控制反應器內工藝條件的方法與成套設備的製作方法
2023-11-01 16:50:42
專利名稱：控制反應器內工藝條件的方法與成套設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及在成套設備(plant)的反應器內控制工藝條件，尤其溫度的方法，其中經輸送管線傳送到反應器中的尤其粒狀物料被引入到所述反應器內。本發明還涉及實施該方法的成套設備。
為了控制成套設備的反應器內的溫度以供熱處理所引入的材料，以常規方式使用在反應器內提供的具有溫度傳感器的溫度控制器，其中溫度傳感器測量當前反應器的溫度並將它傳輸給溫度控制器。若所測量的溫度偏離預定的所需溫度值，則溫度控制器影響反應器內的溫度。這或者通過控制供料到成套設備內的材料的質量流(原料進料)，或者通過控制燃料的質量流來進行。
在具有原料進料操縱幹預的這種溫度控制器的情況下，諸如在一直到達反應器的成套設備內部，物料傳輸的波動以及物料溼度和不均勻的溫度行為之類幹擾效果導致動力學和控制變量的顯著削弱。
圖1示出了在供料到反應器內的物料原料的簡單幹擾對反應器溫度的影響。簡單增加物料原料立即導致反應器溫度的顯著下降。隨後溫度控制器最終通過原料進料的略微下降再次補償反應器溫度的這一下降。然而，總體上，需要花費相當長的時間再次校正供料到反應器中的原料內的這一簡單幹擾。
此外，在燃料供料中具有操縱幹預的溫度控制器是已知的。這種形式的控制器在控制質量方面優於控制原料進料的質量流，這可從圖2中看出。在供料到反應器內的物料原料內的相同幹擾由燃料的質量流(燃料原料)的變化補償，並導致反應器溫度再次顯著較快地回到已經假定的所需設定點。
因此，所有這些控制器的缺點是，首先必需在反應器內發現控制偏離(溫度偏離)，然後才可相應地修正能量的輸入，結果校正控制偏離。進一步的缺點是，這種反應器體系的強烈的死時間行為(大質量的磚襯(brick lining)和高的產品投料量)。然而，在一些工藝中，甚至僅僅簡單的溫度波動會導致產品質量的損失。
發明簡述因此，本發明的一個目的是儘可能恆定地控制反應器內的工藝條件，尤其溫度到與該工藝相關的預定的設定點。
在最初提及的控制例如溫度的那類方法中，基本上實現了這一目的，因為在輸送管線內傳送的物料量被測定並用作控制變量和/或控制工藝條件，尤其溫度的幹擾變量。迄今為止，在粒狀材料的情況下，這不是常規的做法，因為在粒狀材料的情況下測定在輸送管線內的物料量非常複雜。然而，藉助下述事實根據本發明，事先測定供料到反應器內，亦即，至反應器的輸送管線內的物料量，並將這一變量直接用作控制變量和/或用於控制的幹擾變量，反應器溫度的可能波動事先變得明顯，並可在因進入反應器內的變化的物料量導致的溫度或其它工藝條件的變化出現之前加以校正。根據本發明，控制反應器內溫度的方法因此通常也完全是在反應器內產生恆定工藝條件的方法，尤其為了保持溫度和/或供料到成套設備的反應器內的物料原料(引入到反應器內的物料供料)恆定。
為此，根據本發明的理念的實踐改進，可控制在輸送管線內的物料量到預定值。在此情況下，物料量是控制器的控制變量。本發明的方法因此確立了引入到具有反應器的成套設備內的物料進料的控制，其中物料尤其在所述反應器內被加熱，該物料經輸送引入或者例如和通過輸送管線直接傳送或者經中間場所傳送至反應器，在輸送管線內的物料量被測定並控制到預定值。結果，引入到反應器內的物料量保持基本上恆定，以便在反應器內，使可能引起溫差的物料量的波動和/或化學計量量的變化不發生或最小化。
可以簡單的方式通過輸送器，尤其通過改變物料進料螺杆的旋轉速度和/或通過在物料進料螺杆上遊的稱量供料器(weighfeeder)(比例稱量帶)控制輸送管線內的物料量，其中通過所述輸送器將物料引入到該成套設備內。對於其中不存在稱量供料器的情況來說，這種控制減少了物料進料螺杆中臨時沉積物的產量下降效果。若存在稱量供料器的話，則也可合適地補償波動的物料溼度導致的產量下降效果。
在根據本發明方法的進一步的實踐改進中，供給反應器的熱量可取決於所測定的物料量。在此情況下，物料量是控制器的幹擾變量。本發明方法因此確立了待加熱的材料引入到其內的反應器的溫度控制，其中連續測定引入的物料量，之後供料到反應器內，和熱量的供應取決於所測定的物料量。可獨立於以上所述的引入到反應器內的物料量或者供料到反應器內的物料的控制，使用該控制變通方案。在此情況下的控制是輔助供熱控制器的幹擾前饋控制(幹擾變量是供料到反應器內的物料質量流的波動)，其中基於這一信息，檢測變化的材料進料本身，這一變化的物料進料變得明顯，並校正提前預測反應器溫度變化所要求的變化的能量。採用這種控制，可保持反應器溫度在非常窄的範圍內恆定，這對產物質量具有非常積極的影響。此外，在相當大程度上保護了反應器的襯裡，因為顯著降低以前的交替應力和具有改進的溫度恆定，從而可預期延長的使用期限。
根據本發明，兩種前述控制方法的變通方案也可彼此結合作為溫度和物料進料的控制。在此情況下，物料進料控制器尤其連接到溫度控制器的上遊。通過這種初步控制，可大大地避免供料到反應器內的物料量的波動。由於物料量的波動總是導致反應器溫度的變化，因此，在上遊連接的這一物料進料控制器有助於輔助溫度控制和進一步降低反應器溫度的控制偏離。在這一意義上，物料進料控制器是產生恆定工藝條件的控制器，其連接在實際的溫度控制器的上遊，和尤其反應器內的溫度也屬於這一工藝條件。
向反應器的熱量供應優選通過在反應器內燃燒燃料而實現，其中控制燃料的質量流用以設定熱量的供應。可以以特別簡單和有效的方式控制燃料質量流的變化(其變化直接影響熱量供應)，以便經燃料質量流校正的熱量供應提供特別快速和直接的控制手段。
根據本發明，在該方法的優選改進中，除了測量供料到反應器內的物料的物料量以外，還測量反應器溫度，熱量供應於是另外取決於所測定的反應器溫度，所述反應器溫度相應地由溫度控制器確定(takeinto account)。然後除了測量在輸送管線內的物料量以外，還任選地進行這一溫度測量。特別地，藉助控制元件由溫度控制器設定的燃料質量流可取決於所供料的物料量和反應器溫度，然後它們以相應的功能塊形式結合，形成總的操縱變量。在此情況下，各類控制器，例如P、PI、PID或這種類似的控制器，可以以功能塊和/或控制元件的形式實現。
由於尤其在燃料質量流的變化過程中熱量供應的變化引起反應器溫度的快速變化，因此，根據本發明制定措施，為的是確定在熱量供應的控制中從物料量的測定，例如在輸送管線內，直至供料到反應器內的時間。尤其當測定物料量時，若物料已經(預)乾燥的話，則由於工藝條件恆定，因此可特別精確地確定直到物料實際上引入到反應器內的較短的死時間。
視需要，優選還測定在物料量的測定和供料到反應器內之間的可能的物料出料，並確定尤其在物料量和/或供熱的控制過程中的物料出料。這種物料出料可能是例如在物料被供料到反應器內之前，物料從其中分流出的反應器旁路，並在反應器內處理的這一物料出料之後，再次將其與反應器內處理的物料混合。當例如測定熱量或燃料要求時，必需減去這種旁路質量流。
當測定物料量時，為了降低尤其由於所引入的原料的殘留溼度導致的幹擾效果，和為了消除在物料傳輸到成套設備期間物料溼度的影響，在測定輸送管線內的物料量之前，可有利地乾燥和/或預熱該物料。特別地，恆定的測量條件佔優勢，以便可精確地估計引入到反應器內的物料對在反應器內佔主導的溫度的影響和通過控制器來確定。
