Управляющие воздействия
К управляющим воздействиям относятся скорость непрерывной загрузки угля, добавок, флюса, расход и содержание кислорода в дутье продувочных фурм, расход кислорода на дожигание, разрежение в реакторе.
Частично к ним можно отнести уровень шлака и металла и основность шлакового расплава. Химический состав шихты при промышленной эксплуатации, как правило, изменяется в незначительных пределах, поэтому не рассматривается в качестве возможного управляющего воздействия.Перечень основных контролируемых параметров и управляющих воздействий, рекомендуемая точность измерения и периодичность измерений приведены в таблице 20 1
Рассмотрим влияние единичных (при неизменных других параметрах) управляющих воздействий (помимо загрузки угля) на важнейшую характеристику процесса - температуру шлаковой ванны
Влияние скорости загрузки железосодержащего сырья (или других охлаждающих добавок) на температуру в реакторе очевидно при ее увеличении увеличиваются затраты тепла в ванне, что приводит к снижению температуры При ее уменьшении температура растет.
Увеличение расхода кислорода на продувку шлака и на дожигание приводит к увеличению тепловыделения в реакторе и к повышению температуры.
Увеличение разрежения приводит к увеличению подсосов воздуха через загрузочное отверстие При этом температура в зоне дожигания снижается, факел дожигания удаляется от поверхности шлакового расплава вверх, уменьшается эффективность теплопередачи от факела ванне При этом уменьшается температура шлаковой ванны Поэтому целесообразно поддерживать минимальное разрежение в реакторе.
Такие параметры как загрузка флюса, уровень металла и шлака сказываются на тепловом состоянии существенно слабее.
Таблица 20 1 Основные контролируемые параметры и управляющие воздействия процесса газификации угля
 |
Влияние основности шлака на рабочий интервал температур расплава заключается в следующем.
При основности шлака 1,1 максимальная температура, которая может быть достигнута, составляет около 1550°С. При снижении основности до 0,5 или при ее увеличении до 1,5 предельный температурный уровень может увеличиваться до 1600-1650°С. Тепловые потери через охлаждаемые элементы прямо пропорциональны разнице между температурой расплава и температурой ликвидус шлака При уменьшении основности ниже 1,1 или при ее увеличении температура ликвидус шлака увеличивается При одновременном увеличении температуры в реакторе и температуры ликвидус шлака тепловые потери через охлаждаемые элементы изменятся незначительно То есть существует возможность ведения процесса при более высоких температурах (и с более высокой производительностью) без существенного увеличения тепловых потерьВлияние скорости загрузки угля на температуру в реакторе не столь очевидно как влияние других управляющих воздействий При ее увеличении при неполном дожигании газов выделение тепла остается неизменным, так как оно определяется подачей кислорода. Тепловыделение может даже снизиться вследствие уменьшения доли углерода, сгоревшего до С02 и увеличения доли углерода, сгоревшего до СО. В то же время возрастает расход тепла на нагрев дополнительного количества угля, удаление их него влаги и летучих. Это приводит к снижению температуры в реакторе Неизрасходованные на горение и восстановление угольные частицы накапливаются в шлаковой ванне, увеличивая общую массу ококсованных частиц, единовременно находящихся в расплаве. При этом увеличивается доля кислорода, подаваемого на верхние фурмы и взаимодействующего с угольными частицами, плавающими на поверхности ванны до СО Степень дожигания газов снижается. В результате возрастает количество СО и Н2, поступающее в котел Кроме того, увеличивается приход в котел летучих компонентов угля В котле осуществляется полное дожигание газов за счет их взаимодействия с кислородом поступающего в котел воздуха Растет тепловыделение в котле. Таким образом, увеличение загрузки угля при частичном (неполном) дожигании газов в реакторе и неизменных других параметрах приводит к.
- снижению температуры в реакторе,
- увеличению тепловыделения в котле,
- накоплению угольных частиц в шлаке
Опыт показал, что содержание ококсованных угольных частиц в шлаковой ванне имеет некоторые оптимальные, хотя и достаточно широкие пределы.
Рассмотрим подробнее особенности процесса при чрезмерно большом содержании угля в шлаковой ванне. В подобной ситуации, возникавшей на некоторых опытных плавках, управление процессом часто становилось невозможным, так как поверхность шлаковой ванны оказывается блокированной и эффективная теплопередача из зоны дожигания невозможна. Выработка критерия накопления в реакторе чрезмерно большого содержания угля и способов возвращения установки в нормальный режим работы важны при управлении процессом газификации [12].
Возникновение неоптимальных режимов с избытком ококсованных угольных частиц в шлаке связано с различными причинами - сбоями в работе дозирующих устройств или ошибочными действиями персонала.
