石灰窯的自動化改造

文/胡海東 刁金霞

鋼鐵工業(yè)、電石工業(yè)、氧化鋁工業(yè)、耐火材料工業(yè)等都是石灰消耗大戶，近幾年來這些產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展對石灰的需求不斷增長，因此大幅度提高石灰的產(chǎn)量和質(zhì)量是必然發(fā)展趨勢。目前國家大力提倡環(huán)境保護(hù)、節(jié)能減排，這就要求企業(yè)進(jìn)行更高技術(shù)、機(jī)械化 、自動化程度越高越好的現(xiàn)代技術(shù)改造，成為現(xiàn)代化石灰煅燒爐。

河北某鋼廠石灰窯屬于機(jī)械立窯，生產(chǎn)高活性石灰。但因煅燒煤氣、風(fēng)機(jī)、壓力閥門的控制均用人工控制，燃燒溫度主要靠有經(jīng)驗的員工登窯進(jìn)行目測、調(diào)節(jié)，造成石灰質(zhì)量完全依賴于現(xiàn)場控制人員的經(jīng)驗多寡；煤氣噴嘴布局不夠合理，實際煅燒時煤氣和空氣的混合燃料燃燒不充分，經(jīng)常出現(xiàn)欠燒、過燒等情況；煙氣由窯頂排出并無除塵和熱量再利用，浪費能源而且污染大氣，時常有危及人生命的安全隱患。由此，種種情況造成活性石灰品質(zhì)不高、產(chǎn)量提升困難、污染嚴(yán)重等一系列的問題。

1 改造技術(shù)參數(shù)分析

在石灰生產(chǎn)過程中，需要均勻加溫和適時調(diào)整火焰負(fù)荷，并保證適時合理的配風(fēng)。改造之前的燃燒系統(tǒng)，助燃風(fēng)道的直徑φ250mm，分為燃燒助燃和爐底風(fēng)，風(fēng)壓為l0KPa，無引風(fēng)。高爐煤氣管道直徑φ600mm，煤氣壓力5～15KPa，燃燒助燃風(fēng)道調(diào)節(jié)在一層平臺（地面)，高爐煤氣燃燒量調(diào)節(jié)在二層平臺，助燃風(fēng)和燃料的調(diào)節(jié)均采用手動調(diào)節(jié)，不能實現(xiàn)同步調(diào)節(jié)，且無引風(fēng)，易造成調(diào)節(jié)不平衡，產(chǎn)生煅燒不充分或局部過熱，造成物料燒不透或粘結(jié)。高爐煤氣和助燃空氣無預(yù)熱，使燒成端偏移，造成大量的燃料浪費，無尾部除塵設(shè)備，產(chǎn)生大量的環(huán)保問題。

圖1：石灰窯自動化生產(chǎn)外形結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)自動控制設(shè)計

2.1