Технология обжига цинковых концентратов в печи кипящего слоя

• Введение
• 1. Технология обжига цинковых концентратов в печи кипящего слоя
• 1.1 Теоретические основы процесса обжига цинковых концентратов в печи кипящего слоя
• 1.2 Технология и оборудование обжигового цеха в условиях УК МК АО «Казцинк»
• 1.3 Практика ведения процесса обжига
• 2. Разработка системы управления процессом обжига цинковых концентратов в кипящем слое
• 2.1 Характеристика процесса обжига как объекта управления
• 2.2 Современное состояние автоматизации процесса обжига в КС
• Автоматическое регулирование и регистрация температуры в кипящем слое
• Автоматическое регулирование подачи концентрата в бункера печей КС
• Регистрация давления воздуха перед печью КС
• 2.3 Разработка гибридной структуры управления процессом. Постановка задач исследования и проектирования
• 2.4 Разработка подсистемы оптимального управления
• 2.4.1 Описание математической модели процесса окисления сульфидного цинкового концентрата в кипящем слое
• 2.4.2 Описание метода поиска экстремума
• 2.4.3 Постановка задачи оптимального управления процессом
• 2.5 Разработка подсистемы автоматической стабилизации температуры в кипящем слое
• 2.5.1 Определение статических и динамических характеристик
• 2.5.2 Расчет оптимальных настроечных параметров регулятора
• 2.5.3 Построение переходного процесса
• 2.6 Разработка интеллектуальной подсистемы управления гидродинамическим и манометрическим режимами
• 2.6.1 Анализ современных методов разработки моделей управления в нечеткой среде
• 2.6.2 Формирование базы знаний (правил) интеллектуальной подсистемы
• 2.6.3 Исследование нечеткой модели управления
• 2.7 Разработка АСУТП процесса обжига в КС
• 2.7.1 Информационное обеспечение АСУТП
• 2.7.2 Организационное обеспечение АСУТП
• 2.7.3 Алгоритмическое и программное обеспечения АСУТП
• 2.7.4 Техническое обеспечение АСУТП
• 3. Экономическая часть
• 3.1 Обоснование экономической эффективности от внедрения АСУТП обжига в печи КС
• 3.1.1 Определение прироста прибыли
• 3.2 Определение текущих затрат на разработку, внедрение, эксплуатацию и обновление АСУТП и расчет фонда заработной платы обслуживающего персонала
• 3.2.1 Расчет затрат на разработку и внедрение системы автоматического управления
• 3.2.2 Определение затрат на эксплуатацию системы управления
• 3.2.3 Затраты на заработную плату
• 3.2.4 Расчет итоговых затрат
• 3.3 Расчет экономической эффективности
• 4. Охрана труда
• 4.1 Организационные вопросы охраны труда на производстве
• 4.2 Производственная санитария и гигиена
• 4.3 Техника безопасности при обслуживании оборудования цеха обжига цинковых концентратов
• 4.4 Пожарная и электробезопасность
• 4.4.1 Пожаробезопасность
• 4.4.2 Электробезопасность
• Заключение
• Список используемой литературы
• Приложения

Значительный рост производства в народном хозяйстве и его развитие, может быть достигнуто вследствие более полного и комплексного использования сырья, улучшение технико-экономических показателей, повышение производительности труда, а также улучшения качества выпускаемого продукта, — путем автоматизации производственных процессов, разработки и внедрения в промышленность надежных, экономичных систем автоматизации управления технологическими процессами. Все эти задачи становятся особенно актуальными в условиях рыночных отношений.

На сегодняшний день автоматизация широко применяется в ряде отраслей промышленности, таких как электроснабжение, в системах социально-бытового назначения, в жилищном строительстве, машиностроении, металлургии и т. д.

Вследствие чего вытекают следующие направления развития работ по автоматизации, в частности конкретные цели и задачи дипломного проектирования, а именно техническое обоснование и инженерная разработка системы автоматизации управления технологическим процессом обжига цинковых концентратов в печи кипящего слоя в металлургии тяжелых цветных металлов.

