Разработка системы управления процессом утилизации печных газов в условиях НДФЗ

Содержание
Введение……………………………………………………………………….
1 Технологическая часть …………………………………………………
1.1 Описание технологической схемы в отделении утилизации печных газов………………………………………………………………………..
1.2 Технологическая схема утилизации печных газов……………………
1.3 Подготовка печного газа к приему на агломерационную машину…….
1.4 Прием печного газа на агломашину……………………………………...
1.5 Очистка дымовых газов…………………………………………………...
1.6 Материальный баланс печного газа……………………………………..
2 Специальная часть…………………………………………………………
2.1 Характеристика процесса утилизации печного газа как объект
управления…………………………………………………………………
2.2 Структурная схема. Постановка задачи………………………………..
2.3 Современное состояние интеллектуальных технологий……………..
2.3.1 Экспертные системы……………………………………………………
2.3.2 Базовая архитектура систем нечеткого вывода……………………..
2.4 Нейронные сети…………………………………………………………..
2.5 Модель персептрона…………………………………………………….
2.6 Разработка модели утилизации печного газа………………………….
2.6.1 Концепция создания интеллектуальной системы оптимального
управления технологическим процессом…………………………….
2.6.2 Формирование матриц планирования ПФЭ, разработка и
исследование моделей (алгоритмов) управления процессами
конденсации фосфора и утилизации печных газов……………………
2.6.2.1 Разработка и исследование модели управления процессом
конденсации фосфора………………………………………………...
2.6.2.2 Технология процесса конденсации желтого фосфора из печного
газа……………………………………………………………………..
2.6.2.3 Описание схемы конденсации фосфора из печного газа на
НДФЗ…………………………………………………………………..
2.6.2.4 Синтез и исследования интеллектуальных моделей (алгоритмов)
управления процессом конденсации фосфора……………………...
2.6.2.5 Моделирование процесса управления системой утилизации
газов……………………………………………………………………
2.6.2.6 Формирование матрицы ПФЭ и синтез алгоритма управления
системой утилизации печных газов………………………………….
2.7 Разработка и внедрение системы автоматизации процесса утилизации
печного газа в условиях НДФЗ…………………………………………..
2.8 Информационное обеспечение АСУТП…………………………… ..…..
2.9 Организационное обеспечение АСУТП…………………………………
2.10 Техническое обеспечение АСУТП………………………………..…….
2.11 Принципы построения комплекса технических средств системы
автоматизации……………………………………………………………
2.12 Структура комплекса технических средств………………………….
2.12.1 Описание структурной схемы комплекса технических
средств…………………………………………………………………
2.12 .2 Спецификация приборов и датчиков………………………………..
2.12.3 Описание схемы автоматизации……………………………………..
3 Экономическая часть………………………………………………………
3.1 Экономическое обоснование внедрение автоматизированной
системы управления процессом утилизации печных газов в
условиях НДФЗ………………………………………………………….
3.2 Расчет затрат на разработку и внедрения системы автоматического
управления………………………………………………………………...
3.2.1 Заработная плата разработчиков с отчислением на социальные
нужды…………………………………………………………………….
3.2.2 Затраты на приборы и средства автоматизации …………………..
3.2.3 Затрата на отладку программы…………………………………….
3.3 Расчет экономической эффективности внедрения системы
автоматизации…………………………………………………………….
4 Безопасность жизнидеятельности…………………………………………
4.1 Законодательство по безопасности и охране труда……………………..
4.2 Анализ опасных и вредных факторов……………………………………
4.2.1 Организационные мероприятия………………………………………..
4.3 Санитарно гигиенические мероприятия…………………………………
4.4 Обеспечение электробезопасности………………………………………
4.4.1 Организация освещения………………………………………………..
4.4.2 Расчет искусственного освещения……………………………………..
4.5 Пожарная безопасность…………………………………………………...
Заключение…………………………………………………………………….
Список использованной литературы………………………………………...
Перечень сокращенных слов…………………………………………………
1 Технологическая часть

