1.6.5. Автоматизация процесса регенерации извести

1.6.5.1. Характеристика объекта управления

Регенерация извести является неотъемлемой частью современного процесса регенерации щелочи в сульфатцеллюлозном производстве. В результате основной реакции процесса каустизации

Na₂C0₃ + Са(ОН)₂ = 2NaOH + СаС0₃ I (1.204)

в щелоке образуется осадок мелкодисперсного кар­боната кальция — так называемый шлам. Коли­чество шлама весьма значительно: почти 0,5 т су­хого вещества на 1 т целлюлозы [147].

Необходимая для каустизации щелоков известь получается регенерацией из шлама. При этом ос­новным процессом является эндотермическая ре­акция декарбонизации, проводимая во вращающей­ся известерегенерационной печи:

(1.205)

СаС0₃ -> СаО + С0₂ Т.

Подлежащий регенерации шлам, отмытый от щелочи, с концентрацией сухого вещества 20...25 % накапливается в сборниках, оснащенных для пред­отвращения осаждения пневматическими и меха­ническими мешалками. Емкость сборников обес­печивает одно- двухсуточный запас шлама.

Жидкий известерегенерационный шлам из сбор­ников сгущается на барабанном вакуум-фильтре до влажности 40...50 %. При этом производится дополнительная промывка шлама до содержания щелочи менее 1 %. С вакуум-фильтра шлам шне­ком подается во вращающуюся печь (рис. 1.119).

Благодаря непрерывности технологического про­цесса, простоте и надежности конструкции и сравни­тельно низким эксплуатационным расходам враща­ющиеся печи получили широкое распространение в различных отраслях промышленности для термиче­ской обработки материалов. Печь представляет со­бой футерованный изнутри огнеупорным кирпичом стальной цилиндр, вращающийся на роликовых опо­рах вокруг своей оси, которая имеет небольшой ук­лон к горизонту. Примером может служить печь ОАО «Котласский ЦБК» (всего установлено две печи), име­ющая следующие технические характеристики:

Производительность — 100 т/сутки по готовой извести

Расход мазута — 800 кг/ч

Длина — 67 м

Диаметр наружный — 3 м, внутренний — 2,5 м Уклон — 3°

Скорость вращения — 0,4...1,0 об/мин.

Печь оснащена вентилятором первичного воз-

q

духа производительностью 2... 10 тыс. м /ч, венти­лятором вторичного воздуха производительностью 10...40 тыс. м³/ч, дымососом производительностью 20...60 тыс. м³/ч.

На ОАО «Братский ЛПК» установлены три печи производительностью 140 т/сут и длиной 75 м.

Материал подается в верхний конец печи и по мере движения вдоль нее проходит ряд технологи­ческих зон: сушки, нагрева, декарбонизации, охлаждения. На начальном участке печи в зоне сушки для улучшения теплообмена установлена цеп­ная завеса. В цепной завесе материал сушится и гра­нулируется, влажность его снижается до 10... 15 %. Далее по движению происходит досушка и нагрев материала, а затем начинается основная зона — декарбонизации, переходящая в конце печи в ко­роткую зону охлаждения. Готовая горячая известь ссыпается в барабанный воздушный холодильник, а затем — в бункер, из которого производится ее отбор на каустизацию.

Нагретый в холодильнике извести воздух нагне­тается в нижний конец печи, где установлена топ­ливная форсунка, при этом часть его — первичный воздух — подается непосредственно к форсунке, а остальной воздух — вторичный — поступает прямо в печь. Горячие газы, образующиеся в результате сгорания топлива, движутся навстречу материалу, отдавая ему тепло, и из верхнего конца печи отби­раются дымососом. Далее газы поступают в скруб­бер Вентури для улавливания пыли перед выбросом в атмосферу. Для пылеулавливания используются также электрофильтры. Для восполнения потерь извести в производственном цикле на входе печи к шламу добавляется дробленый известняк.

