Chương 2. TỰ ĐỘNG HÓA MỘT SỐ QUÁ TRÌNH CÔNG NGHỆ
2.3. Tự động hóa quá trình sản xuất xi măng
2.3.2. Tự động hoá trong sản xuất xi măng
Quá trình công nghệ và các thiết bị cơ khí để sản xuất xi măng đã trở thành một hệ thống đồng bộ.Chất lượng, tính đa dạng sản phẩm, bảo vệ môi trường, các nhiên liệu thay thế và quản lý năng lượng là những vấn đề đòi hỏi sự quan tâm hơn nữa của người quản lý nhà máy. Đây là lý do chính để đưa máy tính vào hỗ trợ điều khiển quá trình và quản lý hệ thống thông tin. Tự động hoá trong nhà máy xi măng đã có bước tiến dài, từ chỗ tự động hoá từng phần tiến đến tự động hoá toàn bộ dây chuyền công nghệ.
1) Điều khiển nhiệt độ lò nung
a) Tổng quan về điều khiển nhiệt độ là nung
*) Cấu tạo lò nung
Hệ thống lò nung là một hệ thống SLC-S gồm nhiều thiết bị nằm trong công đoạn chính là tạo ra clinker của nhà máy. Hệ thống lò bao gồm các thiết bị chính là: Cyclon tháp trao đổi nhiệt, buồng phân hủy, lò nung, bộ làm nguội kiểu ghi, bộ phận cấp than-dầu cho lò nung và Canxiner, động cơ lò.
Ngoài ra còn có thiết bị phụ khác như:
- Bộ phân tích khí thải.
- Bộ phân tích khí đầu lò.
- Các van khí.
- Các quạt gió.
- Các bộ phận truyền động và các động cơ khác.
Hệ thống lò sử dụng máy làm nguội kiểu ghi để có khí nóng cung cấp cho buồng phân hủy. Khí cho quá trình cháy trong buồng phân hủy được lấy từ máy làm nguội qua đường gió phản hồi riêng (ống gió 3) giữa bộ phận làm nguội kiểu ghi và buồng phân hủy và được đưa vào đáy hình côn của buồng phân hủy.
Hệ thống SLC-S (Separate Line Calcing- Special) là hệ thống có buồng phân hủy riêng, được thiết kế để canxi hóa liệu trong cyclone tháp trao đổi nhiệt và buồng phân hủy tới mức canxi hóa khoảng 90-95%. Điều này, dầu được ở nhiệt độ 870-9000C trong buồn phân hủy và tầng cyclon thấp nhất, tại nhiệt độ này quá trình canxi hóa xảy ra nhanh chóng. Mức chênh lệch nhiên liệu giữa lò
Tiếp nhận bột phối kiệu đủ tiêu chuẩn kỹ thuật từ xưởng nguyên liệu; Nung luyện phối liệu tạo nên sản phẩm clinker đạt tiêu chuẩn chất lượng theo yêu cầu.
*) Hoạt động của hệ thống lò nung
Hai quạt gió (quạt ID) được đặt sau tháp trao đổi nhiệt và nhánh buồng phân hủy, chúng tạo ra và điều chỉnh lưu lượng cần thiết riêng rẽ trong lò và nhánh cyclon của lò, trong buồng phân hủy và nhánh cyclon của buồn phân hủy.
Lưu lượng khí thoát ra từ nhánh trao đổi nhiệt của lò là tổng số lượng khí cháy từ lò; Khí dư thừa cần thiết để đảm bảo nhiên liệu cháy hết; khí sinh ra trong quá trình nung và canxi hóa liệu; khí giả thâm nhập vào hệ thống qua chỗ rò rỉ trong tháp trao đổi nhiệt của lò.
- Khí
Khí để đốt cháy trong lò bao gồm gió 1 qua vòi đốt bằng quạt gió 1 và gió 2 và khí giả bị cuốn vào lò do sức hút của quạt ID tạo ra. Trước khi vào lò gió 2 trao đổi nhiệt với clinker nóng. Trong quá trình này nhiệt độ của khí tăng từ nhiệt độ môi trường lên tới 900- 11000C. Khí cho quá trình cháy trong buồng phân hủy bao gồm gió 3 từ máy làm nguội, khí để phun mù và vận chuyển nhiên liệu. Gió 3 cũng giống như gió 2 là khí môi trường từ máy làm nguội đã trao đổi nhiệt với clinker. Nhiệt độ của gió 3 phụ thuộc vào hiệu quả của bộ làm nguội, đạt được khoảng 750-9000C. Khí phun mù và vận chuyển nhiên liệu là khí cần thiết cho bột than mịn hoặc khí cần thiết để phun mù dầu FO và làm nguội thiết bị vòi đốt.
