回轉窯看火的現狀與進展

天津水泥工業設計研究院有限公司，天津 300400

水泥生料轉變為水泥熟料的煅燒過程，是水泥生產的核心工藝環節，而煅燒過程的核心工藝設備就是水泥回轉窯。在水泥回轉窯中，從預熱器輸入的物料在這里發生物理化學反應，生成水泥熟料；在窯頭加入的煤粉在這里燃燒，放出熱量。回轉窯的運轉情況直接影響水泥窯燒成系統的運行、水泥熟料的產量和質量。

水泥窯在運行過程中不斷旋轉，物料在運動、氣體在流動、氣體與煤粉在燃燒、煙氣與物料、物料與耐火材料之間發生傳熱，還附帶有物料中低沸點物質的蒸發、氣固相傳質、物料的固相與液相轉變等復雜反應。由于回轉窯并非一個固定的設備，因此熱工測量儀表只能在窯頭、窯尾安裝，無法直接獲取窯內的相關參數。中控操作員實際生產過程中，實際上是使用窯尾溫度壓力氣體成分，窯頭溫度壓力、筒體掃描儀等在線數據，及熟料f-CaO、立升重、熟料化學分析等間歇性數據，配合窯頭火焰攝像機或現場看火，來綜合判斷窯內的溫度，即實際燃燒狀態。

1 傳統人工看火

看火是從濕法長窯、立波爾窯、中空窯等傳統窯操作中流傳下來的。因為傳統窯的熱工測量儀表更少，所以看火是判斷用風、頭煤、喂料量、窯皮厚度等問題的重要手段。隨著新型干法窯、第二代新型干法窯的到來，窯尾氣體成分、溫度、壓力等參數均可測量，看火重要性有所下降。但是看火仍然是判斷熟料燒成結粒、一次風風量是否合理、二次風是否充足、窯前結皮情況、黑火頭情況等問題的重要手段，仍然有其存在價值［1］。傳統看火目前是中控看火為主，現場看火為輔。

1.1 現場看火

現場看火，就是親自在回轉窯窯頭看火。一般肉眼觀察的“正常火”的特征如下：第一，窯內的火焰主體顏色發白，位置穩定不飄動；第二，物料略顯白色，窯口處的熟料顆粒大小均一，以5～20mm 的顆粒為主，熟料顆粒帶起高度均衡；第三，生料黑影位置處在相對固定的位置。隨著現代檢測技術的發展，非接觸式的光學比色溫度計在水泥行業得到了應用，可以通過測量火焰/燒成帶溫度來判斷回轉窯內的溫度情況。但是，光學比色溫度計只能測量單一點溫度，所以容易受到回轉窯內熟料粉塵、顆粒物的干擾，造成數據失真，因此實際應用價值并不比肉眼看火大多少。

1.2 中控遠程看火

中控遠程看火，就是在中控室通過窯頭攝像頭對窯內情況進行觀察。觀察的基本判斷方法與現場看火一致。中控看火相比現場看火有如下幾個優點：一是降低了現場看火的危險性，由于窯頭一般為正壓，窯頭看火時不可避免面臨有正壓噴出傷人的風險，中控看火遠離現場，安全性得到了保證；二是由于采用屏幕顯示攝像頭圖像，減少因為肉眼色差導致的觀察效果不同導致的判斷結果不同；三是看火由間歇操作改為連續操作，操作人員不再需要專門前往現場觀察。如王煒峰［2］在回轉窯上采用CCD 攝像機、同軸電纜將火焰圖像顯示在中控室，提高了火焰檢測的靈敏度和識別能力。

但是，不管是現場看火，還是中控看火，均是人工看火，是一種感性的觀察，不能轉變為數字信息。同時，人工看火不可避免的受到人的經驗、責任心、關注度等因素的影響。將看火這一人工感性的工作，轉變為以圖形處理技術和人工智能技術為基礎的計算機看火工作，輸出數字信息，才是看火這一古老工作的發展方向［3］。

2 計算機看火（輔助檢測看火技術）

計算機看火即輔助檢測看火。由于火焰融合了水泥窯燒成系統的連續即時信息，輔助檢測計算機看火技術對于改善水泥生產工藝操作和熟料質量具有重要的意義。國內不少研究者將圖形處理技術和人工智能技術融合，有力的推動了計算機看火技術的進步。

