Математическое моделирование автоматизированного передела сгущения и промывки красного шлама

Математическое моделирование автоматизированного передела сгущения и промывки красного шлама

Введение

Данная работа посвящена теме математического моделирования передела сгущения красного шлама.

Цель работы: создание математической модели автоматизированного передела сгущения красного шлама и её оптимизация.

Цель определила следующие конкретные задачи:

.        Создание математической модели на основе архивных данных по сгустителю с завода РУСАЛ’а Ewarton, с помощью пакета программ GE Proficy Intelligent Continuous Wizard;

.        Оптимизация полученной модели для улучшения качественных показателей процесса сгущения, с помощью программных пакетов GE Proficy Intelligent Architect и MatLab;

Практическая значимость данной выпускной квалификационной работы заключается в совершенствовании математической модели процесса сгущения. Это позволит улучшить качественные показатели процесса и, как следствие, уменьшить себестоимость продукта, кроме того, материалы, представленные в пояснительной записке, могут быть использованы в качестве примеров, методических указаний и пояснений при изучении дисциплин специальности.

1. Общие сведения

1.1 Способы получения глинозема

Глинозем можно извлекать из руд, как с помощью щелочей, так и с помощью кислот, потому что свойства его амфотерны. Известно много разных способов получения глинозема, однако лишь немногие из них применяются. Имеющиеся способы извлечения глинозема из руд можно разделить на четыре группы: 1) щелочные, 2) кислотные, 3) комбинированные и 4) термические. В современном производстве глинозема пользуются главным образом щелочными способами - мокрым (способ Байера) или сухим (способ спекания). Способ Байера успешно применяется при переработке малокремнистых бокситов с кремневым отношением не ниже 7-8. Полученный этим способом глинозем обычно дешевле, чем извлеченный другими известными способами, поэтому около 90% глинозема во всем мире издавна получают по способу Байера. Если кремневое отношение в боксите ниже 7, то для получения глинозема обычно применяют способ спекания. Раньше бокситы и другие глиноземистые породы, в которых много кремнезема, считали вообще непригодными для производства глинозема щелочным способом. Практика показала, что щелочной способ спекания может применяться даже для таких руд, в которых выше 40% кремнезема (каолины, глины, золы и другие алюмосиликаты). Хотя с увеличением содержания кремнезема в руде увеличивается удельный грузопоток в переделах, ухудшаются все технико-экономические показатели процесса, и себестоимость глинозема повышается, щелочной способ спекания может оказаться вполне выгодным при использовании отходов, например шлама, в цементной промышленности, и получении побочных продуктов, например соды и поташа. Следовательно, большое достоинство щелочного способа спекания в его пригодности для переработки на глинозем всяких алюмосиликатов, т.е. в его универсальности. В последние годы с большим успехом применяют комбинированные щелочные способы производства глинозема: способ Байера дополняют способом спекания. При удачном сочетании этих способов можно получить глинозем дешевле, чем только по способу Байера. Большой интерес представляет разработанный Пономаревым и Сажиным новый способ, по которому спекание алюмосиликатов заменяется автоклавной варкой щелочных растворов в присутствии извести. Кислотные способы не имеют широкого практического применения в настоящее время, так как у них много недостатков по сравнению с щелочными. Вот основные из них:

·        Необходимость оборудовать завод стойкой к кислотам аппаратурой, которая в несколько раз дороже железной, пригодной для щелочных способов производства глинозема. Это увеличивает удельные капиталовложения и тем удорожает себестоимость глинозема.

·        Оборот кислоты, если возможен, то обычно требует дополнительных установок. Затраты на это большие, чем в щелочных способах на возврат щелочи.

·        Сложность очистки растворов от примесей, особенно от железа и титана.

·        Трудности в получении глинозема надлежащего дисперсного состава.

Однако руды с 40-50% кремнезема перерабатывать кислотными способами не труднее, а иногда легче, чем, например, железистые бокситы с 10-205 SiO2. При щелочных же способах спекания, чем больше кремнезема в руде, тем больше нужно известняка на его связывание.

Вполне возможны крупные усовершенствования известных кислотных способов, а также изыскания новых. При выщелачивании глинозема из алюмосиликатов с помощью кислот можно получать рассеянные в них многие редкие металлы. Вот почему этими способами занимаются усиленно во всем мире.

В последнее время разрабатывали кислотно-щелочные способы производства глинозема. Суть их состоит в том, что кремниевые руды сначала обрабатывают кислотами, получая глинозем с примесями окисей железа, титана и др. Такой глинозем, своего рода концентрат, идет на переработку щелочным способом. Термические способы, для которых обычно используются электропечи, основаны на восстановительной плавке с выдачей из печи более или менее богатого кремнием ферросплава и шлака, из которого глинозем извлекается щелочными способами. Промышленное применение этого способа мыслимо лишь при обилии дешевой электроэнергии.

1.2 Боксит

Боксит получил свое название от французского города Бо (Baux), где впервые был обнаружен в 1821 г. Основные составляющие бокситов - гидраргиллит (гиббсит), бемит и диаспор. Кроме того, они содержат минералы железа (гематит, иногда пирит, гидрогематит, лимонит, сидерит), кремнезем в виде кварца, гидроокисей (опал и др.) и коллоидальных водных аллюмосиликатов (каолинит, галлуазит и др.), двуокись титана в виде геля, анатаза, рутила и в составе сфена, перовскита и ильменита. В меньших количествах бокситы содержат карбонаты кальция и магния, а также примеси окислов хрома, ванадя, фосфора, галлия и других элементов. Несмотря на очень низкое содержание галлия в боксите (от 0,01 до 0,0001%), маточные растворы в производстве глинозема и некоторые отходы электролитического рафинирования алюминия являются основным источником сырья для получения галлия и его соединений. Различают бокситы: гидраргиллитовые, гидраргиллит-бемитовые, бемит-диаспоровые и диаспоровые. В месторождениях чисто диаспоровых бокситов обычно имеется и корунд. Тип боксита определяется возрастом породы. Самыми древними считаются диаспоровые бокситы, наиболее молодыми - гидраргиллитовые, все остальные занимают промежуточное положение между бокситами чисто гидраргиллитового и диаспорового типов.