- Gió
Lượng gió được quạt ID tạo ra cuốn gió 2 và khí giả vào lò và các chất khí cháy qua lò. Lượng gió trong lò được điều chỉnh bằng quạt ID và van để đảm bảo lượng O2 trong khí lò đo tại đầu ra của lò, sẽ đảm bảo nhiên liệu bơm vào trong lò cháy hết. Lượng gió do quạt ID tạo ra cũng kéo gió 3 tới buồng phân hủy và khí cháy qua buồng phân hủy và nhánh tháp trao đổi nhiệt của buồng phân hủy. Số lượng gió trong nhánh buồng phân hủy được điều chỉnh bằng quạt ID và van điều chỉnh của buồng phân hủy để có đủ O2 trong buồng phân hủy, đảm bảo nguyên liệu đưa vào buồng phân hủy cháy hết. Hàm lượng O2 được đo trong khí thải của nhánh buồng phân hủy.Trong hệ thống lò SLC-S nhiệt độ trung bình trong buồng phân hủy và tầng cyclon thấp nhất của buồng phân hủy vào khoảng 870-9000C. Tại nhiệt độ này quá trình canxi hóa bột liệu xảy ra nhanh và mức canxi hóa của liệu vào lò khoảng 90%-95%. Nhiệt độ trong buồng phân hủy được kiểm soát bằng cách điều chỉnh lượng nhiên liệu trong buồng phân hủy. Người ta thường muốn giữ nhiệt độ của buồng phân hủy không đổi, để đảm bảo mức canxi hóa của liệu đưa vào lò không đổi. Điều này thường được thực hiện bằng chu trình điều khiển tự động để điều chỉnh tốc độ cấp nhiên liệu cho buồng phân hủy.
- Nguyên Liệu
Nguyên liệu được cấp riêng từ trên đỉnh của 2 nhánh. Nguyên liệu được đưa vào ống đứng giữa tầng cyclon thứ nhất và tầng cyclon thứ hai. Nguyên liệu được phân tán trong luồng khí đi lên bằng cách sử dụng hộp tán liệu, đảm bảo quá trình truyền nhiệt diễn ra hầu như tức thời. Nguyên liệu được treo trên khí đẩy lên tầng cyclon thứ nhất, tại đây nhiên liệu được tách ra khỏi khí và rời cyclon qua van côn đáy. Nó chảy qua van lật và chuyển tới ống dẫn đứng tới tầng cyclon thứ hai, tại đây quá trình này lại được lặp lại. Bằng cách này nguyên liệu chuyển dần từng bước qua các cyclon đồng thời với quá trình trao đổi nhiệt với khí nóng. Nguyên liệu được chuyển vào buồng phân hủy và được phân tán vào khí nhờ sử dụng hộp tán liệu. Nguyên liệu được treo trên dòng khí nóng trong khi đó quá trình canxi hóa xảy ra. Điều này đảm bảo sự hòa trộn và truyền nhiệt hoàn hảo. Từ đỉnh của buồng phân hủy nguyên liệu và khí được chuyển tới tầng cyclon đáy trong đó nguyên liệu được tách khỏi khí và chuyển tới lò quay.
Trong quá trình sản xuất 25% đến 40% bột liệu được chuyển tới nhánh của lò và 60% đến 75% được chuyển tới nhánh buồng phân hủy. Trước khi rời khỏi tầng đáy nhiên liệu phải có mức canxi hóa khoảng 90-95%. Sau đó nguyên liệu được chuyển qua lò bằng cách thích hợp giữa độ nghiêng của lò và chuyển động quay.
Khi nguyên liệu đến gần ngon lửa, nhiệt độ tăng và quá trình clinker hóa xảy ra.
Khi rời khỏi lò liệu được đưa vào máy làm nguội kiểu ghi, tại đó nó trao đổi nhiệt với gió 2, sau đó được chuyển tới thiết bị vận chuyển clinker qua máy đập clinker. Tốc độ quay của lò được người vận hành điều chỉnh đảm bảo đủ thời gian cho quá trình clinker hóa thích hợp xảy ra.
-Khí thải
Khí thải từ nhánh cyclon là và buồng phân hủy điều được các máy phan tích liên tục lấy mẫu và hàm lượng O2, CO được theo dõi để đảm bảo đủ O2
trong lò và buồng phân hủy cho nhiên liệu cháy hoàn toàn. Mức O2 quá thấp hoặc quá cao trong cả hai nơi này thì phải điều chỉnh tương ứng lượng gió bằng các van của quạt gió ID. Khí thải từ tháp trao đổi nhiệt cũng được phân tích thành phần CO liên tục vì mức CO quá cao là nguy hiểm (có thể gây cháy hoặc nổ do sự bốc chấy tự phát trong máy sau tháp trao đổi nhiệt).