1. Технология обжига цинковых концентратов в печи кипящего слоя

1.1 Теоретические основы процесса обжига цинковых концентратов в печи кипящего слоя

В настоящее время производство и потребление цинка занимает одно из ведущих мест по переработке тяжелых цветных металлов. В промышленности для получения металлического цинка используют два способа — это пирометаллургический и гидрометаллургический. Однако развитие металлургии цинка пошло по пути гидрометаллургического производства. И сейчас этот способ является основным, обеспечивая более 90% всего получаемого цинка. Он имеет ряд преимуществ перед пирометаллургическим способом, а именно:

1. позволяет полно и комплексно использовать сырье

2. эффективно применяется к бедному и сложному сырью

3. применяется удобный вид энергии — электрический, с наименьшими затратами

4. получаемый цинк высокого качества

5. позволяет полнее осуществить экологические меры и улучшить условия труда.

Производственный процесс получения цинка гидрометаллургическим способом, состоит из сети последующих стадий:

1. подготовка материала к обжигу

2. обжиг цинковых концентратов

3. классификация продуктов обжига

4. выщелачивание

5. очистка раствора от примесей

6. электролиз

7. переплавка катодного цинка в чушковый

обжиг цинковый концентрат автоматизация Так, как на сегодняшний день основным источником получения цинка по прежнему являются сульфидные цинковые концентраты, получаемые из полиметаллических руд, то основной задачей обжига является, превращение их в окисленные соединения, превращение их в окисленные соединения, наиболее быстро, полнее и с наименьшими затратами. В природе цинк встречается в виде руды, в которой цинк сочетается в соединениях с другими элементами в виде минералов, вкрапленных в горные породы.

Руды в свою очередь подразделяются на сульфидные, в которых металлы находятся в соединениях с серой и окисленные в которых металлы содержатся в виде окислов. Окисленные руды не требуют предварительного обогащения и обжига перед металлургической переработкой в отличии от сульфидных.

Обогащением для свинцово-цинковых руд является процесс флотации, при котором решаются следующие основные вопросы:

1. отделение сульфидных минералов от пустой породы

2. отделение минералов свинца и меди от минералов цинка

3. устранение возможного перехода пирита в свинцовый и цинковый концентраты, и выделение пирита в отдельный продукт

4. извлечение золота и других металлов спутников В процессе обжига цинковых концентратов в печи кипящего слоя, получаемый продукт переработки, так называемый огарок, должен удовлетворять следующим требованиям, способствующим благоприятным условиям дальнейшей стадии технологической переработки, а именно:

1. иметь высокое содержание высокой фракции (-0,15мм)

2. иметь низкое содержание сульфидной серы (не более 0,1−0,3%)

3. количество сульфатной серы желательно иметь (не более 2−4%)

4. умеренное содержание ферритных и силикатных соединений.

Огарок — наиболее крупная фракция твердых продуктов обжига, отличается от других продуктов высоким содержанием кислоторастворимого цинка. Растворимость огарка в растворах слабой серной кислоты должна быть не менее 90%. Эти требования обуславливаются из технологической задачи гидрометаллургической обработки огарка. Так, как структурно свободная окись и сульфат цинка легко растворимы в растворе серной кислоты. Тогда, как сульфид цинка и цинк связанный в ферритную форму почти не растворимы.

Не менее вредно образование силикатов, так, как силикаты цинка, свинца и других присутствующих металлов хотя и растворяются в растворе серной кислоты, но образуют паллоидные, труднофильтруемые пульпы. Для того, чтобы огарок полнее использовался, как нейтрализатор, то есть снижен его избыток при выщелачивании, он должен быть мелким и однообразным по крупности.

Таким образом технологической задачей обжига цинковых концентратов, как уже отмечалось, является перевод сульфидного цинка, в структурно свободную окись и частично в сульфат, которые легко перерабатываются при выщелачивании, дающие максимальное извлечение цинка, за минимальный промежуток времени и с наименьшими затратами.

Степень полноты прямого извлечения цинка в раствор, определяется глубиной обжига сульфидов цинка, то степенью десульфаризации, которая составляет 97−99%. Путем опытных данных установлено, что константа массопереноса быстро возрастает от 910⁰С и достигает максимального значения при температуре 980⁰С, а затем падает. Таким образом в этом интервале температур 910⁰С-980⁰С, мы получаем максимальный выход оксида цинка в огарке из исходного сульфидного сырья. На рис. 1, изображена зависимость этой константы от температуры. При более высоких температурах увеличивается нежелательное содержание в получаемом продукте примесей, в дальнейшем загрязняющих раствор, например: кремнезем, кадмий, медь и т. д. Кроме того более высокая температура чем указанная в интервале 910−970⁰С весьма незначительно влияет на скорость обжига, на рис. 2. показана зависимость скорости обжига от температуры.