Внешний вид бокситов разнообразен. Чаще всего - это красные, довольно твердые пористые породы. Нередко встречаются бокситы белые, желтые, темно-зеленые и других цветов. Красные цвет указывает на большое содержание окиси железа; при маленьком содержании ее, цвет бокситов серый или белый.

Химический состав бокситов колеблется в широких пределах, как по содержанию Al2O3, так и по содержанию примесей и гидратной воды. Чем больше в бокситах Al2O3 и выше кремневое отношение, тем они лучшего качества. В бокситах высоких сортов содержится 50% и больше Al2O3, при кремневом отношении не менее 10.

1.3 Производство глинозема по способу Байера

глинозем боксит коагулянт шлам

Возможны, конечно, разные варианты ее, сообразно составу боксита и местным условиям. Поступающий на склад боксит после крупного и среднего дробления смешивают с небольшим количеством извести (если боксит диаспоровый) и направляют в мельницу мокрого размола вместе с оборотным раствором по расчету. Мельницы работают обычно в замкнутом цикле с реечными или спиральными классификаторами, которые в последнее время заменяют или дополняют гидроциклонами. Пульпа собирается в сборниках, нагревается паром до 100 С и выдерживается там несколько часов при непрерывной циркуляции, чтобы возможно большую часть кремнезема в бокситах (аморфного или в составе глины) действием щелочи и алюмината обратить в нерастворимый алюмосиликат. В результате этого трубки подогревателей, через которые проходит пульпа на пути из сборников в автоклавы, меньше зарастают алюмосиликатами.

Рис. 1. Технологическая схема производства глинозема по способу Байера

При непрерывном выщелачивании пульпа нагнетается поршневым насосом через подогреватели в головной из 7-8 автоклавов, соединенных последовательно. Из последнего автоклава батареи пульпа перетекает в пароотделитель, где от самоиспарения образуется пар, используемый для предварительного нагревания пульпы в подогревателях. Из пароотделителя пульпа стекает в мешалки для разбавления промывной водой. В системе противоточных уплотнителей и промывателей, которые на современных заводах обычно делают многоярусными, красный шлам отделяется и отмывается от алюминатного раствора. Сгущенный промытый красный шлам перекачивают в отвал (шламовое поле), а промывная вода из первого промывателя, в которой много Na2O и Al2O3, служит для разбавления автоклавной пульпы. Слив из уплотнителей проходит через фильтры для полного отделения взвеси красного шлама, охлаждается до ~70 С в теплообменниках и поступает на выкручивание в декомпозеры периодического или непрерывного действия. На выкручивание направляют также затравочный гидрат в количестве, зависящем от содержания Al2O3 в растворе, составляет ~1,4-1,8. Выкручивание длится 70-100 часов по заданной температурной кривой охлаждения. Затем гидратную пульпу сгущают, отделяют маточный раствор и гидроокись алюминия после классификации по крупности или без нее делят на две части: одну часть (крупная фракция в случае применения классификации) тщательно отмывают от щелочи и подают на кальцинацию, другая же часть (около 75% всего гидрата) служит затравкой. В некоторых случаях затравочную гидроокись также предварительно промывают, но не так тщательно, как для выдачи готового гидрата. Маточный раствор и воду от промывки гидрата направляют на выпарку в вакуумные многокорпусные аппараты, где концентрация Na2Ok повышается приблизительно до 300 г./л. Так как растворимость соды уменьшается с повышением содержания каустической щелочи в растворе, то часть соды выпадает в виде одноводной по мере выпаривания маточного раствора. При установившемся процессе, выпаркой выделяется столько же соды, сколько накапливается за весь процесс. Этим предотвращается накопление соды в растворе, и концентрация ее поддерживается в определенных пределах. Для уменьшения удельного расхода свежей каустической щелочи отделенную от оборотного раствора соду растворяют в воде для каустификации известковым молоком. Получающийся при этом разбавленный раствор каустической щелочи упаривают вместе с маточным раствором, или же в отдельных выпарных аппаратах. К упаренному маточному раствору добавляют свежую едкую щелочь для возмещения химических и механических потерь ее, и направляют в мельницы со свежим бокситом. Готовый гидрат обезвоживается и прокаливается при температуре около 1200 С во вращающихся барабанных печах, топочные газы которых тщательно очищаются от глинозема

1.4 Технология промывки и сгущения красного шлама

После выщелачивания бемитовых и диаспоровых бокситов автоклавную пульпу (Na₂O_К ≥ 280 г./л, б_к= 1,6-1,7 и ж:т = 10:1) необходимо разделить на алюминатный раствор и твердую фазу - красный шлам (то, что не растворилось при выщелачивании + ГАСН). Процесс осуществляется за счет сгущения (отстаивания) красного шлама в непрерывно действующих аппаратах - сгустителях. Отделение алюминатного раствора от твердой фазы шламовой пульпы включает следующие технологические операции:

) отделение алюминатного раствора от основной массы твердой фазы разбавленной пульпы в сгустителях в целях дальнейшего выделения гидроксида алюминия из раствора и удаления красного шлама в отвал;

) контрольная фильтрация слива алюминатного раствора для удаления из раствора увлеченных частиц твердой фазы шламовой пульпы в целях получения чистого раствора с требуемым содержанием грамм-твердого в литре - ≤0,01;

) промывка твердой фазы шламовой пульпы в системе промывателей в целях наиболее полного отделения алюминатного раствора от твердой фазы шламовой пульпы, для минимизации потери алюминатного раствора (Na₂O и Al₂O₃).

При непрерывном сгущении пульпу в сгустителе по высоте можно условно разделить на следующие зоны: верхняя зона (1) - осветленный раствор, непрерывно удаляется из аппарата; зона свободного осаждения частиц (2), где происходит осаждение твердой фазы шламовой пульпы под действием силы тяжести; промежуточная зона (3); зона уплотнения или сжатия (4), где под действием вышележащих слоев происходит вытеснение алюминатного раствора из твердой фазы шламовой пульпы; зона действия гребков (5) - зона уплотненной твердой фазы шламовой пульпы, которая непрерывно выводится из аппарата.

