DD206592A1 - Verfahren zur messung und regelung von massenstroemen feinkoerniger materialien - Google Patents

Abstract

DIE ERFINDUNG BETRIFFT EIN VERFAHREN ZUR KONTINUIERLICHEN MESSUNG UND REGELUNG VON MASSENSTROEMEN UND DER DICHTE VON DER DICHTE VON STAUBFOERMIGEN UDN FEINKOERNIGEN FESTEN MATERIALIEN, DIE MITTELS DER PNEUMATISCHEN FOERDERUNG BEI BELIEBIGEN FESTSTOFFKONZENTRATION UND SYSTEMDRUECKEN METALLURGISCHEN EINRICHTUNGEN WIE HOCHOEFEN, KUPOLOEFEN, KUPFERSCHACHTOEFEN, SIEMENS-MARTIN-OEFEN UND METALLBAEDERN ZUM ZWECKE DES BEHEIZENS, FRISCHENS, RAFFINIERENS, LEGIERENS UND AEHNLICHEN METALLURGISCHEN VORGAENGEN ZUGEFUEHRT WERDEN. AUF DER BASIS BEKANNTER, BEREITS ENTWICKELTER MESSVERFAHREN FUER DIE MASSENSTROMBESTIMMUNG WURDEN VERFAHREN ZUR MASSENSTROMREGELUNG FUER DIE PNEUMATISCHE FOERDERUNG BEI BELIEBIGEN FESTSTOFFKONZENTRATIONEN UND SYSTEMDRUECKEN GEFUNDEN. ERFINDUNGSGEMAESS WERDEN MESSGROESSEN ALS REGELGROESSEN BEI DER PNEUMATISCHEN FOERDERUNG UND DOSIERUNG EINGESETZT.

Description

23188 8 3

Titel der Erfindung

Verfahren zur Messung und Regelung von Massenatrömen feinkörniger Materialien

Anwendungagebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Measung und Regelung von Maasenatrömen feinkörniger Materialien, inabesondere von ataubförmigen und feinkörnigen featen Brennstoffen und/oder von Stoffen für metallurgische Prozesse beliebiger Festatoffkonzentrationen und SystemdrUcke, jedoch bevorzugt hoher Feststoffkonzentrationen in dem oder den Förderrohren zu den Windformen des Hochofens, beispielsweise zum teilweisen Ersatz von metallurgischem Koks, zu Kupolöfen, Kupferschachtöfen und ähnlichen metallurgischen Einrichtungen, zur Beheizung von Siemena-Martin-Öfen, zu Metallbädern zum Zwecke des Frischena, Legierena, Raffinierena und ähnlichen metallurgiachen Vorgängen.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Die bekannten technischen Lösungen der Regelung des Massenstromes bei der pneumatischen Förderung von staubförmigen sowie feinkörnigen featen Stoffen besitzen im wesentlichen alle die Verfahrenaachritte

23188 8 3

1. Abziehen oder Herausdrücken des Feststoffes aus einem Bunker bzw· Dosiergefäß mit oder ohne Fluidisierung durch eine Druckregelung oder mit Drosselorganen und

2· Verdünnung des dosierten Feststoffes bis zu sehr geringen Feststoffkonzentrationen ( < 10 kg/m ) mit dem Ziel der meßtechnischen Erfaßbarkeit des Massenstromes·

Die fehlenden Betriebsmeßverfahren für Zweiphasenströmungen beliebiger Feststoffkonzentrationen und mangelnde Erkenntnisse über die technologisch eindeutige Beeinflußbarkeit der Dichte sowie des zu dosierenden Massenstromes führten zu komplizierten Lösungen der Regelung und die Verlagerung der Ma ssenstrombestimmung in den Dünnstrombereich, was aus den Erfindungsbeschreibungen DE - OS - 2 554 565 und DE - OS 2 902 911 hervorgeht·

Die alleinige Regulierung des Massenstromes über den Fluidisiergasvolumenstrom des Dosiergefäßes, wie es in der Patentschrift DD - PS - 147 188 ausgeführt ist, führt insbesondere bei großen Durchsatzleistungen zu starker gegenseitiger Beeinflussung von Dichte und Massenstrom·

Die in der Patentschrift DD-PS- 147 933 angewandte Drosselregulierung des Massenstromes vor Eintritt des Feststoffes in ein Förderrohr besitzt eine relativ geringe Regelbreite und kann durch Stoßeffekte« Abbremsung des Feststoffes zu Unstetigkeiten des Massenstromes bei hohen Feststoffkonzentrationen und geringen Durchsätzen führen·

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist eine gesicherte Prozeßsteuerung und -überwachung der pneumatischen Förderung sowie Dosierung bei hohen Feststoffkonzentrationen, wie sie bei metallurgischen,

23t88 8 3

wärmetechnischen und technologischen Prozessen eingesetzt werden,,

des Wesens, der Erfindung

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, daß Verfahren zur Messung und Regelung von Massenströmen feinkörniger Materialien, insbesondere von staubförmigen und feinkörnigen festen Brennstoffen und/oder von Stoffen für metallurgische Prozesse beliebiger Peststoffkonzentrationen und Systemdrücke, jedoch bevorzugt hoher Peststoffkonzentrationen zu den Windformen des Hochofens, zu Kupolöfen, Kupferschachtöfen und ähnlichen metallurgischen Einrichtungen, zur Beheizung von Siemens-Martin-Öfen, in Metallbäder zum Zwecke des Prischens, Legierens, Haffinierens und ähnlichen metallurgischen Vorgängen in dem oder den Förderrohren auf der Basis bekannter, bereits entwickelter Meßverfahren für die Massenstrombestimmung, wie die Injektionsmethode oder Laufzeitmessungen auf der Basis aufgeprägter Dichteänderungen, für die pneumatische Förderung bei beliebigen Feststoffkonzentrationen und Systemdrücken angewandt werden aollen· Die wesentlichsten Zusammenhänge Gas - Feststoff sind bilanzmäßig in der Schüttung und Strömung zu finden, um einfache, eindeutige Regelgrößen und Rege!verfahren daraus abzuleiten·

Erfindungsgemäß kann ein definierter Zusammenhang zwischen dem aus einem Dosierbehälter ausströmenden Staubvolumen und dem einströmenden Gasvolumen unter Berücksichtigung der Erzielung einer strömungstechnisch erforderlichen Fließdichte e> % ι im Förderrohr abgeleitet werden· Die Fließdichte ^f-j kann dabei zum Beispiel relativ einfach mittels radiometrischer Dichtesonde und einem Fluidisiergasregler bestimmt und geregelt werden» Es wurde gefunden und bestätigt, daß ausgehend von der Schüttdichte ^ _s des Feststoffes in einem Dosierbehälter über einen Fluidisierboden der nach Gl. (1) zu

231888 3

ermittelnde Gasvolumenstrom V_G(_N) zugeführt werden muß, um die geforderte Fließdichte fi ^₁ in der Strömung für einen bestimmten Maasenstrom m_K zu erzielen.

V_n - \ ⁽^K- 3g>' C fs" gfi> GU (1)

^{G K} ^

v_Q(H) . fs . 1 Gi. (1.1)

^G(H) · L

^P . ^T]J Gl. (1.2)

T und P stellen die Temperatur bzw. den Druck im Dosiergefäß dar; V„ ist der auf den Betriebszustand und ^η(-κτ) der auf den Normzuatand bezogene gemessene Fluidisiergasvolumenstrom; β _s und P jr sind die feststoff spezifischen Kennwerte Schiitt- bzw. Korndichte; p„ ist die Gasdichte im Betriebszustand.

Im stationären Betriebszustand bildet sich damit im Dosiergefäßunterteil eine partielle Wirbelschicht aus, weil das gesamte Pluidisiergas mit der Feststoffströmung das Dosiergefäß verläßt.

Zur Kompensation der über der Wirbelschicht nachrutschenden Schüttung bzw. des Schüttvolumens im Dosiergefäß oder in einer in Verbindung stehenden Vorratsschleuse und zur Aufrecht er haltung des stationären Förderzustandes muß ein sogenanntes Kompensationsgas KG zur eigentlichen Massenstromregelung zugeführt werden, das einfach nach Gl. (2) ermittelt werden kann.

23188 83

5 Gl. (2)

> · L . Ü2- Gl. (2.1)

N NormzustandsgrÖßen

V_KG Kompensationsgasvolumenstrom auf den 'Betriebs-, zustand bezogen*

Damit kann die Maaaenatromregelung auf die Regelung der einzigen Variablen V™ reduziert werden, wenn der Pluidisiergasvolumenstrom V^ nach Gl. (1) mit den Sollgrößen m_K s_o;q> ^f 1 Soll ^{und den} ^⁶⁸^⁰¹¹*⁰¹¹ ^g(N)* ^k' fs ^mi"^t'^tel^s Mikroprozeaaor ermittelt und dem Pluidisiergasregler als PeatwertfUhrungagröße eingegeben wird. Bei Messenstromachwankungeη verändert sich die Pließdichte P _f1 zwar mit, jedoch stabilisiert sie sich zwangsläufig mit der Nachregelung des Massenstromes Über das Kompensationsgas· Der Kompensationsgasvolumenstrom muß über der Schiittung in das Dosiergefäß also nicht in die Schiittung in unmittelbarer Fähe des Pluidisierbodena oder bei Püllstandskonatanz im Dosiergefäß mittela Zellenrad in eine verbundene Schleuae,.aus der die Peststoffschüttung über das Zellenrad nachläuft, zugeführt werden.

Mittels einer Dichteregelung ο ^₁ kann auch trotz Massenstromänderungen bzw. -Schwankungen die Dichte konstant gehalten werden. Diese Regelung bietet hierbei keinen zusätzlichen Vorteil, lediglich Mehraufwand, und es kann sogar zu gegenseitiger Beeinflussung der Regelungen kommen.

Diese vorgestellte Regelmöglichkeit ist anwendbar für große Einheitenleistungen, wo ein Fb'rderrohrmindestdurchmesaer und eine davon abhängige Mindestfördergeschwindigkeit für einen

231888 3

stabilen, stetigen Dosierbetrieb gesichert sind (Rohrdurchmesser ^ 10 mn, Vg ^ 3,0 m/s bei Dichtstrom für Braunkohlenstaub) und für ein Ein- und Mehrrohrregime bei Förderrohren gleicher Fb'rdercharakteristik und stets erforderlicher gleichbleibender Förderleistung*

Bei kleinen Einheitenleistungen, wo mit den kleinen Förderrohrquerschnitten bzw, bei Wahl größerer Querschnitte und damit unterschrittener Mindestfördergeschwindigkeiten kritische Förderbedingungen erreicht werden, und bei mehreren Förderrohren unterschiedlicher Förderleistungen müssen die Massenstromregelung sowie die Geschwindigkeitserhöhung im Förderrohr erfolgen, wobei aber stets Dichtstrom erhalten bleibt.

Bei dieser zweiten Regelvariante wird mittels der Kompensationsgasregelung in Abhängigkeit eines maximal erforderlichen Differenzdruckes PdIC zwischen dem Dosiergefäß und dem Verbraucher, beispielsweise der Windform eines Hochofens, dieser Differenzdruck zur Sicherung des maximal erforderlichen Massendurchsatz mittels des Kompensationsgasvolumenstromea V_KG am Dosiergefäß konstant gehalten. Dieser Differenzdruck PdIC muß größer sein als für den maximalen Massenstrom erforderlich ist.

