水泥生產過程分解爐環節的優化控制分析

白江海

【摘 要】我們認識到水泥分解爐是一個復雜的化學反應器，其內的氣固流動、化學反應等現象是十分復雜的過程，是一個典型的非線性、多變量強禍合、不確定干擾多的復雜控制對象。而在水泥分解爐溫度控制中，分解爐喂煤量是水泥工業生產過程中復雜且至關重要的過程，但是決定喂煤量的因素很多，按照常規的控制方法很難達到滿意的控制效果。基于此，本文就針對水泥生產過程分解爐環節的優化控制展開分析。

【關鍵詞】水泥；分解爐；優化控制

1. 引言

分解爐的主要功能是承擔生料分解任務，其耗煤量巨大，約占水泥燒成過程的60%。由于生料預分解過程的工況條件變化頻繁并且測控點少，這使得在實際生產中經常出現分解爐溫度大幅波動的現象。溫度過高容易引起預熱器結皮，影響窯系統正常運行；溫度過低，則造成入窯分解率過低，增加窯系統負擔，不能充分發揮分解爐的作用。因此，分解爐出口溫度的控制，既對水泥企業實現節能降耗具有重要的意義，又影響著水泥生產的正常進行。

2 .水泥生產過程分解爐環節優化控制的意義及其主要控制參數

2.1 意義

分解爐作為預分解窯的核心設備，其主要功能是承擔熟料鍛燒過程中耗熱最多的碳酸鹽分解任務，其耗煤量巨大，約占水泥燒成過程的60%。國內水泥生產中存在的生產工況變化頻繁、測控點少的問題和分解爐自身非線性、大滯后、時變的特性使得傳統的控制方法和國外的控制系統在國內水泥企業均無法取得理想的應用效果。目前，國內分解爐控制大多數采用人工控制，存在著分解爐溫度波動大、熟料產量低、質量差并且能耗大等問題，分解爐環節自動控制在水泥企業未得到廣泛推廣，優化控制更是涉及較少。因此，從國內分解爐控制現狀出發，采用先進控制技術，實現分解爐的優化控制，對水泥熟料的正常生產和水泥企業實現節能降耗具有重要的意義。

2.2 分解爐的主要控制參數

2.2.1 煤粉流量的波動。

實際生產表明，在入分解爐空氣量保持不變的情況下，適當增加煤粉的流量，會使爐內溫度上升；反之，若減少煤粉的流量，會使爐內溫度下降。但當輸入過量的煤粉時，未燃盡的煤粉進入最下一級旋風筒內繼續燃燒，使得旋風筒下部溫度比分解爐出口溫度都高，爐內溫度下降。實踐證明，連續準確地對窯系統進行喂煤，是穩定窯的熱工制度、降低煤耗、保證設備安全運轉的關鍵因素。

2.2.2 分解爐生料流量的波動。

根據預分解窯的工藝流程，生料粉末在很短的時間內在各級預熱器中與熱氣流充分混合，進行熱交換，經四級旋風預熱器進入分解爐。而且，當生料瞬時流量過大時，會使爐內溫度下降；反之，當生料瞬時流量過小時，會使爐內溫度上升。

3. 水泥生產過程分解爐控制的研究現狀

分解爐內的物理、化學過程存在著許多復雜因素，高溫情況下的氣固流動，化學反應過程變量甚多，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，建立分解爐精確地數學模型十分困難。。

入窯生料中的分解率指標等無法在線測量，一般需要在蓖冷機的出口人工取樣，化驗分析數據兩小時一次。水泥熟料指標中的f-Ca0以及升重指標，水泥熟料質量指標及入窯生料指標難以在線測量，難以實現質量指標的直接閉環控制的問題。