Рис. 2. Зоны сгущения красного шлама

На процесс осаждения твердой фазы шламовой пульпы влияют следующие основные факторы:

) крупность частиц твердой фазы шламовой пульпы (d);

) минералогический состав боксита (плотность частичек минералов (с_ч));

) вязкость алюминатного раствора (концентрация и температура);

) наличие и свойства флокулянтов и коагулянтов;

) соотношение жидкой и твердой фаз.

1.5 Действие флокулянтов и коагулянтов

Важными процессами, протекающими при сгущении, являются коагуляция и флокуляция. В алюминатном растворе частицы шлама имеют одноименный электрический заряд и поэтому взаимно отталкиваются (за счет действия кулоновских сил), что препятствует их слиянию и образованию более крупных хлопьев. При сгущении отдельные частицы шлама, заряженные одноименными зарядами, благодаря наличию двойного электрического слоя, под влиянием добавок - коагулянтов теряют заряд, становятся электронейтральными, и при этом резко уменьшается толщина гидратной пленки на поверхности частиц. Между частицами появляются силы сцепления, и в результате образуются хлопья.

При флокуляции происходит нарушение устойчивости взвеси вследствие адсорбции органических гетерополярных веществ на поверхности частиц. В этом случае создаются предпосылки для проявления сил сцепления между углеводородными частями закрепившихся на поверхности молекул или ионов флокулянта, возникают условия для образования агрегатов.

В производственных условиях для ускорения процесса отстаивания используют различные добавки. На отечественных заводах широко используется ржаная мука, на зарубежных заводах - крахмал. Применяются различные синтетические флокулянты - седипур, полиакриламид, алклар и др. Дозировка флокулянта изменяется при снижении или увеличении потока по красному шламу.

Преимущество синтетических флокулянтов определяется скоростью осаждения шлама: увеличение почти в 3-10 раз по сравнению с использованием ржаной муки. Кроме того, процесс приготовления, дозирования и контроля полностью автоматизирован. Расход данных флокулянтов на порядок меньше по сравнению с расходом муки.

Использование различных флокулянтов и коагулянтов существенно увеличивает производительность сгустителей и соответственно производительность участка сгущения и промывки красного шлама. Принцип работы схемы непрерывного сгущения и противоточной промывки красного шлама. Полученная разбавленная пульпа насосами подается в питающие коробки сгустителей (2), из которых поступает в питающие стаканы. Осветленный алюминатный раствор (слив) поступает в бак-сборник нефильтрованного раствора, откуда центробежными насосами подается на контрольную фильтрацию для отделения взвешенных частиц твердой фазы шламовой пульпы.

Содержание твердых частиц шламовой пульпы в осветленном алюминатном растворе должно быть не более 0,1 г-тв/л. Контрольная фильтрация алюминатного раствора осуществляется на фильтрах типа ЛВАЖ, МВЖ и «Диастар», работающих под давлением. В качестве фильтрующего слоя на фильтрах применяется трехкальциевый гидроалюминат.

Отфильтрованный алюминатный раствор поступает в баки фильтрата и далее насосами откачивается на участки декомпозиции для разложения, пройдя предварительное охлаждение в вакуум-охладительных установках.

Сгущенный красный шлам содержит до 30% и более алюминатного раствора и перед сбросом на шламовое поле его необходимо отмыть от щелочного раствора, который возвращают в технологический процесс.

Промывка твердой фазы шламовой пульпы осуществляется по 4- и 5-кратной схеме по принципу противотока: шламовая пульпа при движении обрабатывается все более слабой промывной водой, а перед последним промывателем - свежей горячей водой.

Рис. 3. Принципиальная схема непрерывной противоточной декантации для промывки красного шлама (n-кратная)

Шламовая пульпа из конуса сгустителя 2 поступает в репульпатор 3′, где смешивается с промводой от промывки и откачивается в промыватель I. Слив промывателя I насосами подается на разбавление вареной пульпы в агитатор разбавления. Шламовая пульпа промывателя I поступает в репульпатор 3′′, где смешивается со сливом промывателя III, и насосами подается в промыватель II. Слив промывателя II поступает в репульпатор 3′, а твердая фаза шламовой пульпы - в репульпатор 3′′′, куда подается слив промывателя IV, и так далее в зависимости от количества промывателей.

Из репульпатора 3′′′ шламовая пульпа подается на промыватель III, откуда поступает в последующий репульпатор (3′′′′). Сюда же подается слив промывателей III+2.

В последний репульпатор 3ⁿ подается горячая вода с t = 90-95°С из автоклавного отделения.

Отмытый красный шлам разбавляется до необходимого отношения ж:т=3-10:1 и системой гидротранспорта перекачивается на шламовое поле.

Для промывки твердой фазы шламовой пульпы используется вода из системы водооборота, подшламовая вода, вводимые после баром-конденсаторов. В отдельных случаях может использоваться промышленная вода.

При промывке красного шлама потери Al₂O₃ в виде Al(OH)₃ неизбежны. Для снижения потерь, предотвращения частичного разложения алюминатного раствора и улучшения процесса осаждения во всей системе сгустителей должна поддерживаться температура не менее 100-102°С.

Пульпа красного шлама, представляющая остатки бокситов после выщелачивания, имеет состав твердой фазы, %: Al₂O₃ 12-13; Fe₂O₃ 45-50; SiO₂ 6-11: 700-900 г.-тв/л. Состав жидкой фазы, г/л: Na₂O 3-5; Al₂O₃ 2-3.

Жидкая фаза шламовой пульпы собирается в центрах шламовых карт и возвращается в производство по системе гидротранспорта.

Расход воды, затрачиваемой на промывку красного шлама, составляет 7-8 м³ на одну тонну глинозема. Важным показателем отмывки красного шлама от щелочного алюминатного раствора является «произведение по отвальному шламу» (Na₂О_K г/л · ж:т). На УАЗе этот показатель зависит от применения коагулирующих или флокулирующих добавок и составляет 6-12.

При отсутствии возврата подшламовой воды «произведение по отвальному шламу» не должно превышать 4,5; при возврате воды в производство оно может быть увеличено до 16.

