回转窑看火的现状与进展

2020-02-16

江西建材 2020年3期

天津水泥工业设计研究院有限公司，天津 300400

水泥生料转变为水泥熟料的煅烧过程，是水泥生产的核心工艺环节，而煅烧过程的核心工艺设备就是水泥回转窑。在水泥回转窑中，从预热器输入的物料在这里发生物理化学反应，生成水泥熟料；在窑头加入的煤粉在这里燃烧，放出热量。回转窑的运转情况直接影响水泥窑烧成系统的运行、水泥熟料的产量和质量。

水泥窑在运行过程中不断旋转，物料在运动、气体在流动、气体与煤粉在燃烧、烟气与物料、物料与耐火材料之间发生传热，还附带有物料中低沸点物质的蒸发、气固相传质、物料的固相与液相转变等复杂反应。由于回转窑并非一个固定的设备，因此热工测量仪表只能在窑头、窑尾安装，无法直接获取窑内的相关参数。中控操作员实际生产过程中，实际上是使用窑尾温度压力气体成分，窑头温度压力、筒体扫描仪等在线数据，及熟料f-CaO、立升重、熟料化学分析等间歇性数据，配合窑头火焰摄像机或现场看火，来综合判断窑内的温度，即实际燃烧状态。

1 传统人工看火

看火是从湿法长窑、立波尔窑、中空窑等传统窑操作中流传下来的。因为传统窑的热工测量仪表更少，所以看火是判断用风、头煤、喂料量、窑皮厚度等问题的重要手段。随着新型干法窑、第二代新型干法窑的到来，窑尾气体成分、温度、压力等参数均可测量，看火重要性有所下降。但是看火仍然是判断熟料烧成结粒、一次风风量是否合理、二次风是否充足、窑前结皮情况、黑火头情况等问题的重要手段，仍然有其存在价值［1］。传统看火目前是中控看火为主，现场看火为辅。

1.1 现场看火

现场看火，就是亲自在回转窑窑头看火。一般肉眼观察的“正常火”的特征如下：第一，窑内的火焰主体颜色发白，位置稳定不飘动；第二，物料略显白色，窑口处的熟料颗粒大小均一，以5～20mm 的颗粒为主，熟料颗粒带起高度均衡；第三，生料黑影位置处在相对固定的位置。随着现代检测技术的发展，非接触式的光学比色温度计在水泥行业得到了应用，可以通过测量火焰/烧成带温度来判断回转窑内的温度情况。但是，光学比色温度计只能测量单一点温度，所以容易受到回转窑内熟料粉尘、颗粒物的干扰，造成数据失真，因此实际应用价值并不比肉眼看火大多少。

1.2 中控远程看火

中控远程看火，就是在中控室通过窑头摄像头对窑内情况进行观察。观察的基本判断方法与现场看火一致。中控看火相比现场看火有如下几个优点：一是降低了现场看火的危险性，由于窑头一般为正压，窑头看火时不可避免面临有正压喷出伤人的风险，中控看火远离现场，安全性得到了保证；二是由于采用屏幕显示摄像头图像，减少因为肉眼色差导致的观察效果不同导致的判断结果不同；三是看火由间歇操作改为连续操作，操作人员不再需要专门前往现场观察。如王炜峰［2］在回转窑上采用CCD 摄像机、同轴电缆将火焰图像显示在中控室，提高了火焰检测的灵敏度和识别能力。

但是，不管是现场看火，还是中控看火，均是人工看火，是一种感性的观察，不能转变为数字信息。同时，人工看火不可避免的受到人的经验、责任心、关注度等因素的影响。将看火这一人工感性的工作，转变为以图形处理技术和人工智能技术为基础的计算机看火工作，输出数字信息，才是看火这一古老工作的发展方向［3］。

2 计算机看火（辅助检测看火技术）

计算机看火即辅助检测看火。由于火焰融合了水泥窑烧成系统的连续即时信息，辅助检测计算机看火技术对于改善水泥生产工艺操作和熟料质量具有重要的意义。国内不少研究者将图形处理技术和人工智能技术融合，有力的推动了计算机看火技术的进步。

