水泥生产过程分解炉环节的优化控制分析

白江海

【摘 要】我们认识到水泥分解炉是一个复杂的化学反应器，其内的气固流动、化学反应等现象是十分复杂的过程，是一个典型的非线性、多变量强祸合、不确定干扰多的复杂控制对象。而在水泥分解炉温度控制中，分解炉喂煤量是水泥工业生产过程中复杂且至关重要的过程，但是决定喂煤量的因素很多，按照常规的控制方法很难达到满意的控制效果。基于此，本文就针对水泥生产过程分解炉环节的优化控制展开分析。

【关键词】水泥；分解炉；优化控制

1. 引言

分解炉的主要功能是承担生料分解任务，其耗煤量巨大，约占水泥烧成过程的60%。由于生料预分解过程的工况条件变化频繁并且测控点少，这使得在实际生产中经常出现分解炉温度大幅波动的现象。温度过高容易引起预热器结皮，影响窑系统正常运行；温度过低，则造成入窑分解率过低，增加窑系统负担，不能充分发挥分解炉的作用。因此，分解炉出口温度的控制，既对水泥企业实现节能降耗具有重要的意义，又影响着水泥生产的正常进行。

2 .水泥生产过程分解炉环节优化控制的意义及其主要控制参数

2.1 意义

分解炉作为预分解窑的核心设备，其主要功能是承担熟料锻烧过程中耗热最多的碳酸盐分解任务，其耗煤量巨大，约占水泥烧成过程的60%。国内水泥生产中存在的生产工况变化频繁、测控点少的问题和分解炉自身非线性、大滞后、时变的特性使得传统的控制方法和国外的控制系统在国内水泥企业均无法取得理想的应用效果。目前，国内分解炉控制大多数采用人工控制，存在著分解炉温度波动大、熟料产量低、质量差并且能耗大等问题，分解炉环节自动控制在水泥企业未得到广泛推广，优化控制更是涉及较少。因此，从国内分解炉控制现状出发，采用先进控制技术，实现分解炉的优化控制，对水泥熟料的正常生产和水泥企业实现节能降耗具有重要的意义。

2.2 分解炉的主要控制参数

2.2.1 煤粉流量的波动。

实际生产表明，在入分解炉空气量保持不变的情况下，适当增加煤粉的流量，会使炉内温度上升；反之，若减少煤粉的流量，会使炉内温度下降。但当输入过量的煤粉时，未燃尽的煤粉进入最下一级旋风筒内继续燃烧，使得旋风筒下部温度比分解炉出口温度都高，炉内温度下降。实践证明，连续准确地对窑系统进行喂煤，是稳定窑的热工制度、降低煤耗、保证设备安全运转的关键因素。

2.2.2 分解炉生料流量的波动。

根据预分解窑的工艺流程，生料粉末在很短的时间内在各级预热器中与热气流充分混合，进行热交换，经四级旋风预热器进入分解炉。而且，当生料瞬时流量过大时，会使炉内温度下降；反之，当生料瞬时流量过小时，会使炉内温度上升。

3. 水泥生产过程分解炉控制的研究现状

分解炉内的物理、化学过程存在着许多复杂因素，高温情况下的气固流动，化学反应过程变量甚多，煤粉燃烧、生料分解、气固热交换等过程相互影响、交叉，共同影响着分解炉的温度控制过程，建立分解炉精确地数学模型十分困难。。

入窑生料中的分解率指标等无法在线测量，一般需要在蓖冷机的出口人工取样，化验分析数据两小时一次。水泥熟料指标中的f-Ca0以及升重指标，水泥熟料质量指标及入窑生料指标难以在线测量，难以实现质量指标的直接闭环控制的问题。

分解炉喂煤量、送风量的大小与生料喂人量密切相关，当生料量变化时，分解炉温度也会随之发生变化，此时需改变分解炉的喂煤量，调整因喂料量变化而引起的温度波动，以重新建立一个平衡热工制度。在此过程中，由于分解炉内部发生的物理、化学反应非常复杂，煤粉燃烧放出的热量并不能按照线性关系影响着分解炉的温度。因此，连续准确地对分解炉进行喂煤、供料和送风，是稳定预分解窑系统热工制度、降低煤耗、保证设备安全运转的关键因素。

