CN102472582B - 控制将含有混合物的石灰烧成生石灰的过程的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

一种用于控制在回转窑(2)中燃烧含有混合物的石灰(CaCO3)和将其转换成煅石灰(CaO)的过程的方法和设备(1)，回转窑(2)具有由壁(4)包围的伸长的空腔(3)和被设置来加热空腔(3)的燃烧炉(5)。该方法包括收集在沿空腔(3)的纵轴(20)的多个测量点处的壁(4)中的温度的测量数据，至少根据壁(4)中的温度的测量数据和借助于描述沿窑(2)的空腔(3)的温度的热模型，预测沿空腔(3)的纵轴(20)的实际的温度梯度，根据所预测的沿空腔(3)的温度梯度和用于控制窑(2)中温度的预定的控制策略，确定沿空腔(3)的期望的温度梯度，以便控制在窑(2)的壁(4)内侧上的石灰沉积的区域和减轻石灰沉积(10)的缺陷。

Description

控制将含有混合物的石灰烧成生石灰的过程的方法和设备
技术领域
本发明涉及用于控制在回转窑中燃烧含有混合物的石灰和将其转换成生石灰的过程的方法和设备。所述方法例如在纸浆厂(石灰窑)和水泥工业中是特别有用的。
背景技术
在用于将形式为含有混合物的石灰(也称为石灰浆或石灰泥)的石灰石(CaCO3)烧制成生石灰(CaO，也称为煅石灰)的过程中，处理设备包括被模制为管式反应器的回转窑。含有混合物的石灰在窑的一端(也称为冷端)被引入，而与空气混合的燃料在窑的另一端(也称为热端)被引入。含有混合物的石灰的水分在处理过程期间几乎全部蒸发。
在窑中的化学反应被描述为：CaCO3+热→CaO+CO2。
被用于烧制含有混合物的石灰的回转窑的熟知的问题是在窑的内部周界上环形物的形成。环形物是当石灰中的惰性物质熔化并然后粘结到窑的内部周界的壁上时形成的。环形物也可以是由蒸发的物质构成的，它们积聚在内壁上更靠近窑的冷端。含有混合物的石灰的高的碱含量是这种形成的一个原因，它也会增加烧结的风险。蒸汽在一定的温度(位置)凝结，以及环形物往往在窑的周界内的某个位置处形成。一个或多个壕沟可以同时被构成，取决于存在的物质及其浓度。在这样的环形物后面，构成石灰“池”，阻止自然的石灰流通过窑。另一个已知的问题是在这样的环形物后面很容易形成泥球，这使得石灰的燃烧不均匀，其结果是不均匀的生石灰，即，产品质量的大的变化，和远偏离能量的最佳使用。这样的环形物和泥球也造成石灰质量差，还会中断石灰生产。今天，在窑内的环形物形成通常是通过用枪将其射走而去除的。这造成在生石灰生产时的不希望的中断。
发明内容
本发明的目的是减轻在窑内石灰沉积的缺陷。
按照本发明的第一方面，这个目的通过本发明的方法而达到的。
该方法包括收集在沿空腔的纵轴的多个测量点处的壁中的温度的测量数据；至少根据壁中的温度的测量数据预测沿空腔的纵轴的实际的温度梯度，以及借助于描述沿窑的空腔的温度的热模型，根据所预测的沿空腔的温度梯度和用于控制窑中温度的预定的控制策略，确定沿空腔的期望的温度梯度，以便控制在窑的壁的内侧上的石灰沉积的区域和减轻石灰沉积的缺陷。
窑中的温度沿窑的长度变化。在放置燃烧炉的那一端(即，热端)处温度最高，以及趋于供应石灰浆的那端(即，冷端)温度降低。环形物形成是由于在空腔的内表面上的石灰沉积，并且是在一定的温度下发生。因此，环形物形成的位置取决于窑中的温度。如果温度高和停留时间足够长，则沉积的石灰将开始烧结和形成不溶解于水的化合物。按照本发明，预测沿窑的空腔的纵轴的实际的温度梯度，并根据预测的温度和预定的控制策略，确定沿空腔的期望的温度梯度。所谓控制策略是指用于控制在空腔中石灰沉积在何处发生，以便减轻由于石灰沉积而引起的缺陷的策略。要减少或阻止石灰沉积是很困难的。然而，有可能通过控制在空腔中石灰沉积在何处和如何发生，而缓和石灰沉积的结果。通过控制空腔中的温度，可以达到在空腔中石灰沉积在何处和如何发生的控制。控制策略还可以包括对于在窑中的沉积的区域中的最大温度的规则，以便阻止沉积的石灰的烧结。为了达到期望的温度梯度的、用于含有混合物的石灰和燃料的供应量的设定点数值是根据期望的温度梯度和预测的窑中的温度而被确定的。
