新型干法回转窑智能操作工艺基础知识(上)
1 新型干法烧成技术的特点
全面掌握新型干法烧成系统的特点、原理及控制方法，实现优质、高产、低耗的工艺要求，这不仅是窑操作员的基本技能，也是智能控制研究的内容。
1.1 窑产量(生料投料量，简称生料量)与能耗的关系
新型干法烧成系统的每个环节都与气流密切相关。熟料烧成过程主要有：生料在各级预热器内的预热，在分解炉内的碳酸钙分解(包括煤粉燃烧和气固换热)，在回转窑内烧成及在篦冷机内的冷却，每个过程都是在变化的气流条件下完成的。
预热器是气固换热的重要设备，高温气体逐级将热量传导给低温的物料，使物料得到预热。从节能的角度考虑，一是出预热器的气体温度越低越好；二是气体量越少越好，也就是固气比最大化。而两者又是相互影响的，只有在固气比最大的情况下，出预热器的气体温度才会最低。
预热器内的气固换热及分解炉内的反应过程都是在悬浮状态下完成的，必须保证足够的风速，因此生料量的最大化是固气比最大化的必要条件。对于已经固定的预热器和分解炉来说，从热利用的角度看高产是实现降低能耗的首要条件。
在新型干法水泥生产过程中，篦冷机是最重要的热工设备之一。回收出窑熟料的热量，提高助燃空气温度；通过中高温段的急速冷却，提高熟料质量，改善熟料易磨性，降低水泥粉磨能耗；熟料的充分冷却可以提高余热发电量。
篦冷机内经熟料加热后的气体分为可利用风(二次风与三次风之和)、AQC炉风和外排风(直接进窑头收尘器)。二次风温和三次风温达到最大化，不但可以降低煤耗，还可以提高燃烧速度，对于热工制度的稳定都是十分有利的。窑产量高，入篦冷机熟料带入的热焓高，二次风温和三次风温就会高，成正相关。从热回收的角度看高产是实现降低能耗的重要条件。
在最大可能地提高二次风温和三次风温的前提下，给予AQC炉最大可能的热焓是篦冷机操作的第二个重点。保持窑的高产运行是余热发电量最大化的重要条件。
1.2 窑产量与熟料质量的关系
熟料质量主要是强度指标、易磨性及制成水泥后的使用物理性能。影响熟料强度指标的因素有：
熟料率值，主要是饱和比。饱和比与熟料强度成正比。
熟料中有害成分含量，有害成分含量多，熟料强度低。例如熟料中钠当量高0.1%，熟料28d抗压强度降低1~1.3MPa。
熟料烧成情况。熟料烧成的理想状况是足够高的温度和急速烧成。只有在窑产量足够高时二次风温最大化，使得窑头火焰温度足够高，急速烧成。
熟料冷却速度。快速冷却不仅对熟料强度有利，还提高熟料易磨性。
1.3 烧成系统稳定性的重要意义
对于新型干法烧成系统来说，稳定的重要性在于干扰因素带来的影响是非线性的，是数倍的变化。
对预热器、分解炉的影响：前已述及，预热器内的气固换热以及分解炉内的煤粉燃烧、气固换热和碳酸钙分解都是在悬浮状态下完成的；最理想的运行状态是固气比最大化，如果出现较大气流或物料量的较大波动，就可能会在预热器以及分解炉内出现物料短路现象，没有经过充分预热和碳酸钙分解的物料直接进入回转窑内，对窑内工况的冲击是巨大的。
对回转窑的影响：新型干法回转窑的功能主要是熟料烧成。在回转窑内物料运动主要有三个阶段：窑尾分解带、过渡带和烧成带。
在窑尾分解带。经过预热和预分解进入窑尾的物料尚有少量的碳酸钙存在，其在窑尾的运动过程中受到三个力的作用。首先，从最低一级预热器的锁风挡板处沿一定斜度滑落到窑尾，锁风挡板(此处物料速度≥0)与窑尾筒体底部之间的高度差使物料向前流动，此处的运动取决于高度差、斜度和光滑度。其次，进入窑尾的物料部分碳酸钙未分解，在窑内分解出的CO2对物料产生流态化作用，在窑斜度的作用下，物料呈流态化向前运动。窑内分解出的CO2气体量计算方法如下：假设熟料中由CaCO3分解而来的CaO含量为62%，那么1t熟料中由CaCO3分解而来的CO2为0.4871t，相当于248Nm3气体，若入窑物料碳酸钙分解率为90%，1t熟料在窑内分解为900℃的CO2量为248×10%×1173/273=106.6m3。