Рис. 1. Зависимость константы массопереноса от температуры Рис. 2. Зависимость скорости окисления от температуры для ZnS

Температура более низкая чем указанный интервал, существенно влияет на скорость окисления сульфидов цинка, но в конечном итоге уменьшает производительность печи. Так, как в этой области температур скорость реакции окисления определяется кинетикой на поверхности зерна, и она мала по сравнению со скоростью диффузии, то именно она является — лимитирующей стадией.

Подчиняясь закону Аррениуса, скорость экспоненциально возрастает с повышением температуры. Таким образом, оптимальный интервал температуры является от 950−980⁰С.

Еще одной особенностью технологического процесса, является его автогенность, позволяющая не только надежно вести процесс обжига, но и утилизировать излишнее тепло, обусловленное экзотермичностью реакции, в частности окисления сульфидного сырья кислородом воздуха и выделения тепла, протекающих в реакционном пространстве печи.

Основные химические реакции протекающие в кипящем слое:

ZnS+1.5O₂>ZnO+SO₂+Q

Zno+SO₂+0.5O₂>ZnSO₄+Q

Кроме основных реакций могут протекать и другие:

ZnS+3ZnSO₄>4ZnO+4SO₂-Q

FeS+2.5O₂>Fe₂O₃+SO₂+ Q

Эти химические реакции весьма ограниченно влияют на ведение технологического процесса, так, как их протекание сводится к минимуму, в условиях ведения процесса.

Особенность метода обжига цинковых концентратов в кипящем слое состоит в том, что газ участвующий в физико-химических процессах, в нашем случае это воздух обогащенный кислородом, должен одновременно обеспечивать требуемый аэродинамический режим кипящего слоя.

Различают три состояния слоя:

1. фильтрующий слой

2. кипящий слой

3. слой во взвешенном состоянии При прохождении газового потока через сыпучую среду цинкового концентрата, с малой скоростью, слой сыпучего материала лежащего на газопроницаемой поверхности, он остается не подвижным и его объем не изменяется — в этих условиях он является фильтрующим.

При постепенном увеличении скорости газового потока, сопротивление слоя возрастает, в следствии трения газа о поверхность зерен концентрата и при прохождении струй газовой среды по каналам различного сечения образующихся между зернами концентрата. Достигая скорости газового потока равной гидростатическому давлению, обусловленному весом зерна, слой концентрата становится похож на вязкую жидкость, то есть переходит в псевдоожиженное состояние. Под действием силы тяжести перетекает от верхнего уровня к нижнему, всегда имеет горизонтальную поверхность, образуя кипящий слой. Скоростной напор воздуха, обеспечивающий псевдоожиженное состояние назван минимальной критической скоростью. В свою очередь минимальная критическая скорость зависит от гранулометрического состава концентрата находящегося в слое и рассчитывается теоретически. Однако практическое ее значение будет несколько выше минимально необходимого. Это значение находится между минимальным и максимальным, при котором слой загруженного в печь концентрата переходит во взвешенное состояние и составляет 0,11м/сек. Следовательно, кипящий слой — промежуточное состояние, между неподвижным фильтрующим состоянием слоя и перехода его во взвешенное состояние. Такое повышение интенсивности газового потока — выше минимальной необходимой скорости, обеспечивают образование газовых пузырей, которые двигаясь в слое, барботируют его, энергично перемешивая зерна и газ в кипящем слое. Доля газового объема кипящего слоя — называется пористостью слоя. При таком интенсивном перемешивании одни зерна преимущественно мелкие быстро проходят путь от загрузки в выгрузке, другие более крупные, больше циркулируют в кипящем слое [2,3].

Наиболее целесообразно размещать сливной порог, в печах кипящего слоя на высоте от 1.8−2.0 м, для выгрузки огарка. Это обуславливается тем, что уменьшение высоты кипящего слоя ниже указанных размеров, приводит к большому проскоку воздуха через слой, и увеличивается пылевынос из печи и ухудшается качество не только пыли, но и огарка. При увеличении также высоты кипящего слоя происходит ухудшение, он приобретает большую тепловую энергию и плохо реагирует на изменение количества подаваемого в печь концентрата. В УК МК АО «Казцинк» в промышленных условиях высота кипящего слоя «КС-5» составляет от 1800 мм, она рассчитана исходя из скорости протекания химической реакции, гидродинамических условий, обеспечивающее хорошее качество псевдоожижения и теплотехнических условий, обеспечивающих достаточную тепловую инерцию печи.

