Моделирование и управление процессом обжига металлургических кон

                               (2)

,                                               (3)    

где Q=t/t_о ̶ безразмерное время процесса, n  ̶ показатель, определяемый гранулометрическим составом, состоянием поверхности частицы и строением пор.

График, изображенный на рис. 1, показывает, что при определенных значениях коэффициентов k и n зависимость (2) может быть приведена к виду функции (3), которая широко применяется для описания гетерогенного процесса растворения однокомпонентных частиц.

Зависимости (2) и (3) могут быть преобразованы  к известным и широко применяемым уравнениям:

 или .                                  (5)

В отличие от (2) и (3), уравнения (5) хорошо описывают не всю кинетическую кривую, а только ее часть, для которой E<0,8-0,9. Полученные расчетом по формулам (5) значения обычно занижены.

Для подтверждения возможности  применения предложенной зависимости вида (2) и (3) была осуществлена обработка экспериментальных данных кинетики процесса обжига неокатанного и окатанного сульфидного никелевого концентрата.

Рис 1.  Зависимость степени извлечения от относительного времени процесса.

1 ̶ кинетическая функция (2),  2 ̶ предлагаемая кинетическая функция (3).

Для установления адекватности экспериментальных данных и теоретической кривой, зависимость (2) преобразуется к виду:

 или                                 (6)

где A и B ̶ константы, величины которых соответственно равны A=t_o/k, B=1/k.

Экспериментальные данные были нанесены на график в системе координат 1/ln(1-Е) = f(1/t).

Результаты обработки  экспериментальных данных показаны на рис. 2.

Рис. 2. Результаты спрямления кинетической кривой,

полученной при различных температурах обжига и параметрах n

 

Cимплексно-интервальный метод позволяет использовать единый подход к преобразованию статистических уравнений различной степени сложности в форму, удобную для проведения практических инженерных расчетов по определению значений параметров, входящих в эти уравнения. Данный метод позволяет определять значения параметров уравнений при использовании ограниченного числа экспериментальных точек (например, по двум или трем значениям х_i, отвечающим двум или трем значениям у_i), при условии, что у_i=f(x_i).

Применяя симплексно-интервальный метод зависимость (5) преобразуем в симплексно-интервальную форму, тогда двум любым моментам времени t_i и t_i+1 на экспериментальной кривой C=f(t) будут соответствовать значения концентраций С_i и С_i+1, а уравнение (2) может быть представлено в виде:

а) для момента времени ti

б) для момента времени ti+1

Решая совместно (а) и (б), после несложных преобразований получаем

,                   (7)

Откуда получаем выражение для расчета предельного времени обжига по двум экспериментальным точкам

,                   (8)

где ̶ среднегеометрическое значение величин C_i и C_i+1; t_a - среднеарифметическое значение интервала времени; t_g - среднегеометрическое значение интервала времени; Dt=t_i+1-t_i - интервал времени; S_C=C_i+1/C_i ̶ симплекс концентрационного подобия.

Значение константы t_o может быть также рассчитано по уравнению

,   (9)

где S=t_i+1/t_i ̶ симплекс временного подобия.

 

2. Для учета неидеальности перемешивания частиц в аппарате и реального распределения твердой фазы при создании модели процесса обжига для промышленных печей кипящего слоя, необходимо использовать ячеечную модель структуры потоков.

Проводилось несколько  различных опытов с загрузкой в печь КС индикатора на комбинате "Североникель" в промышленных печах КС-1 и КС-3 с площадью пода 24 м²,  в печи кипящего слоя, соединенной последовательно с трубчатой печью, в печи КС с циклонами возврата для сульфатизирующего обжига пиритного концентрата.

 На рис. 3. представлен результат одного из опытов по загрузке в слой индикатора на комбинате "Североникель" в печи КС-1. Условия опыта: давление дутья в воздушной камере 0,45 кг/см²; загрузка шихты 12 т/ч; расход воздуха 21500 м³/ч; температура в слое 1140 °С

Рис 3. Зависимость содержания меди в закиси никеля на выходе из печи КС-3

Рис 4. Вид интегральной функции на выходе из печи КС-3

         Экспериментальные кривые зависимости  содержания меди в огарке от времени пребывания материала в печи обрабатывались с применением специализированного программного пакета «RTD». При проведении расчетов определялись среднее время пребывания частиц, дисперсия, а также число ячеек для ячеечной модели. 

В результате проведенных  исследований были изучены экспериментальные кривые, описывающие закономерности времени пребывания в различных печах кипящего слоя. С помощью специализированного программного обеспечения определен вид интегральных и дифференциальных функций распределения времени пребывания частиц. Расчетным путем найдены значения среднего времени пребывания частиц в слое, величина дисперсии кривых функций распределения, а также определено число ячеек для ячеечной модели.

Показано, что для описания   закономерностей   распределения  времени пребывания твердого материала в печи кипящего слоя с циклонами возврата, возможно использовать ячеечную модель.

