密閉電石爐運行系統技術改造總結

范龍文

（內蒙古東源科技有限公司，內蒙古 烏海市 016040）

內蒙古東源科技有限公司電石爐是由大連重工機電設備成套有限公司制造和安裝的新型密閉電石爐， 單臺電石爐變壓器額定總容量為40 500 kVA，單臺電石爐設計生產能力為72 000 t/a，公司擬建設10 臺電石爐， 目前6 臺電石爐已建成并投入生產，為了進一步提高電石生產效率，降低工人勞動強度，改善工作環境，節能降耗，降本增效，通過多方面調研，結合電石生產運行實際情況，進行了電石爐凈化灰氮氣保護輸送系統和電石出爐系統等一系列技術改造工作。

1 電石爐凈化灰氮氣保護輸送系統的技術改造

1.1 運行中存在的問題

公司于2016 年5 月建成并且投用電石爐凈化灰氮氣保護輸送系統， 該系統在運行過程中存在一些問題。

（1）原電石爐凈化灰一級輸送系統采用開式氮氣保護輸送，氮氣不回收，每小時氮氣用量超過1000 m3，仍然無法將全部凈化灰完全輸送至凈化灰倉。 公司目前已無氮氣氣源可以保障系統穩定輸送， 導致系統無法正常運行。

（2）電石爐凈化灰料倉因設計不合理，導致倉內下灰不暢，需要人工捶打凈化灰料倉倉壁輔助下灰。

（3）兩條輸送線同時開啟運行時，無法滿足輸送要求，導致三級輸送系統堵料嚴重。

針對以上問題， 對已建成投用的電石爐凈化灰氮氣保護輸送系統進行了徹底的技術改造。

1.2 技術改造過程

根據電石生產運行實際情況， 制定科學合理的技術改造方案， 把原有開式氮氣保護輸送方式改造為氮氣閉路循環輸送方式， 將電石爐凈化灰輸送至廠內碳材干燥工序凈化灰庫中，作為燃料集中焚燒，用于烘干蘭炭和焦炭。

將原系統一級氮氣保護輸送系統中發送罐出口起始管線改為DN80 管線， 整條輸送線按DN80→DN100→DN125 逐級擴管；保留原凈化灰倉，改造凈化灰倉下料口，在倉壁增加氮氣流化裝置，使灰倉下料更加流暢，更換舊灰倉頂部除塵器，同時增加氮氣回氣管路以及倉頂氮氣補氣管路； 新增氮氣閉路循環裝置。考慮到公司實際需求，按照6 臺電石爐凈化灰氮氣保護輸送設計和改造，同時保留擴容到10 臺電石爐凈化灰輸送的接口。

電石爐凈化灰氮氣保護輸送系統共設4 條輸送線。 1# 輸送線負責將1# 電石爐的除塵凈化灰輸送至凈化灰庫內，該線每天設計出灰量約15 t，輸送距離水平約310 m，垂直約20 m。 2#輸送線負責將2#電石爐的除塵凈化灰輸送至凈化灰庫內， 該線每天設計出灰量約15 t， 輸送距離水平約370 m， 垂直約20 m。 3# 輸送線負責將3# 電石爐的除塵凈化灰輸送至凈化灰庫內，該線每天設計出灰量約15 t，輸送距離水平約440 m，垂直約20 m。 4# 輸送線負責將4# 電石爐的除塵凈化灰輸送至凈化灰庫內，該線每天設計出灰量約15 t，輸送距離 水平約520 m，垂直約20 m。

上述4 條輸送線，主要采用發送罐給料的“助推型密相流態化氣力輸送技術”，該輸送方式的助推器從美國Dynamic Air 公司引進，對黏性物料的處理有非常理想的效果。 其原理是先利用壓縮氣體使電石爐凈化灰粉料流態化， 再用壓縮氣體將流化的物料以高濃度、高壓的方式實現物料的輸送。這種輸送方式速度低、濃度高、磨損少、震動小，特別適用于長距離、大流量的粉料輸送。 其特點是低速、密相，耗氣省，輸送尾氣分離簡單等。