1.1 Описание технологической схемы в отделении утилизации
печных газов
В Жамбылской области, объединив родственные ему предприятия, ТОО
"Казфосфат" вышел на второе место в стране по темпам роста товарной
продукции среди предприятий горно-металлургического комплекса и
химической промышленности. Сегодня компания производит больше
половины всей химической продукции республики и продолжает набирать
обороты.
Однако, большие объемы перерабатываемого фосфатного сырья,
относительно низкого качества, и несовершенство существующей технологии
приводят к выбросу в атмосферу значительных объемов загрязняющих
веществ. Так, только в Жамбылском филиале ТОО «Казфосфат - НДФЗ» при
производстве 110,0 тыс. тонн желтого фосфора в год выбрасывается в
атмосферу 6354,48 т вредных веществ, в т.ч. газообразных - 4969,36 т/год,
твердых - 1385,12 т/год. Удельный выход печного газа составляет на
фосфорных предприятиях 2800...3000 м3 на 1 т фосфора.
Печной газ содержит до 90...95 процентов оксида углерода и других
горючих компонентов, которые сжигаются на «свече». В результате сжигания
отходящих газов на «свечах» безвозвратно теряется около 3 - 6 ГДж тепловой
энергии, что эквивалентно 125...140 тыс. т условного топлива.
Т.е. расходуется до 300 млн. м3 печного газа, способного заменить до 100
млн. м3 природного газа.
Утилизация печного газа необходима и с экологической точки зрения,
так как он является постоянным источником загрязнения.
Соединения фосфора, фтора, серы загрязняют поверхность земли,
поверхностные стоки и частично фильтруются в водоносные горизонты.
Создается угроза загрязнения подземных вод питьевого назначения и
опасность накопления токсичных соединений в продуктах сельского
хозяйства.
Установлено, что наиболее вредными компонентами печного газа
являются, фосфин, соединения фтора и фосфорный ангидрид.
На НДФЗ была смонтирована линия, установлены воздуховоды, но из - за
того, что оборудование было недостаточно совершенным, в 1991 году
строительство было прекращено. Одной из причин остановки проекта СУПГ
являлось большое содержание фосфора в печном газе, для устранения
которого необходимо было снизить температуру воды в башнях конденсации.
Позже, в 2006 году, начали проектировать СУПГ под патронажем компании
«Термофос» (Голландия), которая уже практиковала утилизацию печного газа,
и наша СУПГ строилась по аналогу их проекта. Тогда завод первоначально
вложил полмиллиона долларов в модернизацию градирен, охлаждающих
техническую воду. Как только мы добились снижения температуры воды, с
уверенностью начали строительство СУПГ и параллельно монтировали
автоматическую систему управления (АСУ) при поддержке компании
Honeywell (США). Так как система утилизации печного газа работает
полностью в автоматическом режиме, то и оборудование должно было
отвечать всем требованиям. Компания ТОО «Казфосфат» закупила немецкое
оборудование, которое всегда отличалось надежностью. В настоящий момент
газ утилизируется с одной печи цеха № 5, при этом управление всеми
процессами в печи и СУПГ автоматизировано. Человек практически не
участвует в процессе, система все делает сама, даже в аварийных ситуациях,
вероятность которых очень мала. На пультах управления цехов № 2 и № 5 за
процессами наблюдают два оператора, которые могут лишь
подкорректировать работу СУПГ.
Сегодня печной газ используется в качестве теплоносителя при
производстве агломерата, а прежде использовался природный газ. Для завода
это хорошее подспорье, ведь речь идет не только об экономии, но и о
частичном решении экологической проблемы. Если раньше выбросы
производились в атмосферу, то теперь они перерабатываются с полезной для
производства целью. В дальнейшем планируется использовать печной газ и в
других цехах завода: в цехе № 8 (по производству триполифосфата натрия) и в
цехе № 20 (пароводоцех), то есть в планах предприяти я - перейти на топливо
своего собственного производства.