Использование воздуха обогащенного кислородом в качестве газа подаваемого в печь, при обжиге цинкового концентрата, дает возможность существенно увеличить скорость обжига, а также производительность печи, и что не менее важно повысить содержание сернистого ангидрида в отходящих газах, удешевить очистку газов, уменьшить потери тепла с отходящими газами. Опытными данными было установлено, что при повышении содержания кислорода в газовой смеси, подаваемой в печь, с 21% до 78,2% скорость процесса обжига в кипящем слое возрастает примерно вдвое, кроме того улучшается качество огарка. Получаемый огарок содержит почти вдвое меньше силикатного и ферритного цинка, что указывает на возможность повышения извлечения цинка при выщелачивании. На рис. 3 показана зависимость десульфаризации при стационарной температуре, от концентрации кислорода в атмосфере обжига.

Рис. 3. Зависимость окисления сульфида цинка от концентрации кислорода в газовой среде, при температуре равной 950⁰С Кривая 1 — концентрация кислорода 50%;

Кривая 2 — концентрация кислорода 20%;

Кривая 3 — концентрация кислорода 10%;

Из приведенного рисунка видно, что скорость процесса окисления сульфидного цинка увеличивается почти вдвое при повышении концентрации кислорода в подаваемом в печь газа до 50−60%. Однако дальнейшее повышение концентрации кислорода в газе, не только не эффективно с экономической точки зрения, но и при эксплуатации промышленной системы управления технологическим процессом, делает ее неустойчивой. При температуре 950⁰С критическим значением концентрации кислорода в газе, делающим процесс управления неустойчивым является 0,0014кг/м³.

Для экономики цинкового производства существенное значение имеют обжиговые газы, направленные на сернокислотное производство, которые получены в результате окислительного процесса сульфида цинка. Одной из важнейших характеристик обжиговых газов является процентное содержание в них сернистого ангидрида, которое в зависимости от химического состава сырья и условий протекания технологического процесса может достигать 12−13% но не менее 6%. при воздушном дутье не обогащенным кислородом не менее 8%. Содержание свободного кислорода (12−14) %.

Обжиговые газы так же характеризуются и запыленностью, зависящей от гранулометрического состава концентрата и аэродинамического режима печи кипящего слоя.

В процессе окислительного обжига сульфидного сырья в печах КС образуются три продукта: огарок, пыль, газ. Пыль состоит из мелких фракций продуктов обжига.

В пыли по сравнению с огарком содержится меньше цинка. Содержание сульфатной серы в пыли выше, чем в огарке. В печах кипящего слоя наблюдается значительный пылевынос, который может достигать до 95% всего получаемого продукта. В промышленных условиях УК МК АО «Казцинк» в частности печи «КС-5» составляет 30−40%.

Таблица 1. Химический состав концентрата.

Таблица 2. Распределение твердых продуктов обжига.

Таблица 3. Химический состав огарка.

1.2 Технология и оборудование обжигового цеха в условиях УК МК АО «Казцинк»

Процесс обжига концентрата в печах КС в УК МК АО «Казцинк» осуществляется следующим образом. Шихта со склада концентратов грейферным краном загружается в приемный бункер обжигового цеха. Из бункера подается в дисковую дробилку на измельчение. Зазор между дисками (7,5 +2,5) мм. При транспортировке серы для пуска печей обязательно ее увлажнение до 12% с целью предотвращения возгорания при дроблении. Шихта, прошедшая дробление в дисковой дробилке, выгружается на наклонный ленточный транспортер. С ленточного наклонного транспортера шихта подается на ленточный загрузочный транспортер. Для увеличения производительности печей КС применяется подшихтовка огарком подаваемого с участка классификации элеваторами № 1 и № 2 на загрузочный транспортер. С загрузочного транспортера шихта сбрасывается плужковыми сбрасывателями в приемные бункера печей КС. На каждой печи изготовлено по два приемных бункера. Бункера-накопители находятся непосредственно в печном отделении, изнутри бункера футерованы винипластом для устранения зависания материалов. Из бункера шихта, ленточным питателем, с регулируемой скоростью движения ленты, подается через течку в «кипящий слой» форкамеры. Форкамера служит для загрузки шихты в слой печи и позволяет регулировать «кипение» материала в нем путем изменения подачи количества воздуха от воздуходувной машины. Расход воздуха на форкамеру (900−2000) нм³/ч.