所谓沉积的区域是指由于窑中的当前的温度条件，其上可以发生石灰的沉积的空腔的壁的区域。
测量空腔内的温度是困难的。然而，测量窑的壁中的温度要容易得多。按照本发明，空腔内的温度是根据热模型进行预测的。由于随时改变的条件，热模型通过测量沿着窑在多个位置处的壁中的温度而进行调整。模型的这种调整对于达到空腔内的温度的正确的预测是重要的。
按照本发明的实施例，该方法包括：收集加到窑中的含有混合物的石灰的供应量的测量数据，收集加到所述燃烧炉的燃料的供应量的测量数据，根据含有混合物的石灰的供应量和燃料的供应量预测沿所述空腔的纵轴的实际的温度梯度，和确定对于含有混合物的石灰的供应量和燃料的供应量的设定点数值，以便得到期望的温度梯度。
按照本发明的另一个实施例，控制策略是使沉积区域中的温度基本上保持为恒定的水平，以便石灰的沉积集中在小的区域。如果在窑中的温度条件是非常稳定的，则石灰的沉积将集中在空腔内小的区域。因此，环形物形成将变为非常薄，并且由于在窑中石灰浆的运输和/或由于它本身的重量，它将断裂开。由此，由于在空腔中环形物形成所造成的生石灰生产的不期望的中断得以减少或甚至避免。
按照本发明的另一个实施例，控制策略控制窑中的温度，以使得在沉积的区域上的温度改变，以便石灰沉积散布在大的区域。通过慎重地改变在沉积的区域处的温度，在窑中的石灰沉积的构建将被散布在大的区域，因此在窑中石灰的自然流动将不会受很大的影响或被阻止。因此，生产中断的风险得以大大地减少。
按照本发明的另一个实施例，所述控制策略控制窑中的温度，以使得在沉积的区域上的温度保持为低于预定的数值，由此，沉积的石灰会烧结的风险被减小，以及在窑中石灰的自然流动会被很大地影响或被阻止的风险被减小。
按照本发明的另一个实施例，所述控制策略控制回转窑的旋转速度，以便控制温度和从而控制在窑内的沉积。
按照本发明的再一个实施例，该方法包括在清洗期间确定含有混合物的石灰的碱含量，如果碱含量低于预定的极限值，则清洗被中断，并将含有混合物的石灰供应到窑中。如果含有混合物的石灰的碱含量是高的，则环形物形成以及烧结的风险增加。而且，如果碱含量太低，则有灰尘形成的风险，因为没有东西使得小粒子互相粘接在一起。按照本发明的这个实施例，供应到窑中的含有混合物的石灰的碱含量通过控制含有混合物的石灰的清洗的中断而被控制。由此，含有混合物的石灰的碱含量保持处于控制之下，因此环形物、球和灰尘的形成被减少。
按照本发明的再一个实施例，该方法包括确定在清洗期间含有混合物的石灰的碱含量，如果碱含量低于预定的极限值，则将含有混合物的石灰供应到窑中而不用中断清洗。
按照本发明的一个实施例，该方法包括测量来自清洗的滤液的导电率，并根据它确定含有混合物的石灰的碱含量。滤液的导电率依赖于水中的导电率；高导电率暗示高的碱含量，反之亦然。滤液的导电率可快速和容易测量，因此，用于测量滤液的导电率的这个方法是快速和容易的。
按照本发明的第二方面，本目的通过本发明的设备而达到的。
该设备包括适于测量窑中的温度的多个传感器，这些传感器被设置在沿空腔的纵轴的多个位置处的窑壁中；以及控制单元，被配置成：
-从传感器收集壁上的温度的测量数据，
-至少根据壁中的温度的测量数据，和借助于描述沿窑的空腔的温度的热模型，预测沿空腔的纵轴的实际的温度梯度，
-根据所预测沿空腔的温度梯度和用于控制窑中温度的预定的控制策略，确定沿空腔的期望的温度梯度，以便控制在窑的内壁上石灰的沉积区域和减轻石灰沉积的缺陷。
按照本发明的一个实施例，控制单元被配置成：
-收集供应到窑中的含有混合物的石灰的测量数据，
-收集供应到所述燃烧炉的燃料的测量数据，
