Управление фосфорной руднотермической печью закрытого типа

Одной из основных тенденций развития фосфорного производства является предъявление все более жестких требований к эффективности функционирования соответствующих технологиче. ских процессов, что невозможно осуществить без применения современных методов управления. Причем управление вручную технологическими процессами производства фосфора, отличающимися повышенной сложностью, потенциальной опасностью и агрессивностью среды при наличии большого количества переменных, невозможно. Одним из показателей качества исследуемых процессов является выход целевого продукта — фосфора.

Увеличение выхода целевого продукта при выполнении требований к его качеству может быть достигнуто путем разработки и создание автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП) в производстве фосфора.

Производство фосфора имеет большое народнохозяйственное значение. Основная часть (90%) производимого фосфора перерабатывается на фосфорную кислоту, которая благодаря высокой чистоте служит сырьем для производства кормовых и пищевых фосфатов, моющих средств, многих фосфорных солей. Остальной фосфор идет на производство фосфидов, сульфидов и хлоридов фосфора, а также красного фосфора, который идет на нужды спичечной промышленности.

Как и многие химико-технологические процессы, производство фосфора характеризуется высоким расходом сырья. Поэтому встает задача экономного расходования энергетических и материальных ресурсов при увеличении выхода целевого продукта и улучшении его качества.

Основной элемент технологической схемы получения фосфора руднотермическая печь (РТП) закрытого типа, в которой происходит образование фосфора в результате химической реакции восстановления фосфата кальция углеродом, характеризуется ограниченной доступностью 1 контроля параметров процесса, недостаточной изученностью и потенциальной опасностью, что создает определенные трудности для разработки эффективных систем управления. В настоящее время недостаточный объем информации о процессе приводит к тому, что при принятии решений по управлению операторы во многом ориентируются на субъективный опыт и интуицию, учитывая лишь. качественные связи между электротехнологическими параметрами протекания процесса в руднотермической печи и показателями режима ее работы. Принимаемые в результате этого решения довольно часто становятся источником неоправданных материальных и энергетических потерь, а также являются причиной сокращения сроков службы оборудования из-за нарушения режимов его эксплуатации.

Управление работой фосфорных руднотермических печей действующих производств основано на поддержании заданного положения электрода, а проводимая корректировка дозировок кварцита и кокса осуществляется по результатам химического анализа состава шлака (после слива его из печи). Отсутствие оперативности при определении состава шлака приводит к большим запаздываниям между изменениями состава расплава и необходимой корректировкой состава шихты.

Несовершенство существующих методов управления технологическим режимом обуславливает снижение производительности печных установок на 10−20%. Таким образом, задача повышения эффективности ведения процесса получения фосфора, а именно разработка системы управления этим процессом, является актуальной и экономически обоснована.

С учетом вышеизложенного целью диссертационной работы является создание системы управления фосфорной руднотермической печью закрытого типа на основе математической модели, применяемой для оценки изменения массы углеродистого слоя, обеспечивающей получение заданного выхода фосфора при данном составе сырья.

Для достижения указанной цели поставлены и решены следующие задачи: проведен анализ особенностей процесса получения фосфора в руднотермической печирассмотрена фосфорная печь закрытого типа как объект управления, определены входные и выходные параметры, каналы управления и значимые возмущающие воздействияпроведен анализ химического взаимодействия компонентов шихтысоставлены уравнения материального и энергетического балансов производства фосфора по данным о составе сырьяна базе уравнений материального и энергетического балансов разработана математическая модель процесса, позволяющая рассчитывать текущие расходы сырья и осуществлять управление режимом работы РТП в производстве фосфораосуществлена программная реализация математической модели на ЭВМпроведена оценка адекватности математической модели реальному процессу получения фосфорапроведены исследования влияния различных параметров процесса получения фосфора на показатели режима работы РТП с помощью математической моделивыбран критерий управления (изменение массы углеродистого слоя) — впервые для фосфорного производства предложен метод оперативного определения величины критерия управления через объем газа СО — продукта печной установкиразработана система управления материальными потоками и электрическим режимом в процессе получения фосфора, обеспечивающая стабилизацию режима работы руднотермической печи и, как следствие, получение заданного выхода продукта при данном составе сырьяпроведена оценка качества работы предложенной системы управления.

