（控制科学与工程专业论文）回转窑物料运动规律及其实时监测.pdf

s o l i d sm o t i o ni nr o t a r yk i l n s ：m o t i o nb e h a v i o r a n dr e a l t i m em o n i t o r i n gs y s t e m b y x u x i n b e ( c h a n g s h au n i v e r s i t yo fs c i e n c e & t e c h n o l o g y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o r t h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g c o n t r o ls c i e n c ea n de n g i n e e r i n g i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a n u n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o r ：l i ux i a o y a n a p r i l ，2 0 t 1 m洲l川9 4609川i 舢y 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体己经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 作者签名：浔砍 日期：1 口| f 年r 月2 7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密匝 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：砰妖 导师签名：m 。一巴 日期：2 。if 年f 月2 7 日 日期：2 。年 月叩日 刚转窑物科运动规律及其实时l 监测 摘要 回转窑是一种大型的热工设备，广泛应用于化工、冶金、矿业、水泥和造纸 等工业部门。但是，回转窑也属于大型的高能耗设备。在我国一些中小型企业， 回转窑生产自动化水平低下，长期工作在高耗能状态，不利于完成十二五规划中 提出的降低能耗的指标。 国内外在回转窑的自动控制方面也做过许多有意义的实践，主要通过检测窑 内温度、压力和料浆流量等热工信号，并在此基础上采用各种方法实现对回转窑 生产过程的自动控制和优化。但是，由于检测方法等诸多条件的限制，这些控制 系统设计时往往没有考虑物料运动特征这一重要信息。 回转窑横截面内物料颗粒的径向运动包括泻落层和滞留层两个区域。本文采 用图像处理技术，对单个颗粒的运动轨迹进行了跟踪测量，分析了颗粒在泻落层 的运动特点：在此基础上，研究颗粒时间特性与回转筒转速和物料填充率之间的 关系；最后根据实验结果，定义了泻落时间比，并推断此无纲变量能够作为衡量 回转窑料床内部传热效率的参数。 目前，工业回转窑物料运动监控系统尚未见研究报道。本文针对某企业铁氧 体焙烧回转窑，设计了一套基于数字图像处理技术的物料运动实时监测系统。该 软件包含图像采集与显示、图像处理以及数据库等模块，能够有效的检测出休止 角、填充率等物料运动关键特征信息。经过对现场数据进行分析，得出休止角的 动态变化能够预测窑内热工状况这一重要结论，对于完善现有的回转窑生产过程 监控系统具有重要的实际应用价值。 关键词：回转窑：图像处理；物料运动；时间特性；监控软件 硕士学位论文 a b s t r a c t r o t a r yk i l n sa r el a r g et h e r m a le q u i p m e n t st h a ta r ew i d e l yu s e d i nc h e m i c a l ， m e t a l l u r g y ，m i n i n g ，c e m e n ta n dp a p e ri n d u s t r i e s h o w e v e r ，r o t a r yk i l n sa l s ob e l o n g t o h u g ee n e r g y - c o n s u m i n ge q u i p m e n t s i nc h i n a ，t h er o t a r yk i l np r o c e s s e si nm o s ts m a l l a n dm e d i