氢氧化铝焙烧工段课程设计

氢氧化铝焙烧工段课程设计摘要氧化铝是电解铝生产的主要原料，针对我国矿石特点，我国氧化铝的生产工艺主要采用的是拜尔法和烧结法以及混联法，在拜尔法中焙烧工序是氧化铝生产必不可少的一个过程，并且是整个氧化铝生产的最后一道工序，该生产过程的主要任务是将来自分解或平盘的带有附着水的氢氧化铝物质在焙烧炉中高温煅烧，脱除附着水和结晶水，从而生成物理化学性质符合电解要求的氧化铝。焙烧生产过程直接关系到氧化铝质量和产量。该过程具有设备之间关联复杂，关键工艺参数关联耦合严重，工况条件变化大如原料成份波动频繁、设备结疤等控制难题而难以实现自动控制和优化运行。因此，焙烧过程的重要性、复杂性以及现代工业对自动化的高要求使得焙烧过程控制系统备受重视。本文以郑州铝厂氧化铝焙烧生产过程计算机控制系统工程项目为背景，开展了氧化铝焙烧生产过程控制策略的研究以及控制系统的设计与开发，并成功应用于现场，取得了显著的应用效果。本文主要内容归纳如下：(1)结合焙烧过程的特点和控制要求，提出了包括过程控制层与过程监控层的氧化铝生产焙烧过程计算机控制系统结构，进行了系统的功能设计与硬件设计。该系统具体物理实现框架由以太网、控制网和设备网三层网络结构组成，以实现控制系统的信息集成和功能集成。(2)研究了氧化铝焙烧过程的控制策略，包括过程回路控制、设备连锁逻辑控制以及烘炉过程顺序控制。过程回路控制包括进料量控制回路、文丘里干燥温度控制回路、烟道氧含量控制回路、预热旋风管出口烟道温度控制回路、重油压力控制回路、焙烧炉温度控制回路。对焙烧炉的温度控制策略进行研究，提出流量．温度串级控制方案，建立被控对象控制器的设计模型，并基于遗传算法的方法对控制器参数进行寻优，指导现场控制器参数的调试。设备连锁逻辑控制主要包括设备的启停、连锁关系、远程PLC控制。(3)在上述工作基础上进一步进行了焙烧过程计算机控制系统的软件设计与开发，应用到郑州铝厂氧化铝扩建项目焙烧工序后，实现了生产的分散控制与集中管理，提高了设备运转率，降低了操作人员的劳动强度，减少了燃料消耗，氧化铝灼减小于0．8％，r-A1203含量小于20％，改善了氧化铝的品质，提高了产品合格率，并且产能达到1850t/d,提高了氧化铝生产的经济效益。关键词：氧化铝焙烧；气体悬浮焙烧炉；串级控制；计算机控制系统；遗传算法；建模仿真一、氧化铝生产焙烧过程工艺流程描述氢氧化铝焙烧是氧化铝生产工艺中的最后一道工序。焙烧的目的是在高温下把氧化铝的附着水和结晶水脱除，从而生成物理化学性质符合电解要求的氧化铝。(1)焙烧原理氢氧化铝经过焙烧炉的干燥段，焙烧段和冷却段使之烘干，脱水和晶形转变而变成氧化铝产品其化学变化可分为以下几个阶段。(2)氧化铝焙烧过程生产过程流程介绍流态化焙烧是世界上最先进的氢氧化铝焙烧技术与装置，流态化是～种固体颗粒与气体接触而变成类似流体状态的操作技术。而固体物料在流态化状态下与气体或液体的热交换过程最为强烈。丹麦气体悬浮焙烧炉是流态化焙烧的后起之秀，整个装置采用负压作业、稀相流态化技术，相对美铝流态闪速焙烧炉（F.F.C)和鲁奇循环流态焙烧炉(C.F.C)两种炉型有其明显的优势。(a)此炉型采用了在干燥段设计热发生器这一新颖措施，当供料氢氧化铝附着水含量增大时，不需象其它炉型那样采取增加过剩空气的方式来增加干燥能力，仅需启动干燥热发生器来增加干燥段热量，避免了废气量大增而大量损失热量，因此，与前二种炉型相比，气体悬焙烧炉热耗和电耗要低。(b)整套装置设计简单。一是物料自上而下流动，可避免事故停炉时的炉内积料和计划停炉时的排料；二是设备简单，除流化冷却器外无任何流化床板，没有物料控制阀，方便了设备维检修：三是负压作业对焙烧炉的问题诊断和事故处理有利。这些都有利于故障后生产的快速恢复，给生产组织带来方便。(c)控制回路简单，气体悬浮焙烧炉虽有多条自动控制回路，但在生产中起主要作用的仅有2条，一条是主燃烧系统的主炉温度控制回路，另一条是02含量控制回路。