焙烧炉炉膛内部物料温度的精准控制

安丙峰 蒋勇铭

（1.天华化工机械及自动化研究设计院有限公司；2.中国石油青海油田井下作业公司生产服务中心）

在焙烧炉控温系统的设计中，最终的目的就是控制物料焙烧温度、焙烧时间等参数，使焙烧后的物料达到工艺要求，成为合格的产品。 在实际设计和生产过程中，对于成熟的工艺和设备来说，可以通过仅靠测量炉体转速、炉膛温度、烟气温度及烟气压力等参数来开环控制物料焙烧温度， 从而间接实现对焙烧物料焙烧温度的控制，生产出合格的产品。 但是对于新开发工艺和新焙烧物料来说， 焙烧炉的系统参数发生了变化，新的物料焙烧温度和炉体转速、炉膛温度、烟气温度及烟气压力等参数之间的关系需要重新建立。同样，从试验装置上得出的系统参数，放大到工业装置后，系统参数也发生了变化，需要重新建立新的控温模型。 在一些原材料价格高昂的物料焙烧过程中，通过大量的试验，反复摸索整套焙烧炉系统的系统参数是极为不合理的。 为此，笔者通过系统分析论证，提出一套针对以上问题的焙烧物料温度精准控制系统。

1 工艺流程简介

来自上游工序的物料由输送装置进入焙烧炉，焙烧炉设计一定倾角，物料在重力、炉筒内的抄板和炉筒转动的共同作用下，逐渐向焙烧炉尾部移动。 原料进料量大小是由进料旋转阀和进料螺旋的转速决定的，采集进料旋转阀的反馈频率作为衡量进料螺旋进料量大小的参数。 原料进料湿度、温度跟原料有关，随季节和环境温度的变化稍有不同，可忽略不计。 引风机风量、系统负压值由尾气抽吸系统决定，可通过调节引风机风门开度，调节引风机管线调节蝶阀开度来控制尾气抽吸系统的引风量和尾气系统负压值。 焙烧所需的热量由电阻丝提供，通电后的电阻丝通过辐射传热将炉筒加热，焙烧完成后的产品通过物料输送装置输送到后续工艺装置。 焙烧炉筒尾气从焙烧炉出料端引出至装置尾气处理系统。 工艺流程简图如图1 所示。

图1 焙烧工艺流程简图

2 系统设计

在温度控制系统方面，目前焙烧炉系统均通过炉膛温度来控制物料焙烧温度，而对物料产品性能影响的关键因素是炉筒内部的物料温度，这种方式没有将炉内实际焙烧物料的温度接入温控系统，是间接通过控制炉膛温度来控制焙烧物料的焙烧温度。 在测温方式上，由于焙烧炉炉体做连续转动，在焙烧炉炉体内安装测温元件不便于引线，温度信息不易传递，因此焙烧炉炉体测温是一个难点。 目前，采取的测温方式有接触式测温和非接触式测温，接触式测温方式中具有代表性的是利用中心保护管将测温元件伸入炉内，在炉筒内设置支撑，这种接触式测量方式的测量点数有限，且炉筒内部需要设置支撑，导致结构复杂，长期使用维护成本较高。 非接触式测量具有代表性的是红外测温方式，红外测温仪只能检测焙烧炉炉体表面温度，且其测量精度很容易受到检测点移动、检测时间及检测环境等诸多因素的影响， 焙烧炉系统是密闭的物料焙烧系统，物料焙烧温度可高达1 000 ℃， 无法使用非接触式测量方法测量焙烧物料的物料温度。

焙烧炉是高温转动设备，在焙烧炉控温系统中设计加入无线温度变送器作为测量物料温度的测温仪表，并且以无线温度变送器的温度值作为控制参数，通过调节炉膛电加热丝的加热功率直接控制焙烧炉焙烧物料的温度。 通过无线温度测量系统和数据转换，将焙烧炉物料焙烧温度值上传至PLC 控制系统进行检测和控制。 这样，整个焙烧炉控温系统就由之前的间接控温变成现在的直接通过调节电加热丝的加热功率来控制焙烧炉物料的焙烧温度。