Eine Drosselung des Massenstromes m_K und der damit verbundene erforderlich niedrigere Massendurchsatz m·^. des Förderrohres oder jedes beliebig anderen Förderrohres wird durch Zuführung eines Steuergasvolumenstromes Vqqj in eine Mischstelle oder in ein Mischapparat der Förderrohre in Abhängigkeit des in einen Steuergasregler jedes Förderrohres eingegebenen Massenstromsollwertes indirekt proportional geregelt. Die Zuführung des Steuergasvolumenstromes über den Steuergasregler in die Förderrohre erfolgt in Abhängigkeit einer Regelgröße, die sich aus dem Vergleich SoIl-Ist-Massenstrom ergibt. Dabei ist der Fluidisiergasvolumenstrom V_Q im Dosiergefäß auf solch

23 1888 3

einen Wert einzuatellen, daß mit der atrömungstechniach noch aulässigen minimalen Fließdichte im Pörderrohr gefahren werden kann· Es besteht aber auch die Regelmöglichkeit den Flui

• .

disiergasvolumenstrom V„ gem. Gl, 1 Über einen Mikroprozeßrechner in Abhängigkeit vom Massenatromsollwert

'^tMi '' '.' . '.·

zu errechnen und ala Führungsgröße dem Pluidiaiergaaregelventil ala Peatwert vorzugeben, ao daß der kritische., erforderliche Pluidiaiergaavolumenatrom nicht unterschritten wird.

Die Zugabe des Steuergasvolumenstromea V_SG kann gleich zur Massenatromermittlung nach der bekannten Injektionsmethode ausgenutzt werden, wobei dann stets eine bestimmte Grundlast Voq auch bei maximaler Förderung anstehen muß, um die Massenatrommeaaung zu gewährleiaten und um eine kritische minimale Fördergeschwindigkeit Vg nicht zu unterschreiten· Ba ist bei dieser Regelung zweckmäßig, die Fließdichte p_fl bia zur Massenatrommeßstrecke relativ hoch einzuatellen, damit zwecks Erzielung einer großen Meßgenauigkeit am Steuergas-Mischrohr eine große Dichteänderung P ^ ₁ - Q+? e*¹"®*⁰*¹* wird und trotzdem Dichtstrom erhalten bleibt. Aus diesem Grunde ist ea vorteilhaft, den Fluidisiergasvolumenstrom V^ nicht nach der gemessenen Dichte O ^₁ zu regeln, denn bei einer hohen Dichte kann der Fluidisiergasvolumenstrom leicht nach Null gehen und eine kritische Fließdichte 0 ^₁ verursachen, sondern gemäß Gl, (1) als FUhrungsgröße vorzugeben, so daß eine Fluidisierung gewährleistet bleibt.

Wenn aus dem Dosiergefäß mit einheitlicher Wirbelschicht mehrere Förderrohre münden, so wird zur Ermittlung des Fluidiaiergaavolumenatromea V« die Summe der Masaenströme^" m_K#.

23188 8 3

aller Förderrohre eingesetzt und diese Summe für die Kom pensa ti onsga srege lung

"«

genutzt und dieser Gasvolumenetrom dem Dosiergefäß zugeführt

Die Erfindung wird an zwei AusfUhrungsbeispieien erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Pig. 1: Vereinfachtes Blockschema der Massenstroraregelung mittels Kompensationsgas·

Fig. 2: Vereinfachtes Blockschema der Massenstromregelung mittels Steuergas.

AusfUhrungsbeispiel 1

Bei der Ausführung des Verfahrens nach Figur 1 sollen 30000 kg/h·Braunkohlenstaub mit einer Schüttdichte P^ = 500 kg/m und einer Korndichte P „ = 1400 kg/m aus einem Dosiergefäß 1, dessen Füllstand LICH mittels Zellenrad 11 konstant gehalten wird, über ein Förderrohr 8 zu einem Vergasungsreaktor 5 einer zugeordneten metallurgischen Anlage transportiert werden und zwischen 30 und 100 % regelbar sein. Die optimale Fließdichte des Förderstromes soll ρ + ₁ . « 300 kg/nr betragen. Als Fluidisiergas 2 und Kompensationsgas wird Stickstoff mit einer Normdichte ρ q/^\ « 1,25 kg/m verwendet, und die Zustandsgrößen im Dosiergefäß 1 betragen ρ = 3,0 MPa und T = 293 K. Die Meßstellen befinden sich unmittelbar am Ausgang des Dosiergefäßes 1·