u me n t e r p r i s e sa r ep o o r l ya u t o m a t e d ，l e a d i n gt oh i g he n e r g yc o n s u m p t i o n a n dd i f f i c u l t i e si nc o m p l e t i o no ft h en a t i o n a lt w e l f t hf i v e y e a r - p l a n e f f o r t sh a v eb e e nd e v o t e dt ot h ea u t o m a t i cc o n t r o lo fr o t a r yk i l np r o c e s s e s s u c h c o n t r o ls y s t e m sa r em a i n l yr e a l i z e db yd e t e c t i n gt h e r m a ls i g n a l ss u c ha st e m p e r a t u r e ， p r e s s u r ea n df e e dr a t e ，b a s e do nw h i c ht h ek i l np r o c e s sa r ec o n t r o l l e da n do p t i m i z e d h o w e v e r , d u et ol a c ko ft h em e a s u r i n gt e c h n o l o g y ，t h e s ec o n t r o ls y s t e m si g n o r e dt h e i m p o r t a n tp r o c e s si n f o r m a t i o n - t h es o l i d sm o t i o nw h i c ha c t u a l l yp l a y sa ni m p o r t a n t r o l ei nt h ee n e r g yt r a n s p o r ti n s i d et h ek i l n t h es o l i d sb e di nt h ek i l nc r o s s s e c t i o ni n c l u d e st h ec a s c a d i n gl a y e ra n ds t a g n a n t l a y e r i nt h ep a p e r ，i m a g ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g yw a su s e dt ot r a c ks i n g l ec o l o r e d p a r t i c l ea n dt h em o t i o nb e h a v i o ro ft h ep a r t i c l ei nt h ec a s c a d i n gl a y e rw a sa n a l y z e d t h et i m ef e a t u r e so ft h em o t i o nw e r em e a s u r e da n dt h ee f f e c t so fd r u ms p e e da n d f i l l i n gd e g r e ew e r e s t u d i e d b a s e do nm e a s u r e m e n t s ，an e wd i m e n s i o n l e s st i m e v a r i a b l e ，f r a c t i o n a lr e s i d e n c et i m ew a si n t r o d u c e dw h i c hm a ys e r v ea sa ni n d i c a t o ro f t h eh e a tt r a n s f e re f f i c i e n c y r e p o r t so nt h er e a l t i m em o n i t o r i n go fs o l i d sm o t i o nf o ri n d u s t r i a lr o t a r yk i l n s a r er e l a t i v e l yr a r e i nt h i sp a p e r , a ni m a g