Czytaj - pl - Instytut Technik Innowacyjnych EMAG

dr inż. JERZY MRÓZ
mgr inż. ADAM BROJA
mgr inż. PIOTR DZIERŻAK
Instytut Technik Innowacyjnych EMAG
mgr inż. BARTOSZ MERTAS – IChPW Zabrze
Zintegrowane stanowisko
do koksowania próbek węgla i badania koksu
Projekt współfinansowany przez UNIĘ EUROPEJSKĄ ze środków
Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego
Nr WKP 1/1.4.4/1/2006/12/12/617
W artykule opisano system sterowania i wizualizacji zintegrowanego stanowiska
KARBOTWIN, które zostało zrealizowane przez Śląskie Centrum Zaawansowanych
Technologii. Liderem projektu był Instytut Technik Innowacyjnych EMAG, partnerami: Instytut Chemicznej Przeróbki Węgla, Zakład Izolacji Ogniotrwałych IZO
oraz Politechnika Śląska. Projekt był współfinansowany przez Unię Europejską ze
środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego nr WKP
1/1.4.4/1/2006/12/12/617. Powstałe w wyniku realizacji projektu zintegrowane stanowisko do koksowania i badania parametrów koksu KARBOTWIN służy do koksowania węgli i mieszanek wsadowych w warunkach termicznych, symulujących przemysłowy proces koksowania węgla oraz do wyznaczania wskaźników reakcyjności
koksu wobec CO2 i wytrzymałości poreakcyjnej koksu, charakteryzujących zachowanie się koksu w strefie wysokich temperatur wielkiego pieca. Na podstawie oceny
jakości koksów, otrzymanych w wyniku doświadczalnego koksowania węgli i mieszanek węglowych, możliwe jest prognozowanie parametrów jakościowych koksu
(m.in. CRI/CSR) produkowanego w warunkach przemysłowych. Instalacja pozwala
również na ilościową i jakościową ocenę wszystkich produktów koksowania. Eliminuje również konieczność prowadzenia kosztownych testów przemysłowych. Stanowisko składa się z pieca ogrzewanego elektrycznie, retorty karbonizacyjnej oraz
układu oczyszczania gazu. Kontrola przebiegu procesu koksowania prowadzona jest
automatycznie za pomocą sterownika PLC. Wizualizacja procesu oraz archiwizacja
niezbędnych danych została zrealizowana na komputerze PC. Przebieg procesu koksowania próbek węgla na stanowisku odbywa się zgodnie z procedurą własną
IChPW, a test NSC zgodnie z obowiązującymi normami (ISO 18894:2006, ASTM:
D 5342, PN-C-04312:1996).
1. WPROWADZENIE
Do produkcji koksu wielkopiecowego stosowane
są mieszanki węglowe o odpowiedniej jakości, niezbędnej dla uzyskania koksu o oczekiwanych para-
metrach jakościowych. Jako jedne z podstawowych
wskaźników jakościowych koksu stosuje się wskaźniki wytrzymałości mechanicznej Micum, reakcyjności koksu wobec dwutlenku węgla CRI, wytrzymałości poreakcyjnej CSR oraz właściwości chemiczne koksu.
Nr 2(480) LUTY 2011
33
Część technologiczna
Strefa Z2
Czujnik
różnicy
ciśnienia
Zespół filtrów
mineralnych
Elektrofiltr
Strefa Z1 ( EEx ia IIC lub EEx d IIC )
Retorta
KARBOTEST
Bezpieczniki
Stanowisko pieca
Przekaźniki półprzewodnikowe
Zespół transformatorów
Układ bębna
Panel grzejny
3 sekcyjny
MPI
Falownik
WENTYLACJA
STEROWNIK
Termopary
Rd-Pt-Rd
Zespół zaworów
elektromagnetycznych
Regulator
przepływu gazu
dla pracy CRI
Miernik
przepływu gazu
Czujnik
tlenku węgla
Reto rta
CRI
A zot
Układ zabezpieczeń
Silnik 0,55kW
140 obr/min
Rejestrator
procesu
odbieralnik
Zasilacz kV
Miernik
przepływu
gazu
WAGA
ch łodnica wodna
D wutlenek w ęgla
WENTYLACJA
Strefa Z1 ( EEx ia IIC lub EEx d IIC )
Czujnik
tlenku węgla
Rys. 1. Schemat blokowy stanowiska KARBOTWIN
Instalacja KARBOTWIN umożliwia wykonanie
dwóch zadań:
 przeprowadzenie laboratoryjnego procesu koksowania próbek węgla,
 testu jakości koksu uzyskanego w poprzednim zadaniu, czyli wyznaczenie wskaźników CRI i CSR.
Instalacja do przeprowadzenia laboratoryjnego procesu koksowania węgla i mieszanek wsadowych
symuluje przemysłowy proces koksowania węgla,
pozwalając na późniejszą ilościową i jakościową
ocenę wszystkich produktów koksowania, takich jak:
koks, gaz koksowniczy, smoła, benzol, woda amoniakalna. Ciekłe i gazowe produkty koksowania mogą być zbierane, a następnie kierowane do analizy.
Drugim zadaniem zintegrowanego stanowiska (poza wykonaniem procesu koksowania), jest wykonanie
tzw. testu NSC pozwalającego określić jakość uzyskanego koksu. Polega on na wyznaczeniu wskaźników CRI (ang. Coke Reactivity Index) oraz CSR
(ang. Coke Strength after Reaction). W metodzie tej
jakość koksu oceniana jest na podstawie:
 wskaźnika CRI, odzwierciedlającego procentowy
ubytek masy próbki koksu poddanej dwugodzinnemu działaniu dwutlenku węgla w temperaturze
1100°C,
 wskaźnika CSR, określającego uzysk ziaren poniżej 9,5 (10) mm, po mechanicznej obróbce próbki
koksu w bębnie wykonującym 600 obrotów w cza-
sie 30 minut. Wskaźnik CSR odzwierciedla wytrzymałość poreakcyjną koksu.
Wyznaczenie wskaźników CRI i CSR może zostać
przeprowadzone wg jednej z trzech norm:
 norma międzynarodowa: ISO 18894:2006,
 norma amerykańska: ASTM: D 5342:2007,
 norma polska: PN-C-04312:1996.
Na podstawie oceny jakości koksów, otrzymanych
w wyniku doświadczalnego koksowania węgli i mieszanek węglowych, możliwe jest prognozowanie
parametrów jakościowych koksu (m.in. CRI/CSR)
produkowanego w warunkach przemysłowych.
2. OPIS STANOWISKA
Zintegrowane stanowisko do koksowania próbek węgla oraz wyznaczania wskaźników CRI i CSR koksu
zostało wykonane w formie kompaktowej. Daje to możliwość wykonania dwóch zadań za pomocą jednego
urządzenia. Stanowisko składa się z trójstrefowego
pieca z wymiennymi retortami, wyposażonego
w zautomatyzowany dźwig. Przedstawione na rys. 1
stanowisko składa się z następujących elementów:
 urządzenia do koksowania próbek węgla zintegrowanego z urządzeniem do wyznaczania wskaźnika
reakcyjności koksu CRI,
MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA
34
 urządzenia bębnującego do wyznaczania wskaźnika
wytrzymałości poreakcyjnej CSR,
 instalacji oczyszczania gazu w procesie koksowania węgla wraz z pomiarem ilości wydzielanego
gazu,
 wagi elektronicznej sprzężonej ze sterownikiem,
 zestawu sit.
Stanowisko dodatkowo wyposażone jest w oprzyrządowanie do odprowadzania gazów wydzielających
się w trakcie procesu z retort, przenośnika retort oraz
układu monitorowania stężenia tlenku węgla w pobliżu instalacji. Stanowisko można rozszerzyć o analizę składu i pomiaru gazu wydzielanego w procesie
koksowania węgla.