1.6 Теоретические основы сгущения

Процесс сгущения состоит из свободного осаждения частиц красного шлама под действием силы тяжести и дальнейшего уплотнения шлама. При этом важно получить слив алюминатного раствора с минимальным содержанием твердой фазы, а шлам с наименьшим содержанием жидкости. На процесс осаждения шлама влияет: крупность частиц шлама, минералогический состав боксита, вязкость алюминатного раствора (концентрация и температура), ввод и свойства коагулянтов, флокулянтов. Основная масса красного шлама (более 70%) представлена частицами крупностью от 1,0 до 10 мкм. При малом весе и величине, близкой к коллоидным мицеллам, частицы шлама очень медленно осаждаются под действием силы тяжести. Однако они способны к агрегации, в результате которой собираются в хлопья и после чего быстрее осаждаются в щелоче-алюминатном растворе. Поскольку шлам полидисперсен, его частицы осаждаются с разной скоростью. Крупные частицы падают быстрее мелких и чаще сталкиваются с мелкими. При наличии крупных частиц в шламе хлопья образуются лучше и скорость отстаивания шлама выше. Отдельные частицы красного шлама в алюминатном растворе обладают положительным зарядом. Отталкивание одноименно заряженных частиц шлама обуславливает плохое отстаивание и уплотнение шлама. Положительно заряженные частицы постепенно разряжаются гидроксильными ионами, которые теряя свой заряд, освобождают кислород, остающийся в виде тонкой пленки на поверхности частиц, препятствующей дальнейшему отстаиванию и уплотнению шлама. Под влиянием добавок коагулянтов и флокулянтов частицы шлама теряют свой заряд и становятся электронейтральными. Низкомолекулярные неорганические или органические электролиты, приводящие к агрегации частиц, называют коагулянтами (ржаная мука, ячневая мука, крахмал, торфяная вытяжка, лигнин). К флокулянтам относятся неорганические или органические высокомолекулярные соединения, имеющие молекулярный вес до 20 миллионов г/моль (полимеры, сополимеры). Отделение алюминатного раствора от красного шлама осуществляется сгущением (отстаиванием) в непрерывно действующих аппаратах - сгустителях.

Рис. 4. Одноярусный сгуститель с центральным приводом

Рис. 5. Одноярусный сгуститель

Рис. 6. Многоярусный сгуститель

При постепенном осаждении массы шлама в сгустителе образуется несколько зон:

) зона осветленного раствора, так называемый слив, очищенный от частиц красного шлама и непрерывно удаляемый из аппарата;

) зона сгущения, где происходит осаждение шлама под действием силы тяжести;

) зона уплотнения, где под действием вышележащих слоев происходит вытеснение алюминатного раствора из шлама;

) зона уплотненного шлама, который непрерывно выводится из аппарата.

Для предотвращения гидролиза алюмината натрия и улучшения процесса осаждения во всей системе сгустителей должна поддерживаться температура не менее 100-102 єС.

Сведения о производстве

Ямайские бокситы, перерабатываемые на заводах РУСАЛа Kirkvine и Ewarton, имеют низкое содержание извлекаемого глинозема и особенности минерального состава, негативно влияющие на работу передела промывки и сгущения, что, несмотря на низкое содержание реактивного кремнезема, приводит к механическим потерям каустической щелочи в несколько раз выше, чем на аналогичных переделах других предприятий. Шлам ямайских бокситов сложно подвергается сгущению по сравнению с другими бокситами, в основном из-за присущего сырью более мелкому гранулометрическому составу и большей игольчатости твердого содержания алюмогетитового шлама по сравнению с гематитом.

Передел «Промывка красного шлама» является узким местом производства, работа передела характеризуется значительными эксплуатационными затратами, в том числе имеются значительные потери по щелочи, теряемой с отвальным красным шламом, высокий расход флокулянта.

Целью данной работы является поиск и разработка мероприятий, направленных на стабилизацию работы передела «Сгущение и промывка красного шлама», снижение потерь каустика и расхода флокулянтов, повышения производительности передела.

Сгущение и промывка красного шлама осуществляется в конусных сгустителях с диаметром 30,4 метра, высотой 4,0 м и высотой конусной части 2,0 м. (классический дизайн).

Рис. 7. Сгуститель - промыватель (классический дизайн)

На переделе «Сгущение красного шлама» находятся 7 сгустителей (5 из которых в работе). Слив сгустителей направляется самотеком в 3 бака мутного слива, откуда центробежными насосами подается на фильтры - прессы участка «Фильтрация алюминатного раствора».

Промывка красного шлама осуществляется в 9 ступней промывки, из которых 8 и 9 работают по технологии глубокого сгущения «Dorr - Oliver».

В рядах с 1 по 7 находятся 3 аппарата с «классическим» дизайном. 8 и 9 ряд имеет по 2 аппарата, работающих по технологии глубокого сгущения «Dorr - Oliver» с содержанием твердого из под конуса 35%.

Питание промывателей осуществляется через распределительную коробку, куда центробежными насосами подаются шлам из под конуса промывателя предыдущего ряда и пром. вода последующего ряда с отдельного бака, в который происходит слив всех промывателей ряда. На каждой линии установлен расходомер. На каждом промывателе имеется бойпас для проведения ремонтных работ и чистки оборудования.

Питание промывателей осуществляется вручную, путем регулирования задвижки, расположенной на линии с распределительной коробки.

Дозировка флокулянта осуществляется в одну точку, питающий стакан.

Шлам с последнего промывателя откачивается на шламовое поле.

Подшламовая вода, возвращаемая со шламового поля, подается на 9 ступень промывки.

После 7-го ряда промывки пульпа подается на узел удаления песков, где происходит разгрузка песковой части, размером более 6 мм. Данный узел позволяет облегчить работу узла «глубокого» сгущения и траспортировки красного шлама на шламовое поле.

Удаление песков осуществляется на гидроциклонах. Гидроциклон останавливают на чистку раз в неделю на 4 часа. На это время поток шлама обводится и направляется напрямую на 8 ряд промывки. Разгрузка гидроциклонов происходит периодически и осуществляется на спиральный классификатор, на который подается вода для отмывки песков.

