Дипломная работа: Технология обжига цинковых концентратов в печи кипящего слоя

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.

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 dср равным 0,085 мм, где dср - 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,Fвозд,Cо2,Fводы)

Т - температура кипящего слоя

Fк - расход концентрата

Со2 - концентрация кислорода

Fвозд - расход воздуха

Fводы - 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.

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:

1.  автоматическое регулирование и регистрация температуры в кипящем слое;

2.  автоматический контроль и регистрация давления;

3.  автоматический контроль и регистрация количества подаваемого в печь воздуха;

4.  автоматическое регулирование подачи концентрата в бункера печей;

5.  регистрация давления воздуха перед печью;

6.  дистанционное управление и блокировка электродвигателей оборудования обслуживающего печь КС.

Для питания аппаратуры контроля и автоматики требуется переменный ток 220 и 127в, а также постоянный ток 220в. 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.

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.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9