根據本發明測定引入到反應器內的物料的物料量的特別優選的可能性在於，測量在反應器上遊的輸送管線內的壓力和/或壓力損失。這種輸送管線尤其可以是氣力升降器，利用它物料被向上輸送。測量壓力或在氣力升降器的輸送管線的開始和終點之間的壓差使得可精確地推導出被傳送的物料量。根據本發明，已發現，甚至在粒狀材料的情況下，在沒有求助於採用例如放射性材料測量密度的情況下，可非常精確地使用該方法。
可在各類反應器中使用這種控制。根據本發明方法的特定改進，可在例如作為循環流化床的反應器內形成氣體/固體懸浮體。在這些類型的反應器中，對於某些加工，例如焙燒來說，證明特別重要和有利的是，可精確地維持反應器溫度在邊界波動之內。在氧化鋁的焙燒過程中，可使用以上所述的方法例如控制具有循環流化床的反應器的溫度。尤其例如潮溼的水合物，可作為原料引入該成套設備內。
本發明還涉及供料到反應器內的物料的熱處理，尤其進行以上所述方法用的成套設備，該成套設備具有用於傳送粒狀物料到反應器內的輸送管線和至少一種控制器。根據本發明，控制器連接到測量裝置上，該測量裝置用於測定在輸送管線內傳送到達反應器的粒狀，尤其精細粒化的物料的物料量。結果通過成套設備的控制器，可以確定物料傳輸波動和溼度的幹擾變量，以便提前校正工藝條件，尤其反應器溫度和引入到反應器內的物料進料，從而保持所述工藝條件恆定。
根據特別的實施方案，輸送管線是流體壓力輸送管線，尤其氣力升降器的優選垂直排列的上升管線。已發現，與測定在輸送管線內傳送的精細粒化的物料量的常規方法相反，可在沒有大的測量裝置的情況下，精確地測量在流體壓力輸送管線內的含量。
為此，測量裝置優選是壓差測量裝置用以測量輸送管線上的壓差。
在成套設備內根據本發明提供的控制器可以是溫度控制器，物料進料控制器或組合的溫度和物料進料控制器。這提供熱處理供料到反應器內的物料，尤其進行以上所述的方法的成套設備，所述成套設備具有傳送物料到反應器內的輸送管線和反應器溫度控制器和/或物料進料控制器，其特徵在於，測量裝置被連接到溫度控制器和/或物料進料控制器上且打算用於測定傳送到輸送管線內的物料的物料量。
此外，連接到溫度控制器上的溫度傳感器有利地排列在反應器內。
此外，根據本發明，溫度控制器具有控制元件，和視需要，具有一個特徵或一組特徵的功能塊，以便基於所測定的物料量和/或所測量的反應器溫度，控制用於燃燒的燃料質量流。結果，供料到反應器內的用於產熱的燃料量可以以特別快速和簡單的方式適應實際的反應器溫度，基於所測定的反應器溫度的燃料質量流控制器並排連接到基於所測定的物料量的燃料質量流控制器上。
根據本發明，物料進料控制器可連接到控制引入物料至成套設備內的輸送器上，以便可控制在輸送管線內的物料量到預定值。為此，輸送器優選具有物料進料螺杆和/或稱量供料器。
為了預處理引入的物料，可在輸送管線的上遊和/或下遊提供一種或多種乾燥裝置，例如文丘裡乾燥器。
根據以下例舉的實施方案的說明和根據附圖得出本發明的改進、優點和可能的應用。在此情況下，所描述和所圖示的所有特徵本身或者以任何所需的結合形式屬於本發明的主題，與在權利要求中它們的彙編或者它們涉及的內容無關。
附圖簡述在附圖中圖1示出了在供料到反應器內的物料的幹擾過程中通過控制原料進料，反應器的溫度控制器的控制行為；圖2示出了在供料到反應器內的物料的幹擾過程中通過控制燃料原料，反應器的溫度控制器的控制行為；圖3示出了根據第一個實施方案，具有溫度控制器和物料進料控制器的本發明的成套設備；圖4示出了根據第二個實施方案，具有溫度控制器和物料進料控制器的本發明的成套設備；和圖5示出了根據本發明的溫度控制器的簡化的控制體系。
優選實施方案的詳細說明圖3所示的本發明的成套設備具有反應器1，一種具有循環流化床的反應器，其中在所述反應器內通過燃燒燃料加熱所引入的物料。