Вращающаяся печь работает в технологической цепи, в связи с чем основной задачей управления печью является обеспечение заданного качества обжига извести при заданной производительности. Качество обжига извести принято оценивать со­держанием оксида кальция, или содержанием ос­таточного карбоната. Содержание карбоната нельзя довести до нуля из-за особенностей механизма теп­лообмена в горячем конце печи. Здесь температура газа наибольшая и тепло к гранулам передается в жестком режиме, в основном излучением. В то же время перемешивание в слое материала происхо­дит медленно, из-за чего возникает неравномерность нагрева гранул. Часть гранул получает недоста­точно тепла для полной декарбонизации, а часть — перегревается. Перегрев гранул — «пережог» — приводит к уплотнению структуры, что снижает реакционную способность извести и вызывает за­труднения при каустизации. Это заставляет смяг­чать режим обжига и мириться с неполным разло­жением карбоната кальция в печи. Содержание оксида кальция должно быть возможно большим, но при условии допустимого по требованиям каус­тизации «пережога». Это оптимальное содержание СаО в обожженной извести зависит от множества факторов, в частности, от вида и количества при­месей, и определяется в каждом конкретном слу­чае отдельно.

Датчиков для автоматического измерения содер­жания оксида кальция или карбоната кальция не существует, поэтому используются данные лабора­торных анализов, что является большим затруд­нением при создании системы автоматического уп­равления вращающейся известерегенерационной печью. Следует отметить, что внутри печи потоки материала и газа практически недоступны для ка­ких-либо измерений их состояния. Такие объекты относятся к классу неполностью наблюдаемых объектов [148].

При распределенности параметров управляющие воздействия являются сосредоточенными на гра­нице и избирательно воздействовать на материал на каком-либо участке печи не представляется воз­можным. Такие объекты относятся к классу не­полностью управляемых [148]. Эти конструктив­ные особенности являются причиной того, что как объект управления вращающаяся печь имеет не­благоприятные динамические характеристики. Большая длина печи при малой скорости продви­жения материала определяет большое транспорт­ное запаздывание, значительный запас материала — инерционность, а противоток — сильную взаимо­связь параметров. Противоток — это, по сути, тех­нологическая обратная связь, образующая контур, который включает элемент с транспортным запаз­дыванием, равным времени пребывания материала в печи. При возмущениях переходный процесс в таком контуре превышает время транспортного за­паздывания и растягивается на многие часы. Учи­тывая, что кроме возмущений имеют место управ­ляющие воздействия, печь не выходит из череды переходных процессов. Указанные сложности объекта управления вынуждают особое внимание уделять разработке математической модели враща­ющейся печи.

1.6.5.2. Экспериментальная математическая модель объекта управления

Экспериментальное определение динамических и статических характеристик объекта всегда явля­ется предпочтительным в силу простоты и малой трудоемкости. Однако вышеописанные особенное-

осе £.00

лечи как объекта управления приводили к не-

чам на этом пути. Традиционный метод — за­пись реакции на типовое возмущение — не дает лежных результатов. То же относится и к мето­дам статистической динамики — взаимные корре-

;ионные функции «вход-выход» являются пло­хо обусловленными.

Значительный прогресс в использовании экспе-: л.ментальных методов наметился в последние годы в связи с резко возросшей вычислительной мощно-

ю применяемых в АСУТП процессоров и разви-

м методов адаптивной идентификации объек­тов управления. Например, компанией «Honeywell» [150] разработана программа для определения ди­намических характеристик известерегенерационной печи. Для получения модели данные с объекта сни­мались с интервалом 1 мин сериями по 10 ч в те­чение двух недель. В результате была получена матрица передаточных функций G(s) размерностью 3x3 (рис. 1.120). Вид передаточных функций — дроб­но-рациональные функции с запаздыванием. При ис­пользовании такой модели в системе управления не­обходима ее систематическая подстройка.

Однако подобные модели, основанные на пред­ставлении объекта «черным ящиком», не отража­ют внутренней структуры объекта, в нашем слу­чае — распределенности параметров. Поэтому пер­спективным является аналитический подход к со­лению модели. При этом указанные подходы нельзя считать альтернативными — их следует рас­сматривать только взаимодополняющими.

вычисления [150]. Между материалом и газом про­исходят тепло- и массообмен. Для элемента печи, расположенного между двумя сечениями £. и x_i+1 (рис. 1.121), составляются уравнения материаль­ного и теплового балансов. Переходя к пределу при Лл: = x_i+i - x_t —> 0, получаем систему диффе­ренциальных уравнений в частных производных первого порядка [151, 153]: