Способ спекания глиноземсодержащей шихты

Способ спекания глиноземсодержащей шихты

Реферат

 

Изобретение относится к области производства глинозема из природных щелочны алюмосиликатов и, в частности, к способам получения спека из глиноземосодержащей шихты. Задача, решаемая изобретением, - повышение качества спека с последующим увеличением коэффициента извлечения при переработке спека. В способе спекания, включающем непрерывные измерения плотности шихты, температур материала в зоне спекания и на входе в цепную зону, воздуха на выходе холодильника и дымовых газов на выходе печи, разрежения дымовых газов, ток двигателя привода вращения печи и гидравлическое сопротивление холодильника по газовому тракту и периодическое измерение качества спека /например, по его пористости/, поддерживают постоянное значение скорости нагрева шихты в среднем по длине печи воздействием на потоки топлива и пыли и разрежение дымовых газов на выходе печи. Корректируют заданное значение температуры спека и скорости нагрева пропорционально величине отклонения матожидания качества спека от его заданного значения. Периодически корректируют прогнозирующую модель в зависимости от отклонения измеренного значения качества спека от его матожидания. 1 с.п. и 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области производства глинозема из природных щелочных алюмосиликатов и, в частности, к способам получения спека из глиноземосодержащей шихты.

Известен способ спекания глиноземосодержащей шихты во вращающейся печи, включающий термообработку шихты продуктами горения топлива со скоростью нагрева в подготовительных зонах в области температур 500-1000^oC от 300 до 550 град. /час (см. А. С. 758706). Недостатком способа является дестабилизация режима обработки и соответствующее снижение качества спека из-за колебаний состава сырья, особенно по соотношению глинозема и кремнезема.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является способ спекания глиноземосодержащей шихты (см. Е.И. Ходоров, Н.С. Шморгуненко. Техника спекания шихт глиноземной промышленности. М. Металлургия, 1978, с. 135-147), принятый за прототит. Способ включает термообработку шихты продуктами горения топлива во вращающейся печи с возвратом уловленной от отходящих газов технологической пыли над топливным факелом. Способ содержит измерение температуры в зоне спекания, на входе в цепную зону и отходящих газов, прогнозирование качества спека (например, по его пористости) с помощью математической модели, периодическое, с заданным периодом, измерение качества спека, управление режимом работы печи воздействием на разрежение, расходы топлива и пыли и стабилизацию указанных величин на заданных уровнях. Недостатком способа является то, что он не учитывает имеющие место колебания состава сырья, прежде всего по минералогическому составу, характеризующемуся соотношением Al₂O₃ и SiO₂. Это приводит к снижению качества спека. Указанный недостаток проявляется особенно сильно при переработке сырья с пониженным содержанием глинозема и повышенным содержанием кремнезема. Не учитывается необходимость корректировки режима термообработки при колебаниях влажности и качества получаемого спека.

Вышеприведенный анализ уровня техники не выявляет отличительных признаков заявляемого изобретения. Это позволяет сделать вывод о том, что оно превышает уровень техники, известный на момент подачи заявки.

Задачей предполагаемого изобретения является повышение качества спека с последующим увеличением коэффициента извлечения полезных компонентов при переработке спека.

