氧化铝循环沸腾焙烧炉及其耐火材料的选择

第一篇：氧化铝循环沸腾焙烧炉及其耐火材料的选择

氧化铝循环沸腾焙烧炉及其耐火材料的选择

中铝山东分公司为提高氧化铝生产工艺和技术装备水平，从德国卢奇公司引进一套产能为１６００ｔ／ｄ氧化铝工艺技术及自动化水平高的流态化循环沸腾焙烧炉。１９９７年９月点火烘炉、投运。随后安装的一套于２００１年１１月点火。此套装置所用的耐火材料内衬为硅酸钙板、轻质浇注料、耐火浇注料、耐火粘土砖和耐火纤维及锚固件。

一、氧化铝循环沸腾焙烧炉及其耐火材料的选择

１、氧化铝循环沸腾焙烧炉的组成

氧化铝循环沸腾焙烧炉用来焙烧氢氧化铝，由圆锥形旋风筒、文丘里烘干器、沸腾焙烧炉、喂料螺旋、流态化冷却机、循环床、卸料槽、下料管及风管和烟道组成。设备形状基本为圆筒形，最大设备外径５．８ｍ，高度３２ｍ，设备外壳由钢板焊制，内衬采用不定形耐火材料、耐火砖、硅酸钙板及耐火纤维组成，并有锚固件联接固定，整个装置各个设备之间相互联接，构成一个密封的、整体性较强的结构装

置。

２、氧化铝沸腾焙烧炉用耐火材料的选择

本装置最高炉温约１１００℃，最高压力约１２．５ｋＰａ，最高流速４８．５ｍ／ｓ，焙烧时间约３０ｍｉｎ，即整个焙烧过程在高速、高温下完成。由于所处理的氧化铝物料硬度较大，流动性好，对氧化铝产品质量的要求严格，任何内衬杂质的混入都直接影响产品的性能，因此，要求耐火材料必须满足下列条件：耐高温、耐磨损、高强度、热稳定性能好，整体性及密封性强。

在选用国产代用耐火材料时，应遵循三条原则：①保证所选各种耐火材料的理化指标满足卢奇公司的要求；②保证所选耐火材料有良好的施工性能，尤其是耐火烧注料；③所选耐火材料必须经过实践验证。根据这三条原则，经对国内十几家有实力的耐火材料生产厂家进行实地考察、比较筛选后，最终选择了６家耐火材料厂，经过与国外耐火材料的各项性能指标进行对比，所选用的国内耐火材料和卢奇公司的耐火材料性能指标接近，有些性能指标甚至超过了国外指标

（见表１）。

二、氧化铝循环沸腾焙烧炉耐火材料的应用

循环沸腾焙烧炉整个装置所用耐火材料共计７６２ｔ，主要有浇注料、耐火砖、硅酸钙板、硅酸铝纤维和耐火泥五大类，以及固定耐火材料的锚固件。

１、工作层用耐火材料

耐火浇注料共计３５１ｔ，用于一级文丘里、冷却旋风筒、流化床冷却机、所有管道、烟道及沸腾焙烧炉下部和旋风筒的锥体部分，多为双层或三层。

耐火砖共用２６９ｔ，主要用在沸腾焙烧炉、循环旋风筒、二级旋风分离器、二级文丘里干燥器以及烟道等。

根据沸腾焙烧炉的工艺特点和不同的工艺参数及工况条件，工作层所用耐火材料的种类及层数不同。根据使用温度、物料性质，所有工艺管道进行轻质和重质浇注的配置，主要设备内衬采用绝热＋隔热＋耐火砖的工作层配置，使耐

火材料节能效果更好。

２、隔热耐火材料

隔热耐火材料有轻质浇注料、轻质隔热砖、硅酸钙板和

耐火纤维。

浇注料

主要用在流化床冷却机、冷却旋风筒、一级文丘里干燥器及二级文丘里干燥器等主要设备的顶部和所有管道和烟

道里面。

保温砖

保温砖共用４１．７６ｔ，主要用在流化床冷却机、一级文丘里干燥器和二级旋风分离器。

硅酸钙板

硅酸钙板共用９７．５ｍ３，有５０ｍｍ厚和３０ｍｍ厚两种规格，主要用在沸腾焙烧炉、循环旋风筒、冷却旋风

筒及一级文丘里干燥器等。

耐火纤维

耐火纤维共用２．５ｔ，分为板类、毡类和毯类，主要用在膨胀缝、伸缩节、支架和入孔以及各种工艺孔周围。

锚固件

锚固件是内衬的主要组成部分，其作用是使内衬与炉壁

牢固地结合。

锚固件的分布与炉温、耐火材料的性质、炉衬厚度、使用部位和所选用的锚固件形状及材料有关，有１５种类型、４０种规格，重量约３０００ｋｇ的锚固件系统对炉衬的应力分布及热胀冷缩热应力的均衡、延长炉衬寿命，起至关重

要的作用。

三、效果及存在的问题

１、效果与启示

①该炉子在耐火材料使用中注重隔热材料的使用，在高温设备沸腾焙烧炉和循环旋风筒上均采用五层耐火材料，四层隔热材料，保温效果很好。尽管炉子内部温度高达１１００℃，但炉体外表温度仅为７０℃左右。其它部位均有二层或三层隔热材料，故炉子整体热效率很高。

②不同设备、不同工况条件，选用不同的耐火材料，使耐火材料的使用比较经济、合理，对今后耐火材料的选用有

一定的启示。

③不同炉温、不同耐火材质、不同炉衬厚度、不同使用部位，所用锚固件的形状、分布及材质不同。

④沸腾焙烧炉、循环旋风筒、二级旋风分离器、二级文丘里等拱顶采用异型砖逐环砌筑，环与环之间子母相扣，保障了球形拱顶的整体性能。解决了浇注料施工麻烦、养护时间长、损毁后难修补的问题。

２、存在问题

在不到３年的应用中，沸腾焙烧炉内因二级文丘里干燥器、烟道等处红炉，曾停炉检修４次，原因有以下几点。

结构不合理

二级文丘里到二级旋风筒的通道高２．５ｍ，宽１．７ｍ，砖厚仅为１８０ｍｍ，且分两层（６５ｍｍ和１１５ｍｍ），尽管设置有锚固件，但仍显不稳，使用不到一年即掉砖。遂在大修时进行改进，保持内表面积不变，高度不变，外壳加宽１１５ｍｍ，耐火砖加厚１１５ｍｍ，改为６５ｍｍ保温砖和２３０ｍｍ耐火砖。改后的运行效果较好。

砖缝及膨胀缝较大

此炉设计的耐火砖在位置高度上一般每间隔３．５ｍ留有２５ｍｍ的臌胀缝，根据我国耐火材料的线变化，在１４５０℃、保温２ｈ，线收缩一般为＋０～－０．２％，热膨胀系数３００～４００℃时为０．１％，故２５ｍｍ的膨胀缝过大。停炉时透过所有膨胀缝可看到外层钢板。故根据理论要求，膨胀缝留７～８ｍｍ。

二级文丘里、二级旋风筒及连接过道的耐火砖强度低，不耐磨

开炉２年多以来，二级旋风筒的耐火砖由厚１１５ｍｍ磨损至局部仅为２０ｍｍ，二级文丘里的耐火砖磨损仅为７０ｍｍ左右，连接过道耐火砖已更换两次，此处所选砖的强度只为３４ＭＰａ，说明此处的耐火砖不符合工艺要求。此外气流流速大，氧化铝对其的冲刷严格，应使用高强耐磨砖，因此在高铝质骨料中添加耐磨骨料，以增强耐火砖的耐磨性。耐磨骨料如刚玉、板状刚玉等都具有高耐火度、蠕变小、高密度、热震稳定性好、耐磨性好等优点，在该部位试用高强度耐磨砖，可显著提高内衬的使用寿命。

浇注料之间施工缝隙过大

沸腾焙烧炉与循环旋风筒之间的过道顶部为三层浇注料、两层保温浇注料、一层耐火浇注料，锚固件为ＳＴ－２０－２１型，由于施工缝隙过大，氧化铝穿过施工缝冲刷锚固件，导致锚固件断裂，浇注料脱落，影响生产。采用的措施包括增强锚固件的焊接强度，改进施工工艺；减少保温浇注料厚度，过道两端全部改为耐火浇注料，减少施工缝等。中铝山东分公司为提高氧化铝生产工艺和技术装备水平，从德国卢奇公司引进一套产能为１６００ｔ／ｄ氧化铝工艺技术及自动化水平高的流态化循环沸腾焙烧炉。１９９７年９月点火烘炉、投运。随后安装的一套于２００１年１１月点火。此套装置所用的耐火材料内衬为硅酸钙板、轻质浇注料、耐火浇注料、耐火粘土砖和耐火纤维及锚固件。

第二篇：氧化铝循环沸腾焙烧炉耐火材料的应用

氧化铝循环沸腾焙烧炉耐火材料的应用

中铝山东分公司为提高氧化铝生产工艺和技术装备水平，从德国卢奇公司引进一套产能为1600t／d氧化铝工艺技术及自动化水平高的流态化循环沸腾焙烧炉。1997年9月点火烘炉、投运。随后安装的一套于2001年11月点火。此套装置所用的耐火材料内衬为硅酸钙板、轻质浇注料、耐火浇注料、耐火粘土砖和耐火纤维及锚固件。

一、氧化铝循环沸腾焙烧炉及其耐火材料的选择

1、氧化铝循环沸腾焙烧炉的组成氧化铝循环沸腾焙烧炉用来焙烧氢氧化铝，由圆锥形旋风筒、文丘里烘干器、沸腾焙烧炉、喂料螺旋、流态化冷却机、循环床、卸料槽、下料管及风管和烟道组成。设备形状基本为圆筒形，最大设备外径5.8m，高度32m，设备外壳由钢板焊制，内衬采用不定形耐火材料、耐火砖、硅酸钙板及耐火纤维组成，并有锚固件联接固定，整个装置各个设备之间相互联接，构成一个密封的、整体性较强的结构装置。

2、氧化铝沸腾焙烧炉用耐火材料的选择

本装置最高炉温约1100℃，最高压力约12.5kPa，最高流速48.5m／s，焙烧时间约30min，即整个焙烧过程在高速、高温下完成。由于所处理的氧化铝物料硬度较大，流动性好，对氧化铝产品质量的要求严格，任何内衬杂质的混入都直接影响产品的性能，因此，要求耐火材料必须满足下列条件：耐高温、耐磨损、高强度、热稳定性能好，整体性及密封性强。

在选用国产代用耐火材料时，应遵循三条原则：①保证所选各种耐火材料的理化指标满足卢奇公司的要求；②保证所选耐火材料有良好的施工性能，尤其是耐火烧注料；③所选耐火材料必须经过实践验证。根据这三条原则，经对国内十几家有实力的耐火材料生产厂家进行实地考察、比较筛选后，最终选择了6家耐火材料厂，经过与国外耐火材料的各项性能指标进行对比，所选用的国内耐火材料和卢奇公司的耐火材料性能指标接近，有些性能指标甚至超过了国外指标（见表1）。

二、氧化铝循环沸腾焙烧炉耐火材料的应用

循环沸腾焙烧炉整个装置所用耐火材料共计762t，主要有浇注料、耐火砖、硅酸钙板、硅酸铝纤维和耐火泥五大类，以及固定耐火材料的锚固件。

1、工作层用耐火材料耐火浇注料共计351t，用于一级文丘里、冷却旋风筒、流化床冷却机、所有管道、烟道及沸腾焙烧炉下部和旋风筒的锥体部分，多为双层或三层。

耐火砖共用269t，主要用在沸腾焙烧炉、循环旋风筒、二级旋风分离器、二级文丘里干燥器以及烟道等。

根据沸腾焙烧炉的工艺特点和不同的工艺参数及工况条件，工作层所用耐火材料的种类及层数不同。根据使用温度、物料性质，所有工艺管道进行轻质和重质浇注的配置，主要设备内衬采用绝热＋隔热＋耐火砖的工作层配置，使耐火材料节能效果更好。