如此大量的CO2从颗粒内部溢出，对物料产生的流态化作用是很强的，极大地促进物料的运动速度。因此，入窑物料碳酸钙分解率对窑内，特别是后部物料运动速度的影响不容忽视。
再次，物料随着窑的旋转被带起，又自由滑落下来，在窑斜度的作用下，物料成螺旋状向前运动。运动速度较小，与前述两个运动状态相比，此阶段的螺旋状运动方式是次要的，甚至可以忽略。
在烧成带，在窑前部熟料烧成的有窑皮阶段，物料呈完全的螺旋状运动方式，由于该阶段的物料有相当的液相量，物料休止角比较大，窑皮减小了有效内径d，运动速度最小。
在过渡带，分解带与烧成带之间为过渡带。随着碳酸钙分解的完成，物料的黏性和窑耐火砖表面附着力增大，物料被窑带起的高度增大，运动方式逐渐以螺旋状为主。但由于系统的不稳定性，也会经常受到重力和流态化力的冲击，过渡带会有不稳定的江心岛式的窑皮对物料运动产生阻碍。在过渡带与烧成带之间有明晰的界限，一般情况下该处的窑皮较厚，阻挡的物料较多，起到很强的缓冲作用。过渡带的运动速度介于分解带和烧成带之间。
从以上分析可以看出，烧成带和过渡带是熟料烧成必不可少的运动过程，物料流速主要与窑直径、斜度、转速、窑皮及耐火砖厚度等有关，在固有水泥厂的情况下，窑的转速是主要的调节变量。充分说明，碳酸钙分解率对窑内物料的运动速度的影响是决定性的，成为最重要的控制点。
对篦冷机的影响：影响篦冷机运行稳定性的最重要因素是熟料颗粒的大小。而熟料颗粒的大小与熟料烧成状况有关。一般来说，烧成温度高则颗粒大，烧成温度低则颗粒小。熟料颗粒大小的变化对篦冷机的影响主要如下。
篦床上熟料流速的变化：正常熟料在活动篦床上随着篦板的往复运动而缓慢地向前运动，而细颗粒熟料在篦下风的吹动下运动速度加快，甚至形成红河,冷却效果大幅下降。
篦床下风压的变化：熟料颗粒间空隙的大小与颗粒大小成正相关。细颗粒熟料会造成篦下风压增大，风量减少。这时就需要增大风机风量的同时，增加篦速。进而进一步减少熟料在篦床上的停留时间，降低冷却效果。
1.4 干扰是相互关联的
例如，当入窑物料碳酸钙分解率偏低，熟料烧成欠佳(可能游离钙不合格)，窑内物料流速增加，进入篦冷机内熟料量大增，带入的热焓也就大增，这时二次风温和三次风温都增大，烧成温度提高及分解炉温提高，使得入窑物料碳酸钙分解率提高，窑内物料流速降低，进入篦冷机内熟料量减少，带入的热焓也就大减，这时二次风温和三次风温都下降。熟料颗粒大小的变化对篦冷机运行的影响加大了这种恶性循环，操作上必须进行干预。
2 智能操作的安全限定及异常情况的处置
保障设备安全是对智能操作最基本的要求，新型干法烧成系统的各种反应都是在高温下完成的，窑内火焰温度高达1700℃左右。任何异常因素的出现都可能造成重大设备损害或生产事故的发生。因此要求智能操作一是要有效地处理异常情况，二是要预见性的发现异常情况并采取有效措施避免设备和生产事故的发生。当然，当出现危及设备安全或生产事故的异常情况发生时，及时报警，由人接管操作也是必须的。从目前来看，智能操作代替无人值守是不可能的。
以下列出五种紧急状况的原因分析、预防措施和处置要点，供参考。
2.1 入窑生料饱和比过低时的操作要领
入窑生料质量的稳定是保证窑热工制度稳定的重要前提。当出现入窑生料率值大的波动，主要是饱和比(或者水硬率、标准系数)大幅下降时，窑内物料需热量将大幅降低，如果应对不当，会造成如下危害。
(1)首先会烧掉窑皮，对窑内耐火砖造成严重损坏，一旦耐火砖垮落，窑筒体就会被烧损，出现灾难性后果。
(2)熟料烧流后流入篦冷机，轻则造成堆雪人，重则将篦板大面积糊死，需停窑处理，属重大生产事故。
(3)得不到很好冷却的熟料和高温气体对后续输送设备、篦冷机排风机及管道、收尘器等造成损坏。
及时发现和正确应对入窑生料饱和比过低问题，是操作员必备的操作技能。在现有控制条件下，生料率值数据可以及时送交操作员，或者在屏幕上显示，如果均无法实现，操作员应对入窑生料饱和比过低时的现象做出正确判断，操作要领如下。