气体悬浮焙烧炉系统主要包括：氢氧化铝喂料、文丘里闪速干燥器、多极旋风预热系统、气体悬浮焙烧炉、多极旋风冷却器、二次流化床冷却器、除尘盒饭灰等部分，工艺流程图如图2．2所示。具体工艺过程及设备如下：(a)氢氧化铝喂料(主体设备：螺旋A01、皮带F01)过滤机出来的氢氧化铝，通过皮带运送到仓L01，再经过皮带秤秤量后由皮带(FOI)送到螺旋(ADl)，螺旋再把物料送入文丘里闪速干燥器(A02)。(b)干燥(主体设备：文丘里闪速干燥器A02)通过螺旋A01的物料约含8％～12％的附着水，温度为50C，进入文丘里闪速干燥器后与大约300～400C的烟气相混合，物料在此被加热，附着水蒸发，物料被送入P01。为了在氢氧化铝附着水含量波动的情况下保证达到预期的干燥效果，闪速干燥器的底部安装一个加热器T1l，以使A02出口温度在130℃以上，加热器TI1燃料为煤气，流量0～2240m3／h。(c)预热(主体设备：旋风预热器P01、P02)从闪速干燥器出来的物料和气体在旋风预热器P01中分离，气体去电收尘，固体物料落入旋风预热器底部。从旋风预热器P01出来的物料与热分离器旋风筒P03的热气流相遇并被带入旋风预热器P02中，热气流温度在1000～1100℃左右，物料从130℃左右被加热到320～360℃，这时氢氧化铝被脱去部分结晶水。物料和气流在P02中分离，气流去文丘里闪速干燥器A02，物料进入焙烧炉P04中。(d)焙烧及分离(主体设备：焙烧炉P04、热分离旋风筒P03)气体悬浮焙烧炉和热分离旋风筒构成了“反应-分离”系统。燃烧空气在冷却系统已被加热到600～800C，它从焙烧炉底部的中心管进入焙烧炉。从旋风筒P02出来的氢氧化铝沿着锥底的切线方向进入反应器，以便使物料、燃料与燃烧空气从分混合。焙烧炉底部有两个燃烧器V08、V19，其中V08起点火作用，V19有12个烧嘴，它是主要热源。V08以煤气作为燃料，流量为0～2240m3/h，V19以重油和煤气作为燃料，并且可以混烧，焙烧炉中物料通过时间为1．4s，这里温度为1100～1200℃，剩余的结晶水主要在这里脱除，含部分结晶水的物料变为r-A1203。焙烧后的氧化铝和气体在热分离旋风筒P03中分离，热气流入P02，物料进入冷却系统。(e)一次冷却器(主要设备：C01、C02、(203、c04)一次冷却在一个四级旋风冷却器中进行，旋风筒垂直安装。用于冷却氧化铝的控制主要来自大气和二次流化床冷却器K01、K02。从整体效果看，氧化铝和空气之间进行的是逆流热交换。经过热交换后，空气被预热到600～800℃，而氧化铝被冷却到200℃。空气进入焙烧炉作为燃烧空气，A1203进入二次流化床冷却器。在一次冷却过程中，同时也存在晶型转变，这是的产品含10％的a-A1203。a-A1203进入口处安装有燃烧起T12，作为初次冷态烘炉用。T12以煤气作为燃料，流量为O～2240m3／h。(f)二次冷却(主体设备：K01、K02)一-次冷却主要是把A1203进一步冷却到80C以下，而此流化床冷却器主要是通过内部的热交换管束中的水流与关外的氧化铝之间热交换来冷却氧化铝。流化空气进入一次旋风冷却器，氧化铝从K01、K02的整个过程大约需要30～40min。(g)除尘和返灰(主体设备：电收尘P11)从预热旋风筒P01出来的含尘烟气在电收尘Pll中进行除尘。除尘后的气体含量要求在50mg／m3以下，气体通过排风机P17排往烟囱P18。从电收尘收下的粉尘送入冷却旋风筒C02中。炉内气体流动的动力来自炉子尾部的风机P17，所以整个炉子都处于负压下工作。风机P17前面还装有控制风量的调风门P16和净化尾气的电收尘Pll，整个炉子错落布置，结构紧凑，形成一个完整的统一体。氧化铝焙烧工艺流程图二、焙烧生产过程回路控制策略焙烧过程作为氧化铝生产的最后一个工艺过程，也是拜耳法生产中不可缺少的环节，它直接关系到产品质量和产量。