水泥生產(chǎn)過程分解爐環(huán)節(jié)的優(yōu)化控制分析

白江海

【摘 要】我們認(rèn)識(shí)到水泥分解爐是一個(gè)復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)器，其內(nèi)的氣固流動(dòng)、化學(xué)反應(yīng)等現(xiàn)象是十分復(fù)雜的過程，是一個(gè)典型的非線性、多變量強(qiáng)禍合、不確定干擾多的復(fù)雜控制對(duì)象。而在水泥分解爐溫度控制中，分解爐喂煤量是水泥工業(yè)生產(chǎn)過程中復(fù)雜且至關(guān)重要的過程，但是決定喂煤量的因素很多，按照常規(guī)的控制方法很難達(dá)到滿意的控制效果?；诖耍疚木歪槍?duì)水泥生產(chǎn)過程分解爐環(huán)節(jié)的優(yōu)化控制展開分析。

【關(guān)鍵詞】水泥；分解爐；優(yōu)化控制

1. 引言

分解爐的主要功能是承擔(dān)生料分解任務(wù)，其耗煤量巨大，約占水泥燒成過程的60%。由于生料預(yù)分解過程的工況條件變化頻繁并且測(cè)控點(diǎn)少，這使得在實(shí)際生產(chǎn)中經(jīng)常出現(xiàn)分解爐溫度大幅波動(dòng)的現(xiàn)象。溫度過高容易引起預(yù)熱器結(jié)皮，影響窯系統(tǒng)正常運(yùn)行；溫度過低，則造成入窯分解率過低，增加窯系統(tǒng)負(fù)擔(dān)，不能充分發(fā)揮分解爐的作用。因此，分解爐出口溫度的控制，既對(duì)水泥企業(yè)實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗具有重要的意義，又影響著水泥生產(chǎn)的正常進(jìn)行。

2 .水泥生產(chǎn)過程分解爐環(huán)節(jié)優(yōu)化控制的意義及其主要控制參數(shù)

2.1 意義

分解爐作為預(yù)分解窯的核心設(shè)備，其主要功能是承擔(dān)熟料鍛燒過程中耗熱最多的碳酸鹽分解任務(wù)，其耗煤量巨大，約占水泥燒成過程的60%。國(guó)內(nèi)水泥生產(chǎn)中存在的生產(chǎn)工況變化頻繁、測(cè)控點(diǎn)少的問題和分解爐自身非線性、大滯后、時(shí)變的特性使得傳統(tǒng)的控制方法和國(guó)外的控制系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)水泥企業(yè)均無法取得理想的應(yīng)用效果。目前，國(guó)內(nèi)分解爐控制大多數(shù)采用人工控制，存在著分解爐溫度波動(dòng)大、熟料產(chǎn)量低、質(zhì)量差并且能耗大等問題，分解爐環(huán)節(jié)自動(dòng)控制在水泥企業(yè)未得到廣泛推廣，優(yōu)化控制更是涉及較少。因此，從國(guó)內(nèi)分解爐控制現(xiàn)狀出發(fā)，采用先進(jìn)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)分解爐的優(yōu)化控制，對(duì)水泥熟料的正常生產(chǎn)和水泥企業(yè)實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗具有重要的意義。

2.2 分解爐的主要控制參數(shù)

2.2.1 煤粉流量的波動(dòng)。

實(shí)際生產(chǎn)表明，在入分解爐空氣量保持不變的情況下，適當(dāng)增加煤粉的流量，會(huì)使?fàn)t內(nèi)溫度上升；反之，若減少煤粉的流量，會(huì)使?fàn)t內(nèi)溫度下降。但當(dāng)輸入過量的煤粉時(shí)，未燃盡的煤粉進(jìn)入最下一級(jí)旋風(fēng)筒內(nèi)繼續(xù)燃燒，使得旋風(fēng)筒下部溫度比分解爐出口溫度都高，爐內(nèi)溫度下降。實(shí)踐證明，連續(xù)準(zhǔn)確地對(duì)窯系統(tǒng)進(jìn)行喂煤，是穩(wěn)定窯的熱工制度、降低煤耗、保證設(shè)備安全運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵因素。