4. 水泥生产过程分解炉出口温度的影响因素及调节方式

4.1 影响分解炉温度的关键因素

4.1.1 窑尾喂煤量对温度的影响。

当入炉空气量维持稳定时，窑尾喂煤量增加，引起分解炉温度上升；反之，窑尾喂煤量减少，引起分解炉温度下降，但窑尾喂煤量过多，会导致煤粉不能完全燃烧，从而使废气中CO含量高，并易引起旋风筒结皮堵塞，引发生产事故。因此，窑尾喂煤的连续准确是使分解炉出口温度稳定在工艺要求的合理波动范围之内，从而保证分解炉热工制度稳定的关键因素。

4.1.2 入炉生料量对温度的影响。

当入炉生料量较小时，会导致分解炉出口温度较高，这不仅使热耗增加，也不利于分解炉的热工稳定，从而影响熟料的烧成；相反，当入炉生料量较大时，会导致分解炉出口温度较低。

4.1.3 三次风对温度的影响。

影响分解炉温度的主导因素是三次风的温度与风量，风量要适度，而温度则越高越好，但影响风量的有关因素很多，它不仅受到系统内总排风的制约，也受到窑炉内用风平衡制约，一般，不允许操作员去调节。

4.1.4 尾煤压力对温度的影响。

当尾煤压力突变时，会造成窑尾喂煤实际给定突然增加，这就直接导致分解炉温度的急剧上升，对水泥正常生产带来不利的影响。

4.2 分解炉出口温度的调节方式

4.2.1 改变窑尾喂煤量。

由影响分解炉温度的关键因素得知，窑尾喂煤量的改变主要是调节分解炉温度，因此在水泥企业一般采用改变窑尾喂煤量的方式调节分解炉出口温度。

4.2.2 改变生料流量。

生料流量的改变影响着分解炉温度的变化，但由于水泥生产要求产量保持稳定，因此生料流量大小的调节在水泥企业一般不作为分解炉出口温度调节的手段。综上，可以得知在水泥企业一般采用改变窑尾喂煤量的方式调节分解炉出口温度。另外对分解炉出口温度也有影响的尾煤压力、生料流量、生料成分、三次风等一般作为干扰变量存在。

5 .水泥生产过程分解炉环节优化控制系统的总体方案设计

为解决分解炉控制中存在的控制难点，完成分解炉控制目标，根据上述工艺分析，提出水泥生产分解炉环节的优化控制方案具体实现如下：

将水泥生产分解炉环节优化控制系统分为两部分进行设计，即分解炉温度优化设定系统和分解炉温度自动控制系统。分解炉温度优化设定系统根据由生料三率值KH，n，p和生料细度建立起的基于LS-SVM的分解炉温度预设定模型得出分解炉出口温度的预设定值，然后经基于专家系统的温度设定补偿模型和基于Fuzzy系统的温度设定校正模型对分解炉温度预设定值进行补偿校正，得出当前工况下分解炉出口温度的最优设定值；然后分解炉温度自动控制系统以此最优设定值作为系统的设定值，通过多模态控制规则自动识别出不同的模态，选择相应的算法对变速积分PID控制进行校正，将分解炉温度稳定在最优设定值上。

6 .结论

总之，在水泥生产中，分解炉温度对于水泥能否正常生产具有重要的作用。分解炉出口温度的高低，不仅决定了碳酸盐分解的多少，而且决定了窑系统运行的稳定与否。因此，分解炉出口温度是水泥生产中一个十分重要的工艺参数，它直接决定着生料入窑分解率，所以，有必要对水泥分解炉环节对温度关键影响因素进行优化控制。

参考文献：

[1]郭王景，袁铸钢，申涛.基于水泥分解炉工况分析的优化控制[J].2015.

[2]温晓玲.水泥余热分解炉系统中模糊控制策略的实现[J].2014.

[3]郭王景，袁铸钢，申涛，基于水泥分解炉工况分析的优化控制[J].2015.endprint