Kontrola przebiegu procesu koksowania prowadzona jest automatycznie za pomocą sterownika
PLC. Wizualizacja procesu oraz archiwizacja danych
została zrealizowana na komputerze. Na stanowisku
dostępny jest również panel operatorski, który pozwala na przełączanie pomiędzy procesami, ustawianie parametrów procesu oraz uproszczoną wizualizację (rys. 2).
Rys. 3. Ekran wyboru procesu na panelu
operatorskim stanowiska KARBOTWIN
Załączenie
Wstępna kontrola wska zań
Wybór pracy
Koksowanie węgla
Test N SC
Wybór normy
Algorytm procesu
koksowani a węgla
Algorytm
procesu CRI/ CSR
TAK
Rys. 2. Widok panelu operatorskiego
stanowiska KARBOTWIN
Czy
koniec
tes tu NSC?
NIE
Koniec procesu
Wydruk raportu
Wyłączenie pieca
3. ALGORYTM DZIAŁANIA
W momencie załączenia stanowiska laboratoryjnego na panelu operatorskim lub w oprogramowaniu
wizualizacyjnym PC-KARBOTWIN, wyświetla się
ekran startowy (rys. 3) z możliwością wyboru procesu: koksowanie węgla lub test NSC.
Po dokonaniu wyboru, rozpoczyna się właściwy
proces. Jego przebieg oraz wszystkie niezbędne informacje dotyczące procesu są na bieżąco wizualizowane i archiwizowane na komputerze wyposażonym w oprogramowanie PC-KARBOTWIN. Algorytm działania zintegrowanego stanowiska do koksowania próbek węgla i badania koksu przedstawiono
na rys. 4.
Rys. 4. Algorytm działania stanowiska
KARBOTWIN
Po zakończeniu pracy, stanowisko laboratoryjne
KARBOTWIN przechodzi w stan czuwania i wyboru
następnego procesu.
3.1. Proces koksowania węgla
Po uruchomieniu procesu koksowania węgla piec
rozgrzewa się do temperatury 800°C. Zastosowano
tutaj regulatory PID przeznaczone do regulacji temperatury, które pracują niezależnie w konfiguracji
prostej. Po osiągnięciu temperatury 800°C piec gotowy jest do rozpoczęcia procesu koksowania węgla.
Nr 2(480) LUTY 2011
35
T [ C]
900
temperatura
retorty CRI
temperatu ra
sekcji
t [min]
50
V [l/min]
N2
przepływy
10
ga zów
CO2
5
t [min]
5 min.
30 -40 min.
10 min.
2h00 min.
5 min.
Rys. 5. Przebieg procesu CRI
Do testu należy wcześniej odpowiednio przygotować mieszankę węglową (4 kg) i ubić ją w retorcie
do odpowiedniego stopnia zagęszczenia. Następnie
retorta jest wkładana do rozgrzanego pieca za pomocą zautomatyzowanego dźwigu. Cykl rozpoczyna się
po włożeniu retorty z wsadem do pieca i naciśnięciu
przycisku START.
Regulacja sekcji grzewczych przełącza się i pracuje
w konfiguracji kaskadowej z temperaturą wiodącą
ustawioną przez operatora. Po osiągnięciu temperatury 950°C następuje jej stabilizacja z dokładnością
±1°C. Proces jest kontynuowany do chwili, w której
prędkość wydzielania gazu spadnie do poniżej
0,5 l/min. Piec zostaje wyłączony. Próbka może być
wyciągnięta dopiero po ochłodzeniu retorty.
Układ sterowania procesem grzania i stabilizacji
został zrealizowany przy użyciu generatora impulsów sterownika PLC. Nastawy regulatorów temperatury określone zostały według zasady ZiegleraNicholsa.
3.2. Proces testu NSC
Przed rozpoczęciem testu należy w programie
PC-KARBOTWIN na komputerze PC wybrać normę,
według której analizowana będzie próbka koksu.
Możliwy jest następujący wybór norm:
 ISO 18894,
 ASTM: D 5342,
 PN-C-04312,
oraz dodatkowo możliwe jest wykonanie pojedynczego testu NSC, bez kontroli warunku powtarzalności wyników.