На УК МК АО «Казцинк» печь кипящего слоя выполнена в следующем аппаратурном исполнении. Основными элементам печи КС являются: Корпус печи, выполненный из листовой стали (10−12) мм. Внутренняя поверхность кожуха печи оклеена двумя слоями асбеста листового и футерована шамотным кирпичом. Нижняя часть печи на расстоянии 1,2 м от пода печи футеруется кирпичом толщиной 375 мм. Высота печного пространства составляет 9,65 м. От объема рабочего пространства печи зависит степень выноса пыли и степень выжигания сульфидной серы. Свод печи купольный из шамотного кирпича. Чтобы придать своду герметичность, поверхность кирпича закладывается листовым асбестом на жидком стекле.

Ответственным элементом конструкции печи является воздухораспределительная подина, от которой зависит производительность. Подина печи выполняется из отдельных металлических секций толщиной 20 мм. В подину вмонтированы воздухораспределительные щелевые сопла из нержавеющей стали удобные в обслуживании и простые в изготовлении. На подину в зависимости от площади устанавливается (1500−2350) сопел, «живое» сечение которых может изменяться от 0,5 до 0,6%. В нашем случае площадь пода составляет 45 м². От конструкции подины зависит не только производительность печи, но и нормальное кипение слоя, получение кондиционных огарка и газа, продолжительность службы печи. Требования предъявляемые к подине:

1. поступление газовой смеси через подину печи должно быть равномерным по всему сечению;

2. обжигаемый концентрат не должен просыпаться через подину;

3. подина должна быть жаростойкой, в случае залегания на ней горячего огарка, быть простой в изготовлении и дешевой;

4. распределяющие воздух сопла, пришедшие в негодность, должны легко и быстро заменяться;

5. подина должна обладать достаточной продолжительностью службы.

Температура обжига в кипящем слое поддерживают в пределах 950−980⁰С, расход воздуха, приведенного к нормальным условиям, составляет 16 000−28 000м³/ч, упругость дутья 2000;4000 мм вод. ст. Давление газа под сводом печи выдерживают 3−5 мм вод. ст. Температура выходящих из печи газов 500−550⁰С.

Воздухонагнетатель производительностью 28 800нм³/час и с давлением 1,6 кгс/см² подает воздух в воздушные коробки печи и форкамеры, откуда через воздухораспределительные сопла проходит в печь. Скорость воздуха в соплах должна быть в пределах 55−60 м/с, что предотвращает просыпание огарка через подину и обеспечивает нормальный ввод воздуха в каждую точку пода печи.

Если поступающий материал содержит 30−32% серы, то выходящий из печи огарок содержит сульфидной серы не более 0,2−0,3%. Распространение материала по слою происходит в течении 2−3 мин, а полная сменяемость материала в ванне печи — за 10−12 ч (в зависимости от объема ванны и количества поступающего материала в единицу времени).

Для стационарного теплового режима обжига необходим тепловой баланс в печи, который обеспечивается отводом излишнего тепла из слоя:

с обжиговыми газами примерно 60%;

с огарком и через стенки печи около 20%, оставшееся тепло отводится специальными средствами, во избежание перегрева слоя.

Отбор тепла при работе печей КС осуществляется системой УИО (установка испарительного охлаждения). В систему УИО входят охлаждающие элементы аэрохолодильника, кессоны слоя, кессоны свода, термосифоны, циклоны-охладители предназначенные для охлаждения отходящих газов. УИО печи КС предназначена для поддержания стабильности процесса обжига цинковых концентратов и снижения температуры отходящих газов, поэтому избыток тепла снимается как от кипящего слоя, так и отходящих газов. В результате съёма тепла вырабатывается пар, направляемый в общий паропровод на технологические нужды.

Избыток тепла из кипящего слоя необходимо отводить во избежание быстрого повышения температуры слоя и спекания материала. Отвод тепла от кипящего слоя осуществляется с помощью кессонов слоя. Конструкция кессонов слоя принята типа труба в трубе. Подвод котловой воды осуществляется по внутренней трубе. Отвод пароводяной смеси — по наружной.

Таблица 4. Технологические показатели печи КС УК МК АО «Казцинк» .

1.3 Практика ведения процесса обжига

Печь обслуживает обжигальщик, который следит за качеством поступающей шихты на обжиг, характером кипения слоя, своевременной выгрузкой пыли из газоходной системы, соблюдением заданного режима работы, а также регулирует тяговой режим печи.