Отмытые пески складируются в отвал, расположенный рядом и вывозятся автотранспортом на шламовое поле.

Необходимо отметить, что после рестарта Ewarton Windalco Неукомплектованность КИПиА online-измерения уровня и плотности шлама сгустителей и промывателей привела к отсутствию инструментов контроля и управления процессом (контроль и управление ведутся по косвенным признакам), что привело к снижению % твердого в разгрузке сгустителей - промывателей на 2,0 - 2,5% по сравнении с периодом 2005-2008 гг.

Увеличение поступления алюминатного раствора в систему промывки и увеличение % твердого в разгрузке промывателей 1 - 7 ряда привело к повышению концентрации щелочи в отвальном красном шламе, перекачивающемся на шламовое поле и снижению

 возврата щелочи и глинозема в процесс.

В настоящее время, Ewarton Windalco реализует программу, которая является на сегодняшний день приоритетной по восстановлению инструментов контроля на переделе «Сгущение и промывка красного шлама»:

Приобретены сифоны для замера уровня осветленной зоны в сгустителях, промывателях;

Восстанавливается КИПиА.

Технологическая схема процесса

Рис. 8. Схема процесса, выполненная в Visio 2003

2. Расчет материального баланса промывки

Расчет материального баланса промывки красного шлама произведен на основании статистических данных и расчетов, предоставленных заводом, путем моделирования в формате Excell.

2.1    Влияние количества первой промводы на разбавление вареной пульпы

На заводе Ewarton существует практика дробной подачи первой промводы на разбавление - одна часть ее подается в вареную пульпу, вторая часть после фильтрации на пресс-фильтрах смешивается с отфильтрованным сливом сгустителей. Поэтому расчетом проверено влияние доли промводы, подаваемой непосредственно на разбавление вареной пульпы на показатели промывки красного шлама.

Результаты расчетов приведены в табл. 1.1 - 1.3.

Таблица 1.1. Показатели промывки красного шлама без разбавления вареной пульпы первой промводой

Таблица 1.2. Показатели промывки красного шлама при разбавлении вареной пульпы половиной потока первой промводы

Таблица 1.3. Показатели промывки красного шлама при разбавлении вареной пульпы всем потоком первой промводы

Как видно из таблиц, увеличение доли промводы, поступающей на разбавление вареной пульпы, позволяет несколько увеличить ввод воды на промывку шлама и уменьшить концентрацию соды в жидкой фазе хвостового промывателя. При этом увеличивается поток пульпы питания сгустителей, но уменьшается содержание твердого в ней. К сожалению, статистические данные по количеству промводы на разбавление вареной пульпы не предоставлены заводом, поэтому проверить влияние этого фактора на практические показатели сгущения и промывки красного шлама невозможно. Рекомендуется провести соответствующие промышленные испытания.

2.2    Влияние содержания твердого в сгущенных шламах

На заводе Ewarton содержание твердого в шламах отстойников (нижнем сливе) определяется в пробах, отбираемых после инжекции, т.е. после ввода части соответствующей промывающей воды. Это затрудняет анализ работы оборудования и передела в целом, а также заставляет производить расчеты с некоторыми допущениями, что вносит известные искажения.

В табл. 1.4 - 1.9 приведены результаты расчетов влияния содержания твердого в шламе сгустителей и первых промывателей на показатели промывки красного шлама. Увеличение этого фактора желательно на всех ступенях промывки, но оно особенно важно на сгущении и 1-й промывке, где концентрация жидкой фазы высока.

Таблица 1.4. Показатели ПКШ при существующем содержании твердого

Таблица 1.5. Показатели ПКШ при содержании твердого в шламе сгустителей 16,7%

Таблица 1.6. Показатели ПКШ при содержании твердого в шламе сгустителей 20,0%

Таблица 1.7. Показатели ПКШ при содержании твердого в шламе сгустителей 25,0%

Таблица 1.8. Показатели ПКШ при содержании твердого в шламе сгустителей 25,0% и шламе 1-го промывателя 20,0%

Таблица 1.9. Показатели ПКШ при содержании твердого в шламе сгустителей 25,0% и шламе 1-го промывателя 25,0%

На рисунках 9 - 12 показаны расчетные показатели промывки красного шлама от содержания твердого в шламах сгустителей и первых промывателей.

Рис. 9. Зависимость концентрации соды в жидкой фазе шлама хвостового промывателя от содержания твердого в шламе сгустителей

Рис. 10. Зависимость ввода воды на промывку от содержания твердого в шламе сгустителей

Рис. 11. Зависимость концентрации соды в жидкой фазе шлама хвостового промывателя от содержания твердого в шламе промывателя 1

Рис. 12. Зависимость ввода воды на промывку от содержания твердого в шламе промывателя 1

Как видно из приведенных данных, увеличение содержания твердого в шламах сгустителей и первых промывателей до 20% может понизить концентрацию соды в жидкой фазе хвостовых промывателей ~ на 3 г/л, до 25% - на 6 г/л, что уменьшит потери растворимой соды на 6 и 12 кг/т, соответственно (см раздел 3.1.2).

Рис. 13. Изменение содержания твердого в шламах сгустителей и первых промывателей в 2005-2008 г. и 2010-2011 г.

Как видно из рисунка 13, содержание твердого в шламах имеет тенденцию к понижению, особенно после пуска в 2010 году.

Повысить% твердого в шламах можно путем установки гидроциклонов на питании отстойников. Пески гидроциклонов передаются на следующую ступень переработки, минуя отстойник. Расчеты показывают, что при выводе 30% твердого, поступающего в сгуститель, в пески гидроциклонов с содержанием твердого в них 40-50%, суммарный% твердого (нижний слив сгустителя + пески гидроциклонов) составит 18-20%.

При этом уменьшается нагрузка сгустителя по твердому и время пребывания шлама в сгустителе, что может уменьшить и потери глинозема.

Рекомендуется провести такие промышленные испытания небольшого гидроциклона (~ 250 мм диаметром) на части потока питания сгустителя. При получении положительных результатов спроектировать и смонтировать полномасштабную схему.

