回轉(zhuǎn)窯看火的現(xiàn)狀與進(jìn)展

天津水泥工業(yè)設(shè)計研究院有限公司，天津 300400

水泥生料轉(zhuǎn)變?yōu)樗嗍炝系撵褵^程，是水泥生產(chǎn)的核心工藝環(huán)節(jié)，而煅燒過程的核心工藝設(shè)備就是水泥回轉(zhuǎn)窯。在水泥回轉(zhuǎn)窯中，從預(yù)熱器輸入的物料在這里發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，生成水泥熟料；在窯頭加入的煤粉在這里燃燒，放出熱量?；剞D(zhuǎn)窯的運(yùn)轉(zhuǎn)情況直接影響水泥窯燒成系統(tǒng)的運(yùn)行、水泥熟料的產(chǎn)量和質(zhì)量。

水泥窯在運(yùn)行過程中不斷旋轉(zhuǎn)，物料在運(yùn)動、氣體在流動、氣體與煤粉在燃燒、煙氣與物料、物料與耐火材料之間發(fā)生傳熱，還附帶有物料中低沸點物質(zhì)的蒸發(fā)、氣固相傳質(zhì)、物料的固相與液相轉(zhuǎn)變等復(fù)雜反應(yīng)。由于回轉(zhuǎn)窯并非一個固定的設(shè)備，因此熱工測量儀表只能在窯頭、窯尾安裝，無法直接獲取窯內(nèi)的相關(guān)參數(shù)。中控操作員實際生產(chǎn)過程中，實際上是使用窯尾溫度壓力氣體成分，窯頭溫度壓力、筒體掃描儀等在線數(shù)據(jù)，及熟料f-CaO、立升重、熟料化學(xué)分析等間歇性數(shù)據(jù)，配合窯頭火焰攝像機(jī)或現(xiàn)場看火，來綜合判斷窯內(nèi)的溫度，即實際燃燒狀態(tài)。

1 傳統(tǒng)人工看火

看火是從濕法長窯、立波爾窯、中空窯等傳統(tǒng)窯操作中流傳下來的。因為傳統(tǒng)窯的熱工測量儀表更少，所以看火是判斷用風(fēng)、頭煤、喂料量、窯皮厚度等問題的重要手段。隨著新型干法窯、第二代新型干法窯的到來，窯尾氣體成分、溫度、壓力等參數(shù)均可測量，看火重要性有所下降。但是看火仍然是判斷熟料燒成結(jié)粒、一次風(fēng)風(fēng)量是否合理、二次風(fēng)是否充足、窯前結(jié)皮情況、黑火頭情況等問題的重要手段，仍然有其存在價值［1］。傳統(tǒng)看火目前是中控看火為主，現(xiàn)場看火為輔。

1.1 現(xiàn)場看火

現(xiàn)場看火，就是親自在回轉(zhuǎn)窯窯頭看火。一般肉眼觀察的“正常火”的特征如下：第一，窯內(nèi)的火焰主體顏色發(fā)白，位置穩(wěn)定不飄動；第二，物料略顯白色，窯口處的熟料顆粒大小均一，以5～20mm 的顆粒為主，熟料顆粒帶起高度均衡；第三，生料黑影位置處在相對固定的位置。隨著現(xiàn)代檢測技術(shù)的發(fā)展，非接觸式的光學(xué)比色溫度計在水泥行業(yè)得到了應(yīng)用，可以通過測量火焰/燒成帶溫度來判斷回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的溫度情況。但是，光學(xué)比色溫度計只能測量單一點溫度，所以容易受到回轉(zhuǎn)窯內(nèi)熟料粉塵、顆粒物的干擾，造成數(shù)據(jù)失真，因此實際應(yīng)用價值并不比肉眼看火大多少。

1.2 中控遠(yuǎn)程看火

中控遠(yuǎn)程看火，就是在中控室通過窯頭攝像頭對窯內(nèi)情況進(jìn)行觀察。觀察的基本判斷方法與現(xiàn)場看火一致。中控看火相比現(xiàn)場看火有如下幾個優(yōu)點：一是降低了現(xiàn)場看火的危險性，由于窯頭一般為正壓，窯頭看火時不可避免面臨有正壓噴出傷人的風(fēng)險，中控看火遠(yuǎn)離現(xiàn)場，安全性得到了保證；二是由于采用屏幕顯示攝像頭圖像，減少因為肉眼色差導(dǎo)致的觀察效果不同導(dǎo)致的判斷結(jié)果不同；三是看火由間歇操作改為連續(xù)操作，操作人員不再需要專門前往現(xiàn)場觀察。如王煒峰［2］在回轉(zhuǎn)窯上采用CCD 攝像機(jī)、同軸電纜將火焰圖像顯示在中控室，提高了火焰檢測的靈敏度和識別能力。

但是，不管是現(xiàn)場看火，還是中控看火，均是人工看火，是一種感性的觀察，不能轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信息。同時，人工看火不可避免的受到人的經(jīng)驗、責(zé)任心、關(guān)注度等因素的影響。將看火這一人工感性的工作，轉(zhuǎn)變?yōu)橐詧D形處理技術(shù)和人工智能技術(shù)為基礎(chǔ)的計算機(jī)看火工作，輸出數(shù)字信息，才是看火這一古老工作的發(fā)展方向［3］。

2 計算機(jī)看火（輔助檢測看火技術(shù)）

計算機(jī)看火即輔助檢測看火。由于火焰融合了水泥窯燒成系統(tǒng)的連續(xù)即時信息，輔助檢測計算機(jī)看火技術(shù)對于改善水泥生產(chǎn)工藝操作和熟料質(zhì)量具有重要的意義。國內(nèi)不少研究者將圖形處理技術(shù)和人工智能技術(shù)融合，有力的推動了計算機(jī)看火技術(shù)的進(jìn)步。

王補(bǔ)宣［4］在國內(nèi)較早針對小規(guī)模火焰的溫度分布進(jìn)行測量，從而求得圖像亮度和火焰溫度的對應(yīng)函數(shù)關(guān)系，再利用黑體理論進(jìn)行輔助標(biāo)定，最終獲得了火焰圖形亮度與溫度的回歸模型。

周懷春［5］在光學(xué)測量火焰溫度方面進(jìn)行大量的研究，提出了利用CCD 相機(jī)的單色法技術(shù)，針對某一特定范圍內(nèi)的溫度進(jìn)行計算。隨著CCD 相機(jī)技術(shù)的發(fā)展，周懷春等又利用單色法技術(shù)和雙色發(fā)技術(shù)針對火焰溫度和黑度進(jìn)行更加深入的研究，并在工業(yè)現(xiàn)場得到了驗證。

袁南兒［6］在水泥行業(yè)較早的研究輔助檢測看火技術(shù)。其利用攝像機(jī)、紅外掃描儀器、視頻數(shù)據(jù)卡等設(shè)備，利用計算機(jī)處理圖像信號，提取出水泥回轉(zhuǎn)窯燒成帶最低、平均、最高溫度，物料帶起高度，回轉(zhuǎn)窯填充率，火焰長度等特性信息，并做到數(shù)據(jù)即時在線顯示，對水泥工藝操作有一定的參考價值。

方千山［7］利用MATLAB 軟件的圖像處理功能，對窯頭攝像機(jī)拍攝的水泥窯火焰圖像進(jìn)行處理，將整個畫面劃分為幾個獨立的溫度區(qū)域，可以得到各個區(qū)域內(nèi)的溫度情況。其思路就是將人工看火提升為計算機(jī)看火，為后續(xù)的輔助檢測看火技術(shù)發(fā)展奠定了堅實的基礎(chǔ)。

