水泥制造工艺系列讲座-分解炉温度的控制

水泥制造工艺系列讲座-分解炉温度控制摘要:分解炉有多种型式,其结构性能虽有差异,但要起的主要作用却是相同的:要使燃料燃烧的放热过程与生料碳酸盐分解的吸热过程在其中以悬浮态或流化态下极其迅速地进行,使入窑生料碳酸盐分解率提高,从而减轻窑的热负荷,提高窑的运转周期,提高产质量。

而分解炉的温度控制对整个预分解窑系统的热力分布,热工制度的稳定至关重要。

为此,作者对分解炉温度控制的有关几个问题进行讨论。

1 分解炉温度与燃料燃烧分解炉的温度取决于燃料燃烧过程的放热速率与生料分解过程的吸热速率。

当燃料燃烧放热速率慢,生料分解在接近平衡的条件下进行,分解炉的温度于860～920℃范围,燃料燃烧放出的热量就会迅速传递给生料,并被分解反应吸收。

但是,当燃料燃烧速率大于生料分解过程的吸热速率,燃料燃烧的热量大于生料分解所需的吸热量,此时分解炉的温度就会超过平衡温度范围。

从燃料燃烧的角度来看,分解炉内燃料的燃烧与回转窑内燃料燃烧有许多不同之处。

回转窑内燃料燃烧温度比分解炉内高得多,回转窑内燃料燃烧明显是受扩散控制的,而分解炉内燃料燃烧则有所不同。

由于分解炉温度远低于回转窑内燃料燃烧温度,故煤在分解炉内的燃烧时间受煤种类的影响比回转窑内的影响大得多。

如广东云浮水泥厂FCB分解炉容积偏小,结构上亦存在一些问题,当使用低挥发分、高灰分的低热值煤时,还原气氛十分严重,迅速导致结皮堵塞;而采用高挥发分、低灰分的高热值煤时情况则有所改善。

煤粉细度对于回转窑内的燃烧是相当敏感的,因为其是受扩散控制,即受边界层扩散时输送速率的控制;而煤粉细度对分解炉内燃烧的影响就没有在回转窑内那样敏感了。

问题还要回到分解炉温度与燃料燃烧的关系上来。

由于回转窑内燃料燃烧是受扩散控制的,增减10～20℃对于燃料的燃烧影响是甚微的。

但在分解炉内则明显不同。

如有的分解炉容积偏小,煤粉燃烬时间不足,以至还原气氛重,而降低分解炉的温度,减少分解炉用煤量,以图改变煤粉燃烧不完全、还原气氛的问题,但往往是事与愿违。

智能控制技术报告题目:基于模糊PID的水泥生产中分解炉的炉温控制院系：计算机科学与工程学院专业班级：计算机研究生学号：学生姓名：2013年 04 月 29 日目录1 报告简介 (3)2 水泥生产工艺简介 (3)2.1 水泥生产原理 (3)2.2 水泥生产设备 (3)2.2.1 回转窑 (4)2.2.2 预分解炉 (5)3分解炉主要控制参数 (5)4 分解炉温度控制的系统结构 (6)5 模糊PID系统设计 (7)5.1 三维模糊控制器结构 (7)5.2 模糊控制规则 (8)5.3 计算模糊控制量 (9)6 实验分析 (9)7 总结 (10)8 报告参考文献 (10)1 报告简介随着现在水泥生产工艺的发展，生产中单机容量大生产连续性强，各个环节协调性高。

在水泥的一些生产步骤中，需要精细化的控制来控制产品的质量。

本报告中所讨论的控制是基于干法水泥生产工艺。

主要的控制过程是分解炉的预分解过程中的稳定控制。

分解炉是预分解系统的核心部分，也是整个水泥生产系统中的重要部分，承担了预分解窑系统中煤粉燃烧、气固换热和碳酸盐分解任务，使入窑生料的分解率达到60％以上，有的甚至达到90％，大大减轻了回转窑分解系统的分解压力，同时大幅提高了回转窑单位有效容积的产量。

碳酸盐的有效分解需要一个相对稳定的温度，太高会造成预热器堵塞：太低则导致碳酸盐分解不充分，加大了窑系统的分解任务。

因此分解炉的温度控制对整个水泥生产的分解系统热工制度的稳定至关重要。

分解炉的温度是一个纯滞后、大惯性、非线性的复杂控制对象，影响因素很多，各因素之间耦合性强，因而难以用常规控制方法进行控制，实际生产中主要靠操作者凭经验来操控，当温度过低时，需要加大喂煤量，对于一个大时滞的系统，短时间很难看出温度的变化，在温度达到稳定之前，料量、三次风以及主排风机的波动．要求喂煤量作相应的改变，全凭经验操控，导致分解炉温度波动大，从而水泥生产率低，能耗高，质量不稳定。