(1)在分解炉喂煤量不变的情况下，预热器系统温度会大幅度上升；当分解炉喂煤量受设定温度自动控制的情况下，分解炉喂煤量会大幅度减少。
(2)窑尾温度和NOx含量大幅度上升，窑尾负压下降。
(3)窑功率先上升后下降，熟料烧流后窑功率很低，这时对判断有很大欺骗性。正常情况下窑功率和熟料烧成温度呈正相关，而熟料烧流后窑功率会急速下降，这一点很可能会导致操作员或智能系统做出截然相反的判断，加剧危害的发生。
(4)篦冷机篦下压力上升，废气温度上升。
(5)入窑生料饱和比过低的情况发生时，中控仪表等已经不能完全反映现场的真实情况，必须切换人工操作。此时的操作要领：
(6)立即大幅度减窑头用煤量。视窑内熟料状况决定减煤幅度，在完全烧流的情况下，可把窑头煤量减至零。
(7)立即大幅度降低分解炉温度。视窑内熟料状况决定降温幅度，在完全烧流的情况下，可将入窑物料温度控制在750℃以下。
(8)立即较大幅度降低窑速。视窑内熟料烧流状况决定降速幅度，在完全烧流且已经或即将流入篦冷机的情况下，可停窑或间歇转窑。
(9)适当减少生料投料量。应在减窑头用煤量和降分解炉温度后再减少生料投料量，绝不可先减料后减煤；当窑产量较低时，可适当增加生料投料量。
(10)窑内通风量偏大控制，密切关注窑筒体是否有高温点。
(11)较大幅度调整窑头燃烧器风量，使火焰细长，避免窑内温度过高。
(12)尽可能加大篦冷机供风量。
(13)当篦床上没有烧流熟料时，适当加大后部篦床推料速度；当烧流熟料已经或即将流入篦冷机时，应降低篦床推料速度，保持料层厚度，避免烧流料与篦板直接接触。时刻关注篦床推力是否过载。
(14)在回转窑检修后的投料初期，窑升温期间在窑内存有大量煤灰，会造成窑内物料饱和比过低，俗称“太软，不吃火”，很容易出现熟料烧流状况，应高度重视。当出现熟料烧流状况时，可参照上述操作要领进行操作。
为了避免生料率值大的波动，特别是避免因入窑生料饱和比过低而造成的危害，质量控制工程师应加强生料配料管理，力求保持生料质量稳定；入窑生料的取样、检测及报数过程中，不得有任何延误。特别是出现重大波动时，应及时告知窑操作员并予以提醒。
2.2 窑内跑黄料时的操作要领
跑黄料时窑内物料呈流态化运动，运动速度极快。窑内粉尘浓度高，整个系统风压波动大，影响窑头火焰的正常燃烧，很容易造成灭火。窑电流明显下降，NOx浓度和窑尾温度下降，二次风温快速上升，篦冷机一室压力上升，窑内模糊看不清，窑头收尘器进口温度上升。造成窑跑黄料的原因及预防措施如下。
(1)在窑投料初期产量较低的情况下，分解炉温度控制过低，这是造成跑黄料最常见的原因。投料过程要稳定操作，适当偏高控制分解炉温度，保证入窑物料分解率在90%以上。
(2)窑内存料过多且温度较低的情况下，在窑投料初期，窑内物料预热不充分造成跑黄料。升温时，要尽量延长升温时间，投料前增加翻窑频率并延长连续转窑时间，在连续转窑时窑尾温度保持在1050℃后再投料。
(3)运行中断煤或煤量严重不足时未及时调整，应及时减料或止料，避免长时间温度控制过低。
(4)预热器塌料或短路。物料在预热器及分解炉内不能均匀地按照设计的路线行进，而是成股的垂直塌落后直接入窑，物料得不到充分预热和分解，进入窑内快速涌向窑头。造成塌料现象发生的原因一是预热器内存有死角，物料在此存积到一定程度后垮落；二是预热器内的料风比不合适，风量偏少，局部风速偏低，物料不能充分悬浮，操作时应适当加大主风机风量。
窑跑黄料不但造成熟料产质量下降，还会造成设备损坏，必须采取果断措施。操作要点是：减料甚至止料，窑速降至最低甚至间歇转窑，系统风量大幅度降低。通知巡检工看火，如果窑前无火焰，则插油枪助燃，灭火后要重新点火，待窑前火焰明亮后，再按投料程序操作。此时很容易出现窑内温度迅速上升，窑内物料烧流现象，落入篦床上就会糊死篦板，处置方法参考生料饱和比过低时的操作。