Диссертационная работа состоит из четырех глав.

В первой главе представлены результаты анализа литературных данных по вопросу технологии производства фосфора. С целью ознакомления с исследуемым процессом изложены его физико-химические и конструктивные особенности. На основе зонной теории рассмотрено реакционное пространство фосфорной руднотермической печи. Проведен обзор существующих методов и систем управления фосфорным производством, который свидетельствует о том, что в настоящее время не существует математической модели, которая достаточно полно описывала бы процесс производства фосфора, и на базе которой возможна была бы разработка системы управления материальными потоками процесса, обеспечивающей оперативную корректировку состава шихты. В соответствии с целью работысозданием системы управления фосфорной печью закрытого типа на основе математической модели — сформулирована задача исследования.

Вторая глава посвящена разработке математической модели процесса получения фосфора. Проведен анализ основного элемента технологической схемы — фосфорной руднотермической печи — как объекта управления для определения входных и выходных параметров, каналов управления и значимых возмущающих воздействий. Предложен метод расчета материально-энергетического баланса производства фосфора на основе данных о составе сырья с учетом золы восстановителя. Разработана математическая модель процесса получения фосфора в руднотермической печи закрытого типа на основе рассмотрения уравнений материального и энергетического балансов данного процесса. Описана программная реализация модели на ЭВМ.

В третьей главе проведена оценка адекватности разработанной математической модели реальному процессу получения фосфора, протекающему в руднотермической печи закрытого типа, путем реализации соответствующих вычислительных экспериментов. Рассмотрены результаты исследования процесса по математической модели: изучено влияние различных параметров процесса получения фосфора на показатели режима работы РТП, а именно, влияние качества исходного сырья и содержащихся в нем примесей, модуля кислотности шлака на удельные расходы сырья и электроэнергии на одну тонну производимого фосфора, а также на выход целевого продукта.

В четвертой главе рассмотрена предлагаемая система управления процессом получения фосфора в РТП закрытого типа. Выбран критерий управления — изменение массы углеродистого слоя. Предложен метод оперативного определения величины критерия управления через объем газа СО — продукта печной установки. Разработан алгоритм управления процессом получения фосфора на основе математической модели. Предложена структура системы управления производством фосфора. Проведен анализ качества работы системы управления, позволяющий сделать вывод о том, что предложенная в диссертационной работе система управления, задачей которой является поддержание постоянной массы углеродистого слоя для обеспечения стационарности режима работы печи, способствует получению заданного выхода фосфора при данном составе сырья.

Основными положениями, выносимыми на защиту, являются:

1. Метод расчета материально-энергетического баланса производства фосфора по данным о составе сырья с учетом золы восстановителя.

2. Математическая модель процесса производства фосфора на основе уравнений материально-энергетического баланса, используемая для расчета текущих расходов сырья и для управления режимом работы руднотермической печи закрытого типа.

3. Метод оперативного определения величины критерия управления (изменения массы углеродистого слоя) через объем газа СО — продукта печной установки.

4. Система управления материальными потоками и электрическим режимом работы РТП, обеспечивающая получение заданного выхода фосфора при данном составе сырья.

По теме диссертации опубликовано три статьи.

Основные результаты исследования докладывались на конференции «Электротермия-98» (г. Санкт-Петербург, 1998 г.) и на конференции «Компьютерное моделирование» (г. Белгород, 1998 г.).

Эффективность проведенных исследований подтверждается актами о внедрении результатов диссертационной работы в учебный процесс кафедры технологии электротермических производств (СПбГТИ (ТУ)) и в проектные решения ООО «ЭПОЛ» (г. Санкт-Петербург) по проектированию фосфорных производств.

выводы.

1. Анализ фосфорной печи закрытого типа как объекта управления позволил определить входные и выходные параметры, каналы управления и значимые возмущающие воздействия. Основными возмущающими воздействиями являются случайные колебания компонентного состава шихты и скачки напряжения в питающей сети трансформатора печи. Компенсация указанных возмущений может быть достигнута путем разовых корректирующих подач кокса в печь, а также корректировкой электрических параметров печи.