經物料供料管線2供料到反應器1內的物料，尤其粒狀或精細粒化的固體或水合物或類似物，被通過來自反應器1下方的氣體供料管道3的氣體流動捕獲(catch)並在反應器1內渦流，形成循環流化床。
為了產生在反應器1內發生的工藝所要求的熱量，燃料經燃料供料管線4導引到反應器1內並在此燃燒。
為了控制反應器溫度，提供溫度控制器5，其作為操縱變量或控制元件，具有流動控制器6和流量轉換器7，為的是控制經燃料供料管線4供料到反應器1內的燃料，並進而為了設定反應器1內的溫度。
具有壓差轉換器的壓差傳感器12(其測量在連接到氣力升降器13上的輸送管線14內的壓差)被連接到溫度控制器5上。採用這種輸送管線14，引入到成套設備內的物料被輸送到反應器1內，其中輸送管線14上的壓差是所輸送的物料量的量度。採用溫度控制器5的功能塊11內的合適的控制功能處理通過壓差傳感器12測量的這一壓力值，和操縱變量是流量控制器6的輸出值用以控制燃料供料。結果，燃料供料或者燃料質量流成為所輸送的物料量的函數，尤其成正比例關係的函數。在此情況下，以精確地同步的方式合適地修正燃料供料，且基本上不發生引入到反應器1內的物料進料的波動和反應器1內的溫度波動。
另外，為了測量反應器1內的溫度，在反應器1內提供溫度轉換器連接到其上的溫度傳感器8，其中所述溫度傳感器8被連接到溫度控制器9上。為了視需要通過流量控制器6修正燃料供料，通過功能塊10評價所測量的實際溫度和反應器1內的所需溫度之間的控制偏差，由於在輸送管線14內的物料進料的測量和燃料供料確定的事實，所述控制偏差在正常情況下不是太大。
這一溫度控制器9是任選的，並且根據本發明，不一定需要提供，因為已經在輸送管線14本身內通過壓差測量檢測到變化的物料進料，以便可根據在反應器1內預期的溫度變化來合適地修正燃料供料。結果，可通過溫度傳感器8測量溫度變化之前，使反應器內明顯的溫度變化得到補償。
為了確定溫度傳感器8和壓差傳感器12的控制影響，在求和(summing)單元15內結合功能塊10和11，所述求和單元然後產生用於流量控制器6的操作變量。例如，連接到溫度控制器9上的功能塊10可以是PI控制器，和連接到壓差控制器12上的功能塊11可以是P控制器。然而，其它功能關係和控制器類型也是可能的。
通過溫度控制器5確定引入到反應器內的物料進料和當前的反應器溫度，為的是給用於燃料供料的輔助流量控制器輸出操作變量。於是特別地以溫度流量級聯(cascade)作為氣力升降器13的輸送管線壓力損失的函數方式控制燃料供料，因為輸送管線的壓力損失顯然與其輸送的質量流，尤其固體質量流相關。
在此情況下，溫度控制器5的功能塊11或求和單元15確定下述事實通過氣力升降器13輸送的物料首先導入氣力升降器中的旋風器16內並在此將其與用於傳送所使用的氣體或空氣流分離。在旋風器16內分離的物料進入浸漬罐17內，物料由此進入乾燥器18，尤其文丘裡乾燥器內。乾燥器18的下遊與物料傳送旋風器19相連，在此把要供料到反應器1內的物料與加熱的廢氣流分離。物料從物料傳送旋風器19經物料供料管線2進入反應器1內，在此通過氣體供料管道3捕獲並形成流化床。
在反應器1內熱處理之後，物料和氣體流一起經管線20從反應器1的頂部區域出料到迴路旋風器(return cyclone)21內，在此處理過的物料從氣體流中分離並導入到浸漬罐22內。被導入到浸漬罐22內的物料部分供料回到反應器1內和部分排出到混合罐23內。