Завод Ewarton работает с «холодной» промывкой красного шлама. Температура промывающей воды, поступающей в хвостовые промыватели, согласно материальному балансу, предоставленному заводом, примерно 38 єС. За счет горячей шламовой пульпы сгустителей температура постепенно повышается до 85 єС в первых промывателях.

«Холодный» режим промывки ухудшает условия осаждения и увеличивает потери полезных компонентов. Рекомендуется рассмотреть возможности подогрева промывающей воды (Gross Wash), например, за счет конденсата, сбрасываемого на рельеф.

Проведение лабораторных исследований осаждения красного шлама на промывке будет произведено на этапе №2 работы.

Расчетным путем проверена возможность улучшения работы промывки за счет вывода (с помощью гидроциклона) части шлама из пульпы питания сгустителей в отвал с предварительной промывкой, по опыту известных предприятий. Результаты расчетов приведены в табл. 1.10 - 1.12.

Таблица 1.10. Показатели промывки при выводе 10% шлама

Таблица 1.11. Показатели промывки при выводе 20% шлама

Таблица 1.12. Показатели промывки при выводе 30% шлама

Как видно, вывод шлама в отвал в виде песков гидроциклона снижает нагрузку по твердому на промыватели и концентрацию жидкой фазы отвального шлама, но значительно уменьшает ввод промывающей воды (возврат из прудка-отстойника), что нежелательно.

3.      Синтез модели по архивным данным и её оптимизация

.1 Создание модели процесса по данным с производства

Proficy Continuous Wizard

Proficy Continuous Wizard - это интерфейсное приложение программы Proficy Continuous Troubleshooter, позволяющее работать с данными из широкого ряда источников исторических данных, быстро создавать модели процессов, либо нелинейные, либо основанные на системе правил, и проводить с помощью этих моделей извлечение знаний, оценку выгод, симулирование корректирующих действий и их внедрение в реальный процесс.

Возможности

·        Легко и быстро выявлять проблемы непрерывных процессов;

·        Выполнять индивидуально настраиваемые операции подготовки, получения, комбинирования и фильтрации данных о непрерывных процессах

·        Быстро определять особые и общие причины отклонений ключевых производственных показателей (KPI) с помощью встроенных механизмов визуализации данных, статистического анализа и моделирования, а также с помощью анализа на основе полученных моделей

·        Выяснять возможность экономии при корректировании непрерывного процесса и осуществимость этого решения

·        Использовать возможность автоматического размещения в режиме реального времени решений для приложений с непрерывными процессами

·        Интегрировать программное обеспечение по улучшению технологических процессов с существующими системами HMI, MES и ERP

Загрузка производственных данных в программу

Данные с историей процесса находятся в отдельном файле Excel. На каждом листе находятся данные по одному отдельному аппарату. Для того, чтобы импортировать данные в программу, сперва их нужно привести в «понятный» программе формат, так как обычный.xls файл не воспринимается ей, нужно, с помощью программы Microsoft Office Excel, перевести файл в формат.csv или.txt, после чего можно перейти для работы непосредственно в Continuous Wizard. Чтобы импортировать.csv или.txt файлы, нужно нажать на кнопку Import Dataset -> Source Block, как показано на рисунке 15, в открывшемся окне выбираем значок с именем Text File, после чего, в открывшемся окне указываем путь к нужному файлу, как только файл загрузится можно будет редактировать параметры его дальнейшей загрузки в программу. После того, как были загружены все данные с производства, в главном окне программы оказались выставлены 5 пакетов данных, олицетворяющих 5 сгустителей соответственно. Так как в имеющихся архивных данных имеются «плохие» значения, следует отфильтровать блоки с помощью команды Filter Dataset -> Empty Values, которая удалит из блока все пустые значения.

Визуализация и моделирование

После загрузки архивных данных можно сразу приступить к моделированию, однако, чтобы модель получилась качественной и соответствующей процессу, нужно избавиться от «плохих» данных, которые могут испортить модель. Чтобы просмотреть все данные используется кнопка Visualization в левой части окна программы, в появившемся окне можно просмотреть графики и гистограммы всех загруженных параметров. В окне графика можно отметить участки, которые будут не учитываться для построения модели, для этого используется кнопка Add a region на панели инструментов. Так же в окне просмотра гистограмм можно установить дополнительные диапазоны, для ограничения модели, благодаря чему можно узнать, как она поведет себя в тех или иных условиях.

Так как нужно оптимизировать входные параметры, а именно, расход флокулянта и его разбавление, уменьшаем диапазон разброса этих параметров, это позволит при уменьшенных затратах на материал оставить производительность на прежнем уровне.

Проведя все нужные операции, приступаем к построению модели, чтобы открыть нужное окно, нажимаем на кнопку Modeling в левой части программы. В появившемся диалоговом окне указываем, какие параметры на входе и какие на выходе, после чего запускаем процесс моделирования. Продолжительность процесса напрямую зависит от количества и качества предложенных данных, и чем эти показатели выше, тем больше модель будет соответствовать процессу.

Извлечение знаний и оценка выгоды

После построения модели у нас имеется возможность проверить её реакцию на изменения различных входных параметров, а так же сравнить саму модель с данными, по которым она построена, для этого нужно нажать на кнопку Knowledge Extraction в левой части программы. В открывшемся окне в верхней левой его части показаны графики архивных данных (красный) и модели (синий) для их сравнения между собой, в нижней левой части имеются ползунки со входными данными, двигая которые, можно увидеть их влияние на выход. В правой части этого окна указаны зависимости выхода от различных входов модели.

Также после построения модели, у нас есть возможность оптимизировать её, для чего нужно нажать на кнопку Benefit Estimation в левой части окна программы, в открывшемся окне можно установить требуемые параметры оптимизации, такие как уставка выходного параметра, входные управляющие сигналы.

В данном конкретном случае, уставка выходного сигнала (O_F_Clarity) была установлена на 100 м³/ч, а входными управляющими сигналами были выбраны Synfloc_Ave (Разбавление флокулянта) и Injection_Ave (Расход разбавленного флокулянта). После обработки всех данных открылось окно с двумя гистограммами и графиком, на которых были представлены результаты «до» и «после» оптимизации.