e b a s e dm o n i t o r i n gs y s t e mw a sd e v e l o p e df o r t h es o l i d sm o t i o ni naf e r r i t er o t a r yk i l n i tc o n s i s t so fi m a g ea c q u i s i t i o na n dd i s p l a y m o d u l e ，i m a g ep r o c e s s i n gm o d u l ea n dd a t a b a s em o d u l e w i t hi t ，i m p o r t a n tm o t i o n f e a t u r e so ft h es o l i d ss u c ha st h er e p o s ea n g l ea n df i l l i n gd e g r e ec a nb ed e t e c t e d a n a l y s i so ft h ed a t ad e m o n s t r a t e dt h a tt h er e p o s ea n g l ec a nb eu s e dt op r e d i c tt h e c h a n g eo ft h e r m a lc o n d i t i o n a li n s i d et h ek i l n t h eo b t a i n e dr e s u l t sp r o v i d ean e w m e a s u r i n gt e c h n i q u ef o rt h ep r e d i c t i o no ft h e r m a lp r o c e s si n s i d et h ek i l n ，w h i c ha r e m e a n i n g f u lt ot h ei m p r o v e m e n to ft h ea u t o m a t i cc o n t r o lo fr o t a r yk i l n s k e yw o r d s ：r o t a r yk i l n ；i m a g ep r o c e s s i n g ；s o l i d sm o t i o n ；t i m ef e a t u r e s ； m o n i t o r i n gs o f t w a r e 1 1 1 回转窑物料运动规律及其实时监测 目录 学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书i 摘要i i a b s t r a c t l 插图索引一 插表索引一 第1 章绪论1 1 1 研究背景l 1 2 国内外研究现状一2 1 3 选题意义一4 1 4 本文主要内容一5 第2 章回转窑的结构及工作原理6 2 1 回转窑结构7 2 2 回转窑的工作原理9 2 3 回转窑的实际操作1o 2 4 回转窑物料运动关键参数1 l 2 5 小结一12 第3 章回转窑内物料颗粒径向运动的实验研究一1 3 3 1 径向运动的研究现状一1 3 3 2 实验过程及检测方法1 4 3 2 1 实验装置”1 4 3 2 2 图片的获取“1 4 3 2 3 图像处理流程1 5 3 3 颗粒运动轨迹分析”1 7 3 4 颗粒径向运动时间特性分析2 0 3 4 1 泻落时间与滞留时间2 l 3 4 2 填充率对时间特性的影响2 5 3 4 3 转速对时间特性的影响一2 6 3 4 4 泻落时问比2 7 3 5 小结一2 8 第4 章铁氧体焙烧窑物料运动实时监测系统”2 9 i v 硕l ：学位论文 4 1 物料运动信息的重要性2 9 4 2 硬件平台3 0 4 3 软件界面设计”3 l 4 4 软件模块实现3 2 4 4 1 图像采集显示模块3 3 4 4 2 图像处理模块- 3 3 4 4 3 曲线模块”3 4 4 4 4 数据库模块3 5 4 5 物料信息提取与检测3 6 4 5 1 休止角3 6 4 5 2 填充率”3 9 4 5 3 物料温度一4 l 4 6 结果与讨论一4 2 4 7 小结4 5 结论与展望一4 6 参考文献4 8 致谢一5 2 附录a 攻读学位期间发表的学术论文5 3 附录b 相关程序5 4 v 问转窑物料运动规律及j e 实时监测 插图索引 图1 1 物料在回转窑内的运动模式3 图2 1 工业回转窑现场_ 一6 图2 2 回转窑结构图一7 