密闭电石炉运行系统技术改造总结

范龙文

（内蒙古东源科技有限公司，内蒙古 乌海市 016040）

内蒙古东源科技有限公司电石炉是由大连重工机电设备成套有限公司制造和安装的新型密闭电石炉， 单台电石炉变压器额定总容量为40 500 kVA，单台电石炉设计生产能力为72 000 t/a，公司拟建设10 台电石炉， 目前6 台电石炉已建成并投入生产，为了进一步提高电石生产效率，降低工人劳动强度，改善工作环境，节能降耗，降本增效，通过多方面调研，结合电石生产运行实际情况，进行了电石炉净化灰氮气保护输送系统和电石出炉系统等一系列技术改造工作。

1 电石炉净化灰氮气保护输送系统的技术改造

1.1 运行中存在的问题

公司于2016 年5 月建成并且投用电石炉净化灰氮气保护输送系统， 该系统在运行过程中存在一些问题。

（1）原电石炉净化灰一级输送系统采用开式氮气保护输送，氮气不回收，每小时氮气用量超过1000 m3，仍然无法将全部净化灰完全输送至净化灰仓。 公司目前已无氮气气源可以保障系统稳定输送， 导致系统无法正常运行。

（2）电石炉净化灰料仓因设计不合理，导致仓内下灰不畅，需要人工捶打净化灰料仓仓壁辅助下灰。

（3）两条输送线同时开启运行时，无法满足输送要求，导致三级输送系统堵料严重。

针对以上问题， 对已建成投用的电石炉净化灰氮气保护输送系统进行了彻底的技术改造。

1.2 技术改造过程

根据电石生产运行实际情况， 制定科学合理的技术改造方案， 把原有开式氮气保护输送方式改造为氮气闭路循环输送方式， 将电石炉净化灰输送至厂内碳材干燥工序净化灰库中，作为燃料集中焚烧，用于烘干兰炭和焦炭。

将原系统一级氮气保护输送系统中发送罐出口起始管线改为DN80 管线， 整条输送线按DN80→DN100→DN125 逐级扩管；保留原净化灰仓，改造净化灰仓下料口，在仓壁增加氮气流化装置，使灰仓下料更加流畅，更换旧灰仓顶部除尘器，同时增加氮气回气管路以及仓顶氮气补气管路； 新增氮气闭路循环装置。考虑到公司实际需求，按照6 台电石炉净化灰氮气保护输送设计和改造，同时保留扩容到10 台电石炉净化灰输送的接口。

电石炉净化灰氮气保护输送系统共设4 条输送线。 1# 输送线负责将1# 电石炉的除尘净化灰输送至净化灰库内，该线每天设计出灰量约15 t，输送距离水平约310 m，垂直约20 m。 2#输送线负责将2#电石炉的除尘净化灰输送至净化灰库内， 该线每天设计出灰量约15 t， 输送距离水平约370 m， 垂直约20 m。 3# 输送线负责将3# 电石炉的除尘净化灰输送至净化灰库内，该线每天设计出灰量约15 t，输送距离水平约440 m，垂直约20 m。 4# 输送线负责将4# 电石炉的除尘净化灰输送至净化灰库内，该线每天设计出灰量约15 t，输送距离 水平约520 m，垂直约20 m。

上述4 条输送线，主要采用发送罐给料的“助推型密相流态化气力输送技术”，该输送方式的助推器从美国Dynamic Air 公司引进，对黏性物料的处理有非常理想的效果。 其原理是先利用压缩气体使电石炉净化灰粉料流态化， 再用压缩气体将流化的物料以高浓度、高压的方式实现物料的输送。这种输送方式速度低、浓度高、磨损少、震动小，特别适用于长距离、大流量的粉料输送。 其特点是低速、密相，耗气省，输送尾气分离简单等。