Построение нечеткого регулятора и синтез модели.

Следующие возможности, которые дает нам Continuous Wizard, это возможность построить нечеткий регулятор и возможность экспорта модели с этим регулятором или без него. Чтобы открыть окно построения регулятора, надо нажать на кнопку Knowledge Fusion в левой части окна программы. В открывшемся окне нужно будет указать регулирующие и регулируемые параметры, для которых будут автоматически подобраны диапазоны, затем, в открывшемся окне появится возможность прописывать правила для нечеткого регулятора.

Так как, для оптимизации данного процесса используется ПИ-регулятор, строить регулятор нечеткой логики не было потребности.

Для того чтобы экспортировать полученную модель в Proficy Architect, нужно открыть окно Action Deployment, в котором содержится график модели до и после оптимизации и сохранены все предыдущие манипуляции с моделью, и нажать кнопку Export Blueprint. Дальнейшие манипуляции с моделью будут проводиться в программе Proficy Architect.

3.2 Оптимизация модели

Proficy Architect.

Программная среда Architect позволяет разрабатывать модели процесса и управлять ими в режиме симуляции или напрямую контролировать процесс. Она содержит дружественный интерфейс и простые в использовании блоки, которые применяются для построения и управления моделью или процессом.

Импорт модели из Continuous Wizard в Architect

Чтобы продолжить работу с моделью, требуется её импортировать в среду Architect, для этого выполняем команду File -> Open, и в открывшемся окне выбираем модель, предварительно сохраненную в формате.mgd. На рисунке 29 показана модель, загруженная из Continuous Wizard без каких-либо изменений, именно в таком виде с ней предстоит работать в дальнейшем.

Синтез ПИ-регулятора и организация обратной связи через OPC

OPC DA

В рамках данной работы для организации обратной связи был использован стандарт OPC DA, поэтому логичным будет рассмотреть принципы функционирования этого стандарта более детально. На данный момент последней версией спецификации OPC DA является версия 3.0, однако наиболее распространенной остается версия 2.05a.

Центральным понятием стандарта OPC Data Access является элемент данных. Один элемент данных служит для представления текущего значения какого-либо из параметров технологического процесса или вспомогательной величины. Каждый элемент данных имеет тип. Кроме значения, каждый элемент данных обязательно имеет метку качества и времени. Качество определяет достоверность текущего значения элемента данных и может принимать значения Good (хорошее), Bad (плохое) или Non-Specific (не определено). Метка времени показывает момент, когда значение элемента данных или его качество изменялось в последний раз.

С каждым элементом данных, имеющим числовой тип, могут быть связаны ещё две величины: верхний и нижний предел изменения. В отличие от качества и метки времени, эти величины не являются обязательными.

Каждый элемент данных имеет уникальный в пределах сервера строковый идентификатор - имя элемента. Совокупность имён всех элементов данных составляет адресное пространство сервера. Адресное пространство может быть плоским и иерархическим.

Доступ к данным ОРС DА-клиент осуществляет через специальные объекты, называемые группами. Клиент может создавать неограниченное количество групп и добавлять в каждую из них неограниченное количество элементов данных. Один и тот же элемент данных может быть добавлен в несколько групп одновременно и несколько раз в одну группу.

После добавления элемента в группу клиент может считать его текущее значение, а также значения идентификатора качества и метки времени. Считывание может проводиться в одном из следующих режимов:

Синхронный режим - происходит отправка запроса и ожидание ответа от сервера. На время ожидания функции клиента блокируются;

Асинхронный режим - в отличиe от синхронного чтения приостановка функций клиента не происходит, и он может продолжать работу. После обработки запроса сервер посылает уведомление клиенту о возможности получения данных;

Режим подписки - клиент формирует список элементов, состояние которых должно отслеживаться сервером. При обнаружении изменения сервер уведомляет клиента через интерфейс обратного вызова. При этом также предусматривается наличие зоны нeчувствительности, которая позволяет игнорировать шум данных, не учитываю его в качестве изменения;

Режим обновления данных - клиент вызывает одновременное чтение всех элементов данных, помеченных как «активные», игнорируя «пассивные» элементы. Такое деление уменьшает загрузку процессора обновлением данных, принимаемых из физического устройства.

Согласно специфике OPC DA каждая группа обладает рядом параметров:

Имя группы - уникальный идентификатор группы, который может использоваться клиентом при поиске созданных групп и т.п.

Признак активности - отображает статус группы элементов. Неактивная группа не производит отправку клиенту уведомлений об изменениях значений элементов данных;

Частота обновления - задает интервал между отправками уведомлений об изменении значений клиенту;

Временной сдвиг - смещение времени относительно универсального времени;

Величина шума - диапазон, в пределах которого изменения игнорируются. Задаётся в процентах от характерного интервала изменения величины;

Региональные стандарты - учет региональных настроек при формировании группой сообщений, меток времени и т.п.

Значения данных параметров устанавливаются клиентом при создании группы и впоследствии могут быть изменены.

Ограничение частоты обновления в режиме подписки позволяет избежать частых вызовов функций интерфейса клиента. Кроме того, изменение значений параметров может происходить произвольно в любой момент времени. Таким образом, вызов функций, требующих отправки пакетов данных по сети и переключения между процессами, с каждым изменением какого-либо параметра оказывал бы негативное влияние на быстродействие системы. Ограничение частоты обновления позволяет уменьшить накладные расходы, так как все изменившиеся за период значения отправляются единым пакетом.

Исходя из этого, стоит отметить, что режим подписки является эффективным механизмом получения данных, так как, во-первых, позволяет работать только с реально изменившимися данными, а во-вторых, передача этих данных осуществляется единым блоком. В случае работы в синхронном или асинхронном режиме клиент вынужден запрашивать все интересующие его элемeнты, так как информация об изменении данных отсутствует. Следовательно, в ситуации, когда существует большое количество параметров, значения которых меняются редко разница в загрузке процессора и сети в режимах синхронного / асинхронного чтения и подписки может быть значительной.