图2 3 休止角示意图1 2 图3 1 物料径向运动示意图一1 3 图3 2 实验装置图片及原理图“1 4 图3 3 玻璃球运动图片l5 图3 4 图像处理流程”1 5 图3 5 玻璃球图片r 、g 、b 直方图1 6 图3 6a ) 大阈值分割结果b ) 小阂值分割结果c ) 两次阈值分割结果1 7 图3 7 分割流程图一17 图3 84 秒内红球运动轨迹1 8 图3 97 0 秒内红球运动轨迹18 图3 1 0 颗粒在泻落层内的典型运动轨迹1 9 图3 1 1 三条轨迹所对应的速度曲线2 0 图3 1 2 红球运动轨迹图( 由约2 0 0 0 幅图像组成) 一2 l 图3 1 34 8 个周期的泻落时间和滞留时间2 2 图3 1 4 滞留时间丁r ，与，i 的关系2 3 图3 1 5 泻落时间丁p ，与，的关系2 4 图3 1 6 料床内轨迹示意图“2 6 图3 1 7 平均周期时间乃随转速的变化趋势2 7 图4 1 铁氧体焙烧回转窑生产现场3 0 图4 2 硬件结构图”3 0 图4 3 窑头图片3l 图4 4 软件界面示意图3 2 图4 5 软件整体流程图3 2 图4 6 图像采集和显示流程图3 3 图4 7 图像处理过程一3 4 图4 8 休止角测量流程图3 7 图4 9a ) 滤波后图像b ) 物料区位置模板c ) 模板处理后图像”3 7 图4 1 0a ) f c m 分割结果b ) 物料区c ) 料床表面边缘曲线d ) 边缘的直线拟合3 9 v i 硕上学位论文 图4 1l 回转窑下料口处照片3 9 图4 1 2 物料区几何示意图一4 0 图4 1 3 填充率趋势曲线4 l 图4 1 4 基于图像处理技术测量到的休止角曲线( a ) 和物料温度曲线( b ) 以及仪表显 示的温度曲线( c ) 4 4 v n 同转窑物料运动规律及其实时豁测 插表索引 表2 1 回转窑技术参数表一7 表2 2 火焰颜色与对应的温度1 1 表3 1 不同转速n 、不同填充率f 条件下，实验所测得的平均泻落时问瓦、平均 滞留时间毛、平均周期时间弓以及泻落时间比碌2 5 表4 1 数据库表格示例一3 6 v 1 1 1 硕上学位论文 1 1 研究背景 第1 章绪论 回转窑是对散状或浆状物料进行处理的大型热工装备，在国民经济建设中发 挥着重要作用。在水泥工业中，回转窑是煅烧水泥熟料的重要设备，往往把其比 喻为水泥厂的“心脏，i ，它的造价占全厂投资的1 0 l5 ，其金属消耗量占全厂 机器设备总重的3 0 4 0 。同时，它的设计参数、技术性能以及运转情况，很大 程度上决定了水泥的质量、产量和成本。回转窑在冶金行业也发挥着重要作用， 以氧化铝回转窑为例，生料浆从回转窑的高端( 又称冷端或窑尾端) 加入，与热 烟气进行逆流换热。由于筒体有一定的倾斜角度，随着窑的转动，窑内物料在沿 圆周翻转的同时沿轴向移动，不断得到加热。经过一系列的物理化学变化，最终 烧制成易于溶解的固体铝酸钠熟料。此外，回转窑还广泛应用于化学工业中，用 于生产苏打、煅烧磷肥、硫化钡等。 但是，回转窑也属于大型的耗能设备。目前我国回转窑生产过程中能源费用 占到了成本的3 0 4 0 ，与主要发达国家相比还存在明显的差距【2 l 。例如，在氧化 铝生产过程中，国内平均水平约为0 5 7 吨标准煤，而工业发达的国家只有0 4 3 吨。这种现状严重的影响了我国企业的国际竞争力，同时也加剧了我国能源紧张 的局面。回转窑能耗难以控制的主要原因在于窑内复杂的物理化学现象，且相互 之间耦合严重，主要包括：物料的运动、物料之间的传热、通过窑壁的传热、气 体流动、煅烧反应、气固之间的传质、挥发等。使得回转窑生产过程中的建模和 控制优化有了很大的困难，实际生产过程的能耗难以控制。 为了降低回转窑生产过程的能耗，近年来国内外学者主要从两个方面对回转 窑进行了研究：窑内能量的传递机理和生产过程的优化控制。 ( a ) 回转窑内能量的传递过程主要表现在气体、物料和窑内壁之问的辐射、 对流和热传导过程。回转窑传热过程的数学模型，主要指描述回转窑运动过程中 回转窑内流动工质( 气体、物料) 传热的热力学行为的一组数学方程式。它一般 考虑回转窑内的些热交换过程或其他过程( 气固相流动、传质及物理化学反应 等过程) 对窑内传热过程的影响f 3 l 。国内外学者从不同的目的和角度对这一过程 进行了研究。 文献【4 】在确定烟气、料床、窑壁是回转窑传热过程三要素的基础上，建立了 回转窑窑壁非稳态传热数学模型，并得出窑皮越厚，窑壁的径向温度梯度越小， 热应力越低的结论。