改造完成的“助推型密相流態化氣力輸送系統”在發送罐的錐部，設有多個助推器，可使輸送氣切向進入發送罐，使物料旋轉流化，防止黏性物料粘壁架橋， 順利進入輸送管道。 主輸送管路旁設置外旁通管，外旁通管沿程設置助推器和主輸送管路相通。沿程設置的助推器為防止管道堵塞提供了可靠的解決方案，當管道內有堵管跡象（主要表現為壓力變化、物料開始沉積等），助推器隨即脈沖動作，擾動管內物料，使凈化灰進入紊流狀態并正常輸送。即使遇到特殊情況（如空壓機突然停機等），系統的余壓也能保證將凈化灰送到灰庫。 即使有大量的凈化灰沉積在管道內，系統重新啟動后，管道沿程的助推器也能將沉積在管道內的凈化灰送走， 確保輸送管路不發生堵塞。

1.3 工藝技術要點

該項目控制系統根據生產工藝系統的分布狀態， 采用集中控制方式對分布于廠內各車間的控制柜進行可靠控制，實現對4 條一級輸送系統、3 條二級輸送系統、3 條三級輸送系統的自動控制。

中央控制系統配置1 臺PLC 控制柜、2 臺工業PC（含WINCC 軟件）、5 臺電氣控制柜，電氣控制柜均采用GGD 柜。 具體說明如下。

（1）系統控制設備放置在有人值守的控制中心機房內。

（2）采用西門子S7-1500 系列PLC 作為控制器， 配置相應的IO 模塊， 組成完整的PLC 控制系統， 負責實現整個裝置中一級輸送系統氮氣循環部分、二級輸送系統、三級輸送系統的程序控制。

（3）在工業PC 上組態整個輸送系統的運行畫面， 實時監控并記錄所有系統的運行狀態及運行數據（當異常時，可追溯歷史數據分析系統異常原因），并可遠程操作所有輸送系統（含遠程自動和遠程手動），可根據運行狀態修改運行參數。

（4）采用西門子S7-1200 系列PLC 作為控制器， 配置相應的IO 模塊， 組成完整的PLC 控制系統， 負責實現整個裝置中一級輸送發送裝置部分的程序控制。

（5）在觸摸屏上顯示整個輸送系統的運行畫面，實時監控，并可根據運行狀態修改運行參數，必要時可實現獨立運行。

一級輸送系統在每套輸送裝置對應的車間控制室內配置1 臺PLC 控制柜，采用觸摸屏作為顯示界面。并且在每套輸送裝置現場設置1 臺防爆操作箱。功能如下。

（1）負責采集現場所有控制元件及儀表信號，并用電纜匯總后送PLC 控制柜。

（2）箱內設置集控電磁閥，用儀表氣管與現場氣動閥門進行連接。

（3）控制柜內門上設置手動操作開關和運行狀態指示燈，可實現輸送裝置的就地手動操作，滿足調試及檢修要求。

二級和三級輸送系統均在每條輸送裝置現場設置1 臺現場防爆操作柱， 用于對應輸送線的就地手操，滿足調試及檢修要求。

工業PC 與1500PLC 控制柜之間、1200PLC 控制柜與1500PLC 控制柜之間均采用PROFINET 光纖通訊。

電石爐凈化灰氮氣保護輸送系統運行時， 控制系統自動檢測各發送罐的料位狀態， 當檢測到某臺發送罐高料位信號后， 系統會自動按操作過程對該發送罐進行送料。 根據系統總灰量，系統配備了相應的壓縮機，壓縮機的氣量，允許有1 條輸送線運行。若有1 臺以上發送罐達到高料位時，系統會關閉相應發送罐的進料閥及排氣閥，并按先后順序對其進行依次輸送。 另外， 系統也可以不等各發送罐達到高料位時，就對各發送罐進行排序依次輸送（高料位優先）。

該項目輸送線的輸送距離較遠， 為提高系統運行可靠性、降低輸送阻力、減少管道磨損，輸送管道采用分段逐級擴管設計，輸送管線設3 級管段，其規格分別為：?89×6、?108×8、?133×8。 另外考慮系統運行時可能會發生堵料， 設計了堵料預警及在線排堵系統。輸料管尾部設有壓力變送器，當發生堵料工況時，料管尾部壓力上升，會高于正常輸送壓力，此時，系統便啟動在線排堵程序：關閉發送罐的流化充氣閥和出料球閥， 管路氣動閥控制的氣路保持開啟狀態，并打開助推器管路控制閥，直至壓力變送器達到正常值時，再恢復送料。若一段時間后還不能排通管路，則啟動另一套手動排堵程序：通過交替開停排空管路手動閥和管路氣動閥，使被堵的物料松動，直至排通，然后再恢復正常送料。 效果非常顯著，至今未發生因堵料而影響物料的輸送。