水泥工艺系统培训知识（三）1．分解炉内的燃烧特点答：①辉焰燃烧当煤粉颗粒进入分解炉内，悬浮于气体中，经预热、分解、燃烧发出光和热，形成一个火星，无数的燃烧的小火焰充满全炉。

这种粉料颗粒散布于高温气流中，使粉料颗粒受热达到一定温度后固体颗粒发出光和热而辐射形成辉焰。

②分解炉内的温度分布由于炉内气流的旋流或喷腾运动，炉内的温度分布比较均匀，其特点为：分解炉的轴向及截面温度都比较均匀；炉内轴向温度由下到上逐渐升高，但变化不大；炉的中心温度较高，边缘温度较低。

③分解炉内的燃烧速度分解炉的燃烧速度影响着分解炉内的发热能力和炉内温度，从而影响着物料的分解率。

为适当加快燃烧速度，控制好炉温，应适当控制好燃料的种类、燃料加入点、燃料粒度、空气剩余系数等。

2．分解炉内和回转窑内的主要传热方式分别是什么答：分解炉内的主要传热方式是对流传热，其次是辐射传热；回转窑内的传热主要是辐射传热。

3．预分解窑物料运动的特点答：物料在预分解窑内运动的特点是流速均匀、时间较短，在窑内的停留时间约为一般回转窑的1/2~1/3。

入窑分解率的提高，减少了物料的窜动，为物料流速均匀创造了条件；高温带的延长和流速的稳定，为窑速的提高创造了条件。

4．预分解窑的操作要求答：①预分解窑的操作要求保持窑的发热能力与传热能力要平衡与稳定；②要保持窑内烧结能力与窑的预烧能力的平衡与稳定；③预分解窑的热源有两个，预烧能力主要依靠预热器、分解炉来完成，烧结能力主要由窑的烧成带来决定。

④为了能达到上述两个平衡，操作时必须做到前后兼顾，炉、窑协调，保证烧结温度与分解的预热温度，稳定窑、炉的热工制度。

5．预分解窑重点控制的工艺参数答：①烧成带的温度；一般要达到1300℃～1450℃才能顺利烧结反应。

通常用比色高温仪或辐射高温仪进行测温。

②窑尾的烟气温度；一般要控制在950℃～1100℃。

通常用热电偶或辐射高温仪进行测温，③分解炉的温度；一般为850℃～900℃。

水泥生产过程分解炉环节的优化控制研究摘要：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%。

因此，从国内分解炉控制现状出发，泥熟料的正常生产和水泥企业实现节采用先进控制技术，实现分解炉的优化控制，对水能降耗具有重要的意义。

关键词：水泥生产; 分解炉; 优化控制前言：我国水泥总产量居世界第一位，2011年，我国的水泥产量达20.6亿吨，占全球总量的50%以上，同时，我国的水泥行业也是全国能源消耗大户，其能源消耗总量约占全国总能源消耗的5%，颗粒排放物约占工业排放总量的30%，因此工业和信息化部制定的《水泥工业“十二五”发展规划》中明确提出力争2015年行业平均节能减排水平接近世界先进水平，因此，如何利用自动化技术实现水泥行业节能降耗成为当前水泥生产的研究重点与热点。

一、水泥分解炉工艺介绍分解炉作为预分解窑的核心设备，它的诞生和发展代表着国际水泥工业的先进水平，其主要功能就是来承担熟料锻烧过程中耗热最多的碳酸盐分解任务，保证进入回转窑内的生料分解率维持在90%以上。

CaCO3分解反应特性：CaCO3的分解反应为可逆反应，只有保证较高的化学反应温度、降低周围二氧化碳分压才能使CaCO3快速分解为CaO。

根据碳酸钙的特性可知，碳酸钙于600℃左右时开始分解，但由于反应温度较低，因此分解速度很慢。

随着反应温度的提高，到800~850℃时，分解速度显著加快，到900 ℃左右，碳酸钙分解出的二氧化碳分压可达1个大气压，此时，分解反应快速进行，因此绝大部分水泥企业将分解炉的出口温度控制在900℃左右，就是为了保证碳酸钙快速的分解，从而使入窑生料分解率达到90%以上。