文献【5 6 】分析了物料、烟气和窑壁的传热机制，建立了回转 回转窑物料运动规律及其实时峪测 窑的轴向传热模型，并用来判断物料和气体的温度分布情况。文献【7 8 】考虑了回 转窑内物料的传输特性，指出料床内温度均匀的假设是不完善的。例如：当物料 处于滚落状态( r o l l i n g ) 时，固体颗粒之间能够连续不断翻转，从而快速实现热更 新；而在滑落状态( s l u m p i n g ) ，固体颗粒只能间歇性的下滑，颗粒之间混合缓慢， 不利于热传递。可以看出，在传热过程和物料运动的耦合作用下，窑内的物料运 动情况是研究能量传递模型必须要考虑的问题。 ( b ) 自动控制系统的引进能够保证回转窑的稳定运行，大大降低了由于工况 不稳定所造成的能源浪费。文献【9 一lo 】从人工经验操作的角度，总结出回转窑控 制过程中烧成带温度、窑尾废气温度、喂煤量、排风量和窑速等五个量之间的关 系及其模糊规则。文献【11 】将模糊预测控制方法应用于水泥回转窑分解炉出口温 度的控制。该算法根据预测误差及误差变化率进行模糊控制能实现超前调节，对 大时滞系统具有较好的控制作用。文献【1 2 】针对回转窑等复杂工业过程领域模糊 建模问题，提出了一种基于时间序列的模糊定量数据挖掘方法，讨论了其在复杂 系统模糊逻辑推理模型结构辨识中的应用。文献 1 3 1 4 结合回转窑控制实际，提 出主机电流、冷却机电流和火焰温度一起参与控制，采用专家系统使三者结合起 来，提出一种摄像监视、计算机图像处理、多传感器信息融合的计算机智能控制 系统。 然而，以上这些控制系统在设计时都没有考虑对回转窑内物料运动这一重要 信息进行监测和控制。其中一个重要原因在于，现有的物料运动理论还有待进一 步完善，此外，物料运动过程特征信息的在线检测也是一个技术难题。 因此，本课题研究回转窑物料运动规律，提取其中有用的特征信息，并开发 出一套铁氧体焙烧窑物料运动实时监测系统，具有较高的理论和实际应用价值。 1 2 国内外研究现状 国内外学者在物料运动传输特性方面的研究工作可以归纳为以下两个方面。 ( 1 ) 物料运动传输的理论建模和实验研究 物料的径向运动模式 文献i 15 】通过实验手段最早发现了回转体横截面内物料运动的不同模式。随 着回转窑转速的提高，物料颗粒在窑内将经历滑移运动( s l i p p i n g ) 、间歇滚动 ( s l u m p i n g ) 、连续滚动( r o l l i n g ) 、泻落运动( c a s c a d i n g ) 、抛落运动( c a t a r a c t i n g ) 、 离心运动( c e n t r i f u g i n g ) 等6 种运动形式，见图1 1 。 2 硕卜学位论文 清移运动问歇淡动 滚动运动 污落运动 抛落运动蠢c 运动 图1 1 物料在回转窑内的运动模式 ( i ) 滑移运动( s l i p p i n g ) ：当窑壁摩擦系数很小时，料床与窑壁之间有相 对滑动，而物料颗粒之间几乎没有相对运动。在此种运动模式下，物料颗粒之间 几乎没有混合，不利于热交换。 ( i i ) 间歇滚动( s l u m p i n g ) ：当窑壁摩擦力增大时，物料被旋转的窑壁带起 到一定的高度，当上升达到一定高度的时候，料床表面的颗粒在重力的作用下沿 掣 着料层表面翻滚下来。翻滚下来的颗粒又会在窑壁的摩擦力的作用下，重新被带 起，然后滚动。这种间歇的滚落模式称为s l u m p i n g 。在此运动模式下，物料和回 转窑内壁几乎没有相对位移，颗粒混合缓慢，不利于传热。 ( i i i ) 连续滚动( r o l l i n g ) ：连续滚动是物料混合均匀的一种方式，同时也是 工程实践中的理想设计工况。连续滚动状态下，物料运动最明显的特征是料床会 分为两层( 靠近料床表面的泻落层和靠近窑壁的滞留层) 。靠近料床表面的颗粒 从高至低不断的滚落下来，形成稳定的泻落层；在靠近窑壁的部分，则会形成一 个与窑壁间几乎没有相对运动的滞留层。 ( i v ) 泻落运动( c a s c a d i n g ) ：当转速升高时，物料运动明显呈现s 形状。此 种状态下，物料之间能够实现快速的热更新，传热效果良好。 ( v ) 抛落运动( c a t a r a c t i n g ) ：物料做类似抛物线的运动，同时在其下落的 过程中，由于物料和热气之间的充分接触，传热效果非常好。 ( v i _ ) 离心运动( c e n t r i f u g i n g ) ：当回转窑转速足够大时，由于离心力的作用， 物料沿着整个窑壁均匀分布，颗粒之间没有混合。 