2.2.2 分解爐生料流量的波動(dòng)。

根據(jù)預(yù)分解窯的工藝流程，生料粉末在很短的時(shí)間內(nèi)在各級(jí)預(yù)熱器中與熱氣流充分混合，進(jìn)行熱交換，經(jīng)四級(jí)旋風(fēng)預(yù)熱器進(jìn)入分解爐。而且，當(dāng)生料瞬時(shí)流量過大時(shí)，會(huì)使?fàn)t內(nèi)溫度下降；反之，當(dāng)生料瞬時(shí)流量過小時(shí)，會(huì)使?fàn)t內(nèi)溫度上升。

3. 水泥生產(chǎn)過程分解爐控制的研究現(xiàn)狀

分解爐內(nèi)的物理、化學(xué)過程存在著許多復(fù)雜因素，高溫情況下的氣固流動(dòng)，化學(xué)反應(yīng)過程變量甚多，煤粉燃燒、生料分解、氣固熱交換等過程相互影響、交叉，共同影響著分解爐的溫度控制過程，建立分解爐精確地?cái)?shù)學(xué)模型十分困難。。

入窯生料中的分解率指標(biāo)等無法在線測(cè)量，一般需要在蓖冷機(jī)的出口人工取樣，化驗(yàn)分析數(shù)據(jù)兩小時(shí)一次。水泥熟料指標(biāo)中的f-Ca0以及升重指標(biāo)，水泥熟料質(zhì)量指標(biāo)及入窯生料指標(biāo)難以在線測(cè)量，難以實(shí)現(xiàn)質(zhì)量指標(biāo)的直接閉環(huán)控制的問題。

分解爐喂煤量、送風(fēng)量的大小與生料喂人量密切相關(guān)，當(dāng)生料量變化時(shí)，分解爐溫度也會(huì)隨之發(fā)生變化，此時(shí)需改變分解爐的喂煤量，調(diào)整因喂料量變化而引起的溫度波動(dòng)，以重新建立一個(gè)平衡熱工制度。在此過程中，由于分解爐內(nèi)部發(fā)生的物理、化學(xué)反應(yīng)非常復(fù)雜，煤粉燃燒放出的熱量并不能按照線性關(guān)系影響著分解爐的溫度。因此，連續(xù)準(zhǔn)確地對(duì)分解爐進(jìn)行喂煤、供料和送風(fēng)，是穩(wěn)定預(yù)分解窯系統(tǒng)熱工制度、降低煤耗、保證設(shè)備安全運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵因素。

4. 水泥生產(chǎn)過程分解爐出口溫度的影響因素及調(diào)節(jié)方式

4.1 影響分解爐溫度的關(guān)鍵因素

4.1.1 窯尾喂煤量對(duì)溫度的影響。

當(dāng)入爐空氣量維持穩(wěn)定時(shí)，窯尾喂煤量增加，引起分解爐溫度上升；反之，窯尾喂煤量減少，引起分解爐溫度下降，但窯尾喂煤量過多，會(huì)導(dǎo)致煤粉不能完全燃燒，從而使廢氣中CO含量高，并易引起旋風(fēng)筒結(jié)皮堵塞，引發(fā)生產(chǎn)事故。因此，窯尾喂煤的連續(xù)準(zhǔn)確是使分解爐出口溫度穩(wěn)定在工藝要求的合理波動(dòng)范圍之內(nèi)，從而保證分解爐熱工制度穩(wěn)定的關(guān)鍵因素。

4.1.2 入爐生料量對(duì)溫度的影響。

當(dāng)入爐生料量較小時(shí)，會(huì)導(dǎo)致分解爐出口溫度較高，這不僅使熱耗增加，也不利于分解爐的熱工穩(wěn)定，從而影響熟料的燒成；相反，當(dāng)入爐生料量較大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致分解爐出口溫度較低。

