Процесс прокалки кокса во вращающих печах

ПРОЦЕСС ПРОКАЛКИ КОКСА ВО ВРАЩАЮЩИХСЯ ПЕЧАХ

 

Краткое описание технологического процесса прокаливания кокса

 

Прокаленный кокс используется для изготовления электродов, применяемых в электролизерах для электролиза алюминия. Кокс прокаливается с целью удаления влаги и летучих компонентов для улучшения качественных показателей углеродистого сырья (нефтяных и пековых коксов): повышения плотности (di) и увеличения механической прочности. Технологическим агрегатом для прокаливания служит трубчатая вращающаяся печь, установленная с уклоном в сторону горячей головки.

В качестве топлива используется мазут.

Загружается сырой кокс в печь через холодную головку из расходного бункера ленточным весоизмерителем. Процесс прокаливания проходит по принципу противотока. Кокс по мере прохождения печи нагревается. При этом из него вначале удаляется влага, а затем при температуре 300-700 0С – большая часть летучих. Качество прокаленного кокса зависит от температурного режима в печи и времени нахождения материала в ней. Для коксов, используемых для анодов в производстве алюминия, наилучшей контрольной величиной является действительная плотность. Действительная плотность прокаленного кокса тем выше, чем ниже его удельное электрическое сопротивление. Динамика изменения действительной плотности нефтяного кокса приведена на графике (рисунок 2).

di, г/см3

1200 0С

1300 0С

Рисунок 2 – Динамика изменения действительной плотности

нефтяного кокса

Нагретый до 1200-1450 0С кокс поступает в водоохлаждаемый холодильник, установленный под печью, где охлаждается до температуры 70-100 0С.

 

Процесс прокалки кокса во вращающейся печи

как объект автоматизации

 

На основании опыта эксплуатации и экспериментальных данных систематизируем основные параметры прокалочной печи по признаку: входные, режимные, выходные.

ت âُîنيûى ïàًàىهًٍàى ïًîِهٌٌà ىîويî îٍيهٌٍè êà÷هٌٍâهييûه ïîêàçàٍهëè (âëàويîٌٍü – Wk, êًَïيîٌٍü – δk, ٌîنهًوàيèه ëهٍَ÷èُ – Cëk), çàمًَوàهىîمî ٌûًîمî êîêٌà è همî êîëè÷هٌٍâî – Gk, ًàٌُîن âٍîًè÷يîمî âîçنَُà – Gâ, à ٍàêوه نهéٌٍâَ‏ùèه يà ïه÷ü âîçىَùهيèے (ًèٌَيîê 3).

Рисунок 3 – Процесс прокалки кокса во вращающейся печи как объект управления

 

خٌيîâيûىè âîçىَùهيèےىè ےâëے‏ٌٍے: èçىهيهيèه ًàٌُîنà (نàâëهيèے) ىàçٍَà – Gى(ذى), مهîىهًٍè÷هٌêèه ًàçىهًû ٍîïëèâيîمî ôàêهëà, êîٍîًûه çàâèٌےٍ îٍ ًàٌُîنà ïàًà Gï, èçىهيهيèه ïîëîوهيèے ïه÷è (L), à ٍàêوه èçىهيهيèے Wk, δk, Cëk.

Второстепенные параметры (изменение толщины футеровки, изменение теплотворной способности мазута, изменение температуры вторичного воздуха и т.д.) из рассмотрения были исключены.

ذهوèىيûىè ïàًàىهًٍàىè ىîويî ٌ÷èٍàٍü: ًàçًهوهيèه â ُîëîنيîé مîëîâêه ïه÷è – ذُ.م.; ٌîنهًوàيèه êèٌëîًîنà â îٍُîنےùèُ مàçàُ – رخ2; ٍهىïهًàًٍََ îٍُîنےùèُ مàçîâ – زî.م.; ًàçيîٌٍü ٍهىïهًàًٍَ â مàçîُîنه - Δزم; ٍهىïهًàًٍََ ïًîêàëهييîمî êîêٌà يà âûُîنه èç ïه÷è – زêïè يàمًَçêَ ‎ëهêًٍîنâèمàٍهëے مëàâيîمî ïًèâîنà ïه÷è – Q‎.

آûُîنيûىè ïàًàىهًٍàىè ïًîِهٌٌà ïًîêàëêè ےâëے‏ٌٍے: êîëè÷هٌٍâî ïًîêàëهييîمî êîêٌà يà âûُîنه èُ ïه÷è – Gkï, èٌٍèييàے ïëîٍيîٌٍü ïًîêàëهييîمî êîêٌà – diè َنهëüيîه ‎ëهêًٍîٌîïًîٍèâëهيèه êîêٌà â ïîًîّêه.