章立新［8］通過窯頭CCD 攝像頭獲取水泥回轉(zhuǎn)窯火焰畫面信息，利用VC++編程，對圖像信息進(jìn)行濾波及分析，獲取了火焰溫度、長度，黑火頭尺寸，物料隨回轉(zhuǎn)窯上揚(yáng)高度及溫度等信息，可以對回轉(zhuǎn)窯的自動控制提供有效的輔助檢測信號。

趙英杰［9］利用CCD 獲取圖形信息后，處理為24 位RGB 信號，將火焰按照灰體進(jìn)行比色法測溫，先求出每個區(qū)域塊的平均灰度，進(jìn)一步計算出每個區(qū)域塊的平均溫度，最后得到整個燒成帶的熟料溫度；而針對火焰溫度則是先篩選出高灰度區(qū)域作為火焰區(qū)域，然后計算火焰溫度；針對回轉(zhuǎn)窯窯壁溫度則是結(jié)合水泥燒成工藝特點將CCD 圖像中的特定區(qū)域定義為窯壁，按照類似燒成帶熟料的方法計算出窯壁溫度。趙英杰認(rèn)為，熟料溫度是比火焰溫度更加重要的工藝參數(shù)，值得廣大水泥工作者注意。

劉建浩［10］發(fā)明一種與快門無關(guān)的圖像處理標(biāo)定方法，并利用該方法對原有的CCD 溫度檢測進(jìn)行校正，并對玻璃窯進(jìn)行溫度探測。通過對比，該方法精度高于原有系統(tǒng)，使用上不增加計算量負(fù)擔(dān)，是一種改進(jìn)計算機(jī)看火技術(shù)的方法，該方法輔助看火結(jié)果與回轉(zhuǎn)窯運(yùn)行工況匹配程度高，對回轉(zhuǎn)窯工藝操作優(yōu)化有一定價值，有助于回轉(zhuǎn)窯的安全運(yùn)行與節(jié)能減排。

唐華兵［11］［12］基于計算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的進(jìn)步，開發(fā)了基于千兆網(wǎng)絡(luò)的CCD 火焰溫度輔助檢測模型，該模型可以在實驗室富氧燃燒火焰溫度測量和水泥回轉(zhuǎn)窯溫度檢測使用。在實驗室條件下，輔助檢測看火技術(shù)得到的溫度與實測溫度誤差僅31℃，不足1.5%；在5000t/d 熟料生產(chǎn)線進(jìn)行現(xiàn)場應(yīng)用，火焰溫度為1650℃～1800℃之間，物料溫度在1400℃～1500℃，與實際值基本吻合。該系統(tǒng)既能實現(xiàn)回轉(zhuǎn)窯內(nèi)溫度的在線監(jiān)測，同時也能對回轉(zhuǎn)窯內(nèi)溫度超過限制進(jìn)行預(yù)警，在一定程度上可以替代傳統(tǒng)看火，是一項非常有前途的技術(shù)。

目前來看，雖然輔助檢測看火技術(shù)已經(jīng)取得了長足進(jìn)步，但是仍然有其不足，主要體現(xiàn)在以下幾點：第一，目前攝像頭仍然受到窯內(nèi)粉塵等因素的嚴(yán)重干擾，需要人工定期進(jìn)行干預(yù)，無法完全脫離操作員運(yùn)行；第二，窯內(nèi)粉塵嚴(yán)重，目前的識別判斷模型仍然存在一定提升空間；第三，目前輔助檢測看火與水泥窯全自動運(yùn)行的要求，實際上還有一定的差距。但是隨著技術(shù)的進(jìn)步，在可預(yù)期的將來，計算機(jī)看火必然能夠逐步替代人工看火。

3 總結(jié)

水泥窯傳統(tǒng)看火，目前還有其重要的作用，不可能完全被替代。而且隨著圖像處理、人工智能等技術(shù)的興起，計算機(jī)看火，即輔助檢測看火技術(shù)的技術(shù)越來越完善，是一項非常有前途的技術(shù)。