2、隔热耐火材料隔热耐火材料有轻质浇注料、轻质隔热砖、硅酸钙板和耐火纤维。

浇注料主要用在流化床冷却机、冷却旋风筒、一级文丘里干燥器及二级文丘里干燥器等主要设备的顶部和所有管道和烟道里面。

保温砖保温砖共用41.76t，主要用在流化床冷却机、一级文丘里干燥器和二级旋风分离器。

硅酸钙板硅酸钙板共用97.5m3，有50mm厚和30mm厚两种规格，主要用在沸腾焙烧炉、循环旋风筒、冷却旋风筒及一级文丘里干燥器等。

耐火纤维耐火纤维共用2.5t，分为板类、毡类和毯类，主要用在膨胀缝、伸缩节、支架和入孔以及各种工艺孔周围。

锚固件锚固件是内衬的主要组成部分，其作用是使内衬与炉壁牢固地结合。

锚固件的分布与炉温、耐火材料的性质、炉衬厚度、使用部位和所选用的锚固件形状及材料有关，有15种类型、40种规格，重量约3000kg的锚固件系统对炉衬的应力分布及热胀冷缩热应力的均衡、延长炉衬寿命，起至关重要的作用。

三、效果及存在的问题

1、效果与启示①该炉子在耐火材料使用中注重隔热材料的使用，在高温设备沸腾焙烧炉和循环旋风筒上均采用五层耐火材料，四层隔热材料，保温效果很好。尽管炉子内部温度高达1100℃，但炉体外表温度仅为70℃左右。其它部位均有二层或三层隔热材料，故炉子整体热效率很高。

②不同设备、不同工况条件，选用不同的耐火材料，使耐火材料的使用比较经济、合理，对今后耐火材料的选用有一定的启示。

③不同炉温、不同耐火材质、不同炉衬厚度、不同使用部位，所用锚固件的形状、分布及材质不同。

5沸腾焙烧炉、循环旋风筒、二级旋风分离器、二级文丘里等拱顶采用异型砖逐环砌筑，环与环之间子母相扣，保障了球形拱顶的整体性能。解决了浇注料施工麻烦、养护时间长、损毁后难修补的问题。

2、存在问题在不到3年的应用中，沸腾焙烧炉内因二级文丘里干燥器、烟道等处红炉，曾停炉检修4次，原因有以下几点。

结构不合理二级文丘里到二级旋风筒的通道高2.5m，宽1.7m，砖厚仅为180mm，且分两层（65mm和115mm），尽管设置有锚固件，但仍显不稳，使用不到一年即掉砖。遂在大修时进行改进，保持内表面积不变，高度不变，外壳加宽115mm，耐火砖加厚115mm，改为65mm保温砖和230mm耐火砖。改后的运行效果较好。

砖缝及膨胀缝较大此炉设计的耐火砖在位置高度上一般每间隔3.5m留有25mm的臌胀缝，根据我国耐火材料的线变化，在1450℃、保温2h，线收缩一般为＋0～－0.2％，热膨胀系数300～400℃时为0.1％，故25mm的膨胀缝过大。停炉时透过所有膨胀缝可看到外层钢板。故根据理论要求，膨胀缝留7～8mm。

二级文丘里、二级旋风筒及连接过道的耐火砖强度低，不耐磨

开炉2年多以来，二级旋风筒的耐火砖由厚115mm磨损至局部仅为20mm，二级文丘里的耐火砖磨损仅为70mm左右，连接过道耐火砖已更换两次，此处所选砖的强度只为34MPa，说明此处的耐火砖不符合工艺要求。此外气流流速大，氧化铝对其的冲刷严格，应使用高强耐磨砖，因此在高铝质骨料中添加耐磨骨料，以增强耐火砖的耐磨性。耐磨骨料如刚玉、板状刚玉等都具有高耐火度、蠕变小、高密度、热震稳定性好、耐磨性好等优点，在该部位试用高强度耐磨砖，可显著提高内衬的使用寿命。

浇注料之间施工缝隙过大沸腾焙烧炉与循环旋风筒之间的过道顶部为三层浇注料、两层保温浇注料、一层耐火浇注料，锚固件为ST－20－21型，由于施工缝隙过大，氧化铝穿过施工缝冲刷锚固件，导致锚固件断裂，浇注料脱落，影响生产。采用的措施包括增强锚固件的焊接强度，改进施工工艺；减少保温浇注料厚度，过道两端全部改为耐火浇注料，减少施工缝等

第三篇：氧化铝焙烧温度控制系统课程设计-精品

氧化铝焙烧温度控制系统课程设计

摘要：氧化铝是电解铝生产的主要原料，针对我国矿石特点，我国氧化铝的生产工艺主要采用的是拜尔法和烧结法以及混联法，在拜尔法中焙烧工序是氧化铝生产必不可少的一个过程，并且是整个氧化铝生产的最后一道工序，该生产过程的主要任务是将来自分解或平盘的带有附着水的氢氧化铝物质在焙烧炉中高温煅烧，脱除附着水和结晶水，从而生成物理化学性质符合电解要求的氧化铝。氧化铝焙烧的主要工艺参数是灼烧温度．灼烧温度的高低与稳定与否直接决定着氧化铝的出厂质量，所以稳定控制氧化铝灼烧温度是保证氧化铝生产质量 的主要途径。本文以氧化铝焙烧生产过程控制系统为背景，开展了氧化铝焙烧生产过程控制策略的研究和控制系统的设计以及器件的选型。

关键词：氧化铝焙烧；器件选型；串级控制系统；PID参数整定

一、氧化铝生产工艺

生产氧化铝的方法大致可分为四类：碱法、酸法、酸碱联合法与热法。目前工业上几乎全部是采用碱法生产。碱法有拜耳法、烧结法及拜耳烧结联合法等多种流程。

目前，我国氧化铝工业采用的生产方法有烧结法，混联法和拜耳法三种，其中烧结法占20.2％，混联法占69.4％，拜耳法占10.4％。虽然烧结法的装备水平和技术水平在今年来有所提高，但是我国的烧结技术仍处于较低水平。而由于拜耳法和烧结混合法组成的混联法，不仅由于增加了烧结系统而使整个流程复杂，投资增大，更由于烧结法系统装备水平和技术水平不高，使得氧化铝生产的能耗增大，成本增高，降低我国氧化铝产品在世界市场上的竞争力。拜耳法比较简单，能耗小，产品质量好，处理高品位铝土矿石，产品成品也低。目前全世界90％的氧化铝是用拜耳法生产的。

