установка автоматического регулирования процессом получения восстановительного газа в плазмохимическом газогенераторе

Формула изобретения

Установка автоматического регулирования процессом получения восстановительного газа в плазмохимическом газогенераторе, включающая камеру с установленными в ней плазмотронами, подключенными к источнику электропитания и источникам плазмообразующего газа и воды через регуляторы и измерители расхода, входные и выходные магистрали подачи газа, фильтры очистки газа, спектрометр и систему регулирования параметрами, отличающаяся тем, что система выполнена из отдельных каналов подачи природного газа, атмосферного воздуха, отходящего газа и воды, каждый из упомянутых каналов включает последовательно соединенные блок управления, регулятор и электронный датчик расхода, а также канала регулятора мощности электропитания, при этом каналы связаны с плазмотроном, а входы блоков управления и выходы электронных датчиков подключены к компьютеру, причем в выходном канале газогенератора установлены датчик температуры и спектрометр, выходы которых связаны с компьютером.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к химико-металлургическим процессам восстановления элементов из различных соединений, а конкретно к системам управления устройствами для образования плазменной восстановительной среды.

В плазменной восстановительной металлургии применяются высокотемпературные системы, специфика которых состоит в том, что основной теплоноситель и в значительной степени восстановитель получены с помощью плазменной техники. Система обеспечивает процесс получения восстановительного газа в плазмохимическом газогенераторе, конструкция которого позволяет всю реакцию образования плазменной восстановительной среды сконцентрировать в ограниченной зоне в непосредственной близости от восстановительного реактора, при этом все реагирующие вещества присутствуют в реакционной зоне одновременно при высокой концентрации тепловой энергии. В зависимости от требуемого способа ведения металлургического процесса выбирают различные схемы управления параметрами, которые определяют энергетические, расходные и экономические показатели.

Известна схема дозирования плазмообразующего газа, в которой газ от компрессора по трубопроводу поступает в измеритель расхода, например электрический ротаметр. Регулирование производится автоматически изменением открытия дроссельного устройства. Контроль ведут по сигнализируемой величине давления, так как значительное изменение ее свидетельствует о серьезных нарушениях процесса. Если величина давления или расхода выходит за установленные пределы, срабатывают автоматические устройства защиты, отключающие электропитание плазмотрона и прекращающие подачу газа от компрессора. При отключении плазмотрона срабатывает звуковая или световая сигнализация. Если используется одноконтурная система автоматического регулирования (CAP), то изменение давления в системе влечет за собой изменение расхода газа. Для более точного дозирования газа на заданном уровне применяют многоконтурную CAP, в которой вспомогательный регулятор предотвращает изменение расхода при изменении давления в системе (Пархоменко В.Д., Цыбулев П.Н., Краснокутский Ю.И. Технология плазмохимических производств, Киев, 1991, стр.77).

Однако данная схема не обеспечивает комплексной диагностики параметров плазмообразующей среды, когда высокотемпературный нагрев сопровождается химическими реакциями. Поэтому параллельно с созданием системы нагрева газов необходимо исследовать их электрические и тепловые характеристики как статические, так и динамические.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату (прототип) принята схема установки для изучения кинетики восстановления в условиях плазменных температур, включающая блок питания постоянного тока, балластные реостаты, дозатор с виброприводом подачи порошка, плазменный генератор, фильтр грубой очистки газов, спектрограф для диагностики плазмы, фильтры тонкой очистки газов, хроматограф, зеркальный гигрометр, кулоновский датчик влажности, потенциометры, манометры, ротаметры газовые и водяные, баллоны с газом. Особенностями установки являлись обеспечение равномерной и контролируемой подачи порошка, строгий контроль расхода газов, фиксация теплофизических и гидродинамических условий в струе с помощью калиброванных смесительных сопел, возможность спектральной диагностики плазмы, для чего была предусмотрена оптическая секция, обеспечение контроля отходящих газов с использованием метода точки росы, непрерывного кулонометрического метода и газовой хроматографии. Степень восстановления определяли из отношения экспериментальной и рассчитанной по стехиометрии реакции восстановления концентрации водяных паров. Температурные и энергетические характеристики определяли калориметрически, путем зондирования термопарами, оптической пирометрией, спектральной диагностикой (Цветков Ю.В., Панфилов С.А. Низкотемпературная плазма в процессах восстановления. М.: Наука, 1980, с.92-94).

Взаимодействие материала и восстановительного газа происходит не всегда оптимальным образом, в результате чего не обеспечивается достаточно высокая степень восстановления, соответственно, при этом возникают ограничения относительно производительности установки, снижается эффективность восстановления материала как в результате химического восстановления, так и термического разложения. Система требует механизма автоматического управления.

В основу изобретения поставлена задача усовершенствования установки автоматического регулирования процессом получения восстановительного газа в плазмохимическом газогенераторе, в которой за счет создания активных составляющих и температуры в плазмохимическом газогенераторе и приведения их путем управляющего воздействия текущих параметров в соответствие заданным параметрам необходимо обеспечить получение высококачественного восстановительного газа, уменьшить энергоемкость металлургического производства, повысить качество выпускаемого продукта, снизить расход дефицитного сырья и уменьшить вредное воздействие металлургической технологии на окружающую среду.