1.4 氮氣壓縮機的選型

在氮氣回收系統中， 壓縮機選型設計是非常重要的環節。 根據工藝需要，系統壓縮機設2 臺，1 用1備。 每臺壓縮機排氣量約為14 m3/min，排氣壓力約0.7 MPa。項目壓縮機按6 臺電石爐90 t 凈化灰輸送量考慮， 如將來增加到10 臺電石爐150 t 凈化灰，只需再并聯1 臺同型號壓縮機即可滿足系統設計要求。

在氮氣閉路循環輸送系統中， 高低壓氮氣的平衡是關鍵。（1）系統設氮氣自動補充管路及自動排放管路， 確保凈化灰倉及回氣系統處于微正壓工作狀態， 系統運行時凈化灰倉及回氣系統的壓力范圍在0～20 kPa。（2）為確保凈化灰倉及低壓區穩定的微正壓，凈化灰料倉、低壓儲氣罐等處均設有壓力檢測及自動補氣系統；（3）為確保整個回收系統高低壓氣量平衡，高壓儲氣罐及低壓儲氣罐上均設有壓力檢測，并在高、低壓儲氣罐間設有自動回流裝置；（4）為便于系統開停機時的氮氣置換， 在高壓端也設置新鮮氮氣補氣系統。

2 電石爐出爐系統的技術改造

2.1 技術改造原因

電石爐投產初期，采用人工出爐方式進行出爐，完成電石爐燒、開爐眼、清爐舌和堵爐眼等操作，出爐工工作環境惡劣、勞動強度大、安全風險高，頻繁發生人身傷害和設備損壞等事故，因此，公司決定采用電石出爐作業機器人替代人工出爐。

2.2 技術改造過程

2019 年4 月，內蒙古東源科技有限公司通過多方面調研后， 決定委托北京朗信智能科技有限公司為公司設計制造和安裝電石出爐作業機器人。 目前公司已完成6 臺電石爐出爐作業機器人替代人工出爐方式的技術改造工作，并且均已正常使用。

2.3 技術工藝要點

電石爐出爐機器人系統采用電、液壓伺服控制，系統主要包括液壓傳動系統、機械傳動系統、智能控制系統、視頻監控系統、遠程操控系統、工具庫以及輔助專用工具。 該系統是以液壓站電機提供動力基礎，使用液壓泵將機械能轉化為壓力，推動液壓油。通過控制各種閥門改變液壓油的流向， 推動液壓缸做出不同行程、不同方向的動作，完成各種設備不同的動作需要。 操作人員在中控室內通過人機交互平臺可遠程操控機器人，可實現燒眼、開眼、自動取/放工具、自動帶釬、堵眼、修眼和清爐舌等功能，該機器人系統將出爐作業人員從爐前環境溫度高、勞動強度大、安全風險高的人工作業現狀中解放出來，充分滿足了電石爐前作業的生產要求，作業效率明顯提高。

電石爐出爐機器人遠程控制系統采用分布式設計，由主控制臺、車載電控箱、本地控制箱、液壓控制箱組成，通訊采用CAN 總線控制方式。 線纜均有套號、標號等標示，安裝和維護便捷。 主控制臺具有控制按鈕、人機界面軟件和視頻畫面，通過兩個搖桿控制機器人實現各個方向的運動， 配備手動/自動切換、取/放工具切換、燒穿器電源自動合閘/開閘、擋火門的自動打開/關閉、帶釬、扒爐舌、堵眼、清理爐舌等選擇開關用于機器人的手動操作，操作靈活、方便。 控制程序、組態采用失電保護措施，程序及組態不因系統停電而丟失，軟件系統能夠有效備份。所有的報警信息（過程報警、系統報警）可在操作臺上實現聲光報警， 聯鎖系統的預報警信號可同時在輔助操作臺上實現聲光報警。

自動化過程檢測及控制主要檢測點為燒穿電流、燒穿、開眼、拉眼位置、油溫、油壓等。

電石爐出爐機器人視頻監控系統采用高清攝像頭實現爐眼、機器人本體等現場的觀測。 視頻清晰，圖像傳輸速度快， 方便操作者根據現場具體情況進行機器人操作。觀測點6 路，其中包括正向觀測爐口2 路，側向觀測爐舌及電石鍋1 路，側向觀測爐眼及工具庫2 路，觀測現場全局1 路，觀測液壓站1 路。

