Автоматическая система стабилизации производства серы из отходящих газов автогенных генераторов Текст научной статьи по специальности «Математика»

УДК 681.5.037.4

К.М. БОТВИНЬЕВ

Норильский индустриальный институт

АВТОМАТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА СТАБИЛИЗАЦИИ ПРОИЗВОДСТВА СЕРЫ ИЗ ОТХОДЯЩИХ ГАЗОВ АВТОГЕННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ

При производстве цветных металлов из сульфидных руд широко используется плавка в печах Ванюкова. При этом происходит выделение газов с высокой концентрацией диоксида серы. С целью уменьшения выбросов диоксида серы в атмосферу используются различные методы утилизации серы, из которых наиболее эффективным является Клаус-процесс. Суть процесса заключается в очистке газа от серы. При оптимальном управлении процессом степень извлечения серы достигает 80 %. Однако существующая система управления позволяет извлечь не более 70 % серы, так как отсутствует адекватная модель процесса.

В статье разрабатывается система автоматического управления, в которой используется нечеткая модель процесса восстановления диоксида серы.

Vanyukov's process of extraction is an autogenous method for sulfide concentrates of non-ferrous metals. Melting is accomplished in a specially designed furnace and is accompanied by generating sulfur dioxide bearing off-gases. Different sulfur removal methods are used to reduce sulfur dioxide emissions into the atmosphere, of which the Claus process is the most significant process of gas desulfurizing. The efficiency of a typical Claus process can achieve as much as 80% of sulfur recovery. However, the existing control system enables achievement of not more than 6070% efficiency due to lack of an adequate process model. The paper presents an automated control system which is based on a fuzzy model of sulfur dioxide recovery.

Технологический цикл очистки диоксида серы может быть подразделен на следующие стадии: восстановление диоксида серы, содержащегося в газе, природным газом в реакторе-генераторе; химические взаимодействия на катализаторе серосодержащих компонентов технологического газа с получением элементарной серы в аппарате Клауса; конденсация серы и высокотемпературный дожиг в печи токсичных составляющих, оставшихся в газовой смеси, с последующим охлаждением газа.

Основным агрегатом, определяющим оптимальное течение реакции Клауса и тем самым увеличивающим степень извлечения серы, является реактор-генератор. В нем происходит основная реакция восстановления серы

SO2+CH4~S; H2S; H2; H2O; CO; CO2; COS. (1)

Между продуктами реакции (1) возможно множество вариантов взаимодействия, вплоть до установления равновесия*:

* Черепанов К.А. Производство металлов за Полярным кругом: Технологическое пособие / К.А.Черепанов, Г.И.Черныш. Норильск: Библиотека «Норильского никеля», 2007. 296 с.

2H2S + SO2 ~ 3S + 2H2O; (2) COS + H2O ~ CO2 + H2S. (3)

Чем выше температура, тем быстрее достигается равновесие смеси. Чтобы природный газ достаточно прореагировал по реакции (1) за время пребывания в реакторе-генераторе, требуется температура не менее 1200 °C. Поскольку реакция (1) не дает необходимого количества тепла, перед восстановлением отходящие газы разбавляют воздухом и техническим кислородом. Это обеспечивает требуемую температуру за счет реакции горения метана

Кв 2,1-

Amax = 2,5 %

X X

X

X

X

X

X Х X—1

X

X

-X-

X

X

1,9-]—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I-

0 2 4 6 8 10 12 14

Номер опыта

Рис. 1. Расчетные (1) и экспериментальные (2) данные Кв

Санкт-Петербург. 2009

2

2

Рис.2. Система регулирования со звеном верхнего уровня (ВУ)

F

о

2

СН4 + О2 ~ Н2; Н20; СО; С02 + Q.

