一種用于鋰鹽酸化窯加溫罩的燃燒控制系統

一、技術領域

本燃燒控制系統用于一種鋰鹽酸化窯保溫罩的加熱系統，主要由高速低氮加熱燒嘴（或燃燒器）、閥門組件撬裝、燒嘴前空氣管道及調節閥和計量儀表、燒嘴前燃氣管道及調節閥和計量儀表、風機系統及智能溫度調節控制系統組成。

二、背景技術

隨著燃料能源供給情況的變化，以及人們對環境保護的逐步重視，對產量質量的提升要求，鋰鹽酸化窯燃燒系統所要解決的問題隨之改變，鋰鹽行業對加熱燒嘴及燃燒系統控制提出了更高的技術要求。

目前受環保的發展趨勢要求，鋰鹽酸化窯所使用的燃料基本為環保燃料---天然氣。燃燒器的綜合性能要求和環保的發展趨勢，要求燃燒器及控制系統達到低氮環保、燃燒充分，高效穩定，可靠運行，能將現場工藝與燃燒控制系統的智能化相結合，為企業可持續性穩定生產保駕護航。

現有的鋰鹽酸化窯加熱工藝主流結構為熱風爐煙氣加熱，主要通過燃料在熱風爐燃燒后的熱煙氣送入保溫罩和罩內筒體之間的夾套，利用煙氣對筒體進行傳導與換熱，再將物料加熱，煙氣將筒體內物料加熱后被吸熱后的低溫煙氣，隨系統設備處理達標后由煙囪排入大氣。應用實踐表明，上述燃燒控制系統加熱工藝并未取得預期的理想使用效果，如熱效率低、能源消耗大、溫度分布不均勻，溫度調節控制不靈敏，調節范圍受限，產量質量提升空間小等。

三、發明內容

為克服現有技術的不足，提升加熱效果，本燃燒控制系統發明目的在于為酸化窯加熱系統提供多點均勻布置的天然氣高速低氮燒嘴、閥組及控制系統，按照酸化窯保溫罩加熱工藝流程圖及相關的參數，提供滿足工藝條件要求的合理燃燒溫度、控制方式和配風量。根據相關的工藝流程圖，配置合理的燒嘴性能參數，包括各區燒嘴功率大小、數量分布、合適的空燃調節比、PID溫度自動或手動控制方式等等。

1. 物料加熱方式

因物料是選通過保溫罩加熱后的煙氣對流、傳導和火焰輻射加熱筒體后，由旋轉的筒體將熱量傳給物料，物料主要受熱方式為筒體對物料的傳導及在窯內受熱氣流與物料的對流。原有的熱風爐加熱方式，在熱煙氣送入保溫罩后煙氣溫度梯度分組比較明顯，靠近入口處的溫度高，靠近窯尾外的溫度低，筒體內物料受熱溫度不均勻，生產出的產品質量不均衡。

為提高物料的受熱均勻性，將原集中送入保溫罩的煙氣，分布設計成多個燒嘴間隔均勻布置在保溫罩側墻。多點布置的多個燒嘴同時燃燒產生的熱量分布均勻，各燒嘴根據各加熱區內物料的加熱溫度要求，可進行各個分區單獨控制，同時各個燒嘴可單獨手動調節，補償因管道直徑、長短不同等差異帶來的阻力不同，流量不同造成的火焰溫度不均勻現象。通過多個燒嘴多點均布設計的物料加熱方式，結合單個燒嘴的手動調節和分區的整體調控，以達到整體溫度的均勻性和調節適應性，最大程度地滿足物料加熱的要求和提高燃料的利用率，達到節能降耗的目的。

物料加熱區域分布主要由加熱區、保溫區及管道補熱區組成。加熱區內排放的煙氣匯集后送入保溫區，在匯集煙氣的管道上預留了補熱燒嘴，防止匯集的煙氣送入保溫區溫度不夠時，進行補償加熱，同時可以根據煙氣的溫度和保溫區溫度要求進行調節。不加熱區煙氣排放溫度為240～320℃，窯體為鋼制圓筒回轉結構，內部物料所需要的酸化反應溫度為250～300℃，為保證回轉窯筒體的正常運轉及綜合物料加熱的效率，筒體表面受熱溫度小于400℃且溫度分布均勻、調節方便靈活。

圖1 多點加熱工藝示意圖

2. 燒嘴的穩定燃燒技術

燒嘴使用燃料為天然氣，熱值8000kcal/Nm³以上,屬于高熱值清潔燃料，其著火點在550～570℃之間，理論燃燒溫度最高可達2300℃，根據不同結構和環境絕熱程度，實際溫度會有差異，結合本發明主要應用的加熱罩結構、工藝溫度要求及低氮排放要求，燒嘴設計上保證在穩定燃燒的基礎上，配置合理的助燃風，燒嘴采用多級濃淡燃燒，不斷分級降低燃燒溫度，以降低熱力型NOx的排放；對各分區內的溫度進行連續比例調節方式自動控制調節。