Для определения параметров обжига в печах КС была решена обратная задача. Используя кинетику процесса десульфуризации никелевых сульфидных материалов с помощью программного обеспечения ReactOp, была построена модель обжига (рис. 4) по реакции: 2Ni₃S₂ + 7O₂ = 6NiO + 4SO₂

Рис 5. Моделирование процесса окисления сульфидного никелевого концентрата при различной температуре обжига

 

На основе параметров моделирования была построена проточная модель, с использованием которой была реализована ячеечная модель из 3 аппаратов. В результате моделирования были получены зависимости характеризующие влияние температуры, объема и расхода дутья.

 

Рис 6. Динамика изменения концентрации Ni₃S₂ в 1-м (А) и 3-м (Б) аппарате.

 

Анализ полученных данных показывает, что динамика процессов хорошо описывается моделью каскада аппаратов идеального перемешивания.

 

3. С целью повышения качества управления режимом обжига никелевого концентрата следует использовать мультисистему автоматического управления, основанную на применении нечеткой логики совместно с системой стабилизации потоков.

При синтезе системы  управления всегда стоит задача создания такого управляющего устройства, при котором система удовлетворяла бы заданным требованиям к ее качеству. Одним из важнейших показателей качества процесса обжига является степень десульфуризации. Исходя из этого, была реализована САУ, где при изменении потока шихты можно влиять на температуру, но при этом поддерживать постоянное соотношение между расходами шихты и дутья. Такой способ управления позволяет поддерживать постоянным соотношение «газ-твердое», что очень важно для стабилизации режима псевдоожижения и сохранения постоянных условий перемешивания в кипящем слое.

Рис 7. Модель со стабилизацией соотношения расходов

 

Контрольный эксперимент  был начат при режиме с параметрами: Ф_ш=13.4235 т/ч; Ф_д= 21.2428 т/ч;t=1050 ᵒС. В ходе эксперимента при постоянном коэффициенте соотношения расходов входящих потоков концентрата и дутья, изменяем расход концентрата: сначала повышаем на 5 и 10%, затем снижаем на 5 и 10% (рис.8), при этом соответственно изменяется расход дутья. Регистрируем  температуру кипящего слоя и расход воздуха.

Рис 8. Изменение температуры при изменении расхода дутья

В практике ведения процесса обжига традиционно оптимизация процесса была возложена на оператора. Выработка управляющих воздействий для работающих печей является весьма трудоемким процессом и требует постоянного вмешательства оператора и корректировки. Исходя из этого, основной задачей является решение проблемы эффективного управления процессом обжига в условиях постоянно меняющихся возмущений.

В настоящей работе была использована существующая база знаний для нечеткого логического регулятора. Основная задача сводилась к строгому процессу обучения набором уже имеющихся правил с использованием выбранного факторного пространства. Для проверки адекватности созданной системы были использованы существующие результаты численного эксперимента (рис. 9).

 

Рис 9. Результаты численного эксперимента

Разработанную САУ процесса обжига на основе нечеткой логики было предложено использовать как интегрированную часть для динамической системы Aspen Dynamics, что позволяет реализовать мультисистемный подход для автоматизации процесса (рис. 10). Реализация подобной системы позволила учитывать большое количество параметров процесса обжига с целью максимального контроля  и улучшения технико-экономических показателей процесса обжига.

Система контролирует параметры, необходимость учета которых обязательна при составлении алгоритмов автоматического управления окислительным обжигом никелевого концентрата, обеспечивает регулирование основных управляющих воздействий на процесс обжига  в печи КС.

 

Рис 10. Структурная схема мультисистемы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертационная работа представляет собой законченную  научно-квалификационную работу, в которой содержится новое решение актуальной для металлургической промышленности задачи - моделирование и управление процессом обжига металлургических концентратов в печах кипящего слоя.

Основные результаты выполненных исследований состоят  в следующем:

1. Проведенный в работе анализ конструктивного оформления процесса обжига сульфидного никелевого концентрата в печах кипящего слоя, уравнений кинетики процесса обжига, а также структуры потока показал, что применяемые в настоящее время уравнения, описывающие закономерности кинетики исследованного процесса и распределения времени пребывания элементов потока в аппаратах КС,  имеют ряд существенных недостатков, что ограничивает их использование в практике инженерных расчетов.
2. В результате проведенного исследования в работе предложны уточненные модели, описывающие закономерности кинетики десульфуризации сульфидного никелевого концентрата и особенности структуры потока, которые позволяют учитывать конечность времени пребывания частиц в печи кипящего слоя с интенсивным перемешиванием потока, а также имеющее место в промышленных печах отклонение от режима идеального перемешивания.
3. Проведенная оценка возможности использования полученных уравнений показала хорошее совпадение теоретических и экспериментальных данных, полученных при исследовании работы промышленных печей.
4. Разработанные математические модели процесса обжига, описывающие закономерности кинетики процесса и структуру потоков в аппаратах кипящего слоя могут быть использованы для описания работы  печи кипящего слоя и расчета основных параметров исследованного процесса.
5. На основании результатов моделирования была создана детальная математическая модель, использованная для создания структуры управления в программном комплексе Aspen Plus и Aspen Dynamics.
6. Было предложено использовать мультисистему автоматического управления процессом обжига никелевого концентрата на основе нечеткой логики и САУ Aspen Dynamics, которая позволяет учитывать особенности функционирования процесса, отражаемые детальной математической моделью, и использовать опыт управления процессом.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ  ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ  РАБОТАХ:

1. Шариков Ю.В. Исследование структуры потоков в печи кипящего слоя для обжига никелевого концентрата флотации файнштейна / Ю.В. Шариков, Б.И. Куценко, И.Н. Белоглазов, И.И. Белоглазов // Промышленные печи и высокотемпературные реакторы, СПБ.: Руда и металлы, 2006. С. 22-23.
2. Шариков Ю.В. Изучение распределения времени пребывания продуктов обжига в печах кипящего слоя / Ю.В. Шариков, И.Н. Белоглазов, И.И. Белоглазов // Записки Горного института. 2006. Т. 169.  С. 61-62.
3. Шариков Ю.В. Применение тройных диаграмм для оценки распределения частиц по крупности / Ю.В. Шариков,        И.Н. Белоглазов, И.И. Белоглазов // Обогащение руд. 2007. №5.  С. 30-32.
4. Шариков Ю.В. Моделирование структуры потока в печи кипящего слоя / Ю.В. Шариков, И.И. Белоглазов // XXXV Неделя науки СПбГПУ. Материалы Всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов, 2007. C. 155-156.
5. Шариков Ю.В. Математическое описание кинетики процесса обжига сульфидного никелевого концентрата / Ю.В. Шариков, И.Н. Белоглазов, И.И. Белоглазов // Записки Горного института, 2008. Т. 177. С. 127-128.
6. Белоглазов И.Н. Математическое описание процесса поглощения теплового потока излучения, движущегося в реальной среде концентрата / И.Н. Белоглазов, В.А. Иванов, И.И. Белоглазов // Записки Горного института, 2008. Т. 177. С.133-136.
7. Шариков Ю.В. Модель процесса поглощения теплового потока излучения в реальной среде / Ю.В. Шариков, С.С. Ткаченко, И.Н. Белоглазов, И.И. Белоглазов // Литейное производство сегодня и завтра: Сборник трудов 8-й Всероссийской научно практической конференции. СПБ.: Политехнический ун-т, 2010. С. 62-64.
8. Шариков Ю.В. Описание закономерностей процесса поглощения теплового потока / И.Н. Белоглазов, В.А. Иванов,        Ю.В. Шариков, И.И. Белоглазов // Проблемы рудной и химической электротермии: Сборник трудов Всероссийской научно-технической конференции «Электротермия 2010». СПБ.: Проспект Науки, 2010. С. 96-101.
9. Белоглазов И.И. Применение силицидных реагентов для разделительной плавки сульфидных медно-никелевых материалов потока / Белоглазов И.Н., Иванов В.А. Симаков А.С., Белоглазов И.И.  // Проблемы рудной и химической электротермии. Сборник трудов Всероссийской научно-технической конференции «Электротермия 2010».  СПБ.: Проспект Науки, 2010. С. 102-103.
10. Beloglazov I.N. The method of the description of the flow of a liquid or gas in the tubular devices applied in ferrous metallurgy /I.N. Beloglazov, Y.V. Sharikov, I.I. Beloglazov // Ferrous metals, 2010. Ore and Metals P. 23-24.
11. Белоглазов И.И. Применение симплексно-интервального метода с целью контроля параметров исследуемых процессов // Сборник научных трудов семинара «Инновационные технологии, моделирование и автоматизация технологических процессов». СПГГИ (ТУ), 2011. C. 35-36.
12. Белоглазов И.И. Расчет кинетики химических и металлургических реакций с помощью интервального метода с целью контроля исследуемых процессов  // Записки Горного института. 2011  Т. 192. C. 179-182.
13. Спесивцев А.В. Изучение характеристик информационных каналов при управлении печью кипящего слоя / А.В. Спесивцев И.Т. Кимяев, И.И. Белоглазов // Записки Горного института. 2011. Т. 192. С. 197-203.
14. Beloglazov I.I. The Calculation of the Kinetics of Chemical and Metallurgical Processes for the Purpose of the control at Use of the Interval Method // Scientific Reports on Resource Issues, 2011. Vol. 1. Medienzentrum der TU Bergakademie Freiberg, Germany. P. 250-253.
15. Патент РФ № 2297871. Устройство для очистки газа. Авторы: М. И. Ильин, Б. Н. Куценко, Л. М. Будченко, А. Р. Лимбергер, А. В. Романенко, И.И. Белоглазов, А.Ю Феоктистов. Приоритет от 24.11.2005.