Технический эффект достигается тем, что в способе спекания глиноземосодержащей шихты путем ее термообработки продуктами горения топлива с возвратом уловленной из отходящих газов технологической пыли над топливным факелом, включающем измерение температур материала в зоне спекания, на входе в цепную зону и отходящих газов, прогнозироваание качества спека с помощью математической модели, периодическое измерение пористости спека с установленным периодом, управление режимом работы печи воздействием на разрежение, расходы топлива и пыли и стабилизацию указанных величин на заданных уровнях, скорость нагрева шихты в среднем по длине печи поддерживается в пределах 10-50 от величины молекулярного соотношения Al₂O₃/SiO₂ в шихте, а скорость нагрева в зоне спекания в области, где температура материала более 1000^o, в пределах 40-85% от средней по печи, среднее значение скорости нагрева шихты по печи определяют по разности температур материала в зоне спекания и на входе газов в цепную зону. По измеренному значению плотности шихты определяют ее влажность, при отклонении средней скорости нагрева от заданного значения за счет изменения влажности шихты среднюю скорость нагрева стабилизируют изменением разрежения и потоков пыли и топлива по П-закону в зависимости от величины рассогласования измеренного и заданного значений влажности и по ПИ-закону в зависимости от рассогласоваания между измеренным и заданным значениями температуры отходящих газов. При отклонении средней скорости нагрева шихты от ее заданного значения за счет изменения температуры в зоне спекания ее стабилизируют изменением расхода пыли по ПИ-закону от разности измеренной и заданной температур в зоне спекания. По математической модели находят прогнозируемое значение пористости спека и ее матожидание. Если абсолютное значение отклонения матожидания прогнозируемой пористости спека от его заданного значения больше установленного, то по обратной модели корректируют заданное значение температуры в зоне спекания и заданное значение скорости нагрева так, чтобы абсолютное значение разности между заданной величиной пористости спека и его матожиданием было меньше установленной, в противном случае заданные значения температуры в зоне спекания и скорости нагрева остаются неизменными. Периодически, с периодом, равным периоду измерения пористости спека, математическую модель корректируют прямопропорционально разнице между измеренной величиной пористости спека и матожиданием его прогнозируемой величины. Измеряют ток электродвигателя привода вращающейся печи, температуру воздуха входа из холодильника и гидравлическое сопротивление холодильника и по формуле прогнозируют пористость спека: X=A1.T1(t-1)+A2.T2(t-2)+A3.PR(t-3)+A4.I(t-4)+A5, где А1, А2, А3, А4, А5 коэффициенты и свободный член, определяемые опытным путем при настройке, Т1, Т2 температуры спека и воздуха, PR гидравлическое сопротивление холодильника, I ток двигателя привода, ₁-₄ временные сдвиги, определяемые опытным путем при настройке, t - текущее время.

Таким образом, шихту направляют на спекание наливом во вращающуюся печь, оснащенную в сушильной зоне цепной завесой. Термообработку осуществляют продуктами сгорания топлива, подаваемого в разгрузочный конец печи, при перемещении спекаемого материала в пересыпающемся слое. Уловленную из отходящих газов технологическую пыль возвращают пневмотранспортом в разгрузочный конец печи над топливным факелом. Величина молекулярного отношения Al₂O₃/SiO₂ лежит в пределах 0,15-0,55 и в основном зависит от содержания этих компонентов в шихте, то есть может корректироваться изменением соотношения сырьевых компонентов при ее приготовлении. Для получения качественного спека в печи поддерживают постоянное значение скорости нагрева шихты, определяемое по формуле Y=(T_сп-T_цз)/, (2) где T_сп температура спека в зоне спекания, T_цз температура материала на входе в цепную зону (по газовому тракту), суммарное время пребывания шихты в зонах декарбонизации и спекания.