Для характеристики полноты извлечения серы удобно использовать коэффициент восстановления

Es =

[COS + H2S]

SÖ2

При соотношении концентраций [COS + H2S]:[SO2] = 2 равновесие реакции (2) смещается вправо, что приводит к наибольшему извлечению серы в элементную форму в аппарате Клауса. Так как COS может быть превращен в H2S по реакции (3), а последний в серу по реакции (2), расход природного газа для восстановления необходимо поддерживать таким образом, чтобы Кв = 2.

Таким образом, структурная схема реактора-генератора может быть представлена в следующем виде: управляемая переменная -Кв; управляющее воздействие - расход природного газа; возмущающие воздействия -расход диоксида серы и расход кислорода.

Модель объекта представляет собой систему нечеткого вывода типа Сугено нулевого порядка*, в которой каждое из правил имеет постоянный вес, равный единице.

В модели было использовано 64 правила, составленных по следующей форме:

* Леоненков А.В. Нечеткое моделирование в среде MATLAB и fuzzyTECH СПб: БХВ-Петербург, 2005. 736 с.: ил.

Ц: если FSo2 есть АJ и FCн4 есть Вк и FO2 есть С1, то Кв = d1,

где / = 1 + 64; j, к, I = 1 + 4; Л;, Вк, С1 - термы; di - действительные числа.

Рассмотрим пример расчета для входных переменных FSO2 = 11000 м3/ч;

= 8950 м3/ч; Fo2 = 7460 м3/ч. На первом этапе находятся степени истинности для предпосылок каждого правила. На втором этапе находятся активные правила:

П43: если FSO2 есть РМ, и есть РМ, и есть РМ, то Кв = 2,3;

П44: если ^О2 есть РМ, и FCH4 есть РМ, и FO2 есть РВ, то Кв = 3;

Пд7: если FSO2 есть РМ, и FCH4 есть РВ, и Fo2 есть РМ, то Кв = 2,1;

Пд8: если FSO2 есть РМ, и FCH4 есть РВ, и Fo2 есть РВ, то Кв = 1,9;

П59: если FSO2 есть РВ, и FCH4 есть РМ, и FO2 есть РМ, то Кв = 3;

П60: если FSO2 есть РВ, и FCH4 есть РМ, и FO2 есть РВ, то Кв = 6,9;

П63: если FSO2 есть РВ, и FCH4 есть РВ, и Fo2 есть РМ, то Кв = 1,8;

Пб4: если FSO2 есть РВ, и FCH4 есть РВ, и FO2 есть РВ, то Кв = 3,5.

На третьем этапе вычисленные значения истинности для предпосылок применяются к заключениям каждого правила: а43=0,19; а^ = = 0,19; а47 = 0,34; 0148 = 0,64; а59 = 0,19; а60 = 0,19; а63 =0,34; а64=0,42, где а, - степень

154 -

ISSN 0135-3500. Записки Горного института. Т.181

истинности предпосылки. На четвертом этапе вычисляется значение выходной переменной по формуле

К, =

1=1

Ёа г

¡=1

= 2.

На рис.1 приведены расчетные и экспериментальные значения Кв, полученные при различных исходных данных. Ошибка не превышает 5 %.

Адекватная модель реактора-генератора позволяет создать автоматическую систему управления (рис.2). Управляемой перемен-

ной является коэффициент Кв, управляющее воздействие - расход природного газа FCH4.

Принцип работы схемы заключается в следующем. Текущее значение Кв поступает на блок итерации, где сравнивается с заданным значением К0. Если есть отличие, то блок итерации вычисляет задание FCH4 на контур регулирования расхода природного газа. Предварительно задание FCH4 поступает в модель, где вычисляется новое значение Кв, затем оно сравнивается с К0 в блоке сравнения. При наличии отклонений цикл расчета продолжается уже при новом значении FCH4 + ЛFCH4. Расчет заканчивается как только Кв = К0.

Научные руководители: асп. М.Ю.Дерябин, доц. А.И.Писарев

- 155

Санкт-Петербург. 2009