Автоматизация и управление технологическими процессами обжига клинкера при производстве цемента

     Основной  составляющей оборудования для обжига клинкера является вращающаяся печь, главной частью конструкции является корпус — наклонный цилиндр. Сырьевой материал перемещается внутри корпуса благодаря его наклону и вращению.

     Процесс теплообмена во вращающихся печах  организован по принципу противотока: движение горячих газов, образующихся при сжигании топлива и оттягиваемых дымососом, противоположно направлению движения материала.

     На  происходящие процессы оказывает влияние  множество факторов, таких как  общий объем сырья, влажность, химический состав и тонкость помола шлама (или  состав и количество муки), расход и калорийность топлива, температура и расход вторичного воздуха, неравномерность движения материала и т. п.

     Вращающаяся печь в зависимости от характера  процессов, протекающих в обжигаемом материале на различных ее участках, условно может быть подразделена на ряд зон — сушки, подогрева, кальцинирования, экзотермических реакций, спекания и охлаждения (загрузка, сушка, подогрев, обжиг, охлаждение и выгрузка).

     Общая задача управления вращающейся печью  заключается в обеспечении оптимальных тепловых режимов по сечениям печи, регулирования углов наклона и скоростей вращения цилиндра на всех стадиях рабочего процесса.

     Сущность  процессов получения клинкера состоит  в том, что при высокой температуре  в сырьевой смеси образуются компоненты, обеспечивающие требуемые свойства цемента. Образование клинкера во вращающихся печах завершается при температурах обжигаемого материала около 1450°С — после полного связывания извести.

     Главная фазовая составляющая портландцементного клинкера — алит — должна достигать в нем 40 – 65%, в зависимости от вида клинкера. Здесь целесообразно указать на используемые сокращенные обозначения оксидов: СаО - С; SiO₂ - S; Al₂О₃ -  А; Fe₂О₃ - F; Na₂О - N; Кa₂О - К.

     По  составу алит близок к трехкальциевому  силикату C₃S, но может также содержать ряд других соединений в виде твердых растворов.

     Вторая  по содержанию фазовая составляющая клинкера — белит — близка по составу к двухкальциевому силикату C2S и содержит в виде твердых растворов магний, натрий, калий и др.

     Третья  составляющая клинкера — промежуточное вещество — образуется из той его части, которая представляет расплав при высоких температурах.

     Остальные фазовые составляющие клинкера —  целит — (твердые алюмоферритные растворы), трехкальциевый алюминат С₃А, а также (в небольших количествах) стеклофаза, периклаз, свободная известь, и др.

     Состав  клинкера принято характеризовать  соотношением между основными оксидами (модулями) или содержанием минералов. К модульным характеристикам состава относятся:

• гидравлический (основной)   m = C/S + А + F;
• глиноземный (или алюминатный)   р = A/F;
• кремнеземный (или силикатный)   n = S/A + F.

     Модульные характеристики удобны тем, что совпадают  для клинкера исходной сырьевой смеси, однако содержание минералов полностью  они не определяют. Для преодоления этого затруднения введен коэффициент насыщения кремнезема известью КН (в литературе просто «коэффициент насыщения»):

     КН = (С – 1,65А – 0,35F – 0,7SO₃)/2,8S.                 (1)

     Содержание  клинкерных минералов рассчитывается, исходя из предположения о достижении фазовых равновесий в системе СаО - SiO₂ -Al₂О₃ - Fe₂О₃ и строгом соблюдении количественных соотношений в peaкциях образования клинкерных минералов, в соответствии с эмпирическими формулами :

     C₃S = 4,07(C – 0,7SO₃) – 7,6S – 6,72А – 1,42F;                   (2)

     C₂S = 8,6S + 5,07A + l,07F – 3,07(C – 0,7SO₃);         (3)

     C₃A = 3,04F; C₄AF = 2,65(A – 0,64F); CaSO₄ = 1,7SO₃. (4)

     С использованием КН содержание белита и алита определятся по следующим формулам:

       C₃S = 3,8(ЗКН – 2)S;    C₂S = 8,6(1 – КН)S.           (5)  

     Таким образом, теоретически значения содержания минералов в клинкере могут быть определены по известным характеристикам сырьевой смеси. Оперативный контроль качества клинкера представляет определенные трудности, так как процедуры лабораторного анализа минералогического состава достаточно длительны и трудоемки. Кроме того, содержание минералов не определяет однозначно основное качество клинкера - его активность, фактическое значение которой может быть получено только через 28 суток, а экспрессные оценки недостаточно точны. В настоящее время для этой цели разрабатываются методы оценки качества клинкера на основании косвенных параметров.

     Во  второй главе представлено формализованное описание математических моделей  процесса обжига цементного клинкера.

     Так как технологический процесс производства цемента представляется достаточно сложным объектом, включающим самые разнородные газо- и термодинамические, механические, физические, химические и прочие явления, то для формирования модели необходим комбинированный подход с разумным упрощением средств представления (принятием обоснованных «допущений»). 