同时，由碳酸钙分解反应方程式看出，碳酸钙分解需要吸收大量的热量，900℃时分解大约吸热1660kJ/kg。

二、分解炉出口温度的影响因素及调节方式在水泥生产中，分解炉温度对于水泥能否正常生产具有重要的作用。

第9卷第16期黑龙江科学V3 9 2018 年 8 月HEILONGJIANGSCIENCE August 2018水泥生产中分解炉环节的优化控制分析白峰(双鸭山新时代水泥有限责任公司，黑龙江双鸭山155126)摘要：水泥生产中的分解炉是十分重要的生产设备，主要功能是对碳酸盐进行有效的分解。

文章阐述了水泥生产过程中分解炉的控制现状，研究了分解炉控制目标及控制难点和分解炉优化控制设定。

关键词：水泥生产；分解炉；优化控制中图分类号：TP273 文献标志码：B文章编号：1674 -8646(2018)16 -0050 -02Optimization control analysis of decomposition furnace link in cement productionBAI Feng(Shuangyaslian New Era Cement Co.，Ltd. ，Shuangyaslian 155126，China)Abstract $The decomposition furnace in cement production is important production equipment，and its to effectively decompose carbonate.The article describes the control status of the decomposition furnace in the cement production process，and s tudies the control objectives and control dificulties of the decomposition furnace and the optimization control settings of t!ie decomposition furnace.Keywords:Cement production；Decomposition furnace；Optimization control水泥生产过程中，分解炉作为核心设备，它的主要 分解任务是对熟料炼制过程中所产生的碳酸盐进行有 效分解。

分解炉控制对于窑外分解窑来说，分解炉是其核心部分，它不仅承担了系统中燃料燃烧，气固换热，碳酸盐分解的任务，而且对整个烧成系统的热力分布，热工制度的稳定起着至关重要的作用，虽然现在应用的分解炉型式众多，结构各异，但其特点和具有的功能基本上都是一样的，都属于高温气固多相流反应器，且具有悬浮床的特征。

对于中控窑操作者来说：分解炉温度（包括分解炉本体温度和出口温度）是最重要的检测控制参数之一，因为它不但表征了生料在分解炉内的预分解情况，也就是生料在分解炉中分解率的高低（分解率的高低直接影响着回转窑运转的稳定性和熟料产、质量以及能耗的高低）；同时也表征了燃料在分解炉中的燃烧情况。

因此，作为中控窑操作员来说，要想操作好预分解窑，首先必须保证分解炉的热工制度稳定，要想使分解炉的热工制度稳定，就必须搞清楚以下几个问题：（1）燃料在分解炉中的燃烧传热特性及其影响因素；（2）生料在分解炉中的吸热分解速度及其影响因素；（3）气流在分解炉中运动对燃料燃烧放热和生料分解吸热的影响；（4）分解炉温度高低对回转窑煅烧的影响；（5）分解炉温度调节控制的原则与方法；（6）分解炉温度异常情况的原因与处理等。

下面就这几个问题谈一下个人的看法与认识。

不足之处，尚请指正。

一、燃料在分解炉中的燃烧、传热特性及其影响因素1.燃料在分解炉中的燃烧特性在分解炉中，燃料的燃烧传热特性与回转窑内燃料的燃烧传热特性有着本质上的区别。

回转窑内燃料的燃烧是扩散控制的过程，其火焰必须与回转窑内的煅烧制度相适应，即要求有一定的火焰形状、长度和温度。

通常我们所说的火焰形状为“毛笔头状”、“棒槌状”以及不正常时形成的“球形”火焰，“舔料形”火焰等就是这一特征的体现。

而当煤粉颗粒喷入分解炉后，在旋流和喷腾作用的影响下，使得煤粉颗粒浮游于热气流中，经过预热，分解——煤中的挥发分吸收热量放出氮、氢、氧等，燃烧发出光和热，形成一个一个的小火星，无数的煤粉颗粒便形成无数个迅速燃烧的小火星，这些小火星实质上也就是一个个的小火焰，它们在气流的悬浮作用下充满整个分解炉，从而在整个分解炉内都形成燃烧区。

分解炉的操作控制1.1 分解炉的热工特性分解炉的主要热工特性在于燃料燃烧放热、物料的吸热和分解这三个过程紧密结合在一起进行，燃烧放热的速率与物料分解吸热的速率相适应。

分解炉生产工艺对热工条件的要求是:炉内温度不宜超过1000℃，以防系统产生结皮及堵塞;燃烧速度要快，以保证供给碳酸盐分解所需的大量热量;保持窑炉系统具有较高的热效率和生产效率。