对工业回转窑而言，由于窑炉的转速缓慢，物料大多处于间歇滚动( s l u m p i n g ) 和连续滚动( r o l l i n g ) 状态。但从传热学角度和煅烧的质量而言，连续滚动是实际 工程中理想的设计工况。文献【1 6 17 】计算出了不同条件下，s l u m p i n g 向r o l l i n g 3 口1 转窑物料运动规律及其实时监测 过渡的临界转速所要满足的条件。文献【1 8 1 对s l u m p i n g 向r o l l i n g 过渡的临界条 件进行了实验验证。 近年来，随着计算机技术的快速发展，国外有学者采用了d e m ( 离散单元法) 的方法对颗粒的混合进行了仿真1 9 。2 。d e m 主要从散体力学的角度来描述离散 体的运动，并配合牛顿第二定律及显性时间积分的方法。这种方法可以直接跟踪 料床中的单个颗粒，但实际上，由于颗粒数目过多，d e m 仿真受到了众多的局限 性。 物料的轴向运动 物料的轴向传输与横截面内的径向运动状态相耦合，使得这一过程比较复杂。 目前，关于物料轴向运动的理论主要分成两类：一类是从流体学的角度将物料的 轴向传输考虑为流体扩散模型。另一类则把物料视作颗粒类散体，建立其颗粒轨 道模型1 2 2 五4 1 。在这些理论模型的基础上，可以预测出料床在窑内轴向任意位置的 高度分布和物料的平均滞留时间( m r t ) 。但是，这些理论模型都是微分方程的 形式，计算过于复杂，无法满足自动控制系统实时性要求。文献 2 5 - 2 6 用实验的 方法考察了物料自身特性和回转窑操作参数对于物料滞留时间( m r t ) 的影响规 律。文献 2 7 运用了神经网络模拟了m r t 与回转窑转速、倾斜角度、窑内风速等 参数之间的映射关系，建立了非线性传输模型。但这些实验数据的可靠性受到实 验设备和实验条件的影响，无法简单的推广到实际的工业回转窑。 ( 2 ) 物料运动过程的实时监测 在回转窑的生产过程中，由于窑体整体封闭，人眼只能透过“观火孔”查看 窑头处的情况。操作工人需要综合窑头下料口处熟料的质量，以及窑炉电机电流 大小等参数粗略估计出窑内物料的运动状况。当前，自动控制系统多是利用各类 传感器测量出物料的温度【2 引，或者利用图像采集设备，将拍摄到的物料图像传输 至监视器中显示出来【2 9 1 。文献【3 0 】利用图像处理技术检测出了物料颗粒的大小和 形状，但这种方法仅用于回转窑冷却机中，并未涉及窑内物料的运动信息。文献 【3 l 】利用比色测温原理对图像进行处理，得到烧成带的火焰温度和熟料温度，但 此种方法容易受n ； i - 部环境( 如光照条件、遮挡物等) 的影响，实用性受到了限 制。 1 3 选题意义 本文根据目前国内外在回转窑物料运动和过程监控方面的研究现状，着重研 究了物料在r o l l i n g 模式下的运动规律及其特征信息，并开发一套基于图像处理 技术的物料运动过程实时监测软件。所研究的内容属于颗粒工程与控制工程的交 叉领域，所得到的结果和实验方法是对颗粒动力学的丰富。研发的监测软件为回 转窑工况的判断提供了一种新的可行的方案，对于完善现有的回转窑生产过程监 4 硕士学位论文 控系统具有重要的应用价值。 1 4 本文主要内容 本文以二维回转筒模拟物料在回转窑横截面内的径向运动，利用数字图像处 理技术，跟踪标定小红球的运动轨迹，并分析了颗粒在滞留层和泻落层的运动特 点。在此基础上研究转速和填充率对颗粒泻落层时间和滞留层时间的影响；通过 实验数据分析，定义了能够衡量回转窑传热效率的时间特征参数。 针对工业回转窑物料运动特征信息检测缺失的现状，本文开发了一套基于图 像处理硬件平台的监测软件。该软件包含了图像采集显示、图像处理和数据库等 模块，能够实时有效地检测出物料休止角、填充率等特征信息；通过分析实际工 业回转窑的现场数据，得出了休止角能够预测回转窑内温度这一重要结论。 论文的结构如下： 第l 章介绍了论文的选题背景和国内外研究现状，本文的选题意义及主要内 容。 第2 章介绍了回转窑的结构、工作原理及操作要点；窑内物料运动过程的关 键参数。 第3 章利用数字图像处理的方法跟踪二维回转筒内标定的红球颗粒，得到横 截面内物料颗粒的运动轨迹，进而研究了颗粒在滞留层和泻落层的运动规律。随一一； 后，改变物料填充率f 和回转筒转速n ，分析了颗粒时间特性的变化情况，并定 义了一个新的无纲变量以作为衡量回转窑传热效率的参数。 第4 章以长沙某企业铁氧体焙烧回转窑为实例，开发了一套基于数字图像处 理技术的回转窑物料运动状态实时监测软件，并对实时采集的数据结果进行分析， 得出物料休止角能够作为窑内温度的预测参数这一重要结论。 