拜耳法的原理是基于氧化铝在苛性碱溶液中溶解度的变化以及过氧化钠浓度和温度的关系。高温和高浓度的铝酸钠溶液处于比较稳定的状态，而在温度和浓度降低时则自发分解析出氢氧化铝沉淀，拜耳法便是建立在这样性质的基础上的。

下面两项主要反映是这一方法的基础：

Al2O3xH2O2NaOH(3x)H2O2NaAl(OH)4

NaAl(OH)4Al(OH)3NaOH

前一反映是在用循环的铝酸钠碱溶液溶出铝土矿时进行的。铝土矿中所含的一水和三水氧化铝在一定条件下以铝酸钠形态进入溶液。后一反映是在另一条件下发生的析出氢氧化铝沉淀的水解反应。铝酸钠溶液在95-100度不致水解的稳定性可以用来从其中分离赤泥，然后使溶液冷却，转变为不稳定状态，以析出氢氧化铝。

拜耳法生产过程简介：原矿经选矿、原矿浆磨制、溶出与脱硅、赤泥分离与精制、晶种分解、氢氧化铝焙烧成为氧化铝产品。

1破碎后进厂的碎高矿经均化场均化后，用斗轮取料机取料入输送机进入铝矿仓，石灰石经煅烧后输送到石灰仓，然后与循环母液经调配后按比例进入棒磨机、球磨机的两段磨和旋流器组成的磨矿分级闭路循环系统。分级后的溢流经缓冲槽和泵进入原矿浆储槽，用高压泥浆泵输送矿浆进入多级预热和溶出系统，加热介质可用溶盐也可用高压新蒸气，各级矿浆自蒸发器排出的乏气分别用来预热各级预热器中的矿浆。溶出设备可用套管加热与高压釜组成溶出器组。溶出后的矿浆经多级降压自蒸发器降压后，与赤泥一次洗液一同进入矿浆稀释槽。末级自蒸发器排出的乏气，用来预热赤泥洗水，洗水由循环水和不合格的冷凝水组成。稀释矿浆进入分离沉降槽，其溢流经过叶滤和降温后送去晶种搅拌分解，分解后的氢氧化铝浆液经分离后，大部分氢氧化铝返回种分槽作为晶种使用，其余部分送去洗涤，洗水用纯净的热水，洗净后的氢氧化铝送去焙烧，焙烧后的氧化铝即为成品氧化铝。分离后的种分母液送去蒸发，加入少量盐类晶种以诱导盐类晶种析出，其溢流与滤液、补充新的液体苛性钠后组成循环母液，送去调配制备原矿浆。

二、氧化铝生产焙烧过程工艺

氢氧化铝焙烧是氧化铝生产工艺中的最后一道工序。焙烧的目的是在高温下把氧化铝的附着水和结晶水脱除，从而生成物理化学性质符合电解要求的氧化铝。(1)焙烧原理

氢氧化铝经过焙烧炉的干燥段，焙烧段和冷却段使之烘干，脱水和晶形转变而变成氧化铝产品其化学变化可分为以下几个阶段。

（a）脱除附着水

CAl(OH)3H2O100Al(OH)3H2O 当温度高于100C时氢氧化铝中的附着水被蒸发，此反应发生在闪速干燥器。(b)脱除结晶水

结晶水的脱除分两步进行，250-300度时，失去两个结晶水，在500-600度的温度下它失去最后一个结晶水。而成为rAlO。

23300CAl2O33H2O250Al2O32H2O 600CAl2O3H2O500Al2O3H2O (c)晶型转变

氢氧化铝在脱水过程中伴随着晶体转变，rAl2O3在950度时开始进行晶型转变，逐渐由rAl2O3转变为a-Al2O3。

(2)氧化铝焙烧过程生产过程流程介绍

流态化焙烧是世界上最先进的氢氧化铝焙烧技术与装置，流态化是一种固体颗粒与气体接触而变成类似流体状态的操作技术。而固体物料在流态化状态下与气体或液体的热交换过程最为强烈。(a)此炉型采用了在干燥段设计热发生器这一新颖措施，当供料氢氧化铝附着水含量增大时，不需象其它炉型那样采取增加过剩空气的方式来增加干燥能力，仅需启动干燥热发生器来增加干燥段热量，避免了废气量大增而大量损失热量，因此，与前二种炉型相比，气体悬焙烧炉热耗和电耗要低。

(b)整套装置设计简单。一是物料自上而下流动，可避免事故停炉时的炉内积料和计划停炉时的排料；二是设备简单，除流化冷却器外无任何流化床板，没有物料控制阀，方便了设备维检修：三是负压作业对焙烧炉的问题诊断和事故处理有利。这些都有利于故障后生产的快速恢复，给生产组织带来方便。

(c)控制回路简单，气体悬浮焙烧炉虽有多条自动控制回路，但在生产中起主要作用的仅有2条，一条是主燃烧系统的主炉温度控制回路，另一条是O2含量控制回路。

三、焙烧炉温度控制方案设计

目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。一个控控制系统包括控制器、传感器、变送器、执行机构、输入输出接口。控制器的输出经过输出接口、执行机构，加到被控系统上；控制系统的被控量，经过传感器，变送器，通过输入接口送到控 制器。

(1)对于焙烧过程而言，主要控制焙烧炉出口温度。而影响焙烧炉出口温度的因素主要就是燃料的流量，而流量又决定于主燃烧器的流量阀门的开度。因此，我们引入中间点信号，即最能反应焙烧炉出口温度的进入主燃烧器中的燃料流量，作为调节器的补充信号，以便快速反应影响焙烧炉出口温度变化的扰动，引入该点作为辅助被调量，通过调节管道上流量阀的开度调整燃料的流量，组成了流量．温度串级调节系统，从而调节焙烧炉的出口温度，来保氧化铝的产量和质量口”。焙烧炉温度控制回路流程图如图所示：