王补宣［4］在国内较早针对小规模火焰的温度分布进行测量，从而求得图像亮度和火焰温度的对应函数关系，再利用黑体理论进行辅助标定，最终获得了火焰图形亮度与温度的回归模型。

周怀春［5］在光学测量火焰温度方面进行大量的研究，提出了利用CCD 相机的单色法技术，针对某一特定范围内的温度进行计算。随着CCD 相机技术的发展，周怀春等又利用单色法技术和双色发技术针对火焰温度和黑度进行更加深入的研究，并在工业现场得到了验证。

袁南儿［6］在水泥行业较早的研究辅助检测看火技术。其利用摄像机、红外扫描仪器、视频数据卡等设备，利用计算机处理图像信号，提取出水泥回转窑烧成带最低、平均、最高温度，物料带起高度，回转窑填充率，火焰长度等特性信息，并做到数据即时在线显示，对水泥工艺操作有一定的参考价值。

方千山［7］利用MATLAB 软件的图像处理功能，对窑头摄像机拍摄的水泥窑火焰图像进行处理，将整个画面划分为几个独立的温度区域，可以得到各个区域内的温度情况。其思路就是将人工看火提升为计算机看火，为后续的辅助检测看火技术发展奠定了坚实的基础。

章立新［8］通过窑头CCD 摄像头获取水泥回转窑火焰画面信息，利用VC++编程，对图像信息进行滤波及分析，获取了火焰温度、长度，黑火头尺寸，物料随回转窑上扬高度及温度等信息，可以对回转窑的自动控制提供有效的辅助检测信号。

赵英杰［9］利用CCD 获取图形信息后，处理为24 位RGB 信号，将火焰按照灰体进行比色法测温，先求出每个区域块的平均灰度，进一步计算出每个区域块的平均温度，最后得到整个烧成带的熟料温度；而针对火焰温度则是先筛选出高灰度区域作为火焰区域，然后计算火焰温度；针对回转窑窑壁温度则是结合水泥烧成工艺特点将CCD 图像中的特定区域定义为窑壁，按照类似烧成带熟料的方法计算出窑壁温度。赵英杰认为，熟料温度是比火焰温度更加重要的工艺参数，值得广大水泥工作者注意。

刘建浩［10］发明一种与快门无关的图像处理标定方法，并利用该方法对原有的CCD 温度检测进行校正，并对玻璃窑进行温度探测。通过对比，该方法精度高于原有系统，使用上不增加计算量负担，是一种改进计算机看火技术的方法，该方法辅助看火结果与回转窑运行工况匹配程度高，对回转窑工艺操作优化有一定价值，有助于回转窑的安全运行与节能减排。

唐华兵［11］［12］基于计算机、网络通信技术的进步，开发了基于千兆网络的CCD 火焰温度辅助检测模型，该模型可以在实验室富氧燃烧火焰温度测量和水泥回转窑温度检测使用。在实验室条件下，辅助检测看火技术得到的温度与实测温度误差仅31℃，不足1.5%；在5000t/d 熟料生产线进行现场应用，火焰温度为1650℃～1800℃之间，物料温度在1400℃～1500℃，与实际值基本吻合。该系统既能实现回转窑内温度的在线监测，同时也能对回转窑内温度超过限制进行预警，在一定程度上可以替代传统看火，是一项非常有前途的技术。

目前来看，虽然辅助检测看火技术已经取得了长足进步，但是仍然有其不足，主要体现在以下几点：第一，目前摄像头仍然受到窑内粉尘等因素的严重干扰，需要人工定期进行干预，无法完全脱离操作员运行；第二，窑内粉尘严重，目前的识别判断模型仍然存在一定提升空间；第三，目前辅助检测看火与水泥窑全自动运行的要求，实际上还有一定的差距。但是随着技术的进步，在可预期的将来，计算机看火必然能够逐步替代人工看火。