Моделирование и управление процессом обжига металлургических кон

На  правах рукописи

 

 

 

БЕЛОГЛАЗОВ Илья Ильич

 

 

 

 

 

МОДЕЛИРОВАНИЕ И УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССОМ  ОБЖИГА МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ КОНЦЕНТРАТОВ

В ПЕЧАХ КИПЯЩЕГО СЛОЯ

 

 

 

 

Специальность 05.13.06 –

Автоматизация и управление технологическими процессами и    производствами (металлургия)

 

 

 

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических  наук

 

 

 

 

 

 

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

2012

Работа выполнена  в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Национальном минерально-сырьевом университете «Горный».

 

Научный руководитель:

доктор технических  наук, профессор

Шариков Юрий Васильевич

 

Официальные оппоненты:

Харазов Виктор Григорьевич

доктор технических наук, профессор, Санкт-Петербургский технологической институт (технический университет), профессор кафедры автоматизации химико-технологических процессов

 

Блинов  Валерий Анатольевич

кандидат технических  наук,  ООО «Институт Гипроникель», старший научный сотрудник лаборатории пирометаллургии.

 

Ведущая организация: ООО «МИКСИНГ».

Защита диссертации  состоится   29 июня 2012 г.,  в 12 ч. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.224.03 при Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» по адресу: 199106, Санкт-Петербург, 21-я линия, д. 2, ауд. 1303.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального минерально-сырьевого университета «Горный».

 

Автореферат разослан 28 мая 2012 г.

 

 

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ

диссертационного  совета

д.т.н.                                     В.Н. БРИЧКИН

 

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность  работы. Аппараты кипящего слоя применяют для обжига сульфидных материалов в производстве меди, цинка, никеля. Печи КС отличаются простотой конструкции, высокой производительностью, механизацией и автоматизацией процесса, обеспечивают высокую эффективность использования отходящих газов.

Практическое осуществление  обжига металлургических концентратов определяется их физико-химическими свойствами, термодинамикой и кинетикой окислительных процессов. При этом на процесс обжига влияет вся совокупность названных факторов с их сложными взаимосвязями. В заводских условиях окислительный обжиг сульфидных материалов в печах кипящего слоя отличается непостоянством химического состава сырья, что в сочетании с малым временем пребывания частиц в аппарате при значительном тепловом эффекте окислительных реакций придает им, как объектам управления, существенную нелинейность. Эффективное управление процессом  обжига сульфидных материалов определяется регулированием загрузки расходных материалов, расхода и концентрации кислорода в обогащенном дутье с достижением среднесменной производительности технологического агрегата и заданного качества выходного продукта.

Значительный вклад  в совершенствование алгоритмов управления процессом обжига в печах кипящего слоя внесли такие ученые, как И.А. Буровой, В.Н. Горин А.Ф. Астафьев, Ю.В. Алексеев, В.Г. Айнштейн, Г.К. Борескова, Г.М Кучин, И.Ф. Дэвидсон,             Д. М. Харрисон. Однако многие прикладные вопросы, связанные с исследованием процесса обжига металлургических концентратов в аппаратах кипящего слоя, такие как: моделирование процесса повышения качества управления, отсутствие достаточной информации о параметрах процесса остаются недостаточно разработанными. Совершенствование существующих моделей и систем автоматического управления имеет большое практическое значение для повышения эффективности работы оборудования, что подтверждает актуальность темы диссертации. 

 Работа выполнена в соответствии с госбюджетной тематикой НИР Горного университета по теме 6.30.020 «Разработка систем управления сложными техническими объектами с использованием математических моделей в контуре управления» (I кв. 2008 – IV кв. 2010 гг.), а также с грантом Горного университета «Подготовка диссертации на соискание ученой степени кандидата наук» (2009).

Цель работы – разработка системы автоматического управления процесса обжига металлургических концентратов в печи кипящего слоя, позволяющей обеспечивать стабилизацию качества получаемого продукта на регламентированном уровне и повышение надежности непрерывного функционирования процесса.

Идея работы – с целью повышения качества управления процессом  обжига при синтезе системы автоматического управления в печи кипящего слоя следует использовать усовершенствованную математическую модель, учитывающую конечность времени пребывания частиц в аппарате, отклонение от режима идеального перемешивания.

Основные задачи исследований:

1. Анализ современного состояния и перспектив развития процесса обжига металлургических концентратов  в печах кипящего слоя.

2. Исследование кинетических особенностей процесса окисления никелевых сульфидных материалов в кипящем слое.

3. Совершенствование математического описания кинетики обжига сульфидного никелевого концентрата и структуры потоков в аппаратах с кипящим слоем

5. Создание математической модели процесса обжига на основе результатов исследования кинетики процесса и структуры потока в печи кипящего слоя.

6. Разработка программы адаптации математической модели.

7. Исследование процесса обжига путем моделирования процесса в различных условиях.

8. Анализ существующих принципов построения автоматических систем управления печами кипящего слоя.

9. Разработка системы автоматического управления процессом обжига в печи кипящего слоя с использованием современных программных средств.

Методика исследований. В работе были использованы экспериментальные и теоретические методы исследований. Математическая модель процесса построена с использованием современных методов математического моделирования. Экспериментальные данные собраны в ходе теплотехнического обследования различных промышленных печей с использованием средств технологического контроля, а также путем лабораторного физико-химического анализа отобранных технологических проб. При выборе и разработке системы управления процессом использованы современные методы теории автоматического управления и параметрической идентификация математических моделей процесса обжига. Для моделирования процессов, протекающих в печи кипящего слоя, построения системы управления, обработки массивов данных использовались современные пакеты компьютерного моделирования: MatLab, Aspen Plus, Aspen Dynamics, Fluent, Gambit, Autodesk Inventor, ReactOp, RTD.