     В комплекс процессов, протекающих в  рабочем пространстве печи, входят следующие: движение газов; горение топлива; теплообмен в пространстве печи и вблизи поверхности обрабатываемого материала (шлама); процессы теплообмена в массе материала; химические взаимодействия.

     Тепловой  баланс печи как объекта управления зависит от множества показателей, таких как:

• мощность газовых горелок являющихся основным регулируемым источником тепловой энергии для всего процесса;
• направление и скорость движения горячих газов в координатах печи;
• потери тепловой энергии через ограждения в окружающую среду;
• вносимые и выходящие тепловые потоки через материал, дымовые газы и технологическое оборудование.

     Очевидно, что все перечисленные процессы, так или иначе, связаны между собой и подвержены взаимному влиянию.

     Кинетика процессов перемещения потоков в печи можно представить в виде схемы, рис.2. Основу процесса термической обработки (обжига) цемента составляет теплообмен между газами и сырьевым материалом. Так как длина печи существенно больше ее прочих размеров, то из-за турбулентного перемешивания газового потока его параметры приблизительно одинаковы для заданного сечения печи, и с определенными оговорками объект предполагается одномерным.

 

     

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Пространство  печи можно подразделить на несколько аналогичных технологических зон, условия внутри которых можно считать однородными. Время нахождения сырья в каждой из зон определяется скоростью его перемещения. Время действия газов и их свойства определяются температурой и расходом, и может различаться для разных зон.

     В установившемся режиме температура  газов в каждой из зон определяется условиями теплового баланса и предполагается равномерной в пределах зоны (но в общем случае может различаться в различных зонах).

     Поле  температуры внутри сырьевого материала в общем случае не однородно и не стационарно, поскольку тепловой обмен связан с условиями молекулярной теплопроводности. Плотность теплового потока через границу раздела в первую очередь зависит от разности температур газа и сырья. Количество поглощенной/выделенной при этом теплоты можно считать пропорциональным массе изменяющегося материала. При переходе в следующую зону полученные параметры сырья можно считать его начальной характеристикой для этой зоны.

     Изменение температуры газовой составляющей для i-й зоны печи можно представить  уравнением теплового баланса:

      

  (6)

    где: с_р — удельная теплоемкость газовой смеси,

      — температура газовой смеси  в i-й зоне.

            (7)

     где: — расход воздуха в зоне горелок, — расход подаваемого воздуха, N — количество зон, — расход отбираемых дымовых газов:

     

      (8)

 

       Q_G, — теплота сгорания газа,

        c — стехиометрическое соотношение газа и воздуха.

      Левая часть уравнения (6) представляет поток тепла, переносимый через границу i-й и (i+1)-й зон, правая часть представлена следующими слагаемыми:

      Первое  слагаемое отображает поток тепла, переносимого горячими газами между i-й и (i+1)-й зонами.

      Второе  слагаемое - тепловая мощность газовых горелок в данной зоне (естественно, при отсутствии в зоне горелок = 0).

      Третий  член правой части — тепловые потери в окружающую среду:

     

   (9)

где: Т₀ — температура наружного воздуха, — температура горячих газов, — суммарная площадь ограждающей поверхности, — коэффициент теплопередачи.

      Четвертое слагаемое в правой части —  количество тепла, передаваемое материалу:

      

                               (10)

где: - температура материала в i-й зоне, с_р - удельная теплоемкость материала, М_i - масса материала в i-й зоне, Dt - время прохождения i-й зоны.

    Поле  температур материала определяется классическим уравнением нестационарной теплопроводности для системы без внутренних источников тепла:

      

 (11)

где: с_q , r_q, l_q -удельная теплоемкость, плотность, теплопроводность материала.

      В качестве начальных условий можно  принять температуру материала на выходе из (i – 1)-й зоны:

      

.     (12)

      Граничные условия:

      

         (13)

            Здесь hx, hy, hz — толщины прогреваемого материала в соответствующих направлениях (x, y, z).       В принципе уравнение (6), отражающее термодинамическую ситуацию в i-й зоне через температуру в (i+1)-й, фактически представляет собой систему из N дифференциальных уравнений. Уравнения (6) и (11) целесообразно решать совместно методом последовательных приближений, с использованием граничных условий (13) и заданных начальных условий (12).

    Для моделирования объекта и формирования управляющих алгоритмов дифференциальные уравнения с граничными условиями преобразуются в систему алгебраических уравнений, соответствующих конечно-разностной схеме. Блок-схема общего алгоритма представлена на рис.3. 

    Во  внутреннем цикле производятся расчеты изменений температуры материала по слоям, со вводом вычисленных во внешнем цикле граничных условий, и напротив, во внешнем цикле при определении текущей температуры газовой среды начальные условия используются в качестве входных величин, а вычисленные значения температуры участков определяются по вышеупомянутым зонам, распределению обрабатываемого материала, длины вращающейся печи, расположения газовых горелок и т. п.