Po wyborze normy testu NSC i naciśnięciu przycisku START, piec rozgrzewa się do temperatury
900°C. Regulatory, dla których wielkością regulowaną są temperatury na sekcjach grzejnych, zoptymalizowane są do pracy w systemie pojedynczym.
Po osiągnięciu temperatury 900°C, piec jest gotowy do rozpoczęcia testu. Cykl rozpoczyna się
otwarciem zaworu azotu i ustaleniem na regulatorze
przepływu 10 l/min. Po pięciu minutach należy
włożyć retortę do pieca. Po włożeniu retorty i naciśnięciu przycisku START następuje przełączenie
pracy regulatora na pracę kaskadową z temperaturą
wiodącą retorty. Optymalizacja pracy regulatorów
została przeprowadzona bazując na skokowej odpowiedzi układu oraz wyznaczeniu wzmocnienia
krytycznego dla układu znajdującego się na granicy
stabilności.
Po osiągnięciu temperatury 1100°C następuje etap
jej stabilizowania, trwający 10 minut. Przez retortę
przepływa w tym czasie azot. Po tym czasie następuje automatyczne zablokowanie przepływu azotu
przez retortę i przełączenie na przepływ dwutlenku
węgla (CO2) z prędkością 5 l/min. Czas reakcji koksu
z CO2 trwa 2 godziny. Po tym czasie następuje przełączenie przepływu CO2 na azot z prędkością przepływu 10 l/min. Retorta pozostaje w piecu jeszcze
przez 5 minut, po czym należy retortę wyciągnąć
z pieca za pomocą dźwigu i schłodzić do temperatury
50ºC w specjalnie wydzielonym stanowisku.
Po wyjęciu retorty piec chłodzi się do temp 900ºC,
a regulatory przechodzą na pracę w konfiguracji
prostej. Podczas trwania testu nie ma możliwości
wyciągnięcia retorty, dźwig jest automatycznie blokowany na czas testu.
MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA
36
Rys. 6. Ekran procesu koksowania mieszanek węglowych
Rys. 7. Raport z wyniku koksowania
4. PROGRAM WIZUALIZACYJNY
PC-KARBOTWIN
Do wizualizacji oraz archiwizacji danych procesowych, takich jak temperatury sekcji grzewczych,
retorty itp. służy stanowisko wyposażone w rejestrator z oprogramowaniem PC-KARBOTWIN. Oprogramowanie to dodatkowo umożliwia tworzenie,
zapisywanie i drukowanie raportów zawierających
wyniki badań (wyznaczone wskaźniki CRI, CSR)
dla testowanych próbek.
 etap procesu,
 wykonywaną operację,
 wyświetlanie wartości chwilowych temperatur
z sekcji grzewczych,
 wyświetlenie archiwum wartości za zadany przedział czasowy.
4.1. Koksowanie mieszanek węglowych
Program umożliwia sporządzanie, drukowanie
oraz archiwizowanie raportów (rys. 7) wraz z najistotniejszymi danymi dotyczącymi przeprowadzonego testu, jak np.: wynik uzysku koksu, data badania, zleceniodawca, osoba wykonująca badanie
itp.
Wizualizacja procesu koksowania (rys. 6) mieszanek węglowych przedstawia wszystkie najważniejsze parametry procesu:
Ponadto, istnieje również możliwość przeglądania
i drukowania archiwalnych raportów oraz innych
danych procesowych np. temperatur.
Nr 2(480) LUTY 2011
37
Rys. 8. Ekran rozpoczynający badanie NSC
Rys. 9. Wizualizacja przebiegu procesu badania NSC
4.2. Wyznaczanie wskaźników CRI i CSR koksu
Wyznaczanie wskaźników CRI / CSR koksu, zaczyna się od wybrania normy, wg której ma być
przeprowadzone badanie. W zależności od wybranej normy, badanie danej próbki koksu może się
składać z jednego do czterech testów. Poszczególne badania jak i pojedyncze testy są automatycznie
numerowane, tak że operator może pozostawić
dane badanie niedokończone i naprzemiennie wykonywać kilka badań.