1.2 Технологическая схема утилизации печных газов

Процесс утилизации печных газов проходит на этапе агломерации
фосфора.
Спекание шихты осуществляется на движущейся колосниковой решетке
агломашины с просасыванием воздуха через слой шихты. Высокая
температура процесса (до 1623 К) достигается за счет сгорания твердого
топлива (мелочи кокса, антрацита, графита и другие углесодержащие сырье),
входящего в состав аглошихты.
Зажигание мелочи кокса (кокса, антрацита, графита и другие
углесодержащие сырье) на поверхности слоя происходит в горне, снабженном
трехходовыми горелками, работающими на природном (СН4)и печном газе
(СО). По мере движения спекаемой шихты к разгрузочной части агломашины,
начавшееся с поверхности слоя шихты горение последовательно проходит
через всю толщу материала и заканчивается у колосниковой решетки.
Воспламенение твердого топлива в слое происходит при температуре t = 973
К. Твердое топливо шихты практически целиком сгорает, а рудная мелочь
оплавляется и спекается, образуя пористый «пирог», который после
дробления дает окускованный продукт – агломерат.
Просасывание воздуха, необходимого для окисления углерода твердого
топлива, осуществляется эксгаустерами, установленными на тракте
агломерационных газов.
Спекаемый слой шихты можно условно разделить по высоте на
следующие зоны: зона готового агломерата, зона плавления, зона
интенсивного нагрева, зона сушки, зона переуважнения, зона исходной шихты
и «постель».
Скорость перемещения зоны плавления по толщине слоя называется
вертикальной скоростью спекания и составляет (12-14)·10-3 м/мин. Она
определяется в основном скоростью фильтрации дымовых газов,
теплофизическими свойствами шихтовых материалов и условиями горения
топлива.
Основные физико-химические превращения происходят в зоне
плавления и интенсивного нагрева. Химические соединения, образующиеся
при этих процессах, определяют как конечный состав агломерата.
Двуокись углерода (СО2) образуется как за счет сгорания мелочи кокса
(кокса, антрацита, графита и другие углесодержащие сырье), так и вследствие
декарбонизации фосфорита, которая достигает 95%. Полнота декарбонизации
является одним из показателей качества агломерата, так как применение
декарбонизированного сырья в фосфорных печах снижает расход
электроэнергии, уменьшает количество печных газов, способствует
улучшению качества фосфора.
Загрязнение агломерационных газов окисью углерода происходит
вследствие неполноты сгорания твердого топлива. Влага, содержащаяся в
шихте, обуславливает протекание процесса пирогидролиза фторапатита,
содержащегося в руде с образованием НF и SiF4, переходящими в аглогазы.
Газовая фаза загрязнена также содержанием соединений фосфора Р2О5 и РН3,
образующимися в ходе спекания.
В результате процессов десульфуризации фосфорита в состав аглогазов
входят SО2 и SО3.
Аглогазы, содержащие химические вредности и пыль, перед выбросом в
атмосферу подвергаются очистке на установке сухой и мокрой очистки
аглогазов.
Агломерационная машина представляет собой подвижную ленту,
состоящую из каркаса, спекательных тележек, приводов, питателей шихты и
«постели», зажигательного горна, вакуум-камер и системы смазки.
Спекательная тележка (полета) представляет собой стальную раму,
смонтированную на четырех роликоопорах, с боковыми бортами, внутри
которой уложены колосники.
Увлажненная шихта из окомкователя загружается в один из бункеров
питателей шихты агломашины челноковым распределителем, который
равномерно распределяет шихту по ширине бункера воронки.
Перед загрузкой аглошихты на полеты агломашины сначала
укладывается слой «постели» - агломерат фракции (8-13)·10-3 м, которая
препятствует просыпанию шихты через зазоры колосниковой решетки,
предохраняет колосники от воздействия высоких температур и исключает
образование «пригара» шихты к колосникам. «Постель» выдается из бункера
ленточным конвейером, которая поступает в приемную воронку агломашины,
из которой «постель» загружается на колосниковую решетку.
Шихта из бункера–воронки переносится барабанным питателем на
наклонный лоток, с которого и укладывается на спекательные тележки.
Высота слоя шихты регулируется положением шибера.
Шихта из спекательных тележек для улучшения зажигания
подвергается уплотнению, выравниваю и профилированию специальным
приспособлением, и далее поступает в горн, предназначенный для зажигания мелочи кокса
(кокса,антрацита, графита и другие
углесодержащие сырье) в поверхностном слое шихты.
Горн расположен на агломашине после питателей шихты над лентой
спекательных тележек и представляет собой сварную металлоконструкцию,
изнутри футерованную огнеупорным кирпичом.
Горн разделен на три секции. На боковых стенках горна в I и III секциях
установлено по 4 горелки, во II секции – 6 горелок.
Первая секция предназначена для зажигания шихты, остальные секции –
для дополнительной подачи тепла, необходимого для зажигания
последующих слоев и стабилизации процесса спекания.
В секциях установлены турбулентные трехходовые горелки,
работающие на природном и печном газе. Воздух на горение подается
вентилятором ВМ 18А. Подача природного газа на секции горна
осуществляется от межцехового газопровода через газорегуляторные
установки (ГРУ), предназначенные для снижения давления газа до
необходимого перед горелками и автоматического поддержания давления
постоянным.
Подача печного газа на секции горна
осуществляется от межцехового газопровода печного цеха до горелки горна агломашины
№2 и №3.
Технологический процесс утилизации печного газа предусматривает
использование печного газа в качестве топлива в смеси с природным
газом и отдельно на зажигательных горнах агломашины и, кроме того,