В качестве необязательных возможностей сервера стандарт ОРС DA предусматривает поддержку так называемых публичных групп. Любая группа может быть объявлена публичной. После этого клиент не возможно изменение её параметров, а также добавление или удаление элементы данных. Публичная группа, в отличие от обычной, доступна не только создавшему ее клиенту, но и прочим клиентам сервера. При работе с OPC DA рекомендуется использование периодического чтения данных из устройства и их буферизации. СОМ-объекты групп при получении запросов могут вернуть клиенту значения из буфера или обратиться к подпрограмме связи с устройством, инициируя внеочередной запрос. В последнем случае клиент гарантированно получит последние значения элементов данных. Подпрограмма связи с устройством должна запрашивать только активные значения, которые добавлены хотя бы в одну активную группу. Это уменьшает загрузку сети, позволяя избежать ненужных запросов. При выборе источника данных СОМ-объект группы руководствуется следующими правилами:

При синхронном чтении клиент может явно указать источник данных. Если в качестве источника указан буфер, а элементы данных запроса являются неактивными, сервер устанавливает параметр качества элементов как Bad;

При асинхронном чтении источником данных всегда служит устройство;

При работе по подписке внеочередные запросы устройству не посылаются, вместо этого при поиске изменившихся значений используется информация из буфера.

Таким образом, OPCDA-клиент получает широкий набор возможностей по доступу к текущим значениям параметров процесса. Клиент создаёт необходимое число групп, в которые собирает интересующие его элементы данных, и получает значения в режиме подписки. Элементы, для которых скорость изменения критична, могут быть помещены в группу с высоким параметром частоты обновления. Прочие параметры также группируются определенным образом. При необходимости получить достоверную информацию о текущих значениях параметров клиент может сделать внеочередной синхронный или асинхронный запрос. Сложные клиенты, состоящие из нескольких независимых потребителей данных, могут создавать отдельные группы для каждого потребителя, динамически управляя активностью этих групп в зависимости от состояния потребителей.

Обратная связь через OPC

Для того чтобы организовать обратную связь через ОРС будет использоваться KepServerEx, соответственно, чтобы следить и, при потребности, изменять значения параметров, которые будут подаваться в обратную связь. Для данной работы был специально создан дополнительный кана, устройство (Device1) и группа тегов (Group1), в которые будут отправляться данные из регулятора на вход модели. Так же имеется возможность наблюдать за изменением параметров в реальном времени и, при необходимости, изменять их с помощью OPC Quick Client.

Синтез ПИ-регулятора

При создании регуляторов существенен не только их нормальный режим работы, но и другие функциональные режимы, такие, как переключение между ручным и автоматическим управлением. Разработчики ПЦУ-пакетов реализуют свои алгоритмы различными способами, и в частности, в зависимости от того, как они решают эти вопросы.

Регулятор с интегрирующим звеном - это, вообще говоря, неустойчивая система. Его потенциальная неустойчивость при определенных обстоятельствах может привести к серьезным неприятностям. «Залипание» или насыщение интегратора может произойти, если выход достиг верхней границы, а регулятор продолжает интегрировать ошибку. В этом случае сигнал на выходе интегратора может принять очень большое значение и потребуется много времени, чтобы вернуть его в нормальное положение. Такая проблема не возникает, если использовать дифференциальный алгоритм, так как при постоянном выходе интегрирование автоматически прекращается. Если все же необходим интегральный алгоритм, то следует проявлять определенную осторожность. Один из возможных способов - это отключить интегратор при насыщении выхода. Другой способ состоит в использовании условного интегрирования, в котором интегральная часть регулятора задействована при условии, что ошибка достаточно мала. В данной работе, чтобы избавиться от этой проблемы, применяется условное интегрирование.

Так как в Architect’е не предусмотрен блок регулятора, будет использоваться блок, воспринимающий язык MatLab, с помощью которого, будет писаться ПИ-регулятор. Регулируемыми параметрами являются разбавление флокулянта, которое зависит от расхода питающей суспензии, и расход разбавленного флокулянта, который зависит от содержания твердой фазы в верхнем сливе.

Интеграция регулятора и запуск модели

Для того чтобы подключить регуляторы, рекомендуется использовать суперблок, так как в этом случае появится возможность редактировать имена сигналов, что позволит избежать их конфликтов в дальнейшем. Для того, чтобы была возможность пользоваться полученными зависимостями в других программах, все данные, проходящие через процесс будут записаны в текстовый файл, для чего был добавлен блок TextSink. OPC связь в модели предоставляют блоки OPCClientSink и OPCClientSource.

Так как обратная связь осуществлена через ОРС, запустить модель получится только в режиме реального времени, из-за чего проведение всей симуляции займет продолжительное время, после окончания которого в окне графиков будут видны зависимости всех предварительно отмеченных входов и выходов модели.

Модель после установки регулятора стала более устойчивой к возмущениям, чем модель, построенная по архивным данным с производства.

Заключение

В данной выпускной квалификационной работе основе архивных данных по сгустителю с завода РУСАЛ’а Ewarton была создана математическая модель автоматизированного передела сгущения красного шлама, также с помощью пакета программ GE Proficy Intelligent Continuous Wizard модель была оптимизирована с целью, улучшить качественные показатели процесса и, как следствие, уменьшить себестоимость продукта.

Библиографический список

глинозем боксит коагулянт шлам

1.   Острём К., Виттенмарк Б. - Системы управления с ЭВМ;

2.       А.И. Лайнер - Производство глинозема. - Москва, 1967;

3.   Технологические расчеты в производстве глинозема: Учебн. пособие для техн. / Л.Б. Самарянова, А.И. Лайнер. - М.: Металлургия, 1981. - 368 с.

.     Швецов Д. Новые технологии работы с данными OPC. - Журнал «Современные технологии автоматизации», 2007, c 67-69;

5.       Шишов О.В. Современные технологии промышленной автоматизации: учебник. - Изд-во Мордов. ун-та, 2007. - 250 с.

6.       Data Access Custom Interface Standard, Version 2.05a - June 18, 2002 - OPC Foundation (http://www.opcfoundation.org).