Неточность в работе дозирующих устройств (избыточная загрузка угля) может привести к тому, что, начиная с некоторого содержания, угольные частицы, которые легче шлака, накапливаясь на его поверхности, начинают подавлять образование брызг и наплесков шлака на стены. Это приводит к ухудшению теплопередачи шлаковой ванне, так как она в значительной степени осуществляется за счет капель шлака и стекающей по стенам в зоне дожигания шлаковой пленки. Угольные частицы экранируют поверхность шлаковой ванны, что также ухудшает ее нагрев. Кроме того, подавление плавающим на поверхности углем волно- и брызгообразования ухудшает замешивание угольных частиц в объем шлака. Это приводит к тому, что кислород дутья может взаимодействовать с углеродом только в поверхностном слое и часть кислорода не успевает прореагировать с углем. При этом снижается производительность процесса газификации угля.
При обнаружении роста содержания оксидов железа в шлаке, оператор может связать это с недостатком угольных частиц в ванне и увеличить расход угля.
Однако истинной причиной может быть снижение температуры расплава. Тогда действия оператора приведут к усугублению ситуации - температура еще быстрее будет снижаться, а рост концентрации оксидов железа в шлаке ускорится.Количество угольных частиц в шлаке должно быть достаточным (они должны иметь достаточную поверхность) для обеспечения необходимых скоростей химических процессов восстановления оксидов железа и других элементов и горения угольных частиц в кислороде, подаваемом на нижние фурмы. С другой стороны - их избыток приводит к отрицательным эффектам, описанным выше.
Переход от нормального режима работы в режим с избыточным содержанием угольных частиц в шлаке можно определить по следующим признакам.
Увеличение расхода кислорода на фурмы для дожигания при нормальном режиме работы и частичном дожигании газов в печи приводит к быстрому росту температуры шлаковой ванны. Содержание СО и Н2 в отходящих газах уменьшается, температура растет Тепловыделение в котле снижается В режиме с избыточным содержанием угольных частиц в шлаке при увеличении расхода кислорода на дожигание возможно протекание следующих процессов. Дополнительно подаваемый для дожигания кислород расходуется не на дожигание выделяющихся из шлакового расплава газов, а на взаимодействие с плавающими на поверхности ванны угольными частицами с образованием СО. При этом тепла выделяется примерно в два раза меньше, чем при дожигании СО до С02 Кроме этого, возможно развитие эндотермических реакций взаимодействия угольных частиц с продуктами дожигания - С02 и Н20. В настоящее время нет данных о преимущественном механизме газификации угольных частиц, избыточно накопленных в ванне, однако, оба эти механизма не обеспечивают рост температуры шлаковой ванны. Не происходит заметного снижения содержания СО и Н2 в отходящих газах. Тепловыделение в котле растет.
Если ванна уже содержит избыточное количество угольных частиц, для вывода на рабочий режим можно произвести следующие действия; уменьшить загрузку угля и увеличить расход кислорода на продувку Однако наиболее простым решением является временное уменьшение подачи угля.
Время существования даже относительно крупных угольных частиц в шлаковой ванне при ее продувке кислородом составляет около 8-12 минут, поэтому процесс выжигания избыточного угля протекает достаточно быстро. Контроль за ходом этого процесса осуществляют по составу газов и температуре в реакторе, которая будет расти при улучшении теплопередачи от факела дожигания.Можно сформулировать условия, при которых показатели процесса будут наилучшими.
Температура в реакторе должна обеспечивать необходимую производительность процесса и достаточную текучесть шлака. Поэтому температурный режим выбирается с учетом химического состава образующегося шлака, который, в свою очередь, зависит от используемых шихтовых материалов. На выбор температурного режима влияют и требования к качеству чугуна (если такие требования есть). Чем
выше требования по содержанию серы в чугуне, тем более высокую температуру необходимо поддерживать в реакторе.
Содержание оксидов железа в шлаке должно составлять 0,5-4%. Такое содержание свидетельствует о нормальном ходе процесса.
Содержание угольных частиц в верхней части шлаковой ванны должно составлять 3-10% масс. Такое содержание угля обеспечивает необходимую скорость химических реакций с участием угля. Взаимодействие плавающих на поверхности расплава угольных частиц с кислородом, подаваемым на верхние фурмы для дожигания и с продуктами горения восстановительных газов (С02 и Н20) при этом также незначительно.
Интенсивность продувки шлакового расплава должна быть нем еньше 450-500 нм3 дутья в час на 1 м2 сечения ванны на уровне продувочных фурм. Верхняя граница интенсивности продувки в настоящее время не установлена, но по оценкам она может быть выше в 2 и более раз.
Накопленный опыт управления процессом является основой для разработки системы автоматического управления процессом