способствует снижению вредных выбросов
атмосферу.
Печной газ, образующийся в производстве желтого фосфора при
восстановлении фосфоритов углеродом в руднотермических печах, после
обеспыливания и конденсации фосфора содержит до 80% окиси углерода
(СО).
Температура печного газа, отправляемого в цех агломерации, не
должна быть более 35°С, содержание в нем элементарного фосфора не
должно быть более 0,2 г/нм3. Содержание фосфора в печном газе зависит от температуры
газа,поэтому проектом предусматривается блокировка работы газодувки В-2503
при температуре печного газа более 35°С,газодувка
автоматически отключается и печной газ сбрасывается на свечу
Х-2126. Для предотвращения аварий посл
остановки системы СУПГ предусмотрена подача азота на продувку всей
системы.
Пуск и безопасная эксплуатация «Системы утилизации печного
газа» возможны только при условии одновременной эксплуатации
«Системы захолаживания» конденсационной воды, обеспечивающей
регламентное содержание фосфора в печном газе не более 0,2 г/м3.
Система утилизации печного газа (СУПГ) цеха №02 состоит из:
- межцехового газопровода печного газа от U образных гидрозатворов
до агломашины №2 и №3;
- установки и оборудования сжигания печного газа в цехе агломерации;
- узел приготовления оборотной горячей воды;
- станций сбора перекачки фосфоросодержащих стоков (ФС) № 1.
Газопровод от U образных гидрозатворов до агломашины №2 и №3
выполнен из труб диаметром 800х11мм с уклоном не менее 0,02мм на
каждый 1м.По трассе газопровода на низшей точке установлена насосная станция перекачки ФС №1.
Установленные по трассе газопровода у насосных станций U образные гидрозатворы являются
отключающими устройствами и рассчитаны на 1,5 давления печного газа.
Для отключения подачи печного газа необходимо заполнить гидрозатворы
водой от узла насосной станции перекачки
ФС №1, и еще предусмотрено для отключения подачи печного
газа гидрозатворы горячей водой с температурой 80°С от узла приготовления оборотной горячей воды с аварийного бака.
Гидрозатворы считается заполненным,если в смотровом фонаре на переливной линии фиксируется наличие
воды. Горячая вода для промывки газопровода и пар для пропарки подается через верхние точки (ВТ).
Также через верхние точки газопровода предусмотрены дополнительные штуцеры (Ш) для подвода
пара, азота, горячей воды, имеющие запорную арматуру, для исключения
возможности попадания воздуха в газопровод. Кроме того имеются
продувочные свечи с обеих сторон на каждом гидрозатворе, на которых
установлены пробоотборники для контроля состава газа в газопроводе.
Стоки от промывки газопровода поступают в сборник (бак) ФС,
установленные на насосной станций №1 и затем перекачиваются в
отделение нейтрализации цеха №07. Трубопроводы ФС промываются
горячей водой после каждой откачки ФС.
Станция сбора и перекачки конденсата (ФС) №1 предназначены для
сбора и удаления стоков и фосфора, конденсирующихся в газоходах печного
газа.
Схема очистки и утилизации печного газа ( 1- аппараты очистки и
конденсации, 2 - пенный аппарат, 3 - утилизационная ТЭЦ, 4 - установка
очистки продуктов сгорания, 5 - вытяжной насос )

