Внедрение измерительной системы «сепаратор – аккумулятор оптический пылемер» в условиях действующего металлургического производства

Применение измерительного комплекса «оптический пылемер – сепаратор аккумулятор» позволило определить эмпирические зависимости изменения концентрации серной кислоты, сернистого ангидрида и двуокиси серы на входе в санитарную трубу от температурного и динамического режимов работы отдельных узлов и устройств сернокислотного производства на предприятиях цветной металлургии. Это дает возможность с большой точностью

пельная форма) и двуокиси серы связано зависимостью:

СH SO

 CSO

/(a  в  CSO )

(2)

2 4 2 3

где а = 0,0003; в = 0,1001

Содержание серной кислоты и сернистого ангидрида выражается через зависимость:

прогнозировать концентрацию сернистых выбросов, либо ожидаемый в последующий временной промежуток тепловой и

СH 2SO4

 a  в  Сn

2

SO

(3)

динамический режим работы соответствующих участков производства серной кислоты.

Сложность взаимосвязи содержания сернистых компонентов между собой, приводит к необходимости определения эмпирических зависимостей, связывающих ме-

где а = 0,053; в = 959,31; n = 0,5

Содержание Н2SO4 в зависимости от расхода массы выбросов можно определить из математической зависимости, которую можно выразить в функциональном виде:

жду собой концентрации Н2SO4, SO2 и SO3

СH SO

 f (Q, CSO )

в выбросных потоках, что позволяет оптимизировать работу соответствующих узлов сернокислотного производства, ответст-

2

CSO 

2

4

f (Q)

2

(4)

венных за формирование соответствующих выбросов.

где CSO

 a  Q /(в  Q)

Так, зависимость содержания SO3 и SO2 определяется через их средние по потоку концентрации С.

2

Зависимость содержания отдельных компонентов на входе в санитарную трубу можно записать в виде экспериментальных

СSO3

 CSO2

/(a  в  С

SO2 )

(1)

зависимостей.

Внедрение единого измерительного комплекса, включающего в себя сепаратор-

где а = 0,00002; в = 0,093

Содержание серной кислоты (ка-

аккумулятор и оптический пылемер, сглаживает сигнал оптического пылемера, повышая точность его измерения до 1,5 раз.

Пульсация сигнала, вызванная, при отсутствии сепаратора, полидисперсностью потока и изменяющейся во времени эпюрой концентрации Н2SO4 по диаметру трубопровода, исчезает при формировании в сепараторе монодисперсного по Н2SO4 потока. Вид зависимости уровня выходного сигнала пылемера принимает близкий к линейному вид.

Рис. 1. Изменение сигнала оптического пылемера за промежуток времени t

Предлагается комплекс системы контроля концентрации паров серной кислоты в отходящих газах сернокислотного цеха, позволяющий осуществить оптимизацию ее производства на цинковом предприятии. В информационно-измерительную систему входят оптический пылемер и модифицированный сепаратор аккумулятор двухфазных потоков, размещенные в специализированном помещении на газоходе, на выходе из сернокислотного цеха, входящим в санитарную трубу высотой 120 м. Система связывает многопараметровый динамический процесс производства серной кислоты и улавливание токсичных вредных веществ в единый функциональный комплекс. При этом контролируются параметры на выходе из источника: температура и статическое давление в потоке, расход газа, концентрация вредных веществ (серного и сернистого ангидрида, серной кислоты), температура промывной воды и кислоты на всех участках ее производства, объем кислоты направленной на циркуляцию, токовая нагрузка фильтра, параметры процесса сушки газа.

В качестве характеристики потока излучения, проходящего через двухфазный поток, содержащий капельную фазу серной кислоты была использована оптическая плотность среды Д, равная логарифму отношения потока излучения F0 к ослабленному в результате поглощения и рассеяния потоку F, прошедшему через поток:

Д = lg (5)

Оптическая плотность зависит от набора частот, выражаемых через длину волны, характеризующей исходный поток. Измерения оптической плотности в потоке капельной серной кислоты проводились в соответствии с ГОСТ 4204-77 «Серная кислота. Технические условия». Использование комплексной измерительной системы «сепаратор – оптический пылемер» позволяет получить линейную зависимость Д=f(С), в отличии от явно нелинейной зависимости полидисперсного потока. Оптический пылемер работал с длиной волны λ=530 нм.