Для соблюдения технологического режима необходимо устранять все нарушения параметров обжига, которые заключаются в следующем:

1. Снижение упругости дутья и соответствующее повышение расхода воздуха происходит при:

а) уменьшении высоты кипящего слоя. С увеличением температуры в печи, вследствие увеличения скорости газа в слое, происходит интенсивная разгрузка материала из печи. То же самое наблюдается и при работе печи под большим давлением. Для устранения этих неполадок печевой должен установить под сводом определенное разрежение, снизить температуру до нормальной (950−980⁰С) и восстановить воздушный режим;

б) образовании залегания материала в печи и возникновении так называемых продувов для свободного прохода воздуха. В этом случае печевой должен расшуровать места залегания трубкой, которая подсоединена к магистралям сжатого воздуха.

2. Самопроизвольное повышение упругости дутья и соответствующее снижение расхода воздуха происходит при:

а) забивании отверстий в воздухораспределительных соплах, устранить которые можно только при полной остановке печи;

б) увеличении высоты кипящего слоя в случае зарастания сливного порога;

в) накоплении крупной фракции в кипящем слое, что увеличивает вес слоя (возрастает его сопротивление). Устранить это можно увеличением расхода воздуха и повышением давления под сводом печи.

3. Повышение температуры кипящего слоя происходит от увеличения загрузки концентрата в определенных пределах, пока не нарушается необходимое соотношение воздух — концентрат или при снижении теплоотдачи слоя (прекращение циркуляции воды в кессонах).

4. Изменение тягового режима. При повышении давления под сводом печи происходит усиленная разгрузка ванны и выбивание газа в помещении цеха, при понижении — снижается концентрация сернистого ангидрида в отходящих газах за счет подсоса воздуха. Для регулирования давления необходимо устранить подсосы воздуха по газоходному тракту и изменить производительность эксгаустера (регулировкой дросселя на всасывании).

5. В процессе работы печи встречается явление «помпажирования», при котором периодически через 1−2 секунды происходит колебание давления воздуха в воздушной коробке на 100−150 мм вод. ст. Тяговой режим под сводом печи соответственно изменяется на10−20 мм вод. ст., что сопровождается периодическими выхлопами газа в помещении цеха и подсосами воздуха в печь. В это время просыпается огарок в воздушную коробку (за 6 часов 10−12 тонн) и за счет воздушных толчков происходит большой пылеунос (до 70% о загружаемого материала).

Появление помпажирования вызывается следующими причинами:

а) малой скоростью воздуха в воздухораспределительных соплах (меньше 11м/с). Поскольку сопротивление слоя неодинаково, то нарушается равномерное поступление воздуха в слой: в часть кипящего слоя, где увеличилось сопротивление, воздух временно не поступает (крупные частицы материала закрывают отверстие сопел и скорость воздуха надостаточна для преодоления этого сопротивления), а направляется в места слабого сопротивления, прорывая слой и образуя высокий «фонтан». Происходят кратковременные изменения сопротивления кипящего слоя, что влечет за собой изменение расхода воздуха, нарушение воздушного режима воздуходувки, имеет место поршневая подача воздуха в слой;

б) образованием утечки воздуха из воздушной коробки. Незначительные изменения сопротивления влияют на количество поступающего воздуха;

в) малым объемом конусной коробки по периферии подины печи. Скорость поступления воздуха в слой снижается из-за сопротивления воздуха у стен воздушной коробки. Форма и размер воздушной коробки влияют на равномерное поступление воздуха в кипящий слой.

" Помпажирование" чаще всего происходит в момент пуска печи при малом слое материала в период воспламенения, так как резко изменяются температура, объем и сопротивление слоя.

6. Перегруз печи наблюдается при неточном соотношении количества загружаемого концентрата и расхода воздуха, т. е. количества концентрата, поступающего на обжиг, превышает теоретически необходимое количество его при данном расходе воздуха. С избыточным количеством концентрата повышается содержание сульфидной серы в ванне из-за недостатка кислорода на ее окисление. К тому же непрореагировавший концентрат отнимает тепло, в результате чего температура кипящего слоя снижается и печь начинает «затухать». Такое явление легко обнаружить, произведя расчет подачи материала и воздуха в момент снижения температуры, а также анализом сульфидной серы в ванне печи.

При прекращении подачи концентрата резко повышается температура в слое в результате интенсивного окисления имеющегося концентрата и сокращается расход тепла. Во избежание спекания слоя необходимо увеличить его теплоотдачу, что достигается подачей воды в слой. а также увеличением расхода воздуха, снижением подачи кислорода.