Поставленная задача решается тем, что в установке для автоматического регулирования процессом получения восстановительного газа в плазмохимическом газогенераторе, включающей камеру с установленными в ней плазмотронами, подключенными к источнику электропитания и источникам плазмообразующего газа и воды через регуляторы и измерители расхода, входные и выходные магистрали подачи газа, фильтры очистки газа, спектрометр и систему регулирования параметрами, согласно изобретению, система выполнена из отдельных каналов подачи природного газа, атмосферного воздуха, отходящего газа и воды, каждый из упомянутых каналов включает последовательно соединенные блок управления, регулятор и электронный датчик расхода, а также канал регулятора мощности электропитания, при этом каналы связаны с плазмотроном, а входы блоков управления и выходы электронных датчиков подключены к компьютеру, причем в выходном канале газогенератора установлены датчик температуры и спектрометр, выходы которых связаны с компьютером.

Предлагаемая установка дает возможность производить высококачественный восстановительный газ, в котором в качестве восстановителя применен конвертированный природный газ. В составе продуктов конверсии, начиная с температуры ˜1500 К, присутствуют только восстановительные компоненты СО и Н₂ в смеси с азотом, чем обеспечивается при конверсии углеводородов получение восстановительных газов с минимальным содержанием окислителей, что существенно увеличивает их восстановительную способность. Отходящий из восстановительного реактора газ химически подготавливается в плазмохимическом газогенераторе за счет повышения его восстановительного потенциала, при этом обеспечивается регулируемость химического состава восстановительного газа и его температуры.

В результате комплексного использования указанных отличительных признаков установки оказалось возможным увеличить степень использования газа-восстановителя, а высокие температуры, достигаемые при применении плазмотронов, обеспечивают значительные скорости физико-химических процессов.

На чертеже представлена схема установки автоматического регулирования процессом получения восстановительного газа в плазмохимическом газогенераторе.

Установка включает плазмохимический газогенератор 1, содержащий камеру 2 с входной магистралью 3 отходящего из реактора 4 газа и выходным каналом 5 восстановительного газа. В камере 2 газогенератора 1 установлены, по меньшей мере, два плазмотрона 6, подключенных к источнику питания электроэнергии и к источникам плазмообразующего газа (на чертеже не показано). Установка также снабжена блоками регистрации физических параметров и системой автоматического регулирования и управления процесса.

Система автоматического регулирования и управления включает датчик 7 расхода природного газа с регулятором 8, электрически связанным с блоком 9 управления расходом, датчик 10 расхода атмосферного воздуха с регулятором 11 и блоком 12 управления, датчик 13 расхода отходящего из реактора 4 газа с регулятором 14 и блоком 15 управления, датчик 16 расхода воды с регулятором 17 и блоком 18 управления, измеритель 19 мощности электропитания с регулятором 20 и усилителем 21 мощности. Датчики расхода 7, 10, 13, 16, а также измеритель 19 мощности подключены к компьютеру 22, обратные связи которого связаны с блоками 9, 12, 15, 18 и регулятором 20 мощности электропитания. В выходном канале 5 газогенератора 1 установлен датчик 23 температуры (термопара) и скоростной спектрометр 24, выходные каналы которых связаны с компьютером 22. Перед регулятором 14 расхода отходящего из реактора 4 газа установлен блок 25 подготовки газа, включающий охладитель газа, фильтр тонкой очистки и компрессор (на чертеже не показано).

Первоначально запуск установки осуществляют следующим образом. Включают систему охлаждения плазмотрона 6, подают на вход плазмотрона плазмообразующий газ, например природный газ и атмосферный воздух, и осуществляют его запуск. После выхода плазмотрона на рабочий режим подают в его разрядную камеру воду для конверсии. Спектрометром 24 замеряют состав газа в выходном канале 5 плазмохимического газогенератора 1. Сигнал о составе восстановительного газа с выходного канала спектрометра 24 поступает на компьютер 22, где сравнивается с заданным составом для конкретной технологии. В случае отклонения состава газа от заданного компьютер формирует по определенному алгоритму команды, которые подаются на блоки управления 9, 12, 18 подачи газа, воздуха и воды для корректировки состава восстановительного газа на выходе плазмохимического газогенератора. Непрерывно измеряют температуру восстановительного газа на выходе плазмохимического газогенератора с помощью датчика 23 температуры (термопары), сигнал которого, характеризующий температуру, поступает на компьютер 22, где происходит сравнение с необходимой заданной температурой. В случае отклонения температуры от заданной с компьютера поступает команда на регулятор 20 на увеличение мощности плазмотрона 6 и при необходимости - включение дополнительных плазмотронов.

После выхода установки на режим отходящие газы из реактора 4 (восстановительного или плавильного) после сухой очистки входной магистралью 3 подают на вход плазмохимического газогенератора 1, при этом отбирают часть отходящего газа и подают на блок 25 подготовки, где дополнительно очищают, охлаждают до 30°С, нормализуют давление газа до 4-6 атм и направляют через регулятор 14 расхода на вход плазмотрона 6 с одновременной подачей в плазмотрон природного газа и воды. Датчиком 23 температуры контролируют текущую температуру восстановительного газа на выходе из газогенератора 1. В процессе эксплуатации установки могут изменяться показания любого или нескольких одновременно измерительных участков, поэтому, чтобы не снижалась точность состава газа на выходе газогенератора, осуществляют непрерывное сравнение полученных значений с заданными. Установка обеспечивает автоматическую корректировку данных по температуре и составу восстановительного газа компьютерной программой, алгоритм функционирования которой соответствует разработанному технологическому процессу получения восстановительного газа и его применения.

Благодаря такой схеме установка обеспечивает практически полное автоматическое управление процессом, соблюдение технологии, снижение энергозатрат за счет использования высокопотенциальной тепловой энергии отходящих газов и при этом уменьшает вредное воздействие технологии на окружающую среду.

Внедрение данной установки расширяет возможности управления целевыми процессами в более широком диапазоне температур и составов регулирующих систем.