Program wskazuje, które badania nie zostały jeszcze dokończone i które można dokończyć. Można
wybrać też zupełnie nowe badanie.
O zakończeniu danego badania decyduje oprogramowanie stanowiska, zgodnie z kryteriami zawartymi w normie, wg której badanie jest przeprowadzane.
Zakończenie badań następuje po wykonaniu odpo-
wiedniej ilości testów i zapisaniu raportu z wynikami
końcowymi badania do pliku.
Program pozwala także wykonać pojedynczy test NSC,
co upraszcza analizę różnego rodzaju próbek koksu,
szczególnie po wykonaniu koksowania specjalnych mieszanek węglowych na stanowisku KARBOTWIN.
Na ekranie rozpoczynającym test NSC (rys. 8)
można dokonać wyboru normy, wg której przeprowadzane będzie nowe badanie lub kontynuować badanie, które nie zostało jeszcze dokończone. Ekran
wizualizujący proces testu NSC (rys. 9) pozwala na
śledzenie przebiegu grzania pieca oraz wyświetla
aktualne dane procesowe, np. temperatury i wartości
przepływu gazów.
Stworzenie, wydruk i archiwizacja raportu z badania danej próbki koksu jest możliwe po przeprowadzeniu wszystkich testów w ramach jednego
badania.
MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA
38
Rys. 10. Ekran raportu testu
CRI/CSR
Możliwy jest wydruk raportu standardowego z ostatecznym wynikiem CRI i CSR, jak również raportu
rozszerzonego, zawierającego ostateczny wynik CRI
i CSR badania oraz wyniki CRI i CSR z wszystkich
testów przeprowadzonych w ramach tego badania.
Dodatkowo zdarzenia takie jak alarmy, ostrzeżenia
i awarie są rejestrowane przez sterownik i dokumentowane w archiwum. Przyjęto, że archiwizacja danych dotyczących temperatury sekcji i retorty jest
tworzona w cyklu minutowym.
5. PODSUMOWANIE
Podstawowym celem projektu było opracowanie
zintegrowanego stanowiska KARBOTWIN jako kompaktowego urządzenia łączącego w sobie możliwość
wykonania dwóch procesów: koksowania mieszanek
węglowych planowanych do produkcji koksu wielkopiecowego oraz badania wskaźników jakościowych
koksu. Połączenie tych procesów w jednym, niewielkim i w pełni zautomatyzowanym stanowisku laboratoryjnym pozwala na ograniczenie kosztownych wielkopiecowych testów przemysłowych.
Procedura prowadzenia procesu koksowania została opracowana w Instytucie Chemicznej Przeróbki
Węgla w Zabrzu. Sekcje grzewcze oraz prototyp
stanowiska wykonał Zakład Izolacji Ogniotrwałych
IZO, natomiast sterowanie i wizualizację wykonał
Instytut Technik Innowacyjnych EMAG.
W projekcie wykonana została także analiza statystyczna otrzymanych wyników. Wykazały one jednoznacznie, że przyjęte założenia były poprawne
Rys. 11. Widok stanowiska
KARBOTWIN
i procedura prowadzenia procesu koksowania jest
zgodna z produkcją koksowania przemysłowego.
Baterie koksownicze charakteryzuje duża liczba
różnych parametrów, których złożoność i wzajemna
korelacja powoduje, że produkcja koksu nie zależy
tylko i wyłącznie od użytej mieszanki węglowej.
Stabilizacja parametrów oraz ich powtarzalność
w procesie koksowniczym jest niezwykle ważna dla
metalurgów, dlatego wymagana jest analiza porównawcza i dobranie odpowiednich parametrów procesu koksowania na stanowisku doświadczalnym
KARBOTWIN z procesem realizowanym w bateriach koksowniczych.
Analiza wyników badań z produktów koksowania
zrealizowanych na stanowisku KARBOTWIN pozwala na uzyskanie pełnej informacji o jakości badanych próbek węglowych przez laboratoria pracujące na rzecz koksowni czy hut.
Recenzent: dr inż. Zdzisław Krzystanek