23t 8 8t 3

Mit Gl, (1), (1.1) und (1,2) wird an einem Prozeßrechner 4 der Fluidisiergasvolumenstrom gemäß der Massenstromrege!breite mit V_G^ a 383 bis 1277 m³ i.N./h ermittelt und als Führungsgröße über einen Variantenwahlschalter 13, Festwertrege-> lung über Prozeßrechner 4 oder Dichteregelung QIC mit einem Regler 7» einem Fluidisiergasregelventil 12 eingegeben.

Gemäß Gl. (2) und (2.1) ergibt aich dann für ein Kompensationsgasregelventil 9 eine erforderliche Durchlaßfähigkeit von V_KG(_N\ = 487 bis 1624 m³ i.H./h, die über eine Rohrleitung 10 der mit dem Dosiergefäß 1 im Verbund stehenden Schleuse zugeführt wird. Die Regelung des Kompensationsgases 3 erfolgt mittels Regler 6 und Kompensationsgasregelventil 9 untqr Verwendung der Regel- und Meßgröße m_K·

Ausführungsbeispiel 2

Bei der Ausführung des Verfahrens nach Figur 2 sollen 800 kg/h Braunkohlenstaub mit einem Förderrqhr 8 der lichten Weite von 14 mm aus dem Dosiergefäß 1 zu einer Windform 5 eines Hochofens mittels Luft ( f _G(jj) = 1»293 kg/nr) bei einem Überdruck von 0,2 MPa und einer Temperatur von 293 K gefördert werden. Die Schüttdichte des Braunkohlenstaubes beträgt ^₃ = 500 kg/m³ und die Korndichte P _K 1400 kg/m . Die Fließdichte nach einem Mischapparat 4 P^o ^s°ü ^mii: Rücksicht auf den geringen Förderrohrquerschnitt 260 kg/nr betragen. Da mit dem vorgesehenen Prozeßrechner 6 gleich der Massenstrom m_K ermittelt werden soll, wird über einen Dichteregler 7 im Dosiergefäß 1 mittels Fluidisiergas 2 über Fluidisiergasregelventil 12 eine Fließdichte ρ _f1 = 400 kg/nr vor dem Mischapparat 4 eingestellt. Die Fördergeschwindigkeiten v_s betragen vor dem Mischrohr des Mischapparates 4 3»6 m/s und danach 5,6 m/s. Durch Veränderung des Steuergasvolumenstromes V"_SG zum Mischapparat kann der Massenstrom m_v erhöht oder vermindert werden. Der

λ »

erforderliche Kompensationsgasvolumenstrom 3 V_KQ zur Auf-

231888 3

rechterhaltung eines konstanten Differenzdruckes PdIC zwischen Dosiergefäß 1 und einer Windform 5 wird mittels des Differenzdruckreglers 13 und Kompensationsgasregelventil 9 dem Dosiergefäß 1 oder der Schleuse über Rohrleitung 10 zugeführt. Der Füllstand im Dosiergofäß 1 soll mittels Püllstandsregelung LICH und einem Zellenrad 11 konstant gehalten werden. Die Differenzdruckhöhe PdIC ergibt sich aus dem maximalen Ma seenstrom und der Förderrohrlänge.