آ êà÷هٌٍâه َïًàâëے‏ùèُ âîçنهéٌٍâèé èٌïîëüçَهٌٍے: ًàٌُîن ٌûًîمî êîêٌà â ïه÷ü – Gk, ًàٌُîن ىàçٍَà – Gى, ًàٌُîن ïàًà (مهîىهًٍè÷هٌêèه ًàçىهًû ٍîïëèâيîمî ôàêهëà) – Gï, ًàٌُîن âٍîًè÷يîمî âîçنَُà â ïه÷ü – Gâ, ًàçًهوهيèه â ُîëîنيîé مîëîâêه ïه÷è – ذُ.م.

На рисунке 4 приведена схема взаимосвязей основных параметров процесса прокаливания кокса.

 

Рисунок 4 – Схема взаимосвязей основных параметров процесса прокаливания кокса

 

حهًàâيîىهًيîٌٍü ïîنà÷è ٌûًîمî êîêٌà, èçىهيهيèه âëàويîٌٍè, êًَïيîٌٍè è ٌîنهًوàيèه ëهٍَ÷èُ â يهى يهلëàمîïًèےٍيî ٌêàçûâàهٌٍے يà ïًîٍهêàيèè ïًîِهٌٌà ïًîêàëêè. زàê َâهëè÷هيèه êîëè÷هٌٍâà çàمًَوàهىîمî êîêٌà Gk, ïîâûّهيèه همî âëàويîٌٍè Wk, ٌîنهًوàيèے ëهٍَ÷èُ Cëkè ٌيèوهيèه êًَïيîٌٍè δkâهنهٍ ê َىهيüّهيè‏ نëèيû çîيû ïًîêàëèâàيèے è ٌنâèمَ هه ê يèويهé مîëîâêه ïه÷è.

رَùهٌٍâهييî âëèے‏ٍ يà ًàٌïًهنهëهيèه ٍهىïهًàًٍَû ïî نëèيه ïه÷è è êîëهلàيèے ٍےمîâîمî ًهوèىà. دًè َâهëè÷هيèè ًàçًهوهيèے ذُ.م, çîيà ïًîêàëèâàيèے ٌىهùàهٌٍے ê âهًُيهé مîëîâêه ïه÷è è îلùàے نëèيà هه َâهëè÷èâàهٌٍے, ÷ٍî ٌïîٌîلٌٍâَهٍ ïîëَ÷هيè‏ âûٌîêîêà÷هٌٍâهييûُ ïًîêàëهييûُ êîêٌîâ ïًè ïîâûّهيèè ïًîèçâîنèٍهëüيîٌٍè. خنيàêî ïًè َâهëè÷هيèè ًàçًهوهيèے çيà÷èٍهëüيî َâهëè÷èâàهٌٍے َيîٌ ىهëêèُ ÷àٌٍèِ êîêٌà, ٍ.ه. âîçًàٌٍà‏ٍ ïîٍهًè êîêٌà. ت ‎ٍîىَ وه ïًèâîنèٍ è èçلûٍîê ïîنà÷è âîçنَُà â ïه÷ü (Gâ), ٍ.ê. َâهëè÷èâàهٌٍے َمàً êîêٌà (q).

زهىïهًàًٍَà ïًîêàëهييîمî êîêٌà زêïîêàçûâàهٍ âîçنهéٌٍâèه يà ٍهىïهًàًٍََ îٍُîنےùèُ مàçîâ. ر نًَمîé ٌٍîًîيû زî.م., ُàًàêٍهًèçَ‏ùàے ٌîٌٍîےيèه çîيû ïîنٌَّêè ïî ًٍàêٍَ ىàٍهًèàëà, âëèےهٍ يà زêï.

 

АСУ ТП прокалки кокса

 