在混合罐23中，在反應器1內處理過的物料與未處理的物料一起混合，其中所述未處理物料由空氣提升旋風器16中的浸漬罐17經越過(past)反應器1的網狀旋轉閘門25經旁路管線24導入。在此情況下，通過質量流傳感器(未示出)記錄越過反應器1導入的物料量並通過例如在求和單元15或功能塊10、11內的溫度控制器確定，以便修正燃料的質量流到實際引入到反應器1內的物料量。
為了節能，在迴路旋風器21內與處理過的物料相分離的熾熱反應器廢氣被導入到乾燥器18中用以乾燥和預熱供料到反應器1內的物料。加熱的廢氣從乾燥器18下遊連接的物料傳輸旋風器19導入到進一步的乾燥器26，例如文丘裡乾燥器中，所述進一步的乾燥器26排列在氣力升降器13的上遊。待處理的物料經輸送器27並在充當預熱或乾燥作用的氣流下進入到乾燥器26內，再導入到過濾器28，例如靜電過濾器中，然後從所述過濾器進入氣力升降器13內。
輸送器27具有傳送帶29，傳送帶29將原料供料到物料進料螺杆30中，物料進料螺杆30將待處理的物料引入到乾燥器26內。
通過物料進料控制器31(其具有物料進料控制器37)控制物料進料螺杆30，所述物料進料控制器31還連接到壓差傳感器12上，並通過改變物料進料螺杆30的旋轉速度到恆定值，從而控制在輸送管線14上的壓差。物料進料控制器31是本發明的溫度控制器5的控制器變體。在這一例舉的實施方案中，通過物料進料控制器31和溫度控制器5的結合形成本發明的控制器。然而，在每一情況下，本發明的控制概念還通過物料進料控制器31和溫度控制器5本身來實現，以便根據本發明的每一控制器5、31本身也可在成套設備內實現。
該成套設備的物料進料控制器31輔助截止或最小化可變的物料進料的幹擾變化，所述幹擾變化始於反應器1內的溫度波動或者產生對溫度控制器5的控制需求，並輔助在該成套設備內產生均勻的工藝條件。為此，萬一在輸送管線14內的物料量波動，則通過物料進料控制器37合適地根據讀數調節物料進料螺杆30的傳輸容量。結果在物料進料螺杆30處可獲得充足的物料，提供水平面控制器(levelcontroller)32用以驅動傳送帶29。
圖4所示的成套設備基本上對應於圖3的成套設備。因此相同的成套設備部件提供相同標記且以下不再描述。
與以上所述的成套設備相反，該成套設備的輸送器33，而不是傳送帶29具有稱量供料器34，在所述稱量供料器34上稱量原料並供料到物料進料螺杆30中。在此情況下，物料進料控制器37預定用於稱量供料器34的質量流控制器35的實際信號，以控制進料的質量流。此外，相應的轉換器連接到質量流控制器上。物料進料螺杆30通過水平面控制器36激活。由於存在稱量供料器34，因此，在此情況下，可特別精確地控制物料進料質量流並因此有助於溫度控制器5的高度穩定性。
圖5中再次圖示了溫度控制器5的原理。通過溫度傳感器8的溫度控制器5，測量在反應器出口處的實際溫度，並在功能塊10，例如PI控制器內比較該實際溫度與預定的所需溫度，隨後基於溫度的控制偏差，輸出燃料質量流的操作變量mT。在功能塊11，例如P控制器內，確定在氣力升降器13內的輸送管線14上測量的壓差作為幹擾變量，和與實際物料進料成正比的燃料質量流作為操作變量mP輸出。結果，修正燃料供料，之後可測量溫度的控制偏差。功能塊或控制元件10和11的操作的變量在求和單元15內結合併轉化成總的燃料質量流的操作變量m。
根據本發明確定在輸送管線內測定的到達反應器的物料量，可通過本發明的控制器保持工藝條件和尤其反應器1內的溫度恆定在就工藝而言預定的設定點處。
參考標記列表
權利要求
1.一種控制工藝條件，尤其成套設備的反應器(1)內溫度的方法，其中向所述成套設備內引入尤其粒狀材料並通過輸送管線(14)傳送至反應器(1)，其特徵在於，測定在輸送管線(14)內傳送的物料量並用作控制變量和/或幹擾變量用以控制工藝條件，尤其溫度。
2.權利要求1的方法，其特徵在於，控制在輸送管線(14)內的物料量到預定值。
3.權利要求2的方法，其特徵在於，通過輸送器(27，33)，尤其通過改變物料進料螺杆(30)的旋轉速度和/或物料進料螺杆(30)上遊的稱量供料器(34)控制在輸送管線(14)內的物料量，其中利用所述輸送器(27，33)，將物料引入到該成套設備內。
4.前述任何一項權利要求的方法，其特徵在於，供應到反應器(1)的熱量取決於所測定的物料量。
5.權利要求4的方法，其特徵在於，通過在反應器(1)內燃燒燃料實現供熱，和控制燃料的供料以控制供熱。
6.權利要求4或5的方法，其特徵在於，測量在反應器(1)內的反應器溫度，和供熱還取決於所測定的反應器溫度。
7.權利要求4-6中任何一項的方法，其特徵在於，在控制供熱過程中確定從測定物料量一直到供料到反應器(1)內的時間。
8.前述任何一項權利要求的方法，其特徵在於，視需要，測定在物料量的測量時和供料到反應器(1)內之間例如通過旁路管線(24)的物料出料，並確定尤其在物料量和/或供熱的控制過程中的物料出料。
9.前述任何一項權利要求的方法，其特徵在於，在測定輸送管線(14)內的物料量之前，乾燥和/或預熱物料。
10.前述任何一項權利要求的方法，其特徵在於，通過測量在反應器(1)上遊的輸送管線(14)，尤其氣力升降器(13)內的壓力和/或壓力損失，從而確定供料到反應器(1)內的物料的物料量。
11.前述任何一項權利要求的方法，其特徵在於，氣體/固體懸浮體在反應器(1)內形成為例如循環流化床。
12.一種用於供料到反應器(1)內的物料的熱處理，尤其用於進行權利要求1-11中任何一項的方法的成套設備，其具有傳送粒狀物料到反應器(1)內的輸送管線(14)並具有至少一種控制器(5，31)，其特徵在於，有一個測量裝置(12)，它連接到控制器(5，31)上並打算用於測定在輸送管線(14)內傳送到反應器(1)中的物料的物料量。
13.權利要求12的成套設備，其特徵在於，輸送管線(14)是流體壓力輸送管線，尤其氣力升降器(13)的優選垂直排列的上升管線。
14.權利要求12或13的成套設備，其特徵在於，測量裝置(12)是用於測量輸送管線(14)上壓差的壓差測量裝置。
15.權利要求12-14中任何一項的成套設備，其特徵在於，控制器是溫度控制器(5)和/或物料進料控制器(31)。
16.權利要求15的成套設備，其特徵在於，連接到溫度控制器(5)上的溫度傳感器(8)排列在反應器(1)內。
17.權利要求15或16的成套設備，其特徵在於，基於所測定的物料量和/或所測量的反應器溫度，溫度控制器(5)具有控制元件(6)用以控制導入到反應器(1)以供燃燒的燃料質量流。
18.權利要求15-17中任何一項的成套設備，其特徵在於，有一個輸送器(27，33)，它連接到物料進料控制器(31)上並打算用於控制引入到該成套設備內的物料，以便可將輸送管線(14)內的物料量設定在預定值上。
19.權利要求12-18中任何一項的成套設備，其特徵在於，在輸送管線(14)的上遊和/或下遊有至少一個乾燥裝置(18，26)。
全文摘要
本發明涉及在成套設備的反應器(1)內控制工藝條件，尤其溫度的方法，其中將粒狀材料引入到所述反應器內並經輸送管線(14)傳送到反應器(1)中。為了儘可能保持反應器內工藝條件恆定，測定在輸送管線(14)內傳送的物料量並用作控制變量和/或幹擾變量用以控制工藝條件，尤其溫度。還公開了實施該方法的成套設備。
文檔編號B01J8/24GK1771083SQ200380106875
公開日2006年5月10日 申請日期2003年12月15日 優先權日2002年12月20日
發明者W·賽爾特, T·卡佩斯, M·斯特羅德 申請人:奧託昆普技術公司