При правильном выборе наклона печи и частоте вращения скорость нагрева в зоне, где температура не ниже 1000^oC лежит в пределах 40-85% от Y. Изменение скорости нагрева Y может происходить по двум основным причинам: из-за изменения влажности шихты или из-за изменения температуры в зоне спекания. При изменении влажности шихты изменяют теплоподвод в цепную зону, который зависит от количества подаваемых в разгрузочный конец печи топлива и пыли и от разрежения отходящих газов. Стабилизацию скорости нагрева при изменении влажности шихты осуществляют с помощью контуров компенсации возмущения и контура обратной связи. На основе результатов измерения плотности шихты при известных плотностях твердой и жидкой фаз шихты определяют влажность шихты и пропорционально величине рассогласования между заданным и найденным значениями влажности находят корректирующие поправки к заданным значениям расходов топлива и пыли и разрежения. Для устранения статической ошибки управления с помощью контуров компенсации возмущения служит контур обратной связи, вырабатывающий по ПИ-закону в зависимости от рассогласования между заданным и измеренным значениями температуры отходящих газов корректирующие поправки заданным значениям расходов пыли и топлива и разрежения. При изменении средней скорости нагрева за счет изменения температуры спека по ПИ-закону корректируют заданное значение расхода пыли. Если скорость нагрева при стабильной температуре спека изменяется за счет изменения T_цз, то вырабатывают корректирующую поправку к заданному значению температуры спека по ПИ-закону в зависимости от указанного отклонения. С помощью математической модели в зависимости от температуры в зоне спекания (что равнозначно температуре спека на выходе печи) и воздуха в холодильнике, тока привода печи и гидравлического сопротивления холодильника, определяемого в зависимости от разности давлений воздуха на входе и выходе холодильника, прогнозируют качество спека и находят его матожидание. Параметром, определяющим качество спека, может быть, например, пористость спека. Прямопропорционально отклонению между заданным значением качества спека и матожиданием его прогнозируемого значения корректируют заданные значения температуры спека и скорости нагрева. Периодически, с установленным периодом, измеряют качество спека и по П-закону корректируют математическую модель. Таким образом, достигается высокая точность поддержания качества спека при наличии возмущающих воздействий по влажности спека и других возмущениях, влияющих на температуру в зоне спекания. Скорость нагрева шихты в среднем по длине печи поддерживают в пределах 10-50 от величины молекулярного соотношения Al₂O₃/SiO₂ в шихте. То есть, чем богаче по содержанию глинозема шихта и, соответственно, чем выше ее реакционная способность, тем при больших скоростях нагрева возможно проведение процесса. При значении этой величины менее 10 чрезмерно снижается скорость нагрева в печи, вследствие чего снижается производительность процесса, возрастают энергетические затраты из-за увеличения удельных потерь тепла через корпус печи, происходит переполнение сушильной зоны материалом и, соответственно, дестабилизируется его движение и режим термообработки. Возникает угроза перелива шихты через загрузочный борт. При значении этой величины более 50 чрезмерно возрастает скорость движения материала в печи. Это связано с увеличением расхода топлива из-за увеличения температуры отходящих газов. Повышение температуры связано с необходимостью обеспечить нужную глубину термообработки при сокращенном времени пребывания материала в печи. В этом режиме возрастает пылеунос, ухудшается стойкость футеровки. Последнее связано с резким нагревом материала. Скорость нагрева в зоне спекания выбирают в пределах 40-85 от средней скорости нагрева печи. Скорость нагрева в зоне спекания в основном определяет условия формирования пористой структуры и фазового состава спека, образования на футеровке обмазки из обжигаемого материала, усреднение возвращаемой технологической пыли с основной массой материала. Чем выше скорость нагрева в среднем по печи, тем целесообразнее поддерживать меньшую величину отношения скорости в зоне спекания к скорости в среднем. При этом компенсируется недостаточная степень и равномерность обработки шихты на входе в зону спекания при более скоростной термообработке в среднем по печи. При скорости нагрева в зоне спекания меньше чем 40% от средней скорости нагрева в печи происходит чрезмерно длительная выдержка материала при максимальных температурах спекания. Это обусловливает интенсификацию возгона щелочей, что ведет к нарушению стехиометрических соотношений в спеке, зарастанию цепной завесы. При скорости нагрева в зоне спекания более 85% от средней скорости нагрева в печи не обеспечивается достаточная длительность пребывания материала при температуре спекания, что ведет к получению спека, содержащего часть низкотемпературных промежуточных фаз. Для достижения требуемой глубины термообработки в этом случае приходится увеличить температуру спекания. Последнее приводит к частичному оплавлению спека, разрушению футеровки.

Результаты сравнения известного и предлагаемого способа приведены в таблице.

Использование предлагаемого изобретения обеспечивает увеличение производительности печи на 3-6% снижение удельного расхода топлива на 1,8-2,4% увеличение стойкости футеровки в 1,25-1,65 раза, увеличение извлечения глинозема на 2,9-4,0% увеличение доли качественного спека, имеющего пористость в нормированных пределах (12-22%), на 25-35% На фигуре приведена блок-схема устройства, реализующего способ спекания глиноземсодержащей шихты. Устройство содержит печь 1 вращающего типа с электроприводом 2, холодильник колосникового типа 3, электрофильтр 4, дымосос 5, измеритель пористости спека 6, содержащий автоматический пробоотборник, линию прободоставки и лабораторный измеритель пористости, трубопроводы подвода шихты 7 и воздуха 8 и топлива 8', трубопроводы отвода спека 9 и дымовых газов 10, тягонапорометр 11, исполнительный механизм 12 типа МЭКО на трубопроводе дымовых газов с регулирующим органом, регулятор разрежения 13 типа Р12, измеритель температуры 14 дымовых газов, расходомер 15 пыли лепесткового типа, исполнительный механизм 16 регулятора расхода пыли 17 типа Р12, расходомер 18 расхода топлива камерного типа с исполнительным механизмом 19 типа МЭКО и регулирующим органом, регулятор 20 расхода топлива типа Р12, задатчики 21, 22, 23, 24, 25 типа ЗУ-05 для задания температуры T^*_ог отходящих газов, разрежения R^x(0), температуры спека T_сп, расходов топлива Q_т(0) и пыли Q_п соответственно, термопары 26, 27 и 28 для измерения температуры на входе в цепную зону, в зоне спекания и воздуха T_в на выходе из холодильника, дифманометр 29 для измерения давления PR воздуха под колосниками холодильника, плотномер 30 радиационного типа, измеритель тока 31 привода печи, задатчик 32 влажности W^*_ш типа ЗУ-05, первый арифметический блок 33, второй арифметический блок 34 с задатчиками 35 и 36 типа ЗУ-05 скорости нагрева Y и зоны нечувствительности 2, сумматор 37 типа А04, третий арифметический блок 38, сумматоры 39 и 40 типа А04, регулятор 41, сумматор 42 типа А04, четвертый арифметический блок 43 с задатчиком 44 зоны нечувствительности 1 типа ЗУ-05. Трубопровод 7 соединен с 45 входом печи 1, выход которой 46 соединен со входом 47 фильтра 4. Выход последнего 48 через исполнительный механизм 12 и дымосос 5 соединен с трубопроводом 10 отвода дымовых газов. Выход 49 фильтра 4 через исполнительный механизм 16 и расходомер 15 соединен со входом 50 печи 1, выход которой 51 соединен с 52 входом холодильника 3. Выход 53 холодильника 3 соединен с трубопроводом 9 отвода спека, а выход 54 соединен с трубопроводом 8 подвода воздуха в холодильник. Выход 55 печи 1 через расходомер 18 и исполнительный механизм 19 соединен с трубопроводом подвода топлива 8. Тягонапоромер 11 соединен с 56 входом регулятора 13, 57 выход которого соединен с 58 входом исполнительного механизма 12. Выход 69 расходомера 15 соединен с 60 входом регулятора 17, а выход 61 последнего соединен со входом 62 исполнительного механизма 16. Выход 62 расходомера 18 соединен со входом 63 регулятора 20. Плотномер 30 соединен со входом 66 арифметического блока 33, а задатчик 32 соединен со входом 67 этого же блока. Выход 68 последнего соединен с 69 входом сумматора 37, выход 70 которого соединен с задатчиком 22, а выход 71 соединен со входом 72 регулятора 13. Измеритель температуры 14 соединен со входом 73 блока 38, выход 74 которого соединен со входом 75 сумматора 37. Выход 76 блока 33 соединен с 77 входом сумматора 42. Выход 78 блока 38 соединен с 79 входом блока 42 вход 88 которого соединен с задатчиком 24, а выход 81 соединен со входом 82 блока 20. Выход 83 блока 33 соединен со входом 84 сумматора 39, а выход 85 последнего соединен с выходом 86 блока 38.

Задатчик 25 соединен со входом 87 сумматора 39, а выход 88 последнего соединен со входом 89 регулятора 17. Измеритель 26 соединен со входом 90 блока 31, а выходы 91 и 92 этого же блока соединены с измерителями 26 и 27 соответственно. Входы 92 и 93 этого же блока соединены с задатчиками 35 и 36 соответственно, а выход 94 соединен со входом 95 сумматора 40, вход 96 которого соединен с задатчиком 23, а выход 97 соединен со входом 98 блока 41, выход 99 которого соединен с 100 входом сумматора 39. Выходы измерителей 6, 29, 28, 27 и 31 соединены соответственно со входами 101, 102, 103, 104 и 105 блока 43, а выход 106 соединен с задатчиком 44. Выход 107 блока 43 соединен со 107' входом блока 34 и 108 входом сумматора 40. Выход измерителя 27 соединен со 109 входом блока 41.