*) Bài toán điều khiển tối ưu hệ thống lò nung
Công đoạn lò nung là công đoạn chính trong quá trình sản xuất xi măng.
Nó tạo ra và quyết định clinker. Do đó công đoạn này tiêu thụ một lượng năng lượng rất lớn. Vì vậy điều khiển tối ưu công đoạn này ta sẽ đạt được hiệu quả kinh tế cao.
Yêu cầu đặt ra đối với nhà máy xi măng là phải điều khiển tối ưu hóa hệ thống lò. Việc điều khiển tối ưu hóa hệ thống lò sẽ làm cho hệ thống lò làm việc
hơn, tăng công suất, tiết kiệm nhiên liệu, nhưng vẫn đảm bảo chất lượng và sản lượng clinker. Bài toán điều khiển lò nung có 2 phần chính theo thứ tự ưu tiên sau:
Đảm bảo chất lượng clinker theo yêu cầu.
Tiết kiệm năng lượng đến mức tối thiểu dựa trên chất lượng clinker theo yêu cầu.
Để thực hiện bài toán điều khiển tối ưu, dùng hệ thống chuyên gia
điều khiển hệ thống lò. Hệ thống chuyên gia là hệ thống các gia thức cho một nhà máy cụ thể, giám sát ở mức độ cao việc vận hành máy, làm nguội… Hệ thống chuyên gia điều khiển lò giúp những người vạn hành lò đạt được các điều kiện vận hành sản xuất tối ưu về độ ổn định trong vận hành, chất lượng clinker tốt. Sản lượng tối đa và mức tiêu thụ nhiên liệu thấp. Đặc điểm của hệ thống chuyên gia là điều chỉnh điểm đặt chú không phải là duy trì điểm đặt của các chu trình riêng.
Sử dụng hệ thống chuyên gia để điều khiển lò, hoạt động của lò thống nhất với các hoạt động điều khiển thường xuyên hơn và tin cậy hơn khi chỉ sử dụng nhân viên vận hành lò. Hệ thống chuyên gia sẽ đóng góp đắng kể vào sự ổn định lò, điều khiển ít nhất là 80% thời gian hoạt động lò. Hơn nữa lò ổn định hơn sẽ:
Giảm mức tiêu thụ nhiệt lượng 3-5%.
Tăng tuổi thọ gạch chịu lửa 30-50%.
Sản xuất nhiều hơn clinker có chất lượng đòng nhất với cường độ của xi măng cao hơn và giảm sự tiêu thụ năng lượng điện trong nghiền xi măng.
Tăng các hệ số vận hành và năng suất của lò.
Phương pháp điều khiển
Phương pháp điều khiển được chia thành nhiều nhóm và xử lý độc lập nhau. Phương pháp điều khiển cho lò với máy làm nguội ghi bao gồm các nhóm:
Điều khiển zone nung.
Điều khiển quá trình cháy.
Điều khiển máy làm nguội.
Điều khiển quá trình khởi động lò.
Mỗi nhóm có nhiều mục tiêu có thự tự ưu tiên để tránh mâu thuẫn. Đối tượng chính trong điều khiển Calciner theo thứ tự ưu tiên:
Điều khiển các rối loạn - tránh tình trạng hàm lượng CO quá cao Hoạt động ổn định ổn định các hoạt động của lò
Chất lượng thỏa mãn các yêu cầu về chất lượng Sản lượng tối đa hóa sản lượng
Các mục tiêu với thứ tự ưu tiên cao hơn được xem xét đầu tiên nếu không đạt được các yêu cầu đó, các ưu tiên thấp hơn được bỏ qua tạm thời.
Việc điều khiển hệ thống rất khó khăn, phức tạp và phụ thuộc vào rất nhiều các thông số được liệt kê dưới đây. Nếu đột ngột mất một tín hiệu nào đó, hệ thống có thể tiếp tục hoạt động mặc dù hiệu suất giảm.
% O2 và %CO tại đầu vào lò.
% O2 và %CO trong khí tháp trao đổi nhiệt.
Dòng của động cơ lò và/hoặc %NO tại đầu vào lò và/hoặc zone nung.
Nhiệt độ khí thải tháp trao đổi nhiệt.
Nhiệt độ buồng phân hủy.