-根据含有混合物的石灰的供应量和燃料的供应量，预测沿所述空腔的纵轴的实际的温度梯度，和
-确定用于含有混合物的石灰的供应量和燃料的供应量的设定点数值，以便得到期望的温度梯度。
按照本发明的一个另外的实施例，含有混合物的石灰在被供应到窑中之前在过滤器中被清洗，该设备包括用于测量来自清洗的滤液的导电率的装置，以及控制单元被配置成：
-接收来自所述装置的、滤液的导电率的测量数据，并根据它确定含有混合物的石灰的碱含量，
-确定碱含量何时低于预定的极限值，以及
-当碱含量低于预定的极限值时，生成用于中断清洗的信号。
附图说明
本领域技术人员通过结合附图的以下的详细说明，将更明白本发明的其它特征和优点，其中：
图1显示按照本发明的实施例的、用于控制在回转窑中燃烧含有混合物的石灰(CaCO3)和将其转换成煅石灰(CaO)的过程的设备。
图2a显示空腔的一部分和当石灰沉积的区域大时石灰如何被沉积在窑中。
图2b显示空腔的一部分和当石灰沉积的区域小时石灰如何被沉积在窑中。
具体实施方式
图1显示按照本发明的实施例的、用于控制在回转窑2中燃烧含有混合物的石灰(CaCO3)和将其转换成煅石灰(CaO)的过程的设备1。设备1被设置成结合纸浆厂(石灰窑)或在水泥工业中使用。
设备1包括具有伸长的空腔3的回转窑2，包括由壁4包围的多个体积单元。窑2是内衬耐火砖(未示出)的长的钢管，窑2的长度典型地是50-100米。窑2具有热端14，典型地设置有燃烧炉5和用于从空腔3排出生石灰(CaO)的装置17。含有混合物的石灰(CaCO3)，具有或多或少的水和杂质或附加物(包括碱盐和/或硅土(SiO3))，借助于诸如被设置在窑2的冷端15处的螺旋输送机的馈送装置(未示出)，通过加载装置8被馈送到窑2的空腔3。首先，水被蒸发为气相，随后，固体被加热以及CO2被剥除。以后，温度提高，碱盐被蒸发。窑2具有趋向热端14的几度的倾斜度，并围绕空腔3的纵轴20慢慢地旋转。被设置来通过热的烟道气加热窑2的空腔3的燃烧炉5，典型地是煤气或石油燃烧炉，但也可以使用其它燃料，诸如生物燃料。含有混合物的石灰在它到空腔3的路径上遇到热的烟道气，以及烟道气和灰尘在空腔3的冷端15处被排出，其中灰尘在粒子过滤器(未示出)中与烟道气分开。而且，设备包括多个传感器6a-c，被设置在空腔3的壁4中，它适配于测量窑2中在沿空腔3的纵轴20的多个不同的位置处的温度。设备1还包括控制单元7，诸如计算机或PLC，按照热模型被设置在窑2中的温度。控制单元7包括存储器单元和CPU，它被设置来收集由传感器6a-c测量的、在窑2的空腔3中的温度数据。控制单元7被连接到被设置在空腔3的壁4中的传感器6a-c，以便收集由在沿空腔3的纵轴20的壁上的传感器6a-c在壁4中的多个测量点处测量的温度测量数据。而且，控制单元7被连接到燃烧炉5的燃料管道9，以便调整对燃烧炉5的燃料供应。
沿空腔3的纵轴20的实际的温度梯度至少根据壁4中的温度的测量数据进行预测。沿窑2的空腔3的温度借助于热模型进行描述，以及沿空腔3的期望的温度梯度是根据预测的沿空腔3的温度梯度被确定的。预定的控制策略控制窑2中的温度，以使得在窑2的内壁4上石灰的沉积10的区域被控制，因此减轻石灰沉积10的缺陷。预定的控制策略是基于关于如何控制窑2中的温度的以前的经验。
含有混合物的石灰的清洗，这是可选的，以及并不是总是必须的，这在过滤器16中执行，含有混合物的石灰13通过输送装置(未示出)从该过滤器被输送到窑2中。然而，如果不进行清洗，则在将含有混合物的石灰装载到窑2之前不使用过滤器。在清洗期间，在含有混合物的石灰13中的石灰碱含量通过测量来自清洗的滤液12的导电率而被控制，因此实现清洗控制。由此，有可能确定含有混合物的石灰13的碱含量。低清洗效率造成含有混合物的石灰13中的高碱含量，这阻止灰尘问题，但引起在窑2的内部周界上环形物形成的问题。然而，如果清洗太有效，则含有混合物的石灰13的碱含量将太低，由此造成灰尘形成的问题，因为没有东西使得小粒子互相粘接。含有混合物的石灰的清洗通常连续地执行，但也可以成批地执行。一个或多个传感器19被设置在过滤器16中，用于测量来自清洗的滤液12的导电率。来自传感器19的测量数据在用于确定来自清洗的滤液12的导电率的设备11中被处理。设备11被连接到控制单元7。在清洗后，含有混合物的石灰从过滤器16被排出，并最终通过冷端15被加载到窑2中。