5 回转窑物料运动规律及其实时豁测 第2 章回转窑的结构及工作原理 回转窑俗称旋窑，是一种特殊的气一固接触式反应器，广泛地应用于水泥、 建材、冶金、和化工等行业中。工业回转窑的外形如图2 1 所示。 图2 1 工业回转窑现场 随着我国经济建设的迅猛发展，对回转窑的需求越来多，规模越来越大，其 中水泥工业的数量最多。水泥的整个工艺可以概括为“两磨一烧”，即生料制备、 熟料煅烧和水泥粉磨。而“一烧”又是整个生产过程中最为重要的一环。把经过 粉磨配制后的生料放入回转窑内高温煅烧，经过一系列复杂的物理、化学变化后 烧成为熟料。回转窑除锻烧水泥熟料外，还广泛用来锻烧石灰石、粘土等。例如 在耐火材料生产过程中，采用回转窑锻烧后的原料，尺寸稳定、易于加工成型。 在冶金工业中，铜、铁、锌、铝、钨、锡、镍、铬等金属均以回转窑为冶炼设备， 参与矿石和中间物等的焙烧。例如，铝生产中用它将氢氧化铝焙烧成氧化铝；炼 铁中用于提取锡和铅；选矿过程中，用回转窑对贫铁矿进行磁化焙烧，使矿石原 来的弱磁性改变为强磁性。化学工业中，用回转窑生产苏打，锻烧磷肥、硫化钡 等。该法由于能耗低、不用硫酸等特点，很快就得以推广【3 2 1 。 回转窑是重型标准设备，最大重达几百吨以上，生产能力从每天几百吨到上 千顿，如表2 1 所示( 数据来源于河南宏基矿山机械有限公司) 。企业的产量、生 产成本以及产品质量很大程度上决定于回转窑的技术性能和运转情况【3 3 】。 6 硕 学位论文 表2 1 回转窑技术参数表 2 1 回转窑结构 回转窑的简体由钢板卷制而成，简体内镶砌耐火衬，且与水平线成规定的斜 度，由3 个轮带支承在各挡支承装置上，在入料端轮带附近的跨内筒体上用切向 弹簧板固定一个大齿圈，其下有一个小齿轮与其啮合。正常运转时，由主传动电 动机经主减速器向该开式齿轮装置传递动力，驱动回转窑。物料从窑尾( 简体的 高端) 进入窑内煅烧。由于简体的倾斜和缓慢的回转作用，物料既沿圆周方向翻 滚又沿轴向( 从高端向低端) 移动，继续完成其工艺过程，最后生成熟料经窑头 罩进入冷却机冷却。燃料由窑头喷入窑内，燃烧产生的废气与物料进行交换后， 由窑尾导出。 回转窑的结构示意图如图2 2 所示。 图2 2 回转窑结构图 回转窑的主要部分如下： ( 1 ) 筒体与窑衬 筒体是回转窑的主体部分，简体钢板厚度一般在4 0 m m 左右。在其内部砌有 一层2 0 0 m m 左右的耐火砖，由于高温及承重的关系，简体在运转的时候会对窑 砖产生压力，从而影响到窑砖的寿命。 因窑内物料的温度可达到1 4 5 0 以上，所以筒体内均砌筑耐火材料( 即窑 衬) ，起保护筒体和减少散热的作用。按照物料温度的变化过程，筒体内划分成 不同的工作带，如烘干带、预热带、分解带、反应带、冷却带等。工作带的种类 7 回转窑物料运动规律及】实时监测 和长度随物料的化学反应及处理方法而异。 ( 2 ) 轮带 轮带的作用是把简体重量( 包括耐火砖、内部装置和物料等) 传递给托轮， 并使筒体能在托轮上平稳地回转，因而要具有足够的强度和耐久性。同时，轮带 又是加固简体径向刚度的零件，要有足够的刚度。 现代化的新型干法回转窑，都是采用轮带活套在筒体上，并留有适当的间隙， 具体安装时轮带不直接装在简体段节上，而装在挚板上，使简体与轮带间形成自 然通风孔道。这一方面加强了散热，另一方面减少了由窑体对轮带的热传导，使 得轮带内、外缘的温差较小。当窑的热工制度改变时，其温差变化也不大，从而 减少了轮带的温度应力。当窑运转时，轮带和筒体沿周向会产生相对滑动，引起 磨损，这时挚板起到保护筒体的作用。 ( 3 ) 支撑装置 由托轮、挡轮和底座组成回转窑的支撑装置。一套托轮装置包括两个托轮组 和一个托轮底座，其中托轮组包括着托轮、托轮轴和托轮轴承。在托轮的两侧的 托轮轴上装有挡水圈以防止托轮转动带上来的水顺托轮流入托轮轴瓦内，破坏了 润滑。窑体的转动会带动滚圈转动，滚圈滚动后，托轮也就随之转动，这样由托 轮、挡轮和底座组成的支撑装置就承受了回转窑回转部分的全部重量。每台回转 窑都有数套支撑装置。 ( 4 ) 传动装置 传动装置是回转窑的主要组成部分。为保证窑的长期安全运转，除了要求筒 体直而圆和支承装置坚固可靠外，传动平稳可靠也是一个重要条件。三者之间密 切相关，相辅相成。如果筒体不直不圆，会使传动功率增加。同样，如果传动不 平稳，使筒体产生振动，易造成耐火砖脱落，直接影响筒体的直而圆和支承装置 的坚固性。 回转窑传动装置有如下特点： 传动比大 水泥回转窑的转速很慢，其主传动装置的传动比约为5 0 0 7 0 0 。由于回转窑 转速很低，因而在低速齿轮上产生很大的圆周力。