改造完成的“助推型密相流态化气力输送系统”在发送罐的锥部，设有多个助推器，可使输送气切向进入发送罐，使物料旋转流化，防止黏性物料粘壁架桥， 顺利进入输送管道。 主输送管路旁设置外旁通管，外旁通管沿程设置助推器和主输送管路相通。沿程设置的助推器为防止管道堵塞提供了可靠的解决方案，当管道内有堵管迹象（主要表现为压力变化、物料开始沉积等），助推器随即脉冲动作，扰动管内物料，使净化灰进入紊流状态并正常输送。即使遇到特殊情况（如空压机突然停机等），系统的余压也能保证将净化灰送到灰库。 即使有大量的净化灰沉积在管道内，系统重新启动后，管道沿程的助推器也能将沉积在管道内的净化灰送走， 确保输送管路不发生堵塞。

1.3 工艺技术要点

该项目控制系统根据生产工艺系统的分布状态， 采用集中控制方式对分布于厂内各车间的控制柜进行可靠控制，实现对4 条一级输送系统、3 条二级输送系统、3 条三级输送系统的自动控制。

中央控制系统配置1 台PLC 控制柜、2 台工业PC（含WINCC 软件）、5 台电气控制柜，电气控制柜均采用GGD 柜。 具体说明如下。

（1）系统控制设备放置在有人值守的控制中心机房内。

（2）采用西门子S7-1500 系列PLC 作为控制器， 配置相应的IO 模块， 组成完整的PLC 控制系统， 负责实现整个装置中一级输送系统氮气循环部分、二级输送系统、三级输送系统的程序控制。

（3）在工业PC 上组态整个输送系统的运行画面， 实时监控并记录所有系统的运行状态及运行数据（当异常时，可追溯历史数据分析系统异常原因），并可远程操作所有输送系统（含远程自动和远程手动），可根据运行状态修改运行参数。

（4）采用西门子S7-1200 系列PLC 作为控制器， 配置相应的IO 模块， 组成完整的PLC 控制系统， 负责实现整个装置中一级输送发送装置部分的程序控制。

（5）在触摸屏上显示整个输送系统的运行画面，实时监控，并可根据运行状态修改运行参数，必要时可实现独立运行。

一级输送系统在每套输送装置对应的车间控制室内配置1 台PLC 控制柜，采用触摸屏作为显示界面。并且在每套输送装置现场设置1 台防爆操作箱。功能如下。

（1）负责采集现场所有控制元件及仪表信号，并用电缆汇总后送PLC 控制柜。

（2）箱内设置集控电磁阀，用仪表气管与现场气动阀门进行连接。

（3）控制柜内门上设置手动操作开关和运行状态指示灯，可实现输送装置的就地手动操作，满足调试及检修要求。

二级和三级输送系统均在每条输送装置现场设置1 台现场防爆操作柱， 用于对应输送线的就地手操，满足调试及检修要求。

工业PC 与1500PLC 控制柜之间、1200PLC 控制柜与1500PLC 控制柜之间均采用PROFINET 光纤通讯。

电石炉净化灰氮气保护输送系统运行时， 控制系统自动检测各发送罐的料位状态， 当检测到某台发送罐高料位信号后， 系统会自动按操作过程对该发送罐进行送料。 根据系统总灰量，系统配备了相应的压缩机，压缩机的气量，允许有1 条输送线运行。若有1 台以上发送罐达到高料位时，系统会关闭相应发送罐的进料阀及排气阀，并按先后顺序对其进行依次输送。 另外， 系统也可以不等各发送罐达到高料位时，就对各发送罐进行排序依次输送（高料位优先）。

该项目输送线的输送距离较远， 为提高系统运行可靠性、降低输送阻力、减少管道磨损，输送管道采用分段逐级扩管设计，输送管线设3 级管段，其规格分别为：Ø89×6、Ø108×8、Ø133×8。 另外考虑系统运行时可能会发生堵料， 设计了堵料预警及在线排堵系统。输料管尾部设有压力变送器，当发生堵料工况时，料管尾部压力上升，会高于正常输送压力，此时，系统便启动在线排堵程序：关闭发送罐的流化充气阀和出料球阀， 管路气动阀控制的气路保持开启状态，并打开助推器管路控制阀，直至压力变送器达到正常值时，再恢复送料。若一段时间后还不能排通管路，则启动另一套手动排堵程序：通过交替开停排空管路手动阀和管路气动阀，使被堵的物料松动，直至排通，然后再恢复正常送料。 效果非常显著，至今未发生因堵料而影响物料的输送。