燃氣噴頭上均面了多個方向上的噴射孔，與點火電極接觸的距離近，燃氣噴射出來后形成包圍點火電極的可靠引火區，點火電極在通電后產生高壓電離形成的火花能量很輕松引燃噴射孔頭部噴射出來的燃氣。燃氣噴頭外圍均布著同軸布置的一級助燃風孔，并在一級混合腔內快速穩定燃燒。燃氣噴頭上布置了多種規格不同的噴射孔，可適應不同大小氣量的穩定燃燒。隨著燒嘴負荷的不斷增加，燃料與助燃風量會逐漸向二級、三級混合腔內流動，不斷混合和噴射出外套管混合燃燒，最終形成穩定可靠的火焰。

燒嘴配置點火器及UV火焰探測器，實現自動點火及火焰監測，可實現三次自動點火均失敗后進行報警并切斷燒嘴前燃氣安全閥門，以確保系統安全。

 圖2 高速低氮燒嘴示意圖

3. 分級燃燒低氮技術

燒嘴頭部設計了穩定可靠的點火電極，均勻放散分布的燃氣噴頭上有小孔與助燃風分級設計的內層助燃風充分混合，由點火電極通電啟動點火后形成穩定的燃燒火焰（見圖3中1區），在燒嘴頭部的半預混容腔中與燃氣主孔及助燃風混合后，形成穩定燃燒的火焰后，隨著燃料和助燃風用量不斷增加，在一級燃燒混合腔內未完全燃燒的燃氣和助燃風在第一級燃燒混合腔內相遇繼續燃燒，隨著第二級和第三級的混合后（分別見圖3示意圖中的2和3區），不斷實現著燃料的助燃風的分級燃燒，在最后一級（見圖3示意圖中的4區）旋流助燃風翅的攪動混合作用下，攜帶未充分燃燒的燃料在與助燃風充分混合，隨著噴口的高速氣流一起噴出，形成均勻溫度的火焰。助燃風分級筒將整個燃料燃燒所需要的空氣分成多個混合腔進行分級燃燒，逐級降低上一級的燃燒溫度，并在混合腔內停留時間短，熱力聚集機會小，可以整體降低燃燒的最高溫度，進而降低很大部分的熱力型NOx。

圖3 低氮燒嘴分級燃燒示意圖

4. 加熱區域燒嘴的分配

回轉窯采用三檔支撐。從尾端下料端起稱為一檔、二檔和三檔支撐。一樓前端靠近回轉窯尾部下料端加熱區域有9m長度范圍內配套4支燒嘴（根據不同長度及回轉窯產量、筒體直徑等大小不同，設計不同功率的燒嘴），每支燒嘴之間間隔2.25m，設定為A區；一檔和二檔兩個托輪中間24m長度范圍內分成BCD三個區；二檔和三檔之間，及三檔到出料端為保溫區，ABCD每個區配套4支共配套12支燒嘴，均勻布置在加熱罩側壁上，離加熱罩底部耐火保溫層垂直高度600-1000mm。四個加熱區的排放煙氣集中混合一起后進入兩個保溫區，由廢氣風機抽走送至焙燒窯尾廢氣處理系統。

5. 保溫區域管道補熱燒嘴與溫度自動調控

兩個保溫區內由四個加熱區的排放煙氣送入保溫罩內循環后對窯內物料進行換熱保溫，保溫區入口煙氣溫度大約320℃，出口煙氣溫度大約200℃，當入口溫度較低時，可以啟動備用管道燒嘴進行補熱。兩支燒嘴根據需要設定所要的溫度，當煙氣管道上熱電偶信號輸出溫度低于所設溫度時，啟動補熱燒嘴可同步進行溫度的調控，也可單獨啟動，靈活地根據需要溫度進行調節，達到自動控制溫度的目的。

6. 閥組及控制系統功能

(1) 閥組主要功能

1）調壓穩壓功能

2）電子點火功能

3）火焰探測功能：采用紫外線火焰探測器，安裝在燃燒器頭部中間，探測靈敏度和可靠性高，當檢測到火焰信號時均視為火焰燃燒正常；當無信號時視為熄火，報警并自動切斷氣源。

4）熄火自動切斷氣源保護功能

5）天然氣外泄露報警功能

6）超高壓自動放散和超低壓報警自動切斷氣源功能

7）天然氣流量調節功能

8）氮氣吹掃功能

9）實現在地控制和中控調節功能

10）風機故障報警

11）斷電自行切斷功能

(2) 燃燒控制系統

1) 整個燃燒控制系統采用連續比例控制方式，即：系統控制空氣調節閥的開度，通過空氣調節閥的調節來改變空燃比例閥取壓點壓力的變化，從而改變燃氣用量?？諝庹{節閥的開度0-90°對應4-20mA模擬量信號。

2) SR燒嘴模塊化設計，結構緊湊合理，維修維護方便，耐用性好。

3) 燃氣切斷閥采用進口品牌系列，零泄露，使用壽命長，能確保燃氣的使用安全。

4) 空/燃比例閥采用進口產品，能保證空/燃氣充分混合。

5) 每只燒嘴能夠單獨自動點火，實時火焰檢測和熄火保護功能，火焰檢測方式通過紫外火焰檢測器來完成。

6) 每套燃氣主管附件及加熱保溫區各配置一套天然氣泄露檢測系統，當管道空間存在一定的泄露時，系統自動聲光報警，達到規定之后自動切斷燃氣供給。

7) 燃氣主管設備成撬供應，安裝檢修簡單方便。

四、附圖說明

連續比例控制PID流程圖如下：

圖4燃燒控制系統連續比例控制PID流程圖

五、具體實施方式

1. 燃燒系統主要功能

1) 燃燒系統主要由燃氣系統、點火系統、儀表電氣控制系統及安全系統等組成。包括燃燒器本體及附屬設備、天然氣管路管件、切斷閥、調節閥等閥門，點火裝置、火焰檢測裝置、煤氣和天然氣報警系統、壓力、溫度、流量等儀表控制系統等。

2) 燃燒器的設計具有足夠大的負荷調節范圍（1：10），包括燃燒器燃氣量和配風量的調節等。

3) 燃燒器設計通過空氣壓力和燃氣閥門實現自動配風，調節火焰形狀及長度的調節，使燃氣充分燃燒，保證最佳的火焰形狀和集中有力的火焰長度，滿足爐內溫度生產工藝要求。

4) 燃燒系統可實現以爐內區域溫度為控制目標，自動完成燃氣系統--風門比例式燃料調節和鼓風風量調節等。

5) 燃燒器具有耐高溫、防腐蝕，高溫部件應采用耐高溫材質制造。

6) 燃燒器頭部由耐熱鋼制成且易于更換。

7) 燃氣主切斷閥采用氣動速斷閥，關斷時間滿足安全要求，且與火焰檢測器等連鎖，并具有手動關斷功能，安全可靠。

8) 燃氣和配風調節閥選用電動調節閥，并帶有手動調節功能。

9) 點火系統。燃燒器實現自動點火，有可靠的點火機構和程序控制。點火控制系統與爐頂引風機連鎖控制，即點火前須先啟動引風機，否則無法進入點火程序；

10) 在燃燒器區域內天然氣可能泄漏的地方，設置燃氣在線檢測探頭，具體位置和數量由廠家設計。檢測元件應成熟可靠，如果發生泄漏在操作室內和現場可實現聲光報警。

11) 天然氣報警系統設計符合《石油化工可燃氣體和有毒氣體檢測報警設計規范》。

12) 燃燒器配有火焰監測裝置，全程自動火焰監測，隨時顯示火焰狀態，如火焰監測器檢測不到火焰信號，則立即切斷燃氣供應，發出熄火報警，熄火停爐保護。

13) 點火裝置、火焰監測、熄火保護裝置應與速斷閥、報警系統連鎖。

14) 系統可實現燃氣壓力高、低報警（保護），燃氣壓力高或低于設定值（可設定）時，自動切斷燃氣供應，避免回火燃燒爆炸危險。

15) 系統可實現配風風機壓力低報警并自動切斷燃氣供應，以防止風機突停等故障時發生事故，具體壓力值由廠家設定。

16) 熄火及泄露報警等操作裝置設在控制室和現場，以提醒操作人員。

17) 然氣及配風管路與燃燒器連接采用金屬管軟連接，便于燃燒器的安裝和調整。

18) 系統內應設有燃氣取樣口和放散裝置。

19) 所有配備的電動機絕緣等級要根據工藝給出的電動機現場所處環境溫度條件來選擇級別。用于變頻控制的電動機要選擇專用變頻電動機。

2. 儀表及自動化控制部分

1) 天然氣及助燃風管道上裝設壓力、溫度測點，并通過變送器將信號傳送給控制柜顯示，作為運行連鎖和檢測信號。壓力測點同時安裝就地顯示儀表。

2) 系統控制柜內的主要設備要設有集中控制和機旁控制兩種控制方式。在機旁均設有控制箱，設有中控/機旁/零位選擇方式?？刂乒窦艾F場控制箱內應設置保溫及加熱除濕裝置。

3) 中控控制時，PLC按預先編制的程序，將工藝流程線上的設備按照工藝要求順序啟動與停車。

4) 機旁控制時，人工可在機旁單獨開、停設備，以便于單機試車。

5) 零位控制時，中控及機旁均不能開車，以確保檢修人員的安全。

6) 控制系統選用西門子PLC, S7－300或1500系列?？刂乒竦乃袪顟B信號與DCS系統采用以太網/Profinet/Profibus-DP方式通訊(通訊方式根據實際需要調整），系統的啟停、聯鎖信號與DCS系統采用點對點的方式連接。

7) PLC、儀表接地具有獨立接地網，不從電氣跨接，采用共用接地體，接地電阻小于4歐姆。所有電氣控制系統的電纜均采用屏蔽電纜，減少電磁干擾。

8) 每個CPU下帶每種類型I/O點預留不少于15%余量全球擴展或升級，PLC系統AI點帶隔離器，避免信號干擾，增加系統運行穩定性。