焙烧炉天然气燃烧自动控制系统的研究与应用.pdf

第 3 5卷第 3期 2 0 1 3 年 6月 甘肃冶金 GANSU MET ALL URGY Vo 1 ． 3 5 No ． 3 J u n ． ， 2 0 1 3 文章编号 1 6 7 2 4 4 6 1 2 0 1 3 0 3 - 0 0 3 7 - 0 3 焙烧炉天然气燃烧 自动控制 系统 的研 究与应用 黄亚军 甘肃华鹭铝业公 司 ， 甘肃白银7 3 0 9 0 0 摘要 介绍了炭素焙烧炉燃烧系统的改造， 新型控制系统的功能介绍、 使用效果和效益分析， 通过改造真正实现 了清洁生产， 达到了节能效果， 改善了工艺水平， 提高了产品质量 ， 降低了生产成本， 提高了生产效率， 改善了工作 环境 。 关键词 焙烧炉 ； 燃烧控制系统 ； 天然气 中图分类号 T F 8 0 6 ． 1 1 文献标识码 A A S t u d y a n d Ap p l i c a t i o n o n t h e Na t u r a l Ga s Co mb u s t i o n Au t o ma t i c Co n t r o l S y s t e m o f Ba k i n g Fu r a n c e HU A N G Y a - j u n G a n s u H u M u A l u mi n i u m C o ．L t d ． ，B a i y i n 7 3 0 9 0 0， C h i n a Ab s t r a c t I n t h i s p a p e r ，t h e i n n o v a t i o n o f c o mb u s t i o n s y s t e m o f c a r b o n a n o d e b a k i n g f u r a n c e w a s i n t r o d u c e d ，a n d t h e f u n c t i o n s ，a p p l i c a t i o n e f f e c t a nd e ffic i e n c y o f t he ne w c o nt r o l s y s t e m we r e p r e s e n t e d．Afte r t he i n n o v a t i o n ，c l e a n p r o d u c t i o n wa s r e a l i z e d ，me a n w h i l e ， t h e e n e r g y e f f i c i e n c y ，q u l i t y o f p r o d u c t s，p r o d u c t i v i t y ，t e c h n i c a l l e v e l ，w o r k i n g e n v i r o n me n t we r e i mp r o v e d ，a n d r e d u c e d t h e p r o d u c t i o n c o s t ． Ke y W o r d s b a k i n g f u r a n c e；c o mb u s t i o n c o n t r o l s y s t e m ；n a t u r a l g a s 1 引言 伴随着 电解铝工业 的快速发展 ， 铝用炭素的开 发研制也进入了不断革新的时代。特别是近年来大 电流电解槽的全面推广与建设 ， 对铝用炭素阳极也 提出了更高的要求 。预焙阳极炭块作为预焙电解槽 的“ 心脏” ， 在生产期 间参与 电化学反应 ， 是铝 电解 生产中最重要的辅 助材料之一 ， 它直接影响电解铝 生产成本 、 铝电解槽的平稳运行以及原铝质量。 2 现状 炭素阳极焙烧炉燃烧 自动控制系统是甘肃华鹭 铝业有限公司在实施重油改天然气改造工程的一部 分。公司炭素厂焙烧车间 1 8室焙烧炉加热系统原 来一直采用重油加热的方式 ， 重油在使用过程中存 在跑 、 冒、 滴 、 漏及燃烧不充分现象 ， 既污染 了环境又 浪费了能源， 给操作带来一定的困难 ； 重油燃烧时产 生大量的炭黑 ， 造成电场极丝 、 极板结焦 、 积灰严重 ， 电场阴燃 、 着火事故时有发生 ， 对静电除尘器的安全 运行造成很大威胁 ； 由于重油的使用 ， 导致增压泵和 重油喷枪 阀芯磨损过快 ， 增加了维修成本。 公司 1 8室阳极焙烧设备属人工手动调节 ， 燃料 为重油 ， 阳极焙烧温度曲线波动范围大 、 负压调节为 人工手动调节 ， 使得炉膛 内燃烧气氛达不到最优化 ， 对产品产量 、 质量有很大影响。为此 ， 必须设计一种 具有较高性能、 高可靠度 的焙烧炉燃烧 自动控制系 统 ， 来提高炭素焙烧阳极炭块的技术指标 ， 降低设备 故障， 降低生产成本和劳动强度 。 3 系统介绍 3 ． 1 焙烧生产工艺及控制系统说明 目前 ， 阳极焙烧生产 中较为常用 的是环状敞开 式焙烧炉 以下简称环式焙烧炉 。炉室是装 阳极 炭块处 ， 通常一套火焰系统每隔 2 8～3 6 h便同步向 前一炉室推进。其工作原理为 当燃烧架移动到某 个炉室时， 燃料与空气混合后在此炉室的火道 内燃 烧 ， 使该炉室达到最高温度。燃烧后 的烟气并不立 即排出烟道而是经过一系列预热炉室 ， 将热量传给 置于这些炉室 内的炭块 ， 加热这些炭块 ， 然后以 9 O ～ 1 5 0℃的烟气温度经过焙烧车间内的环行烟道排 出。燃烧所需的空气则经过一系列冷却炉室在冷却 炭块制品的同时 自身被加热后进入燃烧炉室。当该 瓣 3 8 甘肃冶金 第 3 5卷 炉室焙烧结束后将燃烧架移动到下一个 已经预热好 了的炉室， 而该炉室则进入冷却阶段。冷却好 了的 炉室则与燃烧系统切断准备 出炉， 同时装好了待焙 烧品的炉室则与火焰系统接通进入预热阶段。 但是 ， 这种炉型 由于多个炉室共用火焰 系统使 得各炉室之间联 系紧密， 互相影响。调整某个炉室 的温度必然引起同一火焰系统其它炉室的温度发生 变化。国内较早时期开发的一些用于控制环式焙烧 炉的控制技术很难根据需要调整某一阶段的升温速 度 ， 也很难根据炭块制品的要求调整炉室的升温曲 线 。为了作到对阳极焙烧生产的精确控制 ， 控制系 统将焙烧生产的整个过程及所有炉面设备作为一个 整体来考虑， 即在控制系统的控制算法 中控制系统 将同一火道的三个燃烧架、 一个排烟架 的所有参数 作为一个整体来考虑。 3 ． 2 阳极焙烧炉控制系统的机械设备描述 公司炭素厂采用 8料箱 ， 9火道 的焙烧炉 。根 据振兴公司的设计 ， 一个火焰系统的现场设备 由三 台燃烧架 H R 、 一台排烟架 E R 、 一台温度 一负压 架 T P R 、 一台零压架 Z P R 、 一台鼓风架 B R 及 二台冷却架 C R 组成 。 3 ． 2 ． 1 燃 烧架 H R 燃烧架用于向火道内喷射燃料并控制加热区的 火道温度。H R架共有三 台， 分别被装 置在加热 区 的三个相邻炉室的火道上。H R架上装有 9只用于 测量火道温度 的热 电偶 ， 三只用于测量阳极炭块温 度的热电偶。同时装有 1 8只 即每个火道两只 用 于调节燃料流量的燃料调节阀及燃料喷嘴。燃料调 节采用脉冲式调节阀。为保证 阳极焙烧炉室的温度 均匀 ， 每个火道装设两只燃料调节阀， 每个火道的两 只燃料调节阀分别可以向同一火道的上游及下游喷 射燃料。在不 同的加热区， 上游 、 下游燃料调节阀有 着不同的燃料给入量。H R架上还装有一台燃烧架 控制模块等等。 3 ． 2 ． 2 排烟架 E R 、 温度 一负压架 T P R 、 排烟架 控制 模块 E RC M E R架用于收集火道 内的经过燃烧的尾气。E R 架上装有 9台用于调节烟气流量的电动蝶阀等 。由 于装有可调节烟气流量的电动蝶阀， E R架可实现调 节预热带的温度 、 负压 的功能。 T P R架用于测量 预热带 的火道 温度及压力。 T P R架上装有 9只用于测量 火道温度 的热 电偶 ， 9 台测量火道 内烟气负压的压力变送器， 等等。 在排烟架及温度 一 负压架的附近设排烟架控制 模块一台。它是一 台下部带有滚轮的仪表盘控制 盘 ， 可通过连接电缆接受从温度 一负压架传来 的火 道烟气温度及负压信号并输出信号去控制 E R架上 用于调节烟气流量的电动蝶阀的开度。 3 ． 2 ． 3鼓风 架 B R 、 零压 架 Z P R Z P R架上装有 9台微差压变送器， 用于测量零 压区的压力。压力测量信号通过电缆传送至最近的 燃烧架 D C S ， 通过网络压力信号可以传送至鼓风架 DCS。 B R架上装有 9台鼓风机及 电机控制盘等等。 B R架 D C S通过网络接受零压装置的压力信号通过 计算去控制鼓风机转速。风机用于向火道内输送燃 料及沥青挥发份燃烧所需要的空气 ， 燃烧所需的空 气经过一系列冷却炉室在冷却炭块制品的同时自身 被加热后进入加热带与燃料混合进行燃烧。 3 ． 2 ． 4冷却架 C R 冷却架用于冷却 已焙烧过的阳极炭块。冷却架 上装有风机及 电机控制盘 内装配 电设备 ， 等等。 该架的控制为全手动控制。 4 控制 系统 配置及 工作原理 阳极焙烧控制系统采用分散式控制系统。分现场 控制系统及上位机中央控制系统两大部分。现场控制 系统与中央控制系统通过现场局域网进行数据交换。 4 ． 1 燃烧 架控制模块 燃烧架控制模块是一个内部装有分散式控制系 统 D S C 及 D C S的输入输 出接 口、 D C S人机界面 、 电源装置 、 变频器等仪表元件的仪表盘。燃烧架控 制模块安装在燃烧架上。控制模块 内的 D C S通过 输入接口接受 9只用于测量火道温度的热电偶送来 的温度信 号。在现场 自动方式 A 的情 况下 ， 在 D C S内将火道温度与温度 的相应设定值作 比较 ， 如 有偏差， 则运用一种特殊为焙烧炉控制专 门研制 的 控制算法运算输出一个信号去改变脉冲电磁阀的输 出功率 。在远距离方式 R 的情况下， 则将 9只用 于测量火道温度的热电偶送来的温度信号通过通讯 的方式送到中央控制系统 ， 由中央控制系统根据 已 预先设置在中央控制系统内的程序 自动运行计算出 电磁阀的输出功率 ， 通过现场 D C S指挥电磁阀动作 完成生产工艺。由此可完成控制温度 曲线 的要求。 由于采用了专门为焙烧燃烧研制的控制算法 ， 所 以 控温精度较高。 4 ． 2 排烟架控制模块 排烟架控制模块是一个内部装有分散式控制系 统D S C 及 D C S的输入输出接 口、 D C S人机界面 、 电源装置电动调节 阀驱动板等仪表元件的仪表盘。 排烟架控制模块安装在排烟架及温度压力测量架的 附近。它是一台下部带有滚轮的仪表盘 ， 可通过连 瓣 E -1． o 9m ail3G1一S LY JL 1217e l 。 z．| 捌 龋 瞩 目 u l一 珏 t’【t， b o 第 3期 黄亚军 焙烧炉天然气燃烧自 动控制系统的研究与应用 3 9 接电缆接受从排烟架及温度压力测量架传来的火道 烟气温度及负压信号。在现场 自动方式 A 的情况 下 ， 控制模块内的 D C S通过输入接 口接受 9只用于 测量火道温度的热电偶送来 的温度信号及 9台用于 测量负压的压力信号， 在 D C S内与温度的设定值 或压力设定值 作 比较， 如有偏差 ， 则运用一种特 殊为焙烧炉控制专门研制的控制算法经过运算去改 变 电动蝶阀的开度。在远距离方式 R 的情况下， 则将 9只用于测量火道温度的热 电偶送来的温度信 号及 9台用于测量烟道负压的压力信号通过通讯 的 方式送到中央控制 系统 ， 由中央控制 系统根据 已预 先设置在中央控制系统 内的程序 自动运行计算出电 动蝶阀的开度， 通过现场 D C S指挥 电动蝶阀的开度 动作完成生产工艺。由此可完成控制预热带温度曲 线 的要求。由于采用了专门为焙烧排烟架控制研制 的控制算法所以控温 、 控压精度较高。 4 ． 3 鼓风架控制模块 鼓风架控制模块是一个内部装有分散式控制系 统 D S C 及 D C S的输入输 出接 口、 D C S人机界面 、 电源装置 、 变频器等仪表元件的仪表盘。鼓风架控 制模块安装 在排烟架上。控制模块 内的 D C S通过 现场工业控制网络接受 9台零压装置测量的火道压 力信号 ， 通过计算去控制鼓风机转速。 4 ． 4现 场局域 网 局域网连接整个焙烧炉的通讯接线箱 ， 又全部 连接到中央控制系统 。通讯采用 MO D B U S T C P ／ I P 通 讯 协 议 的 开 放 以太 网 接 口， R S 2 3 2及 R S 4 8 5 MO D B U S ， 实现多重监控 ， 支持所有 N E T B I O S兼 容网络和 I P X ／ S X， T C P ／ I P协议。 4 ． 5 中央控制系统 中央控制室设上位机 ， 安装在 中央控制室 。可 以对焙烧炉各火道燃料量 、 焙烧温度 、 负压 自动调节 控制和显示 ， 阳极温度显示。设有 中央及现场两级 控制， 当中央控制系统故障时， 现场控制系统能够按 设定参数维持生产。 5 系统功能和特点 1 实现了阳极焙烧温度 的 自动控制 ， 减少了员 工劳动强度， 改善了劳动环境 。 2 在保证了焙烧及预热 区炉室负压要求的前提 下 ， 实现了系统负压 自动控制。 3 提高了火道温度的精准控 制 ， 预热炉室火道 温度与设定温度差不大于 1 5℃；焙烧炉室火道温 度与设定温度差不大于 2 o C。 4 实现 了冷却区下游 燃烧区上游 零压控制 ， 防 1 E 返 火。 5 采用安全故 障连锁 ， 具备天然气 自动切断功 能 ， 从而提高了生产安全系数。 6 沥青挥发份的燃尽率达到了9 9 ％ ， 挥发分利 用率的提高， 有效降低了天然气的消耗 ， 减少了有害 物质的排放。 7 独特的喷嘴设计可直接用作启动喷嘴， 无需 单独设立焙烧启动架。 8 对焙烧炉各火道燃气量 、 焙烧温度、 负压 自动 调节控制和显示 ， 阳极温度显示 ， 设有中央及现场两 级控制。能够实现手动与 自动切换。由计算机组成 的中央控制系统基本功能包括显示、 设定、 控制 、 存 储 一年的数据 、 数据处理及报警等。由 D C S组成 的现场控制系统包括显示 、 调节、 检测 、 报警等。上 位机具备 T C P ／ I P协议通讯能力 ， 便 于远程监视及 组成全厂网络。当中央控制系统故障时， 现场控制 系统能够按设定参数维持生产 。 6 结语 改造后设备运行 良好 ， 车间环境大大改善， 省时 省力易于操控 ， 有效地避免 了因燃油不充分造成的 拉火及对静电除尘系统安全运行造成 的潜在威胁。 1 该系统技术 先进 ， 稳定可靠 ， 达 国际先进 水 平 ， 在某些方面优于国外产品。该系统 己成功应用 于华鹭铝业公司阳极炭素焙烧生产 ， 为企业提供了 性能可靠的铝用炭素阳极。阳极二级品以上率较改 造前提高了 4 0 ％， 阳极天然气单耗为 7 0 7 5 m 。 ／ t ， 较改造前燃料成本降低 1 3 2 吨 ， 实现了良好 的经 济效益。 2 该系统性能价格比优于瑞士 R D等公 司的 同类产品， 可完全替代进 口， 同时 比进 口节约近 1 ／ 2 的成本。该系统具有 良好 的 自适应能力 ， 便于功能 扩展和程序开发。 3 对周边环境 的影响极小 ， 挥发分在火道 内燃 烧充分 ， 燃尽率达到 9 9 ％以上 ， 减少 了沥青烟气的 排放量 ， 电捕焦油 器收集 的沥青较 改造前 降低 了 3 0 ％ ， 有极好的环保效果和社会效益。 参考文献 [ 1 ] 刘凤琴 ， 罗英涛． 铝用炭素生产技术[ M] ． 长沙 中南 大学出版社 ， 2 0 1 1 ． 3 ． [ 2 ] 蒋文忠． 炭素工艺学 [ M] ． 北京 冶金工业出版社， 2 00 9． [ 3 ] 王平甫， 宫振． 铝电解炭阳极技术[ M] ．北京 冶金 工业 出版社 ， 2 0 0 2 ． [ 4 ] 张斌． 焙烧炉燃烧系统油改天然气研究与应用[ J ] ． 炭素技术 ， 2 0 1 0 2 5 3 - 5 4 ． 收稿 日期 2 0 1 3 - 0 4 -0 2 霸 T ell 0 93T el 6 ．co n 1 t 嚣 锱 鼢 l一 珏 a 4 b