7. При транспортировке материала повышенной влажности (12−14% влаги) происходит слипание концентрата и большие куски, которые достигают высоты 4−5 м забивают воздухораспределительные отверстия в подине.

8. Высокое содержание сульфидной серы в огарке может быть в том случае, если материал находится в кипящем слое недостаточное время. В пылях же оно может быть при большом пылеуносе из-за высокой скорости воздуха в слое и при загрузке в печь пересушенного концентрата.

9. При прогорании кессона большое количество воды попадает в слой, что резко увеличивает расход тепла и приводит к остановке печи, если не принять своевременные меры к отключению сгоревшего кессона.

2. Разработка системы управления процессом обжига цинковых концентратов в кипящем слое

2.1 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 0,047 мм.

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 13 000 м³/ч, линейная скорость воздуха 0,1м/сек. Переменная по давлению также влияет на гидродинамический режим работы печи и составляет 1100 мм 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 15 000 м³/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 /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.

2.2 Современное состояние автоматизации процесса обжига в КС

При окислительном обжиге сернистого сырья с полным выжиганием серы оптимальным было бы регулирование концентрации сернистого ангидрида в обжиговых газах путем изменения расхода загружаемого сырья и регулирование температуры кипящего слоя путем изменения отъема избыточного тепла; при этом расход дутья (воздуха) и давление под сводом автоматически стабилизируются независимыми регуляторами.

В связи с тем, что требуемого диапазона регулирования отъема тепла в печах с температурой в пределах 700−1000⁰С технически эффективными средствами достигнуть не удается, на цинковых заводах страны внедрены схемы с регулированием температуры обжига изменением расхода загружаемого сырья; при этом концентрация сернистого ангидрида в обжиговых газах остается неуправляемой. Благодаря большим коэффициентам взаимосвязи между концентрацией сернистого ангидрида в газах температурой обжига при постоянстве отвода избыточного тепла практически колебания содержания сернистого ангидрида в отходящих газах при работе автоматического регулятора температуры не превышают 0,6−1,0%.

Все контрольно-измерительные приборы, самопишущие и показывающие, со всех печей вынесены на общий пульт управления. На основании показаний приборов мастер или старший обжигальщик с пульта управления руководит процессом.

Контролю и автоматизации подвергаются следующие узлы:

автоматическое регулирование и регистрация температуры в кипящем слое;

автоматический контроль и регистрация давления;

автоматический контроль и регистрация количества подаваемого в печь воздуха;

автоматическое регулирование подачи концентрата в бункера печей;

регистрация давления воздуха перед печью;

дистанционное управление и блокировка электродвигателей оборудования обслуживающего печь КС.

Для питания аппаратуры контроля и автоматики требуется переменный ток 220 и 127 В, а также постоянный ток 220 В. Для получения постоянного тока электротехнической частью предусмотрено два мотор-генератора, которые питают электродвигатели ленточных питателей, электромагниты самоочищающихся фильтров и схемы сигнализации.

Внедрение автоматизации значительно облегчает обжигальщикам обслуживание печи. Производительность труда на печах возрастает в 1,5−2 раза по сравнению с ручным управлением.

Обслуживание автоматических линий ведется электрослужбой цеха.

Автоматическое регулирование и регистрация температуры в кипящем слое

Температура измеряется хромельалюмелевыми термопарами в десяти точках (в семи точках кипящего слоя, одна — под сводом печи и две точки на входе газа в циклоны), показания термопар передаются на самопишущий двенадцатиточечный (или шеститочечный) потенциометр ФЩЛ5.

Автоматическое регулирование температуры производится изменением количества поступающего в печь концентрата (топлива). Измерительным элементом регулятора служит хромельалюмелевая термопара, устанавливаемая в верхней части кипящего слоя печи. Термопара работает с промышленным компьютером фирмы «SIEMENS», передающим управляющий сигнал на преобразователь частоты VLT, к которому подключен электродвигатель ленточного питателя. Диапозон частоты преобразователя VLT от 0 до 200 Гц, что дает возможность управлять скоростью вращения электродвигателя от 0 до 2000 об/мин и выше. Рабочий диапазон скорости вращения электродвигателя ленточного питателя от 450 до 1600 об/мин.

Таким образом, автоматически в зависимости от температуры скорость движения ленточного питателя, подающего концентрат, будет меняться в нужных пределах. Также предусматривается возможность дистанционного управления скоростью движения ленточного питателя. Для этого на пульте управления установлен ручной задатчик скорости. Сигнализация о работе всех питателей выведена на мнемосхему пульта управления.