如焙烧炉整体焙烧功率为300 kW， 分为3组加热，每组均为100 kW 的可调功率加热。 原有的焙烧炉系统中， 每一炉膛加热区由热电偶将炉膛温度送入PLC 控制系统中，PLC 控制系统根据炉膛温度来调节相应加热回路电加热丝的加热功率， 使得焙烧炉相应焙烧段的温度维持在某一设定值（例如950 ℃），控制方式为PID调节控制。 现经过改进，焙烧炉系统的控温方式变为由无线温度变送器直接测量焙烧炉炉内每一段的物料焙烧温度，通过无线温度变送器、发射器、 接收器将焙烧炉物料温度送入PLC 控制系统，PLC 控制系统根据相应焙烧段焙烧物料的实际测量温度来调节相应加热回路电加热丝的加热功率， 使得焙烧炉相应焙烧段的温度维持在某一设定值 （例如950 ℃）， 控制方式为PID调节控制。

每一段加热区的焙烧物料温度在PLC 控制系统中设置高温、低温报警和高高联锁。 当焙烧物料温度高温报警或低温报警后，应及时处理相应问题，使焙烧物料温度恢复到正常。 当焙烧物料温度高于高高联锁设定值时（例如1 100 ℃），PLC 控制系统自动切断相应的加热回路。 同时设置每一段加热区的焙烧炉炉膛温度在PLC 控制系统中的高温、低温报警和高高联锁。 当焙烧炉炉膛温度触发高温报警或低温报警后，应及时处理相应问题，使焙烧物料温度恢复到正常。 当焙烧炉炉膛温度高于高高联锁设定值时（例如1 100 ℃），PLC 控制系统自动切断相应的加热回路。 设置物料出口温度、尾气温度在PLC 控制系统中的高温、低温报警和高高联锁。 这样整个焙烧炉系统就可以直接控制焙烧物料温度，同时整个焙烧炉系统的安全性得以保障。

为了保证焙烧炉系统安全、经济、连续可靠的运行，控制系统选用S7 1500 PLC 和监控软件WinCC 对焙烧炉系统进行操作和监控，操作人员在中控室操作站上可实现对焙烧炉系统的启、停及正常运行工况的监测和控制，可监测系统内每一个模拟量和数字量、调整过程设定值，建立趋势画面并获得趋势信息，显示操作指导，声音报警及打印报表等，控制系统同时具备事故工况的报警、联锁和保护功能。

在焙烧炉系统中，物料焙烧温度的控制最为关键，针对不同的工艺需求，每一段物料焙烧温度可单独设置升温曲线、 恒温曲线和降温曲线，可根据工艺需求灵活设置。

在焙烧炉系统实际运行过程中，进料旋转阀进料量的大小直接影响焙烧炉系统焙烧温度。 如当前系统处于稳态运行中，为避免因引风机引风量、系统负压值或进料旋转阀进料量的突然增大或变小而引起的系统失调，在增大或减小引风机引风量、 系统负压值或进料旋转阀进料量频率时，宜缓慢增大或减小，以使系统能够平稳地运行。 为确保这点，在增大或减小进料旋转阀频率时，系统采用将原来的阶跃上升或阶跃下降变为斜线缓慢上升或斜线缓慢下降，其斜率的大小需要根据具体系统进行计算。

在焙烧炉系统调节过程中，当系统还未处于平稳运行时，操作员如改变了某一参数，比如减小引风机引风量、系统负压值等，这将会对正在调节中的系统造成很大的影响，有碍于整个系统的平稳运行。 为防止这种误操作，构架的控制系统设计了防止这种误操作的功能。

3 结束语

针对原有焙烧炉系统， 仅靠测量炉体转速、炉膛温度、烟气温度及烟气压力等参数，无法准确控制物料焙烧温度的问题， 通过分析论证，提出一套针对焙烧炉系统精准物料控温系统的设计方案。 在实际应用中，可以精确掌握焙烧物料的焙烧温度和焙烧时间， 有效地提高生产效率，节省生产成本，创造更高的经济效益。