Необходимость формирования монодисперсного потока в сечениях установки оптического пылемера связана с его конструктивными и технологическими особенностями, приводящими к снижению эффективности работы измерительноконтрольного устройства при наличии полидисперсных сред. Это связано с закономерностями прохождения сигнала оптического пылемера в потоках содержащих капли серной кислоты различной крупности. Процесс ослабления излучения запыленной газовой средой описывается законом ослабления Ланберта-Бугера-Бера. В качестве независимой переменной вводится массовая концентрация пыли С. В качестве величины определяющей степень ослабления излучения применяется коэффициент ослабления βом, нормированный на единицу массы контролируемого компонента.

ос

 

ом

2

 0 

3k  n( x)

K0 ( X )dx , (м /г) (6)

 С 4 0 X



где

βос коэффициент ослабления, нормированный на единицу объема контролируемого компонента;

ρ плотность вещества (г/м3);

βо объемный коэффициент ослабления [м2/м3];

Х размер одиночной частицы;

φn(x) плотность распределения числа частиц по размерам;

Ko (Х) безразмерный фактор эффективности ослабления частицы размером К;

k = 2π/λ, λ длина волны облучающего света (мкм).

При движении потоков включающих в себя полидисперсную фазу капельной серной кислоты выражение (6) является нестационарной функцией, зависящей от различных факторов. В случае приведения потока к виду монодиcперcной среды выражение (6) значительно упрощается, так как φn(x) = =const, Х не меняется во времени, Х = const и, соответственно, коэффициент βом не зависит, в исследуемом сечении, от изменения параметров газового потока во времени.

Видно, что погрешность измерения оптической плотности при полидисперсном и монодисперсном потоках составляет при концентрации С=30 г/ м3 , соответственно,  26% и  3,5% . Получение достоверного сигнала концентрации паров серной кислоты в газоходе при измерении полидисперсного потока производится с применением измерительной пары, в которую входит сепаратор оптический пылемер, позволяющий производить измерения в стабилизированном монодисперсном потоке. Сепаратор размещается непосредственно в газоходе и в период своей работы формирует струю монодисперсного потоке в общем потоке газов. Таким образом в предложенной измерительной схеме, сепаратор выполняет функцию первичного преобразователя, который преобразует сигнал «неудобный» для дальнейшей обработки, в частности полидисперсный поток, в «удобный» сигнал, то есть в монодисперсный поток. Фокусировка оптической пары пылемера устроена так, что измеряемый телесный угол располагается в центре стабилизированной монодисперсной части потока, поэтому на период измерения обеспечивается достоверная пропорциональная взаимосвязь выходного сигнала, в данном случае оптической плотности, от массовой концентрации паров серной кислоты.

Значительные колебания температуры, в течении времени прохождения технологического процесса производства серной кислоты, приводят к существенным колебаниям концентрации основных компонентов пылегазовых потоков. Причем, взаимная зависимость их концентрации принимает неявный вид. На рисунке 69 показана зависимость концентрации паров серной кислоты от температуры в сушильной башне. На кривой дано возможное распределение зависимости при непрерывном контроле процесса, в случае применения предлагаемой измерительной системы и создания полидисперсного потока. Необходимость внедрения таких систем показывает и характер зависимостей основных сопровождающих компонентов газовых потоков в дымовой трубе: SO2, SO3, H2SO4.

Создание монодисперсного распределения капельной фазы серной кислоты в сепараторе-аккумуляторе связано с особенностями закрученных потоков жидкости и отбором массы через проницаемые внутренние стенки устройства, что позволяет формировать требуемые поля давления и скоростей по вертикальным и продольным сечениям. Градиенты давления и скорости, изменяющиеся по различным законам, в зависимости от типа завихрителя и интенсивности закрутки, создают монодисперсные области движения капель серной кислоты, в зависимости от ее объемной массы.

