焙燒爐爐膛內(nèi)部物料溫度的精準(zhǔn)控制

安丙峰 蔣勇銘

（1.天華化工機(jī)械及自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院有限公司；2.中國(guó)石油青海油田井下作業(yè)公司生產(chǎn)服務(wù)中心）

在焙燒爐控溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，最終的目的就是控制物料焙燒溫度、焙燒時(shí)間等參數(shù)，使焙燒后的物料達(dá)到工藝要求，成為合格的產(chǎn)品。 在實(shí)際設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)于成熟的工藝和設(shè)備來(lái)說(shuō)，可以通過(guò)僅靠測(cè)量爐體轉(zhuǎn)速、爐膛溫度、煙氣溫度及煙氣壓力等參數(shù)來(lái)開(kāi)環(huán)控制物料焙燒溫度， 從而間接實(shí)現(xiàn)對(duì)焙燒物料焙燒溫度的控制，生產(chǎn)出合格的產(chǎn)品。 但是對(duì)于新開(kāi)發(fā)工藝和新焙燒物料來(lái)說(shuō)， 焙燒爐的系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生了變化，新的物料焙燒溫度和爐體轉(zhuǎn)速、爐膛溫度、煙氣溫度及煙氣壓力等參數(shù)之間的關(guān)系需要重新建立。同樣，從試驗(yàn)裝置上得出的系統(tǒng)參數(shù)，放大到工業(yè)裝置后，系統(tǒng)參數(shù)也發(fā)生了變化，需要重新建立新的控溫模型。 在一些原材料價(jià)格高昂的物料焙燒過(guò)程中，通過(guò)大量的試驗(yàn)，反復(fù)摸索整套焙燒爐系統(tǒng)的系統(tǒng)參數(shù)是極為不合理的。 為此，筆者通過(guò)系統(tǒng)分析論證，提出一套針對(duì)以上問(wèn)題的焙燒物料溫度精準(zhǔn)控制系統(tǒng)。

1 工藝流程簡(jiǎn)介

來(lái)自上游工序的物料由輸送裝置進(jìn)入焙燒爐，焙燒爐設(shè)計(jì)一定傾角，物料在重力、爐筒內(nèi)的抄板和爐筒轉(zhuǎn)動(dòng)的共同作用下，逐漸向焙燒爐尾部移動(dòng)。 原料進(jìn)料量大小是由進(jìn)料旋轉(zhuǎn)閥和進(jìn)料螺旋的轉(zhuǎn)速?zèng)Q定的，采集進(jìn)料旋轉(zhuǎn)閥的反饋頻率作為衡量進(jìn)料螺旋進(jìn)料量大小的參數(shù)。 原料進(jìn)料濕度、溫度跟原料有關(guān)，隨季節(jié)和環(huán)境溫度的變化稍有不同，可忽略不計(jì)。 引風(fēng)機(jī)風(fēng)量、系統(tǒng)負(fù)壓值由尾氣抽吸系統(tǒng)決定，可通過(guò)調(diào)節(jié)引風(fēng)機(jī)風(fēng)門(mén)開(kāi)度，調(diào)節(jié)引風(fēng)機(jī)管線調(diào)節(jié)蝶閥開(kāi)度來(lái)控制尾氣抽吸系統(tǒng)的引風(fēng)量和尾氣系統(tǒng)負(fù)壓值。 焙燒所需的熱量由電阻絲提供，通電后的電阻絲通過(guò)輻射傳熱將爐筒加熱，焙燒完成后的產(chǎn)品通過(guò)物料輸送裝置輸送到后續(xù)工藝裝置。 焙燒爐筒尾氣從焙燒爐出料端引出至裝置尾氣處理系統(tǒng)。 工藝流程簡(jiǎn)圖如圖1 所示。