影响焙烧产品质量和产量的主要因素：氢氧化铝的给料量、文丘里干燥温度、氧气含量、燃料压力、焙烧炉温度；另外氢氧化铝中硅、钠、硫等含量，动力设备ID风机的状况、电收尘系统状况、皮带秤状况等，这些因素在焙烧过程中属于不可控因素。主要对可测可控参数进行研究。对于流量、压力、温度和工艺在线分析参数等过程参数，在适当的位置安装相应的测量仪表，并选择合适的执行机构及可实现基本的回路控制。一般需要选用PID控制器并整定PID参数。对于特性比较复杂的回路可以采用相应的智能控制技术来实现。如下图所示，焙烧过程主要包括6个过程控制回路：进料量控制回路，文丘里干燥温度控制回路，烟道氧含量控制回路，预热旋风管出口烟道温度控制系统，重油压力控制回路，焙烧炉温度控制回路。焙烧过程回路控制图1、进料量控制回路设计能力的大小取决于湿氢氧化铝的进料量及其附着水的含量。它也是氧化铝产量的标准，而且进料系统为焙烧过程的第一步，氢氧化铝的从上一道工序来的，所含水量也是不稳定的，容易造成系统波动，如果进料系统没有控制好，会给氧化铝焙烧的控制精度带来困难，从而也影响了氧化铝的产品质量。因此采用闭环调节系统来抑制和减少这种波动，氢氧化铝的进料量由皮带给料秤控制，而给料箱的料位(称重方式)用于调节氢氧化铝给料机的电机转速。控制结构框图如下：进料量控制回路结构框图进料量控制回路输入为氢氧化铝的给料量的设定值，控制器输出为给料皮带的输出频率，执行机构为给料皮带的变频器，测量仪表为电子皮带秤。2、文丘里干燥器温度控制回路文丘里干燥器的出口烟气温度稳定在130℃左右，以防电收尘器及烟道被酸腐蚀。用温度测量值与设定值的偏差来调节燃烧器Tll的燃料流量，为了更好地调节和控制燃料流量，采用串级调节回路。控制结构框图如下：文丘里干燥器温度控制回路结构框图文丘里干燥温度控制回路为串级控制回路，主回路为温度控制回路，其输入为文丘里干燥器的出口烟气温度的设定值，控制器输出为副回路控制器的输入，测量仪表为一体化热电偶；副回路为流量控制回路，其输入为主回路中控制器输出量或加热器Tll的流量设定值，控制器输出为加热器Tll流量调节阀的百分比开度，执行机构为流量电动调节阀，测量仪表为电磁流量计。3、预热旋风管出口烟道温度控制回路预热旋风管出口烟道温度有一高设定值(360℃)，当实际温度达到或超过这个值时，其转化的电信号自动控制着高压喷水冷却装置，喷水系统得以自动启动，以达到降低烟道温度的目的。当实际温度低于280℃时，喷水泵自动停止。喷水量是自动调节的，以维持理想的温度。控制结构框图如下：预热旋风管出口烟道温度控制回路结构框图预热旋风管出口烟道温度控制回路输入为预热旋风管出口烟道温度的设定值，控制器输出喷水调节阀的百分比开度，执行机构为电动调节阀，测量仪表为一体化热电偶。4、烟道氧含量控制回路烟道氧含量控制回路用来调节焙烧炉的燃烧效率，在整个气体悬浮炉中，各个阶段的温度影响着产品的质量，而氧气是所有燃烧不可缺少的物质，然后氧气不足和氧气过量都影响了热量的产生，而氧气是通过动力设备提供的，因此氧含量的大小直接与动力设备ID风机的频率大小有关。空气流量的调节是根据旋风预热器口02)出口管中的烟气过剩氧含量浓度值(P02A1)，调节电收尘器前的ID风机电机转速。用含氧量测量值与设定值的偏差来调节ID风机P17的转速，为了更好地调节和控制P17的转速，采用串级调节回路。主回路为含氧量控制回路，其输入为旋风预热器(P02)出口管中的烟气过剩氧含量浓度值的设定值，控制器输出为副回路控制器的输入，测量仪表为氧气分析仪：副回路为ID风机频率控制回路，其输入为主回路中控剑器输出量或设定值，控制器输出为ID风机频率，执行机构为风机变频器，测量仪表为转速检测仪表。控制结构框图如下：风量调节控制回路结构框图5、重油压力调节回路气体悬浮炉中的焙烧炉的燃烧器V19采用的燃料一般为重油，而重油来自油库，管道比较远，容易造成压力不稳，而压力不稳会影响到燃料燃烧不彻底或不均匀分布在炉子里，间接影响焙烧的温度。通过对回油阀位的调节，来稳定进入焙烧炉燃烧的重油压力。控