1.4 氮气压缩机的选型

在氮气回收系统中， 压缩机选型设计是非常重要的环节。 根据工艺需要，系统压缩机设2 台，1 用1备。 每台压缩机排气量约为14 m3/min，排气压力约0.7 MPa。项目压缩机按6 台电石炉90 t 净化灰输送量考虑， 如将来增加到10 台电石炉150 t 净化灰，只需再并联1 台同型号压缩机即可满足系统设计要求。

在氮气闭路循环输送系统中， 高低压氮气的平衡是关键。（1）系统设氮气自动补充管路及自动排放管路， 确保净化灰仓及回气系统处于微正压工作状态， 系统运行时净化灰仓及回气系统的压力范围在0～20 kPa。（2）为确保净化灰仓及低压区稳定的微正压，净化灰料仓、低压储气罐等处均设有压力检测及自动补气系统；（3）为确保整个回收系统高低压气量平衡，高压储气罐及低压储气罐上均设有压力检测，并在高、低压储气罐间设有自动回流装置；（4）为便于系统开停机时的氮气置换， 在高压端也设置新鲜氮气补气系统。

2 电石炉出炉系统的技术改造

2.1 技术改造原因

电石炉投产初期，采用人工出炉方式进行出炉，完成电石炉烧、开炉眼、清炉舌和堵炉眼等操作，出炉工工作环境恶劣、劳动强度大、安全风险高，频繁发生人身伤害和设备损坏等事故，因此，公司决定采用电石出炉作业机器人替代人工出炉。

2.2 技术改造过程

2019 年4 月，内蒙古东源科技有限公司通过多方面调研后， 决定委托北京朗信智能科技有限公司为公司设计制造和安装电石出炉作业机器人。 目前公司已完成6 台电石炉出炉作业机器人替代人工出炉方式的技术改造工作，并且均已正常使用。

2.3 技术工艺要点

电石炉出炉机器人系统采用电、液压伺服控制，系统主要包括液压传动系统、机械传动系统、智能控制系统、视频监控系统、远程操控系统、工具库以及辅助专用工具。 该系统是以液压站电机提供动力基础，使用液压泵将机械能转化为压力，推动液压油。通过控制各种阀门改变液压油的流向， 推动液压缸做出不同行程、不同方向的动作，完成各种设备不同的动作需要。 操作人员在中控室内通过人机交互平台可远程操控机器人，可实现烧眼、开眼、自动取/放工具、自动带钎、堵眼、修眼和清炉舌等功能，该机器人系统将出炉作业人员从炉前环境温度高、劳动强度大、安全风险高的人工作业现状中解放出来，充分满足了电石炉前作业的生产要求，作业效率明显提高。

电石炉出炉机器人远程控制系统采用分布式设计，由主控制台、车载电控箱、本地控制箱、液压控制箱组成，通讯采用CAN 总线控制方式。 线缆均有套号、标号等标示，安装和维护便捷。 主控制台具有控制按钮、人机界面软件和视频画面，通过两个摇杆控制机器人实现各个方向的运动， 配备手动/自动切换、取/放工具切换、烧穿器电源自动合闸/开闸、挡火门的自动打开/关闭、带钎、扒炉舌、堵眼、清理炉舌等选择开关用于机器人的手动操作，操作灵活、方便。 控制程序、组态采用失电保护措施，程序及组态不因系统停电而丢失，软件系统能够有效备份。所有的报警信息（过程报警、系统报警）可在操作台上实现声光报警， 联锁系统的预报警信号可同时在辅助操作台上实现声光报警。

自动化过程检测及控制主要检测点为烧穿电流、烧穿、开眼、拉眼位置、油温、油压等。

电石炉出炉机器人视频监控系统采用高清摄像头实现炉眼、机器人本体等现场的观测。 视频清晰，图像传输速度快， 方便操作者根据现场具体情况进行机器人操作。观测点6 路，其中包括正向观测炉口2 路，侧向观测炉舌及电石锅1 路，侧向观测炉眼及工具库2 路，观测现场全局1 路，观测液压站1 路。

该视频监控系统由一体化网络摄像机、 高性能台式计算机和相关网络设备等组成，具备如下功能。

（1）摄像头支持宽动态、强光抑制。 支持H.264实时编码，支持多码流，通过以太网传出视频数据。

（2）摄像机支持POE 供电，现场不用为摄像机单独铺设电源，降低故障率和维修工作量。

（3）摄像头自带20 倍光学变焦镜头，在远处也可清晰观察路口情况。通过网络信号可自动或手动变焦、对焦，调整光圈值、快门时间等各种摄像机参数。

（4）采用高性能工业硬盘录像机并配有大容量硬盘和视频预览存储软件，支持多通道实时间预览、即时回放、查询和回放录像文件。可自由拷贝历史录像文件。 视频监控系统中配备硬盘录像机，满足30天的录像存储。

（5）高性能录像机带有VGA、HDMT、DP 接口，支持多屏输出。

（6）采用知名品牌网络交换机，支持1EEE 802.3af标准POE 供电， 支持1EEE 802.3X 全双工流控与Backpressure 半双工流控， 支持端口自动翻转（Auto MDI/MDIX）功能。

（7）采用能够耐强光及高温的监控摄像头。

（8）高清数字化图像监控系统，远离炉眼高温区安装也能取得高清视频图像， 摄像头变焦倍数1.68～20 倍，无需额外增加冷却系统，有效提高了摄像头的寿命。与模拟信号相比，视频图像的清晰度高。

电石炉出炉机器人机械传动系统可实现较大范围的操作， 达到机器人及工具在空间布置上合理有效。其传动部分完全内置，电气元器件及液压元件选用国内外知名品牌产品， 能够在满足电石炉出炉机器人系统各项操作的基础上，实现长周期稳定运行。该电石炉出炉机器人具备升降和俯仰自由， 更好地适应炉眼高度和角度的变化。

电石炉出炉机器人的液压动力和液压控制系统采用分布式设计，液压动力站位于机房内，液压控制阀组部分位于机器人本体内，之间使用3 根油管连接，便于安装和维护。 液压站配置降温及加热装置对液压油的温度进行高效控制，将液压油温控制在最佳值。

采用该机器人系统后， 一名操作人员在远程控制室操作控制终端， 控制电石炉出炉机器人完成电石炉前作业的完整顺序操作。现场辅助人员1 人，且所有操作均在电石炉前作业的完成顺序操作时间之外完成。单台电石炉出炉岗位可以减少至2 人，既保证安全生产又实现了减员增效。

3 技术改造效果和综合效益

3.1 电石炉净化灰氮气保护输送技术改造效果和经济效益

电石炉净化灰氮气保护输送系统通过技术改造后， 解决了电石炉净化灰无法送至净化灰仓、净化灰仓下灰不畅，和净化灰输送系统堵料严重等问题，电石炉净化灰氮气保护输送系统实现了正常稳定运行，满足了电石生产工艺、安全和环保要求，保证了公司电石生产安全、正常、稳定和高效运行；同时， 大大降低了电石炉净化灰氮气保护输送系统氮气用量， 电石炉净化灰废料得到了充分回收和循环利用。 改造项目完成投用后，为公司节约资金约400 万元/a，降低了公司电石生产成本，提高了公司经济效益。

3.2 电石出炉系统改造效果和综合效益

电石出炉作业机器人项目投用后， 实现了电石出炉作业机器人系统代替人工出炉作业和生产过程智能优化控制，电石出炉作业安全性高、稳定性好、生产效率高、运营维护便捷，符合国家电石行业政策要求。既增加经济效益又增加社会效益，满足政府对安全、环保和能源方面的硬性要求。

通过电石炉出炉系统的技术改造， 电石出炉各项功能全部实现并达到使用要求， 降低了电石出炉员工的工作强度，改善了电石生产工作环境，降低了人工作业风险，保证了电石炉生产更加安全和稳定，电石产量和质量明显提高， 安全效益和经济效益大大提升。 单台电石炉增加利润约300 万元/a，提高了公司市场竞争力。