圖1 焙燒工藝流程簡(jiǎn)圖

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在溫度控制系統(tǒng)方面，目前焙燒爐系統(tǒng)均通過(guò)爐膛溫度來(lái)控制物料焙燒溫度，而對(duì)物料產(chǎn)品性能影響的關(guān)鍵因素是爐筒內(nèi)部的物料溫度，這種方式?jīng)]有將爐內(nèi)實(shí)際焙燒物料的溫度接入溫控系統(tǒng)，是間接通過(guò)控制爐膛溫度來(lái)控制焙燒物料的焙燒溫度。 在測(cè)溫方式上，由于焙燒爐爐體做連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，在焙燒爐爐體內(nèi)安裝測(cè)溫元件不便于引線，溫度信息不易傳遞，因此焙燒爐爐體測(cè)溫是一個(gè)難點(diǎn)。 目前，采取的測(cè)溫方式有接觸式測(cè)溫和非接觸式測(cè)溫，接觸式測(cè)溫方式中具有代表性的是利用中心保護(hù)管將測(cè)溫元件伸入爐內(nèi)，在爐筒內(nèi)設(shè)置支撐，這種接觸式測(cè)量方式的測(cè)量點(diǎn)數(shù)有限，且爐筒內(nèi)部需要設(shè)置支撐，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)復(fù)雜，長(zhǎng)期使用維護(hù)成本較高。 非接觸式測(cè)量具有代表性的是紅外測(cè)溫方式，紅外測(cè)溫儀只能檢測(cè)焙燒爐爐體表面溫度，且其測(cè)量精度很容易受到檢測(cè)點(diǎn)移動(dòng)、檢測(cè)時(shí)間及檢測(cè)環(huán)境等諸多因素的影響， 焙燒爐系統(tǒng)是密閉的物料焙燒系統(tǒng)，物料焙燒溫度可高達(dá)1 000 ℃， 無(wú)法使用非接觸式測(cè)量方法測(cè)量焙燒物料的物料溫度。

焙燒爐是高溫轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備，在焙燒爐控溫系統(tǒng)中設(shè)計(jì)加入無(wú)線溫度變送器作為測(cè)量物料溫度的測(cè)溫儀表，并且以無(wú)線溫度變送器的溫度值作為控制參數(shù)，通過(guò)調(diào)節(jié)爐膛電加熱絲的加熱功率直接控制焙燒爐焙燒物料的溫度。 通過(guò)無(wú)線溫度測(cè)量系統(tǒng)和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，將焙燒爐物料焙燒溫度值上傳至PLC 控制系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)和控制。 這樣，整個(gè)焙燒爐控溫系統(tǒng)就由之前的間接控溫變成現(xiàn)在的直接通過(guò)調(diào)節(jié)電加熱絲的加熱功率來(lái)控制焙燒爐物料的焙燒溫度。

如焙燒爐整體焙燒功率為300 kW， 分為3組加熱，每組均為100 kW 的可調(diào)功率加熱。 原有的焙燒爐系統(tǒng)中， 每一爐膛加熱區(qū)由熱電偶將爐膛溫度送入PLC 控制系統(tǒng)中，PLC 控制系統(tǒng)根據(jù)爐膛溫度來(lái)調(diào)節(jié)相應(yīng)加熱回路電加熱絲的加熱功率， 使得焙燒爐相應(yīng)焙燒段的溫度維持在某一設(shè)定值（例如950 ℃），控制方式為PID調(diào)節(jié)控制。 現(xiàn)經(jīng)過(guò)改進(jìn)，焙燒爐系統(tǒng)的控溫方式變?yōu)橛蔁o(wú)線溫度變送器直接測(cè)量焙燒爐爐內(nèi)每一段的物料焙燒溫度，通過(guò)無(wú)線溫度變送器、發(fā)射器、 接收器將焙燒爐物料溫度送入PLC 控制系統(tǒng)，PLC 控制系統(tǒng)根據(jù)相應(yīng)焙燒段焙燒物料的實(shí)際測(cè)量溫度來(lái)調(diào)節(jié)相應(yīng)加熱回路電加熱絲的加熱功率， 使得焙燒爐相應(yīng)焙燒段的溫度維持在某一設(shè)定值 （例如950 ℃）， 控制方式為PID調(diào)節(jié)控制。