Устройство работает следующим образом. Шихту из трубопровода 7 подают в печь 1, приводимую в движение электродвигателем 2, через вход 45. Дымовые газы из выхода 46 печи 1 подают на вход 47 фильтра 4, с выхода 48 которого очищенные газы через дымосос 5 выводят в трубопровод 10 отвода печных газов. Пыль с выхода 49 фильтра 4 подают на вход 50 печи 1 через расходомер 15 и исполнительный механизм 16. Топливо из трубопровода 8' подают на вход 55 печи через расходомер 18 и исполнительный механизм 19. С выхода 51 печи на вход 52 колосникового холодильника 3, а оттуда выводят через выход 53 в трубопровод отвода спека 9. Воздух из трубопровода 8 через выход 52 холодильника воздух подают на вход 51 печи 1. Измеряют плотность P_ш шихты плотномером 30 и в блоке 33 находят ее влажность: W_ш=2,23/P_ш-0,89 (3) В этом же блоке находят корректирующие поправки: где W^*_ш заданное значение влажности шихты, получаемое от задатчика 32 А11, А21, А31 коэффициенты, определяемые при настройке из уравнений теплового и массового баланса, корректирующие поправки разрежения, подачи топлива и пыли.

Блок 33 реализуют программным путем с помощью микроконтроллера "Ломиконт". Датчиком 14 находят температуру отходящих газов T_ог и в блоке 38 находят корректирующие поправки: где В1-В6 коэффициенты, определяемые при настройке по минимуму квадратичного критерия, T^*_ог заданное значение температуры отходящих газов, получаемое от задатчика 21. Блок 38 реализуют программным путем также, как блок 33. Датчиком 27 находят температуру материала в зоне спекания T_сп. В блоке 41 находят корректирующую поправку расхода пыли: где В7, В8 коэффициенты, определяемые при настройке системы по минимуму квадратичного критерия, T^*_сп заданное значение температуры спека, получаемое с сумматора 40. В сумматоре 37 находят заданное значение разрежения в печи: R^*= R^*(0)+R1+R2, (7) где R^x(0) исходное значение разрежения, получаемое от задатчика 22. В регуляторе 13 находят управляющее воздействие U1 где С1, С2 коэффициенты, определяемые при настройке по минимуму квадратичного критерия, R разрежение в печи, измеряемое датчиком 11. Исполнительный механизм 12 устанавливает регулирующий орган так, чтобы разрежение на выходе печи равнялось заданному значению. В сумматоре 39 находят заданное значение расхода пыли: где Q_п(0) исходный расход пыли, получаемый от задатчика 25. Регулятор 17 вырабатывает управляющее воздействие U2: где С3, С4 коэффициенты, определяемые при настройке по минимуму квадратичного критерия, Q_п измеренный расходомером 15 расход пыли.

Исполнительный механизм 16 под действием устанавливает регулирующий орган так, чтобы Q_п равнялось Q^*_п. Датчиком 28 измеряют температуру воздуха на выходе холодильника 3, а датчиком 29 находят гидравлическое сопротивление холодильника по давлению под колосниками. Датчиком 31 находят ток I привода 2 печи 1. В блоке 43 находят прогнозируемое значение пористости спека и его матожидание МХ Если /MX-X^*/ > 1, (13) где X^x установленное качество спека, вводимое с программным носителем в виде константы при программной реализации блока в "Ломиконте", 1 зона чувствительности, вводимая задатчиком 44, то определяют корректирующую поправку заданному значению температуры материала в зоне спекания T2=(X^*-MX)/A1. (14).

В блоке 34 корректируют заданное значение скорости нагрева ДТ=ДТО+T2/, (15) где время пребывания шихты в зонах декарбонизации и спекания, определяемое опытным путем с помощью трассеров.

ДТО исходное значение скорости нагрева, получаемое от задатчика 35.

Периодически, с установленным периодом, измерителем 6 определяют пористость спека Х. В блоке 43 с частотой измерения величины Х корректируют математическую модель изменением величины свободного члена: A5_i A5_i-1 + C5(X_i MX),(16) где С5 коэффициент, определяемый опытным путем, i номер определения величины Х.