Vôi tự do hoặc dung trọng.
Áp suất dưới ghi làm lạnh.
Tình trạng lớp côla…
Đối với hệ thống lò, có các bài toán điều khiển sau:
Cấp liệu lò.
Than đến lò và buồng phân hủy.
Vị trí van gió nóng thu hồi nhiệt
Tốc độ quạt phối khí hoặc vị trí van điều tiết.
Tốc độ quay lò.
Tốc độ làm nguội của bộ làm nguội kiểu ghi.
Lưu lượng khí làm mát từ các quạt làm nguội.
Để thực hiện các bài toán điều khiển trên, trong hệ thống lò nung clinker có các chu trình điều khiển PID điển hình sau:
- Điều khiển tự động cấp nhiên liệu vào buồng phân hủy. Mục đích là duy trì nhiệt độ không đổi ở đầu ra của cyclon buồng phân hủy để đạt được mức độ canxi hóa cần thiết của nguyên liệu.
- Điều chỉnh tự động nhiên liệu chấy vào lò. Điểm đặt được người điều khiển dựa trên cơ sở đánh giá những điều kiện trong khu tạo clinker.
- Điều khiển van điều tiết – vận tốc của quạt khí thừa ra khỏi thiết bị làm nguội. Mục đích là giữ cho áp suất âm tại đầu lò là không đổi, thường xuyên xung quanh mm cột nước.
- Điều khiển van điều tiết – vận tốc của quạt lọc bụi để duy trì áp suất âm taaij đầu ra của quạt khí thải không đổi tại một điểm nhất định, thường là- 5mm cột nước.
- Điều khiển van điều tiết của quạt khí thải với mục đích gữ cho hàm lượng O2 đi ra khỏi tháp trao đổi nhiệt không đổi.
- Điều khiển van điều tiết đường gió phản hồi nhằm giữ cho hàm lượng O2 ở mức điểm đặt trong đầu vào của lò. Hàm lượng O2 không đổi trong đầu vào lò tương ứng với lượng khí thừa không đổi có trong khí đốt của lò.
Nhiệt độ là một tham số điều khiển quan trọng để điều khiển hệ thống lò nung Clinker. Nó quyết định chất lượng của Clinker và năng suất của hệ thống lò. Nhiệt độ có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình canxi của nguyên liệu và quá trình tạo Clinker. Trong quá trình canxi hóa, nhiệt độ phải được đảm bảo khoảng 900-10000C và ổn định. Điều này giúp cho quá trình canxi hóa diễn ra thuận lợi và đảm bảo hàm lượng nguyên liệu được canxi hóa từ 90-95% trước khi đưa vào lò nung. Trong lò nung, nhiệt độ zone yêu cầu ổn định ở 14000C điều này rất quan trọng vì nó đảm bảo cho các phản ứng pha rắn tạo Clinker diễn ra thuận lợi. Trong hệ thống lò nung Clinker có rất nhiều điểm điều khiển nhiệt độ và phân bố trong một giải rất rộng từ 5000C – 15000C. Mỗi điểm có một yêu cầu riêng. Do vậy, bài toán điều khiển nhiệt độ ở đây là rất phức tạp. Ngoài ra việc đô nhiệt độ chính xác trong môi trường có độ bụi cao là rất khó khăn. Điều này làm ảnh hưởng rất lớn đến quá trình điều khiển nhiệt độ trong lò nung.
Trong hệ thống lò nung có 2 vùng nhiệt độ quan trọng là trong Canxiner và trong lò nung nên bàitoán điều khiển nhiệt độ hệ thống lò được chia thành 2 bài toán chính đó là:
- Điều khiển tối ưu ngọn nửa zone nung.
- Điều khiển tối ưu quá trình cháy trong Canxiner và hệ thống sấy 5 tầng.
Thực chất của bài toán điều khiển nhiệt độ là điều khiển một loạt các thiết bị trong hệ thống lò nung như:
- Điều khiển hệ thống cấp nhiên liệu: Van cấp than V72 cho lò nung, van cấp than V82 cho Canxiner, van cấp dầu V11 cho lò nung, van cấp dầu V21 cho Canxiner, van cấp dầu V31 cho đường khí phản hồi (đường gió 3).
- Điều khiển tốc độ các quạt gió: Các quạt gió làm mát cho bộ làm nguội Clinker (dàn nghi). Các quạt vào lò nung: V91, V93, quạt gió cho đường gió phản hồi A77 (quạt gió 3), quạt gió A74 cho đường ống đứng của lò, quạt gió vào Canxiner V22.