通过保持含有混合物的石灰中的碱含量在正确的水平，例如约100ppm，可以避免灰尘形成，也避免环形物形成的问题。如果精确地保持在灰尘与环形物的问题之间的平衡，则大多数CaCO3可被还原为CaO，而不会形成太多的烧结的材料。
清洗反应是：
NaCO3+H2O+CaCO3→a)含有混合物的石灰-即，CaCO3+H2O，和
b)滤液-即，NaOH+H2O
碱含量是通过测量在滤液12(也称为废水或稀液)中的碱含量而被调节和控制的。在滤液12中的浓度正比于固态(CaCO3)中的含量。对于水泥生产的情形，碱是通过添加特定的附加物或通过使用包含其它灰成分的、生物燃料和其它燃料的适当的混合物而被控制的。
通过测量具有附加物以及燃料灰成分的含有混合物的石灰的质量流量(kg/s)，控制单元7可以使用温度模型来预测沿它的长度沿窑2的不同的部分的材料和能量平衡。这将给出沿窑2的固体、壁以及气体成分的温度。另外，可以确定在特定的温度的停留时间。从这个和对于例如碱盐和硅土、铝和其它金属的固体的成分，可以确定烧结量、残余的CaCO3，等等。由于随时间改变的条件，温度模型通过由在绝缘陶瓷中(即，在耐火砖中)的诸如热电偶那样的传感器测量在沿石灰窑2的某些位置处的温度而被控制和调整。温度模型的这种调整对于得到正确的预测是重要的。
温度模型是基于在沿空腔3的纵轴20的多个测量点处的壁4中的温度的收集的测量数据。由此，有可能至少根据壁4中的温度的测量数据预测沿空腔3的纵轴20的实际的温度梯度。热模型描述沿窑2的空腔3的温度，由此可以根据沿空腔3的预测的温度梯度和控制窑2中的温度的预定的控制策略，确定沿空腔3的期望的温度梯度。因此，在窑2的壁4的内侧上的石灰的沉积区域可被控制，以及石灰沉积的缺陷被减轻。
温度模型也依赖于含有混合物的石灰加到窑2中的供应量和燃料加到所述燃烧炉5的供应量的收集的测量数据。由此，有可能根据含有混合物的石灰的供应量和燃料的供应量预测沿空腔3的纵轴20的实际的温度梯度，以及还有可能确定用于含有混合物的石灰的供应量和加到燃烧炉5的燃料供应量的设定点数值，以便得到在窑2中的期望的温度梯度。
温度主要是通过相对于含有混合物的石灰的馈送改变燃料馈送而被控制的。另外，由于燃料是与空气混合的，空气的馈送被控制。然而，这也可以通过测量含有混合物的石灰的水分含量和/或通过改变窑2的旋转速度而组合。对于这些动作的总的设定点通过由温度模型与许多局部比例积分PI-控制组合而被给出。
图2a显示当预定的控制策略控制窑21中的温度时，以使得在窑21中沉积23的区域处的温度改变，以便将石灰沉积23散布在大的区域。通过慎重地改变在沉积23的区域处的温度，在窑21的空腔25内部的石灰沉积23的构成将散布在大的区域。
图2b显示当预定的控制策略控制窑27中的温度时，以使得在窑27中沉积29的区域处的温度实际上保持在恒定的水平，以便将石灰的沉积29集中在小的区域。如果在窑27中的温度条件是非常稳定的，则石灰的沉积29将集中在空腔31内的小的区域。
反应式是：
CaCO3→CaO+CO2
反应速率依赖于温度：
d[CaCO3]/dt＝reaction_rate*([CaCO3]0/[CO2])*exp-(ΔH/RT)
当CO2增加时，反应速率降低。当温度增加时，反应速率提高。在某个体积单元中的停留时间也将增加转换。
为了加热材料，能量平衡是：
Q＝F*Cp*(Tgas-Tsolids)，其中Q＝(kW)和F＝(kg/s)
在壁与固体之间的热传递被给出为：
Q＝Area*Heat_transfer_rate*(Tsolids-Twall)
对于在气体与壁之间的热传递，有对应的公式。
由火焰产生的热被给出为：
Q＝F*HHV
HHV是燃料混合物的较高的热值。这意味着，如果有几种燃料，则HVV针对每个分数乘以质量流量而被相加。
也有可能进行其它测量，诸如对于烧结、废弃中的灰尘含量、被设置来旋转窑2的电动机的转矩/负荷、或石灰水分含量的声学测量。另外的控制策略是实施对干的固体含量和窑2温度的慎重的改变，例如正弦波或类似的，以便得到在出现碱蒸汽凝结的场合下改变的温度。也可以控制燃料的混合，例如硫含量、热值等等，因此，也可以控制烟道气的停留时间。对于在水泥窑中类似的控制，应当密切控制化学添加剂的流动。
本发明不限于所公开的实施例，本领域技术人员可以在如由权利要求书限定的本发明的范围内以多种方式修改它。

Claims (10)

1.一种用于控制在回转窑(2)中燃烧含有混合物的石灰(CaCO3)和将其转换成煅石灰(CaO)的过程的方法，所述回转窑(2)具有由壁(4)包围的伸长的空腔(3)和被设置来加热空腔(3)的燃烧炉(5)，
其特征在于，所述方法包括：
-收集在沿所述空腔(3)的纵轴(20)的多个测量点处的壁(4)中的温度的测量数据；
-至少根据壁(4)中的温度的所述测量数据和借助于描述沿窑(2)的所述空腔(3)的纵轴(20)的温度的热模型，预测沿所述空腔(3)的纵轴(20)的实际的温度梯度，
-根据所预测的沿空腔(3)的温度梯度和用于控制窑中温度的预定的控制策略，确定沿所述空腔(3)的纵轴(20)的期望的温度梯度，以便控制在窑(2)的壁(4)的内侧上的石灰沉积的区域和减轻石灰沉积(10)的任何缺陷。
2.按照权利要求1的方法，其特征在于，所述方法包括：
-收集到窑(2)中的含有混合物的石灰的供应量的测量数据，
-收集到所述燃烧炉(5)的燃料的供应量的测量数据，
-根据含有混合物的石灰的供应量和燃料的供应量预测沿所述空腔(3)的纵轴(20)的实际的温度梯度，以及
-确定用于含有混合物的石灰的供应量和燃料的供应量的设定点值，以便得到期望的温度梯度。
3.按照权利要求2的方法，其特征在于，所述方法包括：
-确定所述回转窑(2)的旋转速度。
4.按照权利要求1-3中任一项的方法，其中控制策略控制窑(2)中的温度，以使得所述沉积的区域中的温度基本上保持在恒定的水平，以便石灰沉积(10)集中在小的区域。
5.按照权利要求1-3中任一项的方法，其中控制策略控制窑(2)中的温度，以使得在所述沉积的区域中的温度改变，以便石灰沉积(10)散布在大的区域。
6.按照权利要求1-3中任一项的方法，其中控制策略控制窑(2)中的温度，以使得在所述沉积的区域中的温度保持为低于预定值。
7.按照权利要求1-3中任一项的方法，其中含有混合物的石灰(13)在被供应到窑(2)中之前在过滤器(16)中被清洗，以及所述方法包括：
-在清洗期间确定含有混合物的石灰(13)的碱含量，
-如果碱含量低于预定的极限，则中断清洗并将含有混合物的石灰(13)供应到窑(2)。
8.按照权利要求1-3中任一项的方法，其中含有混合物的石灰(13)在被供应到窑(2)中之前在过滤器(16)中被清洗，以及所述方法包括：
-在清洗期间确定含有混合物的石灰(13)的碱含量，
-如果碱含量低于预定的极限，则将含有混合物的石灰(13)供应到窑(2)，而不中断清洗。
9.按照权利要求7的方法，其中所述方法包括测量来自清洗的滤液(12)的导电率，并根据它确定含有混合物的石灰(13)的碱含量。
10.按照权利要求8的方法，其中所述方法包括测量来自清洗的滤液(12)的导电率，并根据它确定含有混合物的石灰(13)的碱含量。
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