Поскольку блок 43 содержит на входе 101 фиксатор нулевого порядка, то в промежутке между двумя соседними измерениями величины Х оно на входе не изменяется. При i=1 i-1=1. Датчиком 26 измеряют температуру материала T_цз на входе в цепную зону (по газовому тракту). В блоке 34 определяют среднюю скорость нагрева по печи: Y=(T_сп-T_цз)/,если/Y-DT/>1 (17) где 1 зона нечувствительности, вводимая задатчиком 36, то найденной скорости в этом же блоке находят корректирующую поправку к заданному значению температуры в зоне спекания: где В9, В10 коэффициенты определяемые опытным путем при настройке системы.

В сумматоре 40 находят заданное значение температуры спека: T^*_сп=T_сп(0)+T1+T2.(19) В блоке 42 находят заданное значение расхода топлива: Q^*_т =Q(0) +Q1_т+Q2_т(20) где Q_т(0) получают от задатчика 23.

В регуляторе 20 находят управляющее воздействие где Q_т получают от расходомера 18. Под действием управляющего воздействия исполнительный механизм 19 устанавливает регулирующий орган в такое положение, при котором Q_т=Q^*_т. Рекомендуемые значения коэффициентов и временных сдвигов для модели: А1= -0,7-(-0,2): А2= -0,5-0,3: А3= -1,2-0,3:А4=-0,2-0,5:А5=40-80, 1=0-15 мин: 2= 15--15 мин. 3=0-(-15) мин. 4=20-40 мин.

Формула изобретения

1. Способ спекания глиноземсодержащей шихты путем ее термообработки продуктами горения топлива с возвратом уловленной из отходящих газов технологической пыли над топливным факелом, включающий измерение температуры материала в зоне спекания, на входе в цепную зону и отходящих газов, прогнозирование качества спека с помощью математической модели, периодическое измерение пористости спека с установленным периодом, управление режимом работы печи воздействием на разрежение, расходы топлива и пыли и стабилизацию указанных величин на заданных уровнях, отличающийся тем, что скорость нагрева шихты в среднем по длине печи поддерживают в пределах 10-50 от величины молекулярного соотношения Al₂O₃/SiO₂ в шихте, а скорость нагрева в зоне спекания в области, где температура материала более 1000^oC, в пределах 40-85% от средней по печи, среднее значение скорости нагрева шихты по печи определяют по разности температур материала в зоне спекания и на входе газов в цепную зону, по измeренному значению плотности шихты определяют ее влажность, при отклонении средней скорости нагрева от заданного значения за счет изменения влажности шихты среднюю скорость нагрева стабилизируют изменением разрежения и потоков пыли и топлива по П-закону в зависимости от величины рассогласования измеренного и заданного значений влажности и ПИ-закону в зависимости от рассогласования между измеренным и заданным значениями температуры отходящих газов, при отклонении средней скорости нагрева шихты от заданного значения за счет изменения температуры в зоне спекания ее стабилизируют изменением расхода пыли по ПИ-закону от разности измеренной и заданной температур в зоне спекания, по математической модели находят прогнозируемое значение пористости спека и ее матожидание, если абсолютное значение отклонения матожидания прогнозируемой пористости спека от ее заданного значения больше установленного, то по обратной модели корректируют заданное значение температуры в зоне спекания и заданное значение скорости нагрева так, чтобы абсолютное значение разности между заданной величиной пористости спека и ее матожиданием было меньше установленной, в противном случае заданные значения температуры в зоне спекания и скорости нагрева остаются неизменными.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что периодически с периодом, равным периоду измерения пористости спека, математическую модель корректируют прямо пропорционально разнице между измеренной величиной пористости спека и матожиданием ее прогнозируемой величины.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что при спекании шихты во вращающейся печи измеряют ток электродвигателя привода вращающейся печи, температуру воздуха, выходящего из холодильника, и гидравлическое сопротивление холодильника и по формуле прогнозируют пористость спека: X = A₁T₁(t-₁)+A₂T₂(t-₂)+A₃PR(t-₃)+A₄J(t-₄)+A₅ где А₁, А₂, А_З, А₄ и А₅ коэффициенты и свободный член, определяемые опытным путем при настройке; T₁, T₂ температуры спека и воздуха; PR гидравлическое сопротивление холодильника, J ток двигателя привода печи; ₁-₄ - временные сдвиги, определяемые опытным путем при настройке; t текущее время.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2