每一段加熱區(qū)的焙燒物料溫度在PLC 控制系統(tǒng)中設(shè)置高溫、低溫報(bào)警和高高聯(lián)鎖。 當(dāng)焙燒物料溫度高溫報(bào)警或低溫報(bào)警后，應(yīng)及時(shí)處理相應(yīng)問(wèn)題，使焙燒物料溫度恢復(fù)到正常。 當(dāng)焙燒物料溫度高于高高聯(lián)鎖設(shè)定值時(shí)（例如1 100 ℃），PLC 控制系統(tǒng)自動(dòng)切斷相應(yīng)的加熱回路。 同時(shí)設(shè)置每一段加熱區(qū)的焙燒爐爐膛溫度在PLC 控制系統(tǒng)中的高溫、低溫報(bào)警和高高聯(lián)鎖。 當(dāng)焙燒爐爐膛溫度觸發(fā)高溫報(bào)警或低溫報(bào)警后，應(yīng)及時(shí)處理相應(yīng)問(wèn)題，使焙燒物料溫度恢復(fù)到正常。 當(dāng)焙燒爐爐膛溫度高于高高聯(lián)鎖設(shè)定值時(shí)（例如1 100 ℃），PLC 控制系統(tǒng)自動(dòng)切斷相應(yīng)的加熱回路。 設(shè)置物料出口溫度、尾氣溫度在PLC 控制系統(tǒng)中的高溫、低溫報(bào)警和高高聯(lián)鎖。 這樣整個(gè)焙燒爐系統(tǒng)就可以直接控制焙燒物料溫度，同時(shí)整個(gè)焙燒爐系統(tǒng)的安全性得以保障。

為了保證焙燒爐系統(tǒng)安全、經(jīng)濟(jì)、連續(xù)可靠的運(yùn)行，控制系統(tǒng)選用S7 1500 PLC 和監(jiān)控軟件WinCC 對(duì)焙燒爐系統(tǒng)進(jìn)行操作和監(jiān)控，操作人員在中控室操作站上可實(shí)現(xiàn)對(duì)焙燒爐系統(tǒng)的啟、停及正常運(yùn)行工況的監(jiān)測(cè)和控制，可監(jiān)測(cè)系統(tǒng)內(nèi)每一個(gè)模擬量和數(shù)字量、調(diào)整過(guò)程設(shè)定值，建立趨勢(shì)畫(huà)面并獲得趨勢(shì)信息，顯示操作指導(dǎo)，聲音報(bào)警及打印報(bào)表等，控制系統(tǒng)同時(shí)具備事故工況的報(bào)警、聯(lián)鎖和保護(hù)功能。

在焙燒爐系統(tǒng)中，物料焙燒溫度的控制最為關(guān)鍵，針對(duì)不同的工藝需求，每一段物料焙燒溫度可單獨(dú)設(shè)置升溫曲線、 恒溫曲線和降溫曲線，可根據(jù)工藝需求靈活設(shè)置。

在焙燒爐系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，進(jìn)料旋轉(zhuǎn)閥進(jìn)料量的大小直接影響焙燒爐系統(tǒng)焙燒溫度。 如當(dāng)前系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行中，為避免因引風(fēng)機(jī)引風(fēng)量、系統(tǒng)負(fù)壓值或進(jìn)料旋轉(zhuǎn)閥進(jìn)料量的突然增大或變小而引起的系統(tǒng)失調(diào)，在增大或減小引風(fēng)機(jī)引風(fēng)量、 系統(tǒng)負(fù)壓值或進(jìn)料旋轉(zhuǎn)閥進(jìn)料量頻率時(shí)，宜緩慢增大或減小，以使系統(tǒng)能夠平穩(wěn)地運(yùn)行。 為確保這點(diǎn)，在增大或減小進(jìn)料旋轉(zhuǎn)閥頻率時(shí)，系統(tǒng)采用將原來(lái)的階躍上升或階躍下降變?yōu)樾本€緩慢上升或斜線緩慢下降，其斜率的大小需要根據(jù)具體系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算。

在焙燒爐系統(tǒng)調(diào)節(jié)過(guò)程中，當(dāng)系統(tǒng)還未處于平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)，操作員如改變了某一參數(shù)，比如減小引風(fēng)機(jī)引風(fēng)量、系統(tǒng)負(fù)壓值等，這將會(huì)對(duì)正在調(diào)節(jié)中的系統(tǒng)造成很大的影響，有礙于整個(gè)系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行。 為防止這種誤操作，構(gòu)架的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)了防止這種誤操作的功能。

3 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)原有焙燒爐系統(tǒng)， 僅靠測(cè)量爐體轉(zhuǎn)速、爐膛溫度、煙氣溫度及煙氣壓力等參數(shù)，無(wú)法準(zhǔn)確控制物料焙燒溫度的問(wèn)題， 通過(guò)分析論證，提出一套針對(duì)焙燒爐系統(tǒng)精準(zhǔn)物料控溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。 在實(shí)際應(yīng)用中，可以精確掌握焙燒物料的焙燒溫度和焙燒時(shí)間， 有效地提高生產(chǎn)效率，節(jié)省生產(chǎn)成本，創(chuàng)造更高的經(jīng)濟(jì)效益。