование, является канал "расход концентрата - температура слоя". Этот вывод последовал из предположений, что рассматриваемый объект является реактором идеального перемешивания.

К этому же выводу можно прийти в результате размышлений: если допустить, что регулирование температуры ведется по каналу "расход воздуха - температура", то при постоянном гранулометрическом составе увеличение расхода воздуха вызывает увеличение линейной скорости воздуха, что приводит к значительному пылевыносу. При уменьшении расхода воздух подаваемого в печь, слой концентрата может не перейти в псевдоожиженное состояние. Очевидно, что в обоих случаях будет иметь место нарушение гидродинамического режима работы печи кипящего слоя.

Регулирование по каналу "концентрация кислорода - температура" - нецелесообразно, так, как известно предельно-допустимое значение концентрации кислорода, которое может задаваться заранее.

Регулирование температуры в печи по каналу "расход воды - температура" оказывается менее эффективным, так, как по этому каналу статистический коэффициент передачи тепла ниже, чем по каналу "расход концентрата - температура". Следуя рекомендациям в литературе, выбираем управляющее воздействие, для которого коэффициент усиления будет максимальным среди всех управляющих воздействий, влияющих на рассматриваемую переменную, а отношение t/Т минимальным. Оставшиеся неиспользованные управляющие воздействия будем поддерживать на определенном уровне.

Таким образом, температурный режим печи устанавливается и регулируется изменениями расхода загружаемого в печь сульфидного цинкового концентрата.