Рис. 2. Зависимость оптической плотности капельной фазы серной кислоты от ее концентрации: 1 – распределение без применения сепаратора; 2 – доверительный интервал; 3 – распределение с применением сепаратора, коэффициент корреляции r=0,95

В результате применения измерительного комплекса сепаратор оптический пылемер осуществляется непрерывный контроль за выбросами в атмосферу по всем основным компонентам, появляется возможность непосредственно влиять на содержание паров серной кислоты, SO2 и SO3 в отводящих потоках путем изменения параметров процесса производства серной кислоты: температуре и качестве воды при охлаждении, сушке, изменении технологического режима. При этом происходит более полная нейтрализация токсичных компонентов выбросов.

Колебание концентрации SO3, H2SO4 в газовом потоке, проходящем через санитарную трубу, и, соответственно, рост или падение объемов выбросов показывает на изменение рабочих режимов в технологическом процессе производства серной кислоты. Для обеспечения стабильности производственных процессов и гарантии их прохождения в границах допустимого рабочего режима, информация, идущая от измерительного комплекса должна поступать на соответствующий технологический участок или узел. В совокупности с информацией о других технологических параметрах (давлении, температуры и т.д.) сигналы от измерительного устройства могут быть командными принятие решения о изменении режима работы узла или участка, нарушающего режим работы всего сернокислотного производства. Режим и параметры работы сушильно-абсорбционного отделения сернокислотного производства регулируется путем изменения количества и температуры серной кислоты, подаваемой на моногидратный абсорбер, сушильные башни; изменяя температурный режим работы теплообменных аппаратов и оросительных холодильников.

Получение достоверного сигнала концентрации паров серной кислоты в газоходе при измерении полидисперсного потока производится с применением измерительной пары, в которую входит сепаратор-оптический пылемер, позволяющей производить измерения в стабилизированном монодисперсном потоке. Сепаратор размещается непосредственно в газоходе и в период своей работы формирует в рабочей части и непосредственно за собой струю монодисперсного потока в общем потоке газов. Фокусировка оптической пары пылемера устроена так, что измеряемый телесный угол располагается в центре стабилизированной монодисперсной части потока. Таким образом, на период измерения обеспечивается достоверная пропорциональная взаимосвязь уровня отраженного сигнала от массовой концентрации паров серной кислоты. Чистота оптики пылемера обеспечивается непрерывной подачей чистого сжатого воздуха в его внутренний корпус, что предотвращает диффузионное распространение капельной фазы серной кислоты во внутренней части оптического пылемера.

Рис. 3. Зависимость концентрации серной кислоты на входе в санитарную трубу от температуры в сушильной башне

Схема устройства и подключения оптической пары «сепаратор оптический пылемер» показана на рисунке 4.

Рисунок 4. Измерительная схема оптической автоматизированной системы контроля концентрации капельной серной кислоты

1 – напряжение от сети; 2 – трансформатор; 3 – блок стабилизатора по току; 4 – осветитель 24 ГК; 5 – фотоприемник ФД 24 К; 6 – усилитель тока; 7 – преобразователь в аналоговую форму сигнала; 8 – блок дистанционной передачи сигнала; 9 – сигнализация; 10 – самописец; 11 – пульт ЭВМ

Разработанный оптический метод контроля концентрации монодисперсного потока капельной фазы серной кислоты позволяет за счет линеаризации статической характеристики оптического пылемера уменьшить погрешность измерения с 51% до 7%.

Результаты исследований сравнивались с результатами лабораторных анализов, проведенных в аккредитированной лаборатории.

При проведении измерений учитывался коэффициент рассеивания σр и коэффициент ослабления σо, фактор эффективности рассеивания Кρ, размер частицы а = d = 10 мкм, параметр дифракции, зависящий от длины волны и размера частиц, функция распределения частиц по размерам.

ЛИТЕРАТУРА

1. Давыдов Ю.Ф. Контроль процессов производства серной кислоты // Цветные металлы. – 2003. № 11. – С. 92-95.
2. Давыдов Ю.Ф., Горбова Г.М. Оптический линейный преобразователь контроля концентрации серной кислоты // Ползуновский Вестник. – 2010 – № 2. – С. 113-114.
3. Давыдов Ю.Ф., Горбова Г.М. Конструкция оптимистической системы контроля процессов производства серной кислоты // Ползуновский Вестник. – 2010 – № 2. – С. 102-104.