Claims (1)

1. 23188 8 3

   11 Erfindungaanspruch,

   1_Φ Verfahren zur Messung und Regelung von Massenströmen feinkörniger Materialien bei der pneumatischen Förderung und Dosierung fester, staunförmiger und feinkörniger Brennstoffe und Stoffe fUr metallurgische Prozesse beliebiger Peststoffkonzentrationen und SystemdrUcke, jedoch bevorzugt hoher Feststoffkonzentrationen zu den Windformen des Hochofens, zu Kupolöfen, Kupferschachtöfen und ähnlichen metallurgischen Einrichtungen, zur Beheizung von Siemens-Martin-Öfen, in Metallbäder zum Zwecke des Frischens, Iegierens, Raffinierens und ähnlichen metallurgischen Vorgängen und Messung der Massenströme in dem oder den Förderrohren nach bekannten Meßmethoden, gekennzeichnet dadurch, daß die Staubstromregelung allein mit einer sogenannten Kompensationsgasregelung V^q vorgenommen wird, wenn der zur Einstellung der strömungstechnisch erforderlichen Fließdichte Q _f1 im Förderrohr notwendige Fluidisiergasvolumenstrom V"_G nach der gefundenen Beziehung

   Gl. 1

   errechnet und direkt im Dosiergefäß dem mit Schüttdichte £ _s vorliegenden Feststoff über einen Fluidisierboden zugeführt wird, so daß sich die Massenstromregelung auf eine einfache Regelung des im Dosiergefäß oder in der mit ihr in Verbindung stehenden Vorratsschleuse zu kompensierenden Schüttvolumen V_KQ « ^jK reduziert, wobei die Sollwertvor-

   fs

   gäbe des Fluidisiergases, in Abhängigkeit des Massenstromsoliwertes m_K mittels Prozeßrechner und Gl· 1 ermittelt, dem Fluidisiergasregler ständig als FUhrungsgröße eingegeben wird und wobei der Kompensationsgasvolumenstrom V_KG nicht in die Schüttung in unmittelbarer Nähe des Fluidisierbodens zugegeben wird.

   231888 3

   2» Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß mittels Kompensationsgasregelung in Abhängigkeit eines maximal erforderlichen Differenzdruckes PdIC zwischen Dosiergefäß und Verbraucher dieser Differenzdruck zur Sicherung des maximal erforderlichen Massendurchsatzes konstant gehalten wird und ein tatsächlich erforderlicher, niedrigerer Massendurchsatz m^. des Fb'rderrohres oder jedes beliebigen, anderen Förderrohres durch Zuführung eines Steuergaavolumenstromes V_gG. in eine Mischstell© der Förderrohre in Abhängigkeit des in den Steuergasregler jedes Förderrohres eingegebenen Massenstromsollwertes indirekt proportional geregelt wird, wobei der Fluidisiergasvolumenstrom V_Q im Dosiergefäß mittels Dichtemeßsonde 0*« des Förderrohres und dem Fluidisiergasregler auf solch einen Wert eingestellt wird, daß mit der strömungstechnisch noch zulässigen, minimalen Fließdichte im Förderrohr gefahren wird oder wobei der Fluidisiergasvolumenstrom V_G gemäß Gl, 1 Über einen Mikroprozeßrechner in Abhängigkeit vom Massenstromaollwert _ϋ.

   ·1Π

   errechnet und als Fiihrungsgröße dem Fluidisiergasregelventil als Festwert vorgegeben wird, so daß der kritische, erforderliche Fluidisiergasvolumenstrom nicht unterschritten wird,

   3. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die strömungstechnisch erforderliche Fließdichte ΰ^₁ im Förderrohr mittels einer radiometrischen Dichtemeßsonde und des Fluidisiergasreglers ständig geregelt wird und Dichteschwankungen durch Massenstromänderungen ausgleicht*

   4, Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß aus dem Dosiergefäß mit einer einheitlichen Wirbelschicht mehrere Förderrohre münden und zur Ermittlung des Fluidisiergasvolumenstromes Y„ die Summe der Massenströme ^> «*"_Kt.

   ι««

   23 18 88 3

   aller η Pörderrohre eingesetzt wird und auch diese Summe bei der Kompensationsgasregelung

   ⁿ =.

   eingeht und dieser Gasvolumenstrom dem Dosiergefäß zuge führt wird.

   Hierzu.. JL. Seiten Zeichnungen