图1 焙烧炉温度控制回路流程图 焙烧炉温度控制回路设计为串级控制回路，主回路为温度控制回路，其输入为焙烧炉的出口温度的设定值，控制器输出为副回路的输入，测量仪表为一体化热电偶；副回路为流量控制回路，其输入为主控制器的输出或主燃烧器的流量设定，控制器输出为主燃烧器V19流量调节阀的百分比开度，执行机构为流量电动调节阀，测量仪表为电磁流量计。从方框图可以看出，串级调节系统有两个闭环的调节回路：

图2 温度控制回路结构图

a）由PID控制器、调节阀、主燃烧器、流量计构成了副环回路。b）由PID控制器、副环回路、焙烧炉、温度计构成了主环回路。

副环回路为流量调节系统，选用标准PID控制器来控制该系统。主环回路为温度调节系统，也选用标准PID控制器来控制该系统。

主调节器出的的信号不是直接调节温度，而是作为副调节器的可变给定值，与燃料流量信号比较，再通过副调节器去控制电动阀动作，以调节燃料流量，保证焙烧炉出口温度能较快的跟踪设定值并最终保持在设定值附近不变。

(2)从动态特性的角度考虑，优化控制器性能与结构，提高系统的响应速度。在对控制系统进行设计时，尽量根据被控制对象选择一组较为合适的控制器参数，提达到更好可控制效果。而通过对系统建立数学模型，根据模型特性，通过设定某种性能指标，在实现最优指标的前提下，对控制器参数进行寻优可谓是个好的优化控制器性能的办法。对于串级控制系统来说，有两个控制器，因此需要分别对两个控制器的参数进行整定，整定的顺序先调节副回路，待副回路调节达到要求后，在调节主回路。

(3)如果测量元件的延迟和惯性比较大，就不能及时反映温度的变化，就会造成系统不稳定，影响控制质量。因此，在系统的仪表选型上尽量使用快速的测量元件，安装在正确的位置，保证测量信号传递的快速性，减小延迟和惯性。

四、焙烧炉温度回路对象模型的建立与验证

建立数学模型的方法有许多种，像机理建模、系统辨识等。机理建模有较大的普遍性，但是多数工业过程的机理较为复杂，其数学模型很难建立，虽然在建模过程中作了一些具有一定实际依据的近似和假设，但是逼近不能完全反映过程的实际情况，有时甚至会带来一些估计

4不到的影响。因此，在工程目前主要采用试验建模一过程辨识和参数估计的方法。建模的方法我们采用响应曲线法，响应曲线法主要用于阶跃响应曲线和矩形脉冲响应曲线。

图3 阶跃响应法 图4 矩形脉冲响应法(1)阶跃响应曲线的试验测定：

将被控过程的输入量作一阶跃变化，同时记录其输出量随时间而变化的曲线，则称为阶跃响应曲线。

阶跃响应曲线能直观，完全描述被控过程的动态特性。实验测试方法易于实现，只要是阀门的开度作一阶跃变化即可，实验时必须注意：

(a)合理选择阶跃扰动量，既不能太大，以免影响正常生产，也不能太小，以防被控过程的不真实性。通常取阶跃信号值为正常输入信号的5％一15％，以不影响生产为准。(b)试验应在相同的测试条件下重复做几次，需获得两次以上的比较接近的相应曲线，减少干扰的影响。

(c)试验应在阶跃信号作正，反方向变化时分别测出其相应曲线，以检验被控过程的非线性程度。

(d)试验前，即在输入阶跃信号前，被控过程必需处于稳定的工作状态。在一次试验完成后，必须是被控过程稳定一段时间后再施加测试信号作第二次试验。

考虑到实际工程的方便，对主炉温度控制我们采用阶跃响应曲线试验建模法。根据 控制理论来分析，设计或改进一个过程控制系统，只有过程的阶跃响应曲线显然是不够的，还必须有阶跃响应曲线来辨识被控过程数学模型，如微分方程、传递函数、频率特性、差分方程等。在确定模型参数时，首先分析阶跃响应曲线的形状，选取一种模型结构，然后进行参数估计。由阶跃响应曲线辨识数学模型的方法很多，一阶惯性环节是一种常用的估计方法。

在过程输入阶跃信号x0的瞬时，其响应曲线的斜率最大，如图5所示。

5图5 阶跃响应曲线

此时，其数学模型可用一阶惯性环节来近似，即

w(s)sK1

式中参数K、的求法如下：(1)过程的静态放大系数

y()y(0)x0K(2)过程的时间常数

对于上式所示的过程模型，在阶跃信号x0作用下的时间特性为：

y（t）Kx0(1e)

式中，K为过程的放大系数，可由上式可确定。

图3．20描绘该方程的曲线图，表明一阶过程对输入的突然变化不能瞬时做出响应。事实上，当时间间隔等于过程时间常数是（t）过程响应应仅为完全值得63.2％。从利用上讲，除了t，过程输出总不会达到新的稳态值；当（t5）时，相应近似为最终稳态值。

t

五、设备及控制仪表的选型

（1）温度变送器的选择

选用JCJ100G温度变送器，JCJ100G温度变送器将热电热偶所测的温度变化通过电路处理，经信号放大后转化成标准的电压或电流信号。信号可以供数字仪表、记录仪、模拟调节器、DCS系统，广泛用于工业生产过程检测与控制系统。本温度变送器采用优质电子器件，性能远高于其他同类产品，物美价廉。（2）控制器选型

按照设计要求，本设计选用一个KSW-6-16型温度控制器为1300℃电炉的配套设备，与铂铑—铂热电偶配套使用，可对电炉内的温度进行测量、显示、控制，并可使炉膛内的温度自动保持恒温。以硅碳棒为加热元件的高温电阻炉，其加热元件的冷态与热态时的电阻值相差较大，在长期使用中硅碳棒的电阻值将逐渐变大。所以必须与调压设备配套使用，KSW-6-16型号的温度控制器具有温度控制和电压调节二种功能，该温度控制器的温度显示有数字显示