ہرس زد ïًîêàëêè êîêٌà âî âًàùà‏ùهéٌے ïه÷è (ًèٌَيîê 5, 6) ïîًٌٍîهيà ïî نâًََُîâيهâîىَ ïًèيِèïَ. حà يèويهى ًَîâيه, âûïîëيهييîى يà لàçه ىèêًîïًîِهٌٌîًيîمî êîيًٍîëëهًà SimaticS– 155, îٌَùهٌٍâëےهٌٍے àâٍîىàٍè÷هٌêèé êîيًٍîëü îٌيîâيûُ ïàًàىهًٍîâ ïًîِهٌٌà ïًîêàëêè (ًàٌُîنîâ: ٌûًîمî êîêٌà, ىàçٍَà, ïàًà يà ًàٌïûëهيèه ىàçٍَà, âٍîًè÷يîمî âîçنَُà, ïًîêàëهييîمî êîêٌà; ٍهىïهًàًٍَû: îٍُîنےùèُ مàçîâ, ïًîêàëهييîمî êîêٌà يà âûُîنه èç çîيû ïًîêàëêè, ïهًهن êîٍëîى-ٍَèëèçàٍîًîى; ًàçًهوهيèے â ُîëîنيîé مîëîâêه ïه÷è, êîيِهيًٍàِèè êèٌëîًîنà â îٍُîنےùèُ مàçàُ) è àâٍîىàٍè÷هٌêîه ًهمَëèًîâàيèه يهêîٍîًûُ èç يèُ (ٍهىïهًàًٍَû ïًîêàëهييîمî êîêٌà يà âûُîنه èç çîيû ïًîêàëêè, ٍهىïهًàًٍَû îٍُîنےùèُ مàçîâ, ًàٌُîنîâ ٌûًîمî êîêٌà, ىàçٍَà è ïàًà, à ٍàêوه ٌîîٍيîّهيèے ًàٌُîنîâ ىàçٍَà è âîçنَُà). خٌيîâيûه âîçىَùهيèے (èçىهيهيèه âëàويîٌٍè è مًàيَëîىهًٍè÷هٌêîمî ٌîٌٍàâà çàمًَوàهىîمî êîêٌà, ٌهمًهمàِèے همî â لَيêهًه) êîىïهيٌèًَ‏ٌٍے, â îٌيîâيîى, ٌèٌٍهىîé àâٍîىàٍè÷هٌêîé ٌٍàلèëèçàِèè ًàٌُîنà ٌûًîمî êîêٌà ٌ êîًًهêِèهé ïî ىميîâهييîىَ âهٌَ ôèêٌèًîâàييîمî îلْهىà êîêٌà يà ëهيٍه ًٍàيٌïîًٍهًà âهٌîèçىهًèٍهëے è àâٍîىàٍè÷هٌêîمî ًهمَëèًîâàيèے ٍهىïهًàًٍَû îٍُîنےùèُ مàçîâ, êîٍîًûه è ٌٍàلèëèçèًَ‏ٍ ïîëîوهيèه çîيû ïًîêàëêè. جهونَ ٍهىïهًàًٍَîé îٍُîنےùèُ مàçîâ è ٍهىïهًàًٍَîé êîêٌà يà âûُîنه èç çîيû ïًîêàëêè ٌَùهٌٍâَهٍ نîٌٍàٍî÷يî ٍهٌيàے ٌâےçü (êî‎ôôèِèهيٍ êîًًهëےِèè r≈ - 0,6). دî‎ٍîىَ ïًè ٌٍàلèëèçàِèè ٍهىïهًàًٍَû îٍُîنےùèُ مàçîâ يه لَنهٍ çيà÷èٍهëüيûُ îٍêëîيهيèé îٍ çàنàييîمî çيà÷هيèے ٍهىïهًàًٍَû êîêٌà يà âûُîنه èç çîيû ïًîêàëêè. ہ ٍه îٍêëîيهيèے, êîٍîًûه âîçيèêيٍَ, لَنٍَ ٌêîىïهيٌèًîâàيû ٌèٌٍهىîé ٌٍàلèëèçàِèè نàييîé ٍهىïهًàًٍَû èçىهيهيèهى ًàٌُîنà ىàçٍَà â ïه÷ü.

Таким образом, для уменьшения отклонений температуры кокса на выходе из зоны прокалки вследствие изменения состава и крупности загружаемого кокса необходимо изменять разрежение в холодной головке печи, расход мазута и подачу воздуха при автоматическом поддержании необходимого соотношения расходов мазута и воздуха.

رèٌٍهىû àâٍîىàٍè÷هٌêîé ٌٍàلèëèçàِèè ًàٌُîنîâ: ïًîêàëèâàهىîمî êîêٌà, ىàçٍَà è ïàًà ٌٍàلèëèçèًَ‏ٍ ïîنà÷َ ىàٍهًèàëüيûُ è ‎يهًمهٍè÷هٌêèُ ïîٍîêîâ يà ًٍهلَهىîى ًَîâيه è, ٍهى ٌàىûى, ٌïîٌîلٌٍâَ‏ٍ ٌٍàلèëüيîىَ ïًîٍهêàيè‏ ïًîِهٌٌà ïًîêàëêè.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 4 Структурная схема АСУ ТП прокалки

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 6 – Функциональная схема АСУ ТП прокалки

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Системы автоматического регулирования (АСР) в целом обеспечивают стабилизацию температурного режима процесса прокалки, что позволяет использовать их в автономном режиме без верхней иерархической ступени. Они выполнены по схеме одноконтурного регулирования по отклонению, однако в автоматической системе стабилизации расхода сырого кокса введена коррекция по мгновенному весу фиксированного объема кокса на ленте транспортера весоизмерителя, который косвенно характеризует крупность и влажность загружаемого кокса.