在大速比、大扭矩的条件下， 设计出既简单又先进的减速装置，这是传动装置的主要问题。 要求平滑无级调速有足够的调节范围 根据水泥工艺的要求，物料在窑中完成物理化学反应所需要的时间，是随着 原料、燃料等因素的不同而有所变化，所以要求回转窑的转速应能作相应的改变。 因而，要求窑速能无级调速。根据生产经验，调速范围为1 ：3 l ：4 。 起动力矩大 因回转窑常在满载条件下起动，此时托轮轴与轴瓦间的摩擦阻力矩是很大的。 8 硕士学位论文 而且还要克服窑体和物料的惯性。只有当窑转动后，在托轮轴承内形成了油膜， 摩擦力矩才能下降到正常负荷值。因此，一般要求电机起动力矩为正常工作力矩 的2 5 倍左右。 设置有辅助传动装置 辅助传动装置是为了检修和保安而设置的。当修理窑体和砌耐火砖时，需要 把窑转到指定角度上；在点火时，用来慢转窑；当主电机或主电源发生故障时， 定时转窑，以免因筒体上下有温差和物料重量造成简体弯曲。根据上述要求，辅 助传动装置是由保安电源供电的电机或由专用的内燃机拖动。为了减少专用发电 机的容量，规定在辅助传动时，窑转速极慢，其范围为2 - - 9 转时。此时由于转 速慢，使托轮挡轮及传动部分的轴承润滑不良，故一般连续运转不宜超过十五分 钟。 ( 5 ) 燃烧器 回转窑的燃烧器大多通过窑头罩，伸入窑头筒体内部，通过火焰与辐射，将 物料加热到需要的温度。燃烧器有喷煤管、油喷枪、煤气喷嘴等多种形式，因燃 料品种而异。， ( 6 ) 窑头窑尾装置 回转窑有进料口和下料口，它们和窑体的连接部分分别叫窑尾罩和窑头罩。 窑头罩上设有看火孔及检修门，这里是看火工进行生产操作的地点，同时燃烧器 及燃烧所需要的空气也经过窑头罩进入窑内。窑尾罩连接窑尾端与物料预处理设 备。烟气经窑尾罩排出而入烟道及收尘系统。同时，制作窑头罩和窑尾罩的材料 应能够耐高温以减少热量损失。 2 2 回转窑的工作原理 回转窑的工作过程本质上是固态物料和气态介质之间的非均相得传热传质过 程。如图2 2 所示，回转窑所煅烧的物料由进料口进入窑体，受到窑体的倾斜角 度和窑炉转速的影响，物料会由进料口慢慢的沿着筒体轴线方向流向下料口。同 时，在窑炉横截面，物料则处于滚动或者间歇滚落模式。在筒体的运动过程中， 物料会在窑壁的作用下不停地翻转，使得窑内物料能够不断地和气体相接触，进 行传热和传质过程，最后从下料口出来进入冷却机。 以生产铝酸盐的回转窑为例，根据物料在窑内不同温度区域发生的物理化学 变化，可沿窑长划分为4 个作业带： ( 1 ) 烘干带：在烘干带内，物料的温度由3 0 。左右加热到l8 0 。，使得生料 所带入的水分在此带内被蒸发。 ( 2 ) 预热带：在预热带内，物料温度由18 0 。继续加热到l0 0 0 。左右，使得 9 同转窑物料运动规律及其实时监测 生料球预热充分，同时将窑内气体温度由5 0 0 降低至2 0 0 左右，并排出窑外。 ( 3 ) 烧成带：在烧成带内，料球将由10 0 0 。加热到13 0 0 。左右，使得石灰 石分解，并排出二氧化碳，熟料烧结反应所耗热量约为燃烧热量的1 0 15 。其 转化过程有温度以及物料的停留时间决定。 ( 4 ) 冷却带：在冷却带内，熟料与空气进行二次热交换，将物料温度冷却至 8 0 0 左右后进入冷却机。 2 3 回转窑的实际操作 回转窑操作过程需要操作员时刻保持耐心，根据现场实际情况对回转窑各参 数进行调整，下面以控制窑内温度为例：。 ( 1 ) 根据物料灼减含量判断温度情况 物料为暗红色而外围发白，且红色很快失去，显示物料的灼减含量过高，就 表明此时窑内温度偏低；物料为杏黄色，则物料灼减含量约为o 7 0 8 ，说明此 时窑内温度正常；物料为黄白色且结块较大，则物料灼减含量为0 5 左右，表明 此时窑内温度偏高。一。 ( 2 ) 根据火焰颜色判断温度 窑内温度过低时，火焰颜色发暗，窑内发浑；窑内温度过高时，火焰颜色发 亮且发白，窑内清晰。下表2 2 p 4 j 列出了火焰不同颜色所对应的温度。 ( 3 ) 燃料燃烧的判断 观察烟囱排放的废气的颜色，可以判断燃料燃烧的情况。如果废气发黑，则 说明燃料燃烧的不完全；如果废气颜色发白，则说明燃烧情况较好。 ( 4 ) 观察窑头、窑尾、烧成带温度 窑头、窑尾和烧成带的温度是体现窑内温度变化的重要参数，要按时记录。 出现异常，要及时调整相关操作，使其严格控制在正常范围内，其波动范围一般 不应大于3 0 。 操作工人的实际生产过程中，通过观察物料的性状来判断回转窑的工作情况。 窑内温度过低时，则物料在窑内的流动性好，物料在窑内不能沿窑壁带上去，而 顺料床表面往下流动，且朝窑头移动