炭素煅烧窑工艺分析与控制系统开发

摘要

炭素阳极是铝电解生产过程中非常重要的电极材料，对电解槽的电流效率有决定性的意义。炭素阳极的生产过程包括煅烧、成型、焙烧、组装。煅烧工艺就是把石油焦原料煅烧成具有一定机械强度和理化指标的煅后石油焦，简称煅后焦。煅后焦是炭阳极生产的主要原料，煅后焦的质量决定着阳极块的质量，煅后焦的质量改善与煅烧窑的控制水平密不可分。作为龙头工序的煅烧工艺在铝电解用炭阳极制品的生产系统中起着关键的作用。
　　 目前，国内外通用的煅烧工艺大致有以下四种：回转窑、罐式煅烧炉、回转床、电煅炉。其中，回转窑最为广泛，目前世界上大约85％的煅后焦是用回转窑生产的。
　　 以贵铝炭素厂3＃、4#回转煅烧窑工艺为背景，对无燃回转煅烧窑过程控制技术进行研究。在详细分析工艺过程、特征以及存在的过程控制技术难点的基础上，确定了三个研究内容，即煅前喂料量的控制，冷却窑出料温度的控制和回转窑煅烧工艺全过程计算机集成控制。
　　 应用数字滤波技术对喂料流量的瞬时值进行平滑处理，解决了过程值的波动对控制系统的影响；应用自适应控制技术对送料带速进行控制，降低带速变化对控制系统的影响；把实际喂料流量与喂料设定量的偏差以及偏差变化率引入控制系统，应用模糊控制技术，实现对喂料圆盘转速的控制。降低了喂料量的波动，提高了煅烧窑煅前喂料的定量控制效果，大大减少了喂料量急剧变化烧垮煅烧窑腔体耐火料或工艺指标失控等状况的发生，为后续研究工作的开展打下了良好的基础。
　　 应用数学建模，建立了冷却窑冷却过程的数学模型，应用温度、流量串级控制框架解决冷却窑出料温度的自动控制。由于该过程存在非常严重的时间滞后，使得常规的控制手段无法实现(也称不可控)，针对这个问题，结合工艺分析的数据，把预测控制、补偿控制糅合到串级控制系统中。控制程序采用Visual C++开发，通过OPC SERVER实现控制程序与DCS数据库的数据通信。通过实际实验，先调试内环(内喷水流量控制)，然后调试中环(冷却窑排汽温度控制+进入冷却温度的补偿控制)，最后调试外环的预测控制。经过实际调试，得到了一系列的数据和曲线，取得了较好的控制效果。
　　 针对工艺系统和控制系统构成的特点，采用DCS集散控制系统作为主架构，同时糅入了PLC可编程序控制系统，应用第三方通信软件实现二者的数据交换。通过异构系统的建立，实现了回转煅烧窑工艺全过程的计算机集成监视控制。

目录

文摘

英文文摘

第1章 引言

1.1 研究背景及问题的提出

1.1.1 研究背景

1.1.2 问题的提出

1.2 项目的技术背景及国内外发展水平

1.2.1 项目的技术背景

1.2.2 炭素生产的国外发展状况

1.2.3 炭素生产的国内发展状况

1.2.4 美卓公司控制系统

1.3 存在的问题及国内外研究现状

1.3.1 存在的问题

1.3.2 国内外研究现状

1.4 本文的研究内容

1.5 本文使用的研究理论、方法

1.6 本文的结构

第2章 回转窑工艺分析

2.1 石油焦与石油焦煅烧

2.2 回转窑煅烧工艺

2.3 回转窑工艺分析

2.3.1 工艺指标

2.3.2 工艺分析

2.3.3 煅烧模式

2.3.4 热量平衡分析

2.3.5 风压分析

2.3.6 生产过程

2.5 本章小结

第3章 煅前喂料的模糊自适应控制

3.1 煅前喂料控制的意义和现状

3.1.1 煅前喂料控制的意义

3.1.2 煅前喂料控制的现状

3.2 煅前喂料控制的解决思路

3.3 煅前喂料控制系统设计

3.3.1 数字滤波程序设计

3.3.2 控制器设计

3.4 应用结果分析

3.5 本章小结

第4章 冷却窑出料温度控制开发

4.1 冷却窑热交换分析

4.2 温度控制现状及问题

4.2.1 温度控制现状

4.2.2 温度控制存在的问题

4.3 控制方案分析

4.4 控制系统开发

4.4.1 冷却窑数学模型建立

4.4.2 前置补偿控制

4.4.3 串级预测控制

4.5 控制系统调试

4.5.1 控制系统的通信建立

4.5.2 实验与调试

4.6 控制效果分析

4.7 本章小结

第5章 回转窑计算机集成控制系统开发

5.1 回转窑工艺控制现状分析

5.2 存在的问题

5.3 解决问题的思路

5.4 采取的措施

5.4.1 系统硬/软件配置

5.4.2 异构系统的数据通信

5.4.3 厂级用户的数据共享与限制

5.5 实现的功能

5.5.1 系统的全集成计算机控制

5.5.2 基于QuickBuilder异构通信技术的应用

5.5.3 基于操作安全需求的数据库分区技术的应用

5.6 本章小结

第6章 结论

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的论文

攻读学位期间取得的科技成果

附录