4.1.3 三次風(fēng)對(duì)溫度的影響。

影響分解爐溫度的主導(dǎo)因素是三次風(fēng)的溫度與風(fēng)量，風(fēng)量要適度，而溫度則越高越好，但影響風(fēng)量的有關(guān)因素很多，它不僅受到系統(tǒng)內(nèi)總排風(fēng)的制約，也受到窯爐內(nèi)用風(fēng)平衡制約，一般，不允許操作員去調(diào)節(jié)。

4.1.4 尾煤壓力對(duì)溫度的影響。

當(dāng)尾煤壓力突變時(shí)，會(huì)造成窯尾喂煤實(shí)際給定突然增加，這就直接導(dǎo)致分解爐溫度的急劇上升，對(duì)水泥正常生產(chǎn)帶來不利的影響。

4.2 分解爐出口溫度的調(diào)節(jié)方式

4.2.1 改變窯尾喂煤量。

由影響分解爐溫度的關(guān)鍵因素得知，窯尾喂煤量的改變主要是調(diào)節(jié)分解爐溫度，因此在水泥企業(yè)一般采用改變窯尾喂煤量的方式調(diào)節(jié)分解爐出口溫度。

4.2.2 改變生料流量。

生料流量的改變影響著分解爐溫度的變化，但由于水泥生產(chǎn)要求產(chǎn)量保持穩(wěn)定，因此生料流量大小的調(diào)節(jié)在水泥企業(yè)一般不作為分解爐出口溫度調(diào)節(jié)的手段。綜上，可以得知在水泥企業(yè)一般采用改變窯尾喂煤量的方式調(diào)節(jié)分解爐出口溫度。另外對(duì)分解爐出口溫度也有影響的尾煤壓力、生料流量、生料成分、三次風(fēng)等一般作為干擾變量存在。

5 .水泥生產(chǎn)過程分解爐環(huán)節(jié)優(yōu)化控制系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)

為解決分解爐控制中存在的控制難點(diǎn)，完成分解爐控制目標(biāo)，根據(jù)上述工藝分析，提出水泥生產(chǎn)分解爐環(huán)節(jié)的優(yōu)化控制方案具體實(shí)現(xiàn)如下：

將水泥生產(chǎn)分解爐環(huán)節(jié)優(yōu)化控制系統(tǒng)分為兩部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，即分解爐溫度優(yōu)化設(shè)定系統(tǒng)和分解爐溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)。分解爐溫度優(yōu)化設(shè)定系統(tǒng)根據(jù)由生料三率值KH，n，p和生料細(xì)度建立起的基于LS-SVM的分解爐溫度預(yù)設(shè)定模型得出分解爐出口溫度的預(yù)設(shè)定值，然后經(jīng)基于專家系統(tǒng)的溫度設(shè)定補(bǔ)償模型和基于Fuzzy系統(tǒng)的溫度設(shè)定校正模型對(duì)分解爐溫度預(yù)設(shè)定值進(jìn)行補(bǔ)償校正，得出當(dāng)前工況下分解爐出口溫度的最優(yōu)設(shè)定值；然后分解爐溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)以此最優(yōu)設(shè)定值作為系統(tǒng)的設(shè)定值，通過多模態(tài)控制規(guī)則自動(dòng)識(shí)別出不同的模態(tài)，選擇相應(yīng)的算法對(duì)變速積分PID控制進(jìn)行校正，將分解爐溫度穩(wěn)定在最優(yōu)設(shè)定值上。

6 .結(jié)論

總之，在水泥生產(chǎn)中，分解爐溫度對(duì)于水泥能否正常生產(chǎn)具有重要的作用。分解爐出口溫度的高低，不僅決定了碳酸鹽分解的多少，而且決定了窯系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定與否。因此，分解爐出口溫度是水泥生產(chǎn)中一個(gè)十分重要的工藝參數(shù)，它直接決定著生料入窯分解率，所以，有必要對(duì)水泥分解爐環(huán)節(jié)對(duì)溫度關(guān)鍵影響因素進(jìn)行優(yōu)化控制。

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