2. По данным проведенного анализа химического взаимодействия компонентов шихты составлены уравнения материального и энергетического балансов производства фосфора. Основой построения материального баланса являются уравнения балансов элементов, содержащихся в сырье. Расчет энергетических затрат проводится по статьям расхода энергии на реакции взаимодействия по каждому из компонентов сырья на основании расчетных данных материального баланса и термодинамических постоянных. Расчет материально-энергетического баланса производится по данным о составе сырья и заданному значению содержания Р2О5 в шлаке.

3. На основе уравнений материального и энергетического балансов разработана и реализована в виде программы на ЭВМ математическая модель процесса, позволяющая рассчитывать текущие расходы сырья и осуществлять управление режимом работы РТП в производстве фосфора.

4. Разработанная математическая модель позволяет:

• определить удельные расходы сырья и электроэнергии на одну тонну фосфора, а также количество и состав продуктов плавки по данным о составе сырья;

• учесть возможность использования разного вида сырья путем пересчета исходного сырья на прокаленное или высушенное, если это необходимо;

• нормировать содержание компонентов в сырье путем приведения содержания всех компонентов к сумме 100%, что необходимо, так как из-за ошибок при лабораторном определении содержания компонентов в исходном сырье их сумма может несколько отличаться от 100%, что приводит к. возникновению ошибок при расчете баланса;

• учесть состав золы восстановителя, что приводит к более точной оценке влияния примесей в исходном сырье на процесс производства фосфора.

5. Проведенная оценка адекватности математической модели реальному процессу получения фосфора дала положительный результат. Среднеквадратичное отклонение расчетных значений удельных расходов кокса от экспериментальных не превышает 2.0%, удельных расходов энергии -1.8%.

6. В связи с сокращением природных запасов высококачественного сырья из-за увеличения масштабов производства фосфора с помощью математической модели проведены исследования влияния качества сырья (определяемого фосфатным модулем) и изменения содержания примесей в исходном сырье на показатели режима работы руднотермической печи. Результаты исследований показали, что понижение качества сырья и увеличение содержания в нем примесей С02 и Ре203 приводит к ухудшению экономических показателей протекания процесса, а именно, снижению выхода продукта (фосфора), повышению удельных расходов сырья и электроэнергии.

7. Проведенное исследование влияния модуля кислотности шлака на показатели работы печи свидетельствует о необходимости при управлении работой печной установки тщательно подбирать значение указанного показателя. Это объясняется тем, что хотя увеличение модуля кислотности способствует активизации реакции восстановления фосфата кальция в реакционном пространстве печи (выход фосфора увеличивается), это сопровождается увеличением общего удельного расхода электроэнергии в расчете на одну тонну продукта. Этот факт подтверждается результатами проведенных ранее экспериментальных исследований.

8. При управлении производством фосфора для получения заданного выхода целевого продукта при данном составе сырья необходимо стабилизировать массу реакционной (углеродистой) зоны руднотермической печи. На основе этого утверждения произведен выбор критерия управленияизменение массы углеродистого слоя (дисбаланс углерода).

9. В работе впервые предложен метод оперативного расчета дисбаланса углерода через объем печного газа (продукта печной установки), а именно, через объем газа СО.

10. Разработана система управления процессом получения фосфора в руднотермической печи закрытого типа, позволяющая осуществлять оперативную корректировку подачи кокса и управление электрическим режимом процесса путем изменения мощности печи и обеспечивающая стабилизацию массы углеродистой зоны, а следовательно стабилизацию квазистационарного режима работы печи.

11. Проведенный анализ качества работы системы управления подтвердил целесообразность выбранного критерия управления и позволил сделать вывод о том, что предложенная в диссертации система управления обеспечивает получение заданного выхода фосфора при данном составе сырья путем стабилизации режима работы руднотермической печи. Дополнительной характеристикой нормального функционирования процесса получения фосфора является совпадение фактических и плановых затрат электроэнергии за период плавки.

12. Эффективность проведенных исследований подтверждается актами о внедрении результатов диссертационной работы в учебный процесс кафедры технологии электротермических производств (СПбГТИ (ТУ)) и в проектные решения ООО «ЭПОЛ» (г. Санкт-Петербург) по проектированию фосфорных печей.