Схема автоматического регулирования температуры не связывается с узлом регулирования расхода воздуха, подаваемого в печь ибо при узких пределах регулирования расхода концентрата (при практически стабильном технологическом режиме обжига) нет нужды в таком сложном регулировании.

Автоматический контроль давления газа под сводом печи

Давление под сводом печи контролируется самопишущим прибором типа РП-160 со шкалой 025 мм вод. ст. присоединенным к первичному прибору типа «Сапфир-22ДИВ». Регулирование давления газа под сводом печи может производиться дистанционно: кнопками, установленными на щите управления, степенью открытия или закрытия дросселя в газоходе перед эксгаустерами.

Регулирование и регистрация подаваемого в печь воздуха

Расход воздуха на печь кипящего слоя контролируется самопишущим расходомером типа «РП-160» со шкалой 0−20 000 м³/ч. Для регулирования расхода воздуха на патрубке, нагнетающим воздух в печь, установлена дроссельная заслонка, связанная с исполнительным механизмом с помощью которого можно управлять расходом воздуха в зависимости от заданного режима.

Установленные на центральном щите управления кнопки позволяют дистанционно изменять воздушный режим на печах. Дроссель устанавливается на нагнетающем воздушном патрубке перед печью. Все воздуховоды от турбовоздуходувок имеют соединение с общим воздушным коллектором, что дает возможность подавать воздух от любой турбовоздуходувки.

Автоматическое регулирование подачи концентрата в бункера печей КС

Схема предусматривает ручное и автоматическое управление узла загрузки, технологическую, предупредительную и аварийную сигнализацию (звуковую и световую), контроль наличия концентрата от склада по всей нитке и в бункерах печей КС. При автоматическом управлении предусмотрено ручное отключение с любой автоматической нитки. При нормальном режиме автоматическое отключение производится при всех наполненных бункерах печей КС с выдержкой времени от начала остановки питателя до загрузочного транспортера (выдержка времени берется равной времени чистки дисковой дробилки). Автоматическое включение происходит при уменьшении уровня концентрата в одном из бункеров печей КС.

Уровень в бункере концентрата измеряется комплектом приборов «Vedapuls-Vedamet» с выводом на промышленный компьютером. В момент, когда концентрат в каком-либо бункере опускается ниже заданного уровня, плужковый сбрасыватель этого бункера опускается на ленту транспортера. Плужковые сбрасыватели остальных бункеров поднимаются. Загрузка продолжается до заданного верхнего уровня.

При нормальной подаче концентрата из загрузочного бункера на питатель склада наличие концентрата контролируется флажком. В случае отсутствия концентрата на питателе флажок опускается и автоматически включаются электровибраторы бункера КСК воздушного обрушения. Как только произошло обрушения, контакт размыкается, так как флажок поднялся, останавливаются электровибраторы и закрывается клапан КСК на воздушном обрушении.

На транспортерах, подающих концентрат из склада концентратов в бункера печей КС, наличие концентрата фиксируется также флажками, которые дают импульс на сигнальные лампы, установленные на центральном щите управления. Для работы на ручном управлении необходимо все ключи, установленные на щите, перевести из положения «автоматическое» в положение «ручное» и затем запускать в работу все агрегаты в отдельности непосредственно на месте.

Регистрация давления воздуха перед печью КС

Давление воздуха перед печью или так называемая «упругость дутья» складывается из сопротивления газоходов, пода печи (в сумме около 100−150 мм вод. ст.) и сопротивления самого слоя. Нормальная упругость дутья для работающей печи 2000;4000 мм вод. ст. Изменение упругости дутья в ту или иную сторону свидетельствует об ухудшении работы печи кипящего слоя, т. е. Указывает на ненормальное кипение слоя, образование в нем спеков или на забивание воздухораспределительных отверстий в соплах. Упругость дутья измеряется самопишущим тягомером типа РП-160 со шкалой 0−4000 мм вод. ст.

Дистанционное управление и блокировка электродвигателей оборудования, обслуживающего печь КС

При остановке транспорта огарка под печами — скребкового транспортера, предусматривается автоматическое отключение (остановка) шнеков, установленных на разгрузке печей КС и на газоходной системе. Для этой цели применяют блокировку электродвигателей оборудования. Кроме того, предусмотрено ручное управление агрегатами путем установки специальных ключей на центральном пульте управления.