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 parametrach 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 Strefa Z2 Część technologiczna Strefa Z1 ( EEx ia IIC lub EEx d IIC ) Czujnik różnicy ciśnienia WENTYLACJA Strefa Z1 ( EEx ia IIC lub EEx d IIC ) Miernik przepływu gazu Zespół filtrów mineralnych Układ zabezpieczeń Bezpieczniki Elektrofiltr Zasilacz kv chłodnica wodna Przekaźniki półprzewodnikowe Zespół transformatorów odbieralnik Retorta KARBOTEST Stanowisko pieca Zespół zaworów elektromagnetycznych WAGA Rejestrator procesu Układ bębna Silnik 0,55kW 140 obr/min Falownik MPI STEROWNIK Panel grzejny 3 sekcyjny Termopary Rd-Pt-Rd Regulator przepływu gazu dla pracy CRI Miernik przepływu gazu Dwutlenek węgla Azot WENTYLACJA Czujnik tlenku węgla Retorta CRI 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 czasie 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,
34 MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA 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 wskazań Wybór pracy Koksowanie węgla Test NSC Algorytm procesu koksowania węgla Wybór normy Algorytm procesu CRI/ CSR TAK Czy koniec testu NSC? NIE Rys. 2. Widok panelu operatorskiego stanowiska KARBOTWIN 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 sekcji temperatura retorty CRI 50 t [min] przepływy gazów V [l/min] 10 5 N2 CO2 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 Zieglera- Nicholsa. 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 (CO 2 ) z prędkością 5 l/min. Czas reakcji koksu z CO 2 trwa 2 godziny. Po tym czasie następuje przełączenie przepływu CO 2 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.
36 MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA 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. 4.1. Koksowanie mieszanek węglowych Wizualizacja procesu koksowania (rys. 6) mieszanek węglowych przedstawia wszystkie najważniejsze parametry procesu: etap procesu, wykonywaną operację, wyświetlanie wartości chwilowych temperatur z sekcji grzewczych, wyświetlenie archiwum wartości za zadany przedział czasowy. 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. 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 odpowiedniej 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.
38 MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA 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