王補宣［4］在國內較早針對小規模火焰的溫度分布進行測量，從而求得圖像亮度和火焰溫度的對應函數關系，再利用黑體理論進行輔助標定，最終獲得了火焰圖形亮度與溫度的回歸模型。

周懷春［5］在光學測量火焰溫度方面進行大量的研究，提出了利用CCD 相機的單色法技術，針對某一特定范圍內的溫度進行計算。隨著CCD 相機技術的發展，周懷春等又利用單色法技術和雙色發技術針對火焰溫度和黑度進行更加深入的研究，并在工業現場得到了驗證。

袁南兒［6］在水泥行業較早的研究輔助檢測看火技術。其利用攝像機、紅外掃描儀器、視頻數據卡等設備，利用計算機處理圖像信號，提取出水泥回轉窯燒成帶最低、平均、最高溫度，物料帶起高度，回轉窯填充率，火焰長度等特性信息，并做到數據即時在線顯示，對水泥工藝操作有一定的參考價值。

方千山［7］利用MATLAB 軟件的圖像處理功能，對窯頭攝像機拍攝的水泥窯火焰圖像進行處理，將整個畫面劃分為幾個獨立的溫度區域，可以得到各個區域內的溫度情況。其思路就是將人工看火提升為計算機看火，為后續的輔助檢測看火技術發展奠定了堅實的基礎。

章立新［8］通過窯頭CCD 攝像頭獲取水泥回轉窯火焰畫面信息，利用VC++編程，對圖像信息進行濾波及分析，獲取了火焰溫度、長度，黑火頭尺寸，物料隨回轉窯上揚高度及溫度等信息，可以對回轉窯的自動控制提供有效的輔助檢測信號。

趙英杰［9］利用CCD 獲取圖形信息后，處理為24 位RGB 信號，將火焰按照灰體進行比色法測溫，先求出每個區域塊的平均灰度，進一步計算出每個區域塊的平均溫度，最后得到整個燒成帶的熟料溫度；而針對火焰溫度則是先篩選出高灰度區域作為火焰區域，然后計算火焰溫度；針對回轉窯窯壁溫度則是結合水泥燒成工藝特點將CCD 圖像中的特定區域定義為窯壁，按照類似燒成帶熟料的方法計算出窯壁溫度。趙英杰認為，熟料溫度是比火焰溫度更加重要的工藝參數，值得廣大水泥工作者注意。

劉建浩［10］發明一種與快門無關的圖像處理標定方法，并利用該方法對原有的CCD 溫度檢測進行校正，并對玻璃窯進行溫度探測。通過對比，該方法精度高于原有系統，使用上不增加計算量負擔，是一種改進計算機看火技術的方法，該方法輔助看火結果與回轉窯運行工況匹配程度高，對回轉窯工藝操作優化有一定價值，有助于回轉窯的安全運行與節能減排。

唐華兵［11］［12］基于計算機、網絡通信技術的進步，開發了基于千兆網絡的CCD 火焰溫度輔助檢測模型，該模型可以在實驗室富氧燃燒火焰溫度測量和水泥回轉窯溫度檢測使用。在實驗室條件下，輔助檢測看火技術得到的溫度與實測溫度誤差僅31℃，不足1.5%；在5000t/d 熟料生產線進行現場應用，火焰溫度為1650℃～1800℃之間，物料溫度在1400℃～1500℃，與實際值基本吻合。該系統既能實現回轉窯內溫度的在線監測，同時也能對回轉窯內溫度超過限制進行預警，在一定程度上可以替代傳統看火，是一項非常有前途的技術。

目前來看，雖然輔助檢測看火技術已經取得了長足進步，但是仍然有其不足，主要體現在以下幾點：第一，目前攝像頭仍然受到窯內粉塵等因素的嚴重干擾，需要人工定期進行干預，無法完全脫離操作員運行；第二，窯內粉塵嚴重，目前的識別判斷模型仍然存在一定提升空間；第三，目前輔助檢測看火與水泥窯全自動運行的要求，實際上還有一定的差距。但是隨著技術的進步，在可預期的將來，計算機看火必然能夠逐步替代人工看火。

3 總結

水泥窯傳統看火，目前還有其重要的作用，不可能完全被替代。而且隨著圖像處理、人工智能等技術的興起，計算機看火，即輔助檢測看火技術的技術越來越完善，是一項非常有前途的技術。