Научная новизна результатов диссертационного исследования заключается в следующем:

1. Показано, что математическая модель, учитывающая конечность времени пребывания частиц в аппарате совместно с кинетикой процесса десульфуризации, позволяет с высокой степенью достоверности описать закономерности изменения показателей процесса в зависимости от параметров работы печи, содержания компонентов в слое,  а также от состава, температуры и количества оборотной пыли.

2. Показано, что анализ процесса  с помощью его детальной математической  модели, позволяет выявить каналы  управления для компенсации действующих на процесс возмущений и обеспечить функционирование процесса в оптимальном режиме.

3. Установлено, что создание мультисистемы автоматического управления, обеспечивает повышение надежности непрерывной работы печи КС за счет повышения качества управления режимом обжига никелевого концентрата.

Основные защищаемые положения:

1. С целью повышения точности математической модели процесса обжига в печи кипящего слоя, следует использовать  кинетическую модель процесса, основанную на применении симплексно-интервального метода и программного комплекса ReactOP.

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.

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.

Практическая значимость работы:

1. Предложена усовершенствованная модель процесса обжига никелевых концентратов в печи кипящего слоя в среде ReactOP с использованием симплексно-интервального метода, позволяющего рассчитывать значения параметров процесса на ограниченном интервале времени.
2. Реализация предложенной мультисистемы управления позволит уменьшить динамическую ошибку управления температурным режимом в 2-3 раза и уменьшить количество выносимой пыли на 10-15%.
3. Научные результаты работы используются в учебном процессе химико-металлургического факультета Горного университета для студентов специальности 220301 «Автоматизация технологических процессов и производств».

Достоверность научных результатов. Приводимые результаты, выводы и рекомендации обоснованы путем сопоставления результатов численных расчетов и производственных данных, что подтверждается хорошей сходимостью результатов математического моделирования и экспериментальных исследований параметров и режимов работы печей КС. Эффективность предложенной САУ на основе нечеткой логики подтверждена в ходе сопоставления с результатами полученными ранее.

Апробация работы. Содержание и основные положения диссертации докладывались и обсуждались: на ежегодной научной конференции молодых ученых «Полезные ископаемые России и их освоение» СПГГУ 16 марта 2007, на 3-й интернациональной летней школе DAAD в Фрайберской горной академии (доклад на тему «Моделирование и имитация технологических процессов») 2008 г., на «Всероссийской конференции-конкурсе студентов выпускного курса» 2-3 апреля 2009 г., на конференции «Инновационные технологии, моделирование и автоматизация в металлургии», на международной выставке-конгрессе «Высокие технологии. Инновации. Инвестиции» 10-13 марта 2009 г., на конференции молодых ученых в рамках «Петербургской технической ярмарки 2011» 15-17 марта 2011 г., на международной научной специализированной конференции в Германии в г. Фрайберг в 2011 г., на научных семинарах кафедры АТПП СПГГУ 2009-2012 г. г.; научно-технических советах по работе с аспирантами СПГГУ 2009-2012 г. г.

Личный вклад автора состоит в анализе существующих способов управления печами кипящего слоя, обработке данных заводского технологического контроля, компьютерном моделировании, обработке и обобщении результатов исследований, в апробации достигнутых результатов и подготовке публикаций.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 научных работ, в том числе 4 статьи в журналах, входящих в перечень изданий, рекомендованных ВАК Минобрнауки России, получен 1 патент на изобретение.

Структура и  объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка. Содержит 126 страниц машинописного текста, 64 рисунка, 11 таблиц, библиография включает 127 наименований.

 

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе рассмотрено современное состояние вопроса и перспективы развития теории и практики обжига металлургических концентратов в печах кипящего слоя, описаны конструкции и режимы работы современных печей кипящего слоя, исследовано время пребывания материала в печах кипящего слоя, изучены кинетические особенности процесса окисления никелевых сульфидных материалов в кипящем слое.

Вторая глава посвящена совершенствованию математического описания кинетики процесса обжига сульфидного никелевого концентрата.

В третьей главе рассмотрены вопросы совершенствования математического описания структуры потока в аппаратах с кипящим слоем, построена математическая модель печи кипящего слоя для комплексного изучения параметров процесса.

В четвертой главе синтезируется система автоматического управления процессом обжига металлургических концентратов в печи кипящего слоя. Приводятся результаты исследования процесса обжига с использованием системы управления, построенной на основе созданной математической модели в объединенной программной среде Aspen Plus и Aspen Dynamics. Показано, что ввиду большого количества непрогнозируемых возмущений, целесообразнее создать мультисистему управления на основе нечетной логики с использованием модели автоматического управления в Aspen Dynamics , что позволяет наряду с основными закономерностями процесса, отражаемыми в детальной математической модели, использовать производственный опыт управления при наличии реальных возмущений.

Заключение отражает обобщенные выводы по результатам исследования в соответствии с поставленной целью и решёнными задачами.

ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. С целью повышения точности математической модели процесса обжига в печи кипящего слоя, следует использовать  кинетическую модель процесса, основанную на применении симплексно-интервального метода и программного комплекса ReactOP.

Для описания закономерностей процессов десульфуризации предлагается использовать кинетическую функцию, которая может быть получена из уравнения материального баланса процесса, математическое выражение которого имеет вид:

.                                           (1)

В результате преобразований уравнения материального баланса были получены уравнения: