水泥爐窯自適應(yīng)低氮煅燒控制思路探析

崔洪坤

（合肥水泥研究設(shè)計(jì)院有限公司， 安徽 合肥 230051）

0 引言

目前，我國(guó)水泥熟料生產(chǎn)進(jìn)入平穩(wěn)期，年平均18 億噸左右。但水泥行業(yè)產(chǎn)能過(guò)剩、勞動(dòng)強(qiáng)度大、熟料生產(chǎn)過(guò)程智能化程度低的現(xiàn)狀依然存在。生產(chǎn)控制條件主要由操作員經(jīng)驗(yàn)得出，過(guò)于依賴操作員的能力和經(jīng)驗(yàn)積累，存在人為因素影響大、科學(xué)性差、隨機(jī)性大等缺點(diǎn)[1]，而針對(duì)污染物排放特別是NOx 的排放，主要以末端選擇性非催化還原(selective noncatalytic reduction，簡(jiǎn)稱SNCR）被動(dòng)式的治理為主，生產(chǎn)過(guò)程和排放過(guò)程的結(jié)合度較低，人工控制滯后性的缺陷一直存在，造成現(xiàn)有生產(chǎn)過(guò)程熟料產(chǎn)質(zhì)量和污染物排放波動(dòng)較大、生產(chǎn)成本增加等問(wèn)題。基于以上問(wèn)題，需要一種智能的控制方法[2]，將水泥生產(chǎn)過(guò)程中熟料的產(chǎn)質(zhì)量和污染物特別是NOx 的排放有機(jī)的結(jié)合，以主動(dòng)控制污染物的排放量。為解決以上問(wèn)題，本文將探析一種融合預(yù)分解系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)的智能控制系統(tǒng)主要控制參數(shù)和思路[3]。

1 回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)控制思路

回轉(zhuǎn)窯的低NOx 煅燒技術(shù)路線如圖1 所示。要實(shí)現(xiàn)低氮煅燒，硬件系統(tǒng)方面包括設(shè)計(jì)窯頭的低氮燃燒器等，軟件方面需要智能控制算法。而智能控制算法的設(shè)計(jì)需對(duì)水泥窯爐生產(chǎn)進(jìn)行建模，建模的前提就是確定所需要的輸入輸出變量。根據(jù)圖1 的技術(shù)路線，結(jié)合回轉(zhuǎn)窯的生產(chǎn)工藝，回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)主要控制參數(shù)如表1 所示。

圖1 回轉(zhuǎn)窯低NOx 煅燒技術(shù)路線

表1 回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)主要控制參數(shù)

回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)的采集點(diǎn)為9 個(gè)，控制點(diǎn)3 個(gè)。

（1）對(duì)于一個(gè)日產(chǎn)量固定的水泥廠，生料量一般是相對(duì)固定的，但是也會(huì)因?yàn)槟承┮蛩匕l(fā)生改變。一旦生料喂料量改變，喂煤量和一次風(fēng)機(jī)頻率等必須要有相對(duì)應(yīng)的動(dòng)作。

（2）生料三率值是非常重要的參數(shù)，直接影響著熟料的煅燒品質(zhì)，因此必須納入到智能控制系統(tǒng)的建模范圍。針對(duì)目前的DCS 系統(tǒng)數(shù)據(jù)里無(wú)法自動(dòng)獲得，只能通過(guò)手動(dòng)輸入，所以需要在智能控制系統(tǒng)里設(shè)置人工輸入口，以便進(jìn)行建模分析。

（3）CO 含量和NOx 含量在窯尾煙室處有檢測(cè)，CO 含量的高低，反映了窯內(nèi)空氣供給和煤粉燃燒的狀況，窯內(nèi)生成的NOx 含量直接影響最終排放的NOx 含量。當(dāng)CO 含量和NOX含量不在正常范圍時(shí)，需要調(diào)整的控制參量為窯頭喂煤量、閥門(mén)開(kāi)度比、一次風(fēng)機(jī)頻率等。

（4）窯內(nèi)火焰溫度和窯電流直接影響著熟料的最后燒成，這兩個(gè)參量的變化由窯頭喂煤量、閥門(mén)開(kāi)度比進(jìn)行控制，而窯頭喂煤量和閥門(mén)開(kāi)度比的變化又會(huì)引起窯尾煙室溫度的變化，因此窯尾煙室溫度也得納入到建模系統(tǒng)里。

2 預(yù)分解系統(tǒng)控制思路

預(yù)分解系統(tǒng)的自適應(yīng)分級(jí)燃燒控制技術(shù)路線如圖2 所示。要實(shí)現(xiàn)低氮煅燒，硬件系統(tǒng)方面就是分析預(yù)分解系統(tǒng)與回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)結(jié)合的反應(yīng)特性，改造分解爐風(fēng)煤料的布置等，軟件方面需要智能控制算法。影響分解爐的因素有很多[4]，與上述回轉(zhuǎn)窯窯頭的變量選取原則一樣，結(jié)合圖2 的技術(shù)路線，預(yù)分解系統(tǒng)主要控制參數(shù)如表2 所示。

圖2 預(yù)分解系統(tǒng)自適應(yīng)煅燒燃燒控制技術(shù)路線

表2 預(yù)分解系統(tǒng)主要控制參數(shù)

預(yù)分解系統(tǒng)的采集點(diǎn)為6 個(gè)，控制點(diǎn)4 個(gè)。與窯頭的控制思路類(lèi)似，窯尾數(shù)據(jù)采集的六個(gè)重要參數(shù)：分解爐出口溫度、窯尾煙室高溫CO 氣體濃度、分解爐錐部溫度，不僅僅與窯尾喂煤量、窯尾分煤量、分料量等有直接關(guān)系，還與回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)等其他因素間接相關(guān)，因此兩個(gè)系統(tǒng)控制變量之間需要合理的模型和算法關(guān)聯(lián)。

3 模型建立

針對(duì)新型干法水泥回轉(zhuǎn)窯的自動(dòng)控制與系統(tǒng)[5]，結(jié)合前期技術(shù)儲(chǔ)備，初步設(shè)計(jì)四種建模方法：時(shí)間序列、BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、LSTM 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、機(jī)器學(xué)習(xí)，建模路線如圖3 所示。

圖3 水泥爐窯低氮煅燒智能控制系統(tǒng)建模路線

4 控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

基于上述的理論分析及模型設(shè)計(jì)，用C 與C++高級(jí)語(yǔ)言進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)，并封裝成各個(gè)模塊，然后整合在一起及形成最終的水泥窯爐低氮煅燒智能控制系統(tǒng)，如圖4。系統(tǒng)主要包括如下四個(gè)方面：智能控制算法；閾值管理；歷史數(shù)據(jù)庫(kù)；通信配置。

圖4 水泥爐窯低氮煅燒智能控制系統(tǒng)

5 結(jié)束語(yǔ)

水泥生產(chǎn)過(guò)程中，熟料生產(chǎn)是最重要也是最復(fù)雜的一個(gè)環(huán)節(jié)，熟料生產(chǎn)雖然自動(dòng)化程度已經(jīng)很高，但關(guān)鍵生產(chǎn)環(huán)節(jié)還是以人工操作為主，質(zhì)量、排放等控制也存在滯后性等問(wèn)題。本系統(tǒng)結(jié)合對(duì)水泥熟料生產(chǎn)過(guò)程中NOx 的釋放和產(chǎn)生規(guī)律，在兼顧常規(guī)生產(chǎn)控制的同時(shí)，重點(diǎn)對(duì)NOx 的過(guò)程量進(jìn)行相關(guān)智能控制，以降低熟料生產(chǎn)過(guò)程中的NOx 的產(chǎn)生量，給末端治理降低壓力和成本。本文僅對(duì)關(guān)鍵控制參數(shù)和思路進(jìn)行探析，未來(lái)將結(jié)合實(shí)際對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行不斷的完善和提高。