6和指针显示二种，其中尤以固态继电器为执行元件并配以数字显示的控制器性能更为优越。结构及工作原理：温度控制器的外壳由钢板冲压折制成型并采用铝合金框架结构，外壳表面采用高强度的静电喷涂，漆膜光滑牢固。控制器的前部装有温度控制仪表、电压表、电流表和电源开关。控制器的内部装有可控硅、线路板及螺旋保险和接线端子等电器元件。该温度控制系统采用了优质电子集成元件，控温灵敏、性能可靠、使用方便。

其工作原理：热电偶将电炉内部的温度转换为毫伏电压值，经过集成放大器的放大、比较后，输出移相控制信号，有效地控制可控硅的导通角，进而控制硅碳棒的平均加热功率，使炉膛内的温度保持恒温。（3）执行器的选择

PID系统的执行机构为电动调节阀、排料阀。电动阀使用电机作动力，气动阀使用压缩空气作动力，电动阀对液体介质和大管道径气体效果好，不受气候影响，电动调节阀要求电动调节装置和阀体间隙精密，能够准确地控制阀门开度，阀芯则根据重油黏度系数选用V型半球阀，使其过油能够连续通顺，并使调节与开度尽量满足线性关系。为了解决排料的连续性，选择了气动控制排料阀，执行机构为I／P定位器。I／P定位器是二位三通电磁阀。此装置通过阀门开关来控制气缸带动活塞运动。（4）气开气关选择

气动调节阀气开或者气关，通常是通过执行机构的正反作用和调节阀结构的不同组装方式实现。气开气关的选择是根据工艺生产的安全角度出发来考虑的。在本设计中，沸腾焙烧炉的温度控制，调节阀安装在燃料气管道上，根据炉膛的温度或被加热物料在加热炉出口的温度来控制燃料的供应。根据生产过程的工艺特点和安全要求，保证人身安全原则、系统与设备安全原则，保证产品的质量原则，减少原料和动力浪费原则，基于介质特点的工艺设备安全原则，本设计选用气开阀更安全些，因为一旦气源停止供给，阀门处于关闭比阀门处于全开更适合。如果气源中断，燃料阀全开，会使加热过量发生危险。（5）调节器正负作用选择

副调节器作用方式的选择，确定副被控过程的Ko2，当调节阀开度增大，燃料量增大，炉膛温度上升，所以 Ko2 >0。最后确定副调节器，为保证副回路是负反馈，各环节放大系数(即增益)乘积必须为正，所以副调节器 K 2>0，副调节器作用方式为反作用方式。主调节器作用方式的选择，炉膛温度升高，物料出口温度也升高，主被控过程 Ko1 > 0。为保证主回路为负反馈，各环节放大系数乘积必须为正，所以副调节器的放大系数 K 1> 0，主调节器作用方式为反作用方式。

六、温度控制器PID参数整定及仿真

PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID控制器参数整定的方法很多，概括起

7来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。现在一般采用的是临界比例法。利用该方法进行PID控制器参数的整定步骤如下：(1)首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作；(2)仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期；(3)在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。

被控对象为一阶传递函数

3.98W(s)sK111.15s1

采样时间为O.2秒，输入指令为一阶阶跃信号。

温度控制器PID参数整定方法，应用Matlab计算机语言编写了算法PID参数程序，获得优化参数。

整定后的PID控制阶跃响应在Matlab环境下进行仿真，仿真控制程序如图3．31所 示。

图6 温度PID控制的Simulink仿真程序

在仿真环境下焙烧炉设定1110℃，仿真曲线图所示。

8图7 温度PID整定的阶跃响应曲线

通过仿真曲线图7可以看出通过PID参数能够使焙烧炉温度快速稳定准确的跟踪设定值，上升时间大约为8s，调节时间约为10s，超调量小，基本达到控制要求。

七、总结

所设计的回路控制策略应用到现场，能够满足现场的控制要求，而且能够提高产品的品质，实验室整定的PID参数对现场控制器有很好的指导意义，提高了控制精度；为氧化铝焙烧生产提供保障；减轻了现场工艺人员的工作强度，同时也能更加精确、严格的按照设定好的曲线烘炉，提高炉子内衬的使用寿命，为顺利生产提供前提保障。总之，焙烧过程计算机控制系统成功的应用到实际工程中，满足实际项目的工艺要求，降低了现场人员的工作量，节约了现场能量，提高了产品质量和产量。

参考文献：

[1] 熊志利.氧化铝生产焙烧过程计算机控制系统的设计与开发 东北大学 [2] 翟小康.焙烧生产工艺燃烧控制系统分析 消费电子 2014，（14）[3] 姚月航.氧化铝的焙烧技术与节能 中国科技博览 2014，（12）[4] 盛坤.PID技术在氧化铝焙烧炉上的应用 自动化仪表 2013,34（6）[5] 陶峰.浅析PID参数如何调节 中国科技博览 2011，（38）：14-17 [6] 赵紫静,吴建民.浅议PID控制在温度控制系统中的应用[J].安徽农业科学,2008,(21):9335-9336 [7] 熊志利 氧化铝焙烧过程回路控制策略研究 企业技术开发 2010，（19）[8] 李传淮,吕文义.氧化铝生产过程中的燃烧控制 自动化仪表 2002年 第3期

第四篇：竖炉焙烧培训教案

竖炉焙烧工艺操作参数原理及要求

1、竖炉焙烧；

⑴生球通过布料机连续不断的、均匀的布入炉内，经过干燥、预热、焙烧、均热、冷却五个阶段，焙烧后的球团矿从炉底部均匀的排出，在竖炉操作过程中要求排球量与布入生球量基本平衡，因此竖炉生产是个连续作业的过程。

⑵生球由梭式布料机布入竖炉内，以一定的速度向下移动，由设置在竖炉两侧的煤气燃烧室燃烧产生的高温气体从火口喷入炉内，对生球进行焙烧。同时由冷却带冷却热交换所产生的热量，也为焙烧过程提供一定热量。⑶生球首先布料在竖炉烘床上进行干燥脱水，预热氧化进入焙烧带，在高温下发生固结；再经过均热带，完成全部固结过程；