該視頻監控系統由一體化網絡攝像機、 高性能臺式計算機和相關網絡設備等組成，具備如下功能。

（1）攝像頭支持寬動態、強光抑制。 支持H.264實時編碼，支持多碼流，通過以太網傳出視頻數據。

（2）攝像機支持POE 供電，現場不用為攝像機單獨鋪設電源，降低故障率和維修工作量。

（3）攝像頭自帶20 倍光學變焦鏡頭，在遠處也可清晰觀察路口情況。通過網絡信號可自動或手動變焦、對焦，調整光圈值、快門時間等各種攝像機參數。

（4）采用高性能工業硬盤錄像機并配有大容量硬盤和視頻預覽存儲軟件，支持多通道實時間預覽、即時回放、查詢和回放錄像文件。可自由拷貝歷史錄像文件。 視頻監控系統中配備硬盤錄像機，滿足30天的錄像存儲。

（5）高性能錄像機帶有VGA、HDMT、DP 接口，支持多屏輸出。

（6）采用知名品牌網絡交換機，支持1EEE 802.3af標準POE 供電， 支持1EEE 802.3X 全雙工流控與Backpressure 半雙工流控， 支持端口自動翻轉（Auto MDI/MDIX）功能。

（7）采用能夠耐強光及高溫的監控攝像頭。

（8）高清數字化圖像監控系統，遠離爐眼高溫區安裝也能取得高清視頻圖像， 攝像頭變焦倍數1.68～20 倍，無需額外增加冷卻系統，有效提高了攝像頭的壽命。與模擬信號相比，視頻圖像的清晰度高。

電石爐出爐機器人機械傳動系統可實現較大范圍的操作， 達到機器人及工具在空間布置上合理有效。其傳動部分完全內置，電氣元器件及液壓元件選用國內外知名品牌產品， 能夠在滿足電石爐出爐機器人系統各項操作的基礎上，實現長周期穩定運行。該電石爐出爐機器人具備升降和俯仰自由， 更好地適應爐眼高度和角度的變化。

電石爐出爐機器人的液壓動力和液壓控制系統采用分布式設計，液壓動力站位于機房內，液壓控制閥組部分位于機器人本體內，之間使用3 根油管連接，便于安裝和維護。 液壓站配置降溫及加熱裝置對液壓油的溫度進行高效控制，將液壓油溫控制在最佳值。

采用該機器人系統后， 一名操作人員在遠程控制室操作控制終端， 控制電石爐出爐機器人完成電石爐前作業的完整順序操作。現場輔助人員1 人，且所有操作均在電石爐前作業的完成順序操作時間之外完成。單臺電石爐出爐崗位可以減少至2 人，既保證安全生產又實現了減員增效。

3 技術改造效果和綜合效益

3.1 電石爐凈化灰氮氣保護輸送技術改造效果和經濟效益

電石爐凈化灰氮氣保護輸送系統通過技術改造后， 解決了電石爐凈化灰無法送至凈化灰倉、凈化灰倉下灰不暢，和凈化灰輸送系統堵料嚴重等問題，電石爐凈化灰氮氣保護輸送系統實現了正常穩定運行，滿足了電石生產工藝、安全和環保要求，保證了公司電石生產安全、正常、穩定和高效運行；同時， 大大降低了電石爐凈化灰氮氣保護輸送系統氮氣用量， 電石爐凈化灰廢料得到了充分回收和循環利用。 改造項目完成投用后，為公司節約資金約400 萬元/a，降低了公司電石生產成本，提高了公司經濟效益。

3.2 電石出爐系統改造效果和綜合效益

電石出爐作業機器人項目投用后， 實現了電石出爐作業機器人系統代替人工出爐作業和生產過程智能優化控制，電石出爐作業安全性高、穩定性好、生產效率高、運營維護便捷，符合國家電石行業政策要求。既增加經濟效益又增加社會效益，滿足政府對安全、環保和能源方面的硬性要求。

通過電石爐出爐系統的技術改造， 電石出爐各項功能全部實現并達到使用要求， 降低了電石出爐員工的工作強度，改善了電石生產工作環境，降低了人工作業風險，保證了電石爐生產更加安全和穩定，電石產量和質量明顯提高， 安全效益和經濟效益大大提升。 單臺電石爐增加利潤約300 萬元/a，提高了公司市場競爭力。