在分解炉中，燃料与生料混合悬浮于气流中，燃料迅速燃烧放热，碳酸盐迅速吸热分解。

由于燃烧速度快，发热能力高，满足了碳酸盐强吸热反应的需要;同时，碳酸盐的不断分解吸热，限制了气体温度的升高，使炉内温度保持在略高于碳酸盐平衡分解温度的范围。

1.1.1分解炉内的燃烧特点回转窑内燃料的燃烧属于有焰燃烧。

一次风携带燃料以较高的速度喷射于速度较慢的二次风气流中，形成喷射流股。

燃料悬浮于流股气流中燃烧，形成一定形状的火焰。

在分解炉内，燃烧用的空气也可分为一次风和二次风(又称系统的三次风)。

一次风携带燃料入炉，因风量较少且风速较低，燃料与一次风不能形成流股，瞬间即被高速旋转的气流冲击混合，使燃料颗粒悬浮分散于气流中。

物料颗粒之间各自独立进行燃烧，无法形成有形的火焰，看不见一定轮廓的有形火焰，只能看到无数小火星在炉内发光，并非一般意义的无焰燃烧，通常称为辉焰燃烧。

当使用燃料油时，油被雾化成无数小液滴，附着在料粉颗粒表面迅速燃烧，形成无焰燃烧，有利于物料的传热过程。

分解炉内无焰燃烧的优点是燃料均匀分散，能充分利用燃烧空间而不易形成局部高温，有利于全炉温度分布均匀，具有较高的发热能力。

物料均匀分散于许多小火焰之间，既有利于向物料传热，又有利于防止气流温度过高，很好地满足物料中碳酸盐分解的热工条件。

1.1.2分解炉内的传热在分解炉内，燃料燃烧速度很快，发热能力很高。

料粉分散于气流中，在悬浮状态下，气固相之间的传热面积极大，传热速率极快，燃烧放出的大量热量在很短的时间内被物料所吸收，既达到很高的分解率，又防止气流温度过高。

（二）、分解炉的工作原理与结构概述分解炉是把生料粉分散悬浮在气流中，使燃料燃烧和碳酸钙分解过程在很短时间(一般1．5～3秒)内发生的装置，是一种高效率的直接燃烧式固相一气相热交换装置。

在分解炉内，由于燃料的燃烧是在激烈的紊流状态下与物料的吸热反应同时进行，燃料的细小颗粒呈一面浮游，一面燃烧，使整个炉内几乎都变成了燃烧区。

所以不能形成可见辉焰，而是处于820～900℃低温无焰燃烧的状态。

水泥烧成过程大致可分为两个阶段：石灰质原料约在900℃时进行分解反应(吸热)；在1200～1450℃时进行水泥化合物生成反应(放热、部分熔融)。

根据理论计算，当物料由750℃升高到850℃，分解率由原来的25％提高到85～90％时。

每千克熟料尚须1670千焦的热量。

因此，全燃料的60％左右用于分解炉的燃烧，40％用在窑内燃烧。

近几年来窑外分解技术发展很快，虽然分解炉的结构型式和工作原理不尽相同，它们各有自己的特点，但是从入窑碳酸钙分解率来看，都不相上下，一般都达到85％以上。

由此看来，分解炉的结构型式对于入窑生料碳酸钙分解率的影响是不太大的。

关键在于燃料在生料浓度很高的分解炉内能稳定、完全燃烧，炉内温度分布均匀，并使碳酸钙分解在很短时间内完成。

我国某厂烧煤分解炉的结构示意图3—18。

分解炉由预燃室和炉体两部分组成，预燃室主要起预燃和散料作用，炉体主要起燃料燃烧和碳酸钙分解作用。

在钢板壳体内壁镶砌耐火砖。

由冷却机来的二次空气分成两路进入预燃室。

三级旋风筒下来的预热料，由二次空气从预燃室柱体的中上部带入预燃室。

约四分之一的分解炉用煤粉，从预燃室顶部由少量二次空气带入并着火燃烧，约四分之三左右的煤粉在分解炉锥体的上部位置喂入，以此来提高和调整分解炉的温度，使整个炉内温度分布趋于均匀，担任分解碳酸钙的主力作用。

炉体内的煤粉颗粒，虽被大量的惰性气体CO2和N2所包围，减少了与O2接触的机会，煤粉的燃烧速度就会减慢。

但由于进入预燃室的煤粉不受生料粉的影响，而且在纯空气中燃烧，形成引燃火焰，起到火种的作用，使预燃室出口处有明火存在，对煤粉起着强制着火作用。