На верхнем уровне, реализованном на базе рабочей станции, с помощью нейросетевой математической модели осуществляется прогнозирование истинной плотности прокаленного кокса и расчет оптимальных уставок (заданий) локальным АСР.

ؤëے ٌîçنàيèے يهéًîٌهٍهâîé ىàٍهىàٍè÷هٌêîé ىîنهëè èٌïîëüçîâàëàٌü ٌèٌٍهىà (ïàêهٍ ïًîمًàىى) ىîنهëèًîâàيèے يهéًîٌهٍهé «Qnetv.1».

При решении прямой задачи (прогноз качества прокаленного кокса) использовалась нейросеть (НС) на базе многослойного персептрона с полными связями, имеющая четыре скрытых слоя нейронов (рисунок 7).

 

Рисунок 7 – Нейросеть прямой задачи (НС-1)

ؤëے îلَ÷هيèے ٌهٍè ïًèىهيےëٌے îïٍèىèçèًîâàييûé àëمîًèٍى îلًàٍيîمî ًàٌïًîًٌٍàيهيèے ٌ èٌïîëüçîâàيèهى ىîىهيٍà. آ êà÷هٌٍâه âُîنيûُ نàييûُ يà ىîنهëü ïîنàâàëèٌü çيà÷هيèے îٌيîâيûُ ٍهُيîëîمè÷هٌêèُ ïàًàىهًٍîâ ïًîِهٌٌà (نàâëهيèه ىàçٍَà (ذج) è ïàًà (ذد), ًàçًهوهيèه â ُîëîنيîé مîëîâêه ïه÷è (ذُ.م.), ٍهىïهًàًٍَà êîêٌà يà âûُîنه èç çîيû ïًîêàëêè, ًàçيîٌٍü ٍهىïهًàًٍَ îٍُîنےùèُ مàçîâ â مàçîُîنه (ز2-ز1), ٍهىïهًàًٍَà îٍُîنےùèُ مàçîâ, ًàٌُîن ٌûًîمî êîêٌà, âëàويîٌٍü è ٌîنهًوàيèه ëهٍَ÷èُ â ïًîêàëèâàهىîى êîêٌه). حà èُ îٌيîâه ىîنهëü (ïîٌëه îلَ÷هيèے) ًàٌٌ÷èٍûâàëà çيà÷هيèه èٌٍèييîé ïëîٍيîٌٍè, ïًîêàëèâàهىîمî êîêٌà (dèٌٍ.). خلَ÷هييàے يهéًîٌهٍü èىههٍ âûٌîêَ‏ ٍî÷يîٌٍü (îّèلêà ًàٌ÷هٍà dèٌٍ. يه ïًهâûّàهٍ 1%).

ؤëے ًهّهيèے îلًàٍيîé çàنà÷è – يàُîونهيèے îïٍèىàëüيûُ ٌٍَàâîê ًهمَëےٍîًàى ëîêàëüيûُ ہرذ, â çàâèٌèىîٌٍè îٍ êà÷هٌٍâà ٌûًîمî êîêٌà è ًٍهلَهىîé dèٌٍ.(2,03 م/ٌى3), âî âُîنيîى ٌëîه îلًàٍيîé حر 3 يهéًîيà, â âûُîنيîى – 7, à êîëè÷هٌٍâî ٌêًûٍûُ ٌëîهâ – 2 (ًèٌَيîê 8).

 

Рисунок 8 – Нейросеть обратной задачи (оптимизации) - НС-2

 

دîنàâàے يà âُîنû îلَ÷هييîé îلًàٍيîé حر ïàًàىهًٍû, ُàًàêٍهًèçَ‏ùèه êà÷هٌٍâî ïًîêàëèâàهىîمî êîêٌà (Wk, رëk) ٌîîٍâهٌٍٍâَ‏ùهمî ïîٌٍàâùèêà è ًٍهلَهىîه ïî ٍهُيîëîمè÷هٌêîىَ ًهمëàىهيٍَ çيà÷هيèه dèٌٍ. = 2,03 م/ٌى3, ïîëَ÷à‏ٍ ًٍهلَهىûه ًهوèىû ïًîêàëêè (ٌٍَàâêè çàنàيèے ًهمَëےٍîًàى ëîêàëüيûُ ہرذ).

Использование для создания управляющей математической модели нейросети позволяет повысить точность прогнозирования истинной плотности прокаленного кокса и управления процессом, упростить процедуру нахождения оптимальных значений режимных параметров (заданий для АСР) и подстройки модели при изменении характеристик прокалочной печи.