分解爐喂煤量、送風量的大小與生料喂人量密切相關，當生料量變化時，分解爐溫度也會隨之發生變化，此時需改變分解爐的喂煤量，調整因喂料量變化而引起的溫度波動，以重新建立一個平衡熱工制度。在此過程中，由于分解爐內部發生的物理、化學反應非常復雜，煤粉燃燒放出的熱量并不能按照線性關系影響著分解爐的溫度。因此，連續準確地對分解爐進行喂煤、供料和送風，是穩定預分解窯系統熱工制度、降低煤耗、保證設備安全運轉的關鍵因素。

4. 水泥生產過程分解爐出口溫度的影響因素及調節方式

4.1 影響分解爐溫度的關鍵因素

4.1.1 窯尾喂煤量對溫度的影響。

當入爐空氣量維持穩定時，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，會導致煤粉不能完全燃燒，從而使廢氣中CO含量高，并易引起旋風筒結皮堵塞，引發生產事故。因此，窯尾喂煤的連續準確是使分解爐出口溫度穩定在工藝要求的合理波動范圍之內，從而保證分解爐熱工制度穩定的關鍵因素。

4.1.2 入爐生料量對溫度的影響。

當入爐生料量較小時，會導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定，從而影響熟料的燒成；相反，當入爐生料量較大時，會導致分解爐出口溫度較低。

4.1.3 三次風對溫度的影響。

影響分解爐溫度的主導因素是三次風的溫度與風量，風量要適度，而溫度則越高越好，但影響風量的有關因素很多，它不僅受到系統內總排風的制約，也受到窯爐內用風平衡制約，一般，不允許操作員去調節。

4.1.4 尾煤壓力對溫度的影響。

當尾煤壓力突變時，會造成窯尾喂煤實際給定突然增加，這就直接導致分解爐溫度的急劇上升，對水泥正常生產帶來不利的影響。

4.2 分解爐出口溫度的調節方式

4.2.1 改變窯尾喂煤量。

由影響分解爐溫度的關鍵因素得知，窯尾喂煤量的改變主要是調節分解爐溫度，因此在水泥企業一般采用改變窯尾喂煤量的方式調節分解爐出口溫度。

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，但由于水泥生產要求產量保持穩定，因此生料流量大小的調節在水泥企業一般不作為分解爐出口溫度調節的手段。綜上，可以得知在水泥企業一般采用改變窯尾喂煤量的方式調節分解爐出口溫度。另外對分解爐出口溫度也有影響的尾煤壓力、生料流量、生料成分、三次風等一般作為干擾變量存在。

5 .水泥生產過程分解爐環節優化控制系統的總體方案設計

為解決分解爐控制中存在的控制難點，完成分解爐控制目標，根據上述工藝分析，提出水泥生產分解爐環節的優化控制方案具體實現如下：

將水泥生產分解爐環節優化控制系統分為兩部分進行設計，即分解爐溫度優化設定系統和分解爐溫度自動控制系統。分解爐溫度優化設定系統根據由生料三率值KH，n，p和生料細度建立起的基于LS-SVM的分解爐溫度預設定模型得出分解爐出口溫度的預設定值，然后經基于專家系統的溫度設定補償模型和基于Fuzzy系統的溫度設定校正模型對分解爐溫度預設定值進行補償校正，得出當前工況下分解爐出口溫度的最優設定值；然后分解爐溫度自動控制系統以此最優設定值作為系統的設定值，通過多模態控制規則自動識別出不同的模態，選擇相應的算法對變速積分PID控制進行校正，將分解爐溫度穩定在最優設定值上。

6 .結論

總之，在水泥生產中，分解爐溫度對于水泥能否正常生產具有重要的作用。分解爐出口溫度的高低，不僅決定了碳酸鹽分解的多少，而且決定了窯系統運行的穩定與否。因此，分解爐出口溫度是水泥生產中一個十分重要的工藝參數，它直接決定著生料入窯分解率，所以，有必要對水泥分解爐環節對溫度關鍵影響因素進行優化控制。

參考文獻：

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