- Điều khiển độ mở các van gió: Các van gió vào lò V94, V92, van gió phản hồi A76, van gió ống đứng của lò A72, các van gió ở bộ làm nguội (dàn nghi).
- Điều khiển các van cấp liệu vào lò nung và Canxiner A71, A73.
- Điều khiển các quạt khí thải J15, P27,...
Thiết bị Phân
tích Khí thải
Phân tích
Khí đầu lò Canxi hóa Zone nung Làm nguội M
W4 2
W44
W43 A72
A55
A54 A53
A52 A51
A56 P2: 22mb
T2: 8750C T1: 8850C P2: 33mb T2: 7100C T1: 7150C T1: 3600C
A50
T2: 5550C P2: 40mb
T1: 8300C
T2: 8250C P2: 28mb
A71
T1:
10000C
T2: 9500C P2: 5mb
V21 Dầu
V11 Dầu
L11 Silo chứa
than mịn
V72 Than
V82 Than
1000- 11000C
1350- 14000C
1350- 9000C V22
A73
M P
M
Hình 2.44. Hình ảnh hệ thống Tháp trao đổi nhiệt, lò nung và phân bố nhiệt
Trong quá trình hoạt động bình thường, lò chạy với càng ít thay đổi về cấp liệu và đốt càng tốt. Việc này sẽ đem lại công suất tối ưu. Phải tiến hành những bước nhỏ những sự thay đổi cần thiết. Theo kinh nghiệm “khi cần thay đổi thì giữ thay đổi thấp hơn 5% giá trị thực tế ”.
b) Điều khiển tối ưu ngọn lửa zone lung
Quá trình nung Clinker trong điều kiện hoạt động ổn định thường tự động hóa cho chất lượng Clinker thích hợp và năng suất cao. Trong quá trình này có 2 bài toán điều khiển chính đó là: Điều khiển zone lung và điều khiển quá trình đốt. Trong đó điều khiển zone nung chính là điều khiển quá trình hình thành Clinker. Điều khiển quá trình hình thành Clinker chỉ là việc duy trì được đúng nhiệt độ nguyên liệu trong zone nung (điều khiển ngọn lửa zone nung), trong khi điều khiển đốt còn liên quan tới việc phối nhiên liệu và khí sao cho có thể giảm thiểu được lượng Kcal/kg Clinker. Ta có thể có một lò ổn định và nhiệt độ phù hợp trong zone nung, nhưng hiệu suất kinh tế vẫn thấp vì mức trộn nhiên liệu và khí không phù hợp. Nhưng điều khiển zone nung phải được ưu tiên hơn điều khiển đốt vì điều khiển zone nung là điều khiển sự ổn định của quá trình, chất lượng Clinker và sản lượng.
*) Điều khiển zone nung:
Điều khiển zone nung được chia làm 3 phần đó là: sự ổn định, chất lượng và sản lượng theo đúng trình tự ưu tiên này. Như vậy, sự ổn định được coi là một tiêu trí quan trọng nhất để một lò nung hoạt động tốt. Nếu lò không hoạt động ổn định thì ta phải thực hiện các hoạt động điều khiển để lò hoạt động ổn định trở lại. Khi lò hoạt động ổn định rồi thì ta mới tính đến phần ưu tiên tiếp theo và thực hiện các hoạt động để để đạt được chất lượng Clinker phù hợp. Cuối cùng nếu lò hoạt động ổn định và nếu chất lượng phù hợp rồi thì ta sẽ sử dụng các thiết bị có sẵn để nâng sản lượng lên mức tối đa.
Việc điều khiển chất lượng Clinker chính là điều khiển nhiệt độ và ngọn lửa zone nung. Điều khiển ngọn lửa zone nung được thực hiện bằng cách điều khiển vị trí kim phun, điều khiển tốc độ cấp liệu, điều khiển gió lượng 1 và điều khiển gió lượng 2. Điều khiển các thông số trên sẽ tạo ra ngọn lửa với các hình dạng khác nhau.
Ngọn lửa ngắn và nóng: Loại lửa này rất nóng, rộng và mạnh. Zone nung sẽ bị rút ngắn đáng kể và nhiệt độ cao của ngọn lửa có thể gây khó khăn cho việc duy trì một lớp coola thích hợp trong lò. Ngọn lửa này có thể làm nóng chảy lớp côla, làm hư hại lớp lót của lò.
Ngọn lửa trung bình: Ngọn lửa này có bề dài và bề rộng cân bằng nên nhiệt trong zone nung không tác động quá mức. Ngọn lửa này đủ nóng để tạo thành một lớp côla tốt trong zone nung làm tăng tuổi thọ của lò.