⑷固结后的球团与由从下往上滚入冷却带与冷却风进行热交换而得到冷却；冷却后的球团从炉底部经过齿辊排出。

⑸冷却风量经热交换后大部分通过导风墙与燃烧室的气体在炉篦下汇合，通过炉篦干燥床对生球产生干燥。然后从炉口排出，经过除尘器除尘，最后进入烟囱排放到大气中。

⑹因此球团的整个焙烧过程，基本上是在竖炉内完成，竖炉是一种按逆流原则工作的热交换设备，即料流按自上往下方向，气流按自下往上进行。

2、竖炉焙烧的工艺原理：

生球在竖炉内经过干燥、预热、焙烧、均热、冷却的整个燃烧过程有受热而产生的物理变化过程；也有化学变化过程。它不仅与球团原料的化学组成和矿物组成有关，而且与球团的热物理性质(比热、导热性、导湿性)和加

热介质的特性(温度、流量、气氛)有关。

⑴干燥带

竖炉干燥采用屋脊形干燥床，预热带上升的热废气和从导风墙出来的热风在干燥床下部混合，温度达到350-450℃（具体可根据物料性能，烘干效果调整），穿过干燥床与自干燥床顶部向下滑的球进行热交换，达到生球干燥的目的。生球在干燥带行为主要是脱除水份，初步加热，磁铁矿氧化开始。生球经过干燥后，体积收缩，抗压强度提高，一般干球抗压强度比生球提高4-6倍。同时，毛细水排除，内磨檫力增加，塑性消失，落下强度变差，仅有1次/个左右。⑵预热带

生球干燥后（残留1-2%的 水份）从干燥床的下部滚落进入预热带，在预热带干球除了继续加热（最终升温到900-1000℃）脱除水份和强度提高外，还将发生下列变化。

⑴结晶水、水化物和结构水的分解和排除。

⑵磁铁矿的氧化和结晶。对磁铁矿球团来说，在竖炉预热带主要发生氧化反应（Fe3O4+O2→Fe2O3+Q）。当生球被加热到200-300℃时磁铁矿氧化开始，加热到800-900℃时氧化速度大大提高，加热到1000℃时，产生激烈氧化反应；当温度达到1000-1100℃或以上时，氧化停止，Fe2O3开始结晶长大，形成连接桥，使球团强度提高。

同时，还进行硫化物分解和氧化；碳酸盐的分解；固相反应，铁酸盐和硅酸盐的生成。

因此，生球在预热带发生较多的物理化学变化，因而必须选择合适的预热

带温度以达到控制生球的升温速度的目的，有利于磁铁矿的氧化、硫的脱除、碳酸盐分解、铁酸盐和硅酸盐的生成。⑶焙烧带

生球通过预热带被加热到700℃左右，进入焙烧带，主要发生两个方面的反应，一是继续加热，二是发生固结，使之强度急剧提高。

⑴铁氧物的结晶和再结晶

当竖炉加热到1100℃以上时，在氧化物气氛下，Fe2O3微晶迁移能力增大。促使Fe2O3长大，形成连接桥，相互紧密连成一片，这一再结晶过程是球团强度提高的关键。由于磁铁矿焙烧过程的氧化放热，磁铁矿球团焙烧温度比赤铁矿球团焙烧温度低。(2)固相烧结反应

固相烧结反应是指固态物质间扩散和烧结。球团晶格中的质子(原子、离子)在1200℃-1300℃时，呈现出强烈的迁移能力，使结晶的缺陷逐渐得到校正，最终形成较为稳定的大的晶体颗粒。(3)低熔点化合物的生成

由于焙烧带处于高温状态下，会生成一些低熔点化合物。如果这些低熔化合物数量较少(5-7％)，液相渗透的结晶形成网状结构，较均匀的填充于球团的孔隙中，起着胶结作用，有利于球团强度提高。但若生成较多的低熔化合物(>40％)，产生过多的液相，降低球团的软熔温度使球团发生粘结，影响竖炉正常作业，对竖炉生产极为不利。

(4)球团的收缩和致密

球团在焙烧带产生固相烧结和生成低熔点化合物的液相使其体积发生收缩

和紧密，球团强度增加，磁铁矿球团在焙烧带的体积收缩率一般约为 6－8％。⑷均热带

球团经过焙烧后进入均热带，使球团固结充分，进一步提高球团矿的强度和质量。

球团中铁的氧化物再结晶和固相烧结反应的完成情况与温度及持续时间有密切关系，它随着温度升高，并保持一定的高温时间而逐步完成。所以说，球团在均热带的变化实际上是在焙烧带变化的延长。球团矿在均热带的行为主要是晶体进一步长大、球团进一步收缩和致密、球团矿质量的均匀化。因此，竖炉均热带的温度及时间长短对球团矿的质量提高起着非常重要的作用。⑸冷却带

冷却带是竖炉整个过程的最后一个阶段。灼热的球团矿与鼓入炉内的冷空气进行热交换，温度逐渐下降，进行一次冷却。一般温度能降到500-700℃，冷却风流量为57000-62000m3/h，压力为24-26Kpa。⑹排料

球团矿经竖炉底部的齿辊卸料器排出。齿辊实际是装设在竖炉炉体下部的一组能绕自身辊线作放置或往复摆动的活动炉底，其作用是松动料柱，破碎大块、承受料柱重量

3、竖炉设备的作用；

⑴烘干床的作用

在竖炉炉口部位设置双面斜坡式干燥床，为生球烘干创造了大风量、中风温、薄料层及动料层的条件，同时增大了生球干燥面积，实现均匀薄层，热气流干燥，热气流均匀穿透生球料层，从而加快了生球烘干速度，杜绝了

由于湿球在没有相对运动的下降过程中相互粘结而造成的结块现象，彻底消除了死料柱。另外采用烘干床干燥生球，提高了干球的质量，防止了湿球入炉产生变形和彼此粘结的现象，改善了炉内料层的透气性，为炉料顺行创造了条件。除此之外，还可以把干燥段和预热段明显分开，有利于稳定竖炉操作。

⑵导风墙的作用

a改善了球团矿焙烧过程。

整个竖炉断面上温度分布均匀是获得质量均匀球团矿的先决条件，温度分布状况又直接受气流分布的影响。导风墙的设置，有利于燃烧室喷出的高温气流穿透中心，消除炉子中心的死料柱。b减少焙烧带干扰，提高冷却效果。