Рисунок 1.1 - Новая природоохранная технологическая схема
утилизации печного газа .

Освобожденный от фосфора печной газ, основными компонентами
которого являются оксид углерода и азот, поступает из вер хней части
“холодных” конденсаторов в газоход.
Из газохода печной газ через заслонку с пневмоприводом, управляемую
с пульта управления печи вручную или в автоматическом режиме поступает
на очистку в пенный аппарат, а затем в утилизационную ТЭЦ, где
вырабатывается электроэнергия, горячая вода, пар и т.д., возвращаемые в
производство фосфора.
Очистка печного газа от фосфора, фосфина, сероводорода и оксидов
фосфора в пенном аппарате осуществляется методом абсорбции вредных
компонентов растворами химически активных по отношению к ним реагентов
(хемосорбция).
Исходными данными для расчета являются: состав печного газа: CO -
80%; CO2 – 9,5%; H2 – 6,0%; H2O – 1,5%; P4 – 2,0 г/м3; HF – 0,94 г/м3; PH3 –
0,1%; SO2 – 0,5%; P2O5 – 2,2%. Уд.вес газа – 1,24 кг/м3. Активный раствор
хемосорбента – 2-5% водный раствор Na2CO3. ПДК: HF – 0,05 мг/м3; SO2 –
0,5 мг/м3; P2O5 – 0,15 мг/м3.
Процесс совмещения абсорбции и химической реакции на сетчатой
тарелке пенного аппарата происходит по формулам (4-8)
Na2 CO3 + 2 HF ® NaF + H2 O + CO2

2Na2 CO3 + P2O5 + H2 O ® 2NaHPO4 +2CO2

2Na2 CO3 + 2SO2 + O2 ® Na2 SO3 + CO2

Na2CO3 + H2S ® NaHS + NaHS + NaHCO3

Na2 CO3 + CO2 + H2 O ® 2NaHCO3
Расчет ведется до достижения концентрации указанных газов до
пределов ниже их соответствующего ПДК по каждому компоненту отдельно.
В результате расчета получено, что для практически полной очистки
печного газа от фтористого водорода достаточно пяти ступен ей очистки при
заданных условиях, от фосфорного ангидрида достаточно семи, от сернистого
ангидрида достаточно девяти.
Покомпонентный и общий расчет необходимого количества Na2CO3 и
H2O на 1 тн. составило : для фтористого водорода составило ХHF= 6,975 кг.,
для фосфорного ангидрида ХP2O5=32,188 кг, для сернистого ангидрида
ХSO2=16,231 кг.
Общее количество Na2CO3, необходимое для достижения целей данного
технологического процесса очистки с учетом поправочного коэффициента
составляет 66,5кг на 1 тн. фосфора.
Определение необходимого количества воды для приготовления 2-5%
водного раствора Na2CO3: для 2% - 3257 кг, для 3% - 2 149 кг, для 4% - 1 595
кг, для 5% - 1263 кг воды.
Расчет удельного расхода электроэнергии по новой предлагаемой
технологической схеме показывает его снижение и возможность получения
ожидаемого экономического эффекта на сумму двести двадцать один миллион
тенге.
При этом расчет количества тепловой энергии технологической схемы
по утилизации печного газа проводится по формуле:(1.6)
где Р - объем производства желтого фосфора в течение года т/г; hк.у- к.п.д.
котла утилизатора для использования печного газа (в расчетах принято h=0,8).....