在焙烧带中心设置导风墙，形成了冷却风炉内短路，使其直接进入干燥带，不需经过焙烧带高压区，这样阻力大大降低，相对增大了冷却风量，提高了冷却效果，降低了成品球温度，同时也为湿球干燥提供了充足的热源． c有利于燃烧室工作。

由于气流运行边缘效应，无导风墙时，冷却风沿炉墙上升，在喷火口与燃烧室的热废气相接触，使燃烧室压力增大，燃烧室燃烧效果变差，影响了其穿透力，导致球团矿质量不均匀。d提供氧化气氛。

球团矿焙烧过程实际上也是氧化过程，球团焙烧要在强氧化气氛下进行，否则氧化物最终还原生成低熔点的FeO2〃SiO2。而导风墙通过“风短路”方式为焙烧过程提供足够的氧量。

4、竖炉主要工艺参数及控制要求； ⑴烟罩温度：110±20℃；

⑵烘干床温度：450-550℃；

⑶燃烧室温度：基数±50℃，南、北温度差≦50℃ ⑷燃烧室压力：13-15Kpa，南、北压力差≦1Kpa ⑸煤气主管压力：20-24 Kpa，助燃风压力：22-26Kpa ⑹空、煤比＝2.5 ：1.0 ⑺焙烧带温度：基数℃±20℃

排矿温度：≦600℃ ⑻冷却风压力：≦27Kpa；

流量：60000-65000m3 ⑼废气量：（燃烧室煤气流量+助燃风流量）≥20000 m3/h

第五篇：焙烧炉烟气净化系统技术协议范本

林丰碳素焙烧炉烟气净化系统技术协议

甲方：河南林州市林丰碳素责任有限公司 乙方：郑州市净天环保设备有限公司

甲方新建 5料箱38 室焙烧炉一座，需要安装焙烧炉烟气净化系统，根据甲乙双方互利共盈的原则，达成如下协议：

一、承包范围及承包方法：

1、电捕焦油器、水洗塔、净化系统的设计，电捕焦油器的制作、安装、调试。

2、3、配电柜及配套电器的、安装、调试。

本工程采用包工包料的方法，乙方提供书面设计方案经甲方认可签字后生效。

二、工艺流程：

焙烧炉产生的废气，经烟斗进入炉中间Φ1200㎜钢制烟道，在炉东端

mm引出，在距离焙烧车间南外墙

mm处引向烟囱，经引风机向烟囱排放（检修时应急使用），另一路进入水洗塔脱硫塔进行脱硫降温处理，处理后的烟气进入电捕焦油器烟气通过电捕焦油器净化后经风机进入风机烟道排放。

三、技术参数：

3.1、焙烧炉烟气净化系统应达到：GB9078-1996工业窑炉大气污染物二级排放标准:粉尘含量:≤120mg沥青烟含量：≤40mg;二氧化硫含量：≤550mg。

3.2.1、水洗塔由单体砖混结构组成，塔体几何尺寸为

5m×7m×13m,水洗脱硫塔温度控制50°----120°。（由甲方建设）

3.2.2、内设21个不锈钢雾化喷头，外设自动火警报警和自动温控喷雾系统。（保留手动控制，便于调试、检修）3.3.1、型号： JFD548--A 型电捕焦油器 3.3.2、筒体直径 8600mm，八区双电场工作。

3.3.3、沉淀极（电场工作区）：蜂窝数 548 个，公称直径300㎜，净化效率≥99%.3.3.4、气体分布器和配气板，可使入塔体气体均匀分布。3.3.5、有效吸附面积：3354 m2，单电场截面积：42.7 m 3.3.6、工作温度：

3.3.7、高压发生器输入电压：380V 输出电压：0—72KV 输出工作电流：0—1000mA

3.3.8、电捕焦油器排泄物质：沥青、焦油、粉尘、水等。

3.3.9、采用微机智能硅整流控制装置，在运行中出现负载短路过压时，可有效切断电源并发出报警信号。

3.4.1、Y6—48 13.5D 风机，280KW 电机。电器控制部分要求设置现场功率补偿，提高功率因数。（由甲方采购）3.4.2、风量 120000--158000 m³∕h。

3.4.3含尘气体在电捕塔内流速为 0.813m∕s，电场长度为 6m，气体在电捕塔内滞留时间约为7.38s

四、验收标准：

4.1、水洗塔及电捕焦油器验收标准：按照GB9078—1996工业窑炉大气污染物二级排放标准验收（若有与现行法律法规发生冲突的，以国家最新标准为准）。

4.2、水洗塔及电捕焦油器验收程序：工程竣工后，由乙方提交竣工报告、技术文件及全套交工技术资料、操作规范，并申请甲方验收，甲方在该设备投入正常运行一个月内，申请环保部门进行验收，作为验收依据。若设备正常运行60天，经乙方提示甲方仍不予组织环保部门验收的，可视为该设备合格。

4.6、设备制作完毕要求去除毛刺、铁锈，刷铁红防锈漆两遍，灰色面漆两遍。

五、设备安装及施工安全：

5.1、除尘设备由乙方设计、制作、安装，均由乙方负责，施工用辅材（电焊条、乙炔、氧气等）、设备（焊机、焊枪、安全带、葫芦等）及脚手架由乙方自备。

5.2、生活由乙方自理，甲方提供水电及乙方施工人员住所。5.3、施工安全：施工人员安全由乙方全部负责，甲方不负任何责任。

六、技术培训及售后服务：

6.1、乙方负责免费培训甲方操作、维修人员。

6.2、售后服务：本工程质保期为经环保部门验收合格后一年，期间因乙方原因造成的质量问题，乙方包修包换，因其他因素造成的质量问题由乙方提供服务，费用由甲方承担。

6.3、服务承诺：不限期内乙方接到电话通知后48小时内到达甲方现场提供技术服务。（服务电话：0371-68945508

68945509）

七、未尽事宜经双方协商解决。

八、本协议壹式二份，双方各执一份。

甲方：河南林州市林丰碳素责任有限公司

代表签字（盖章）：

乙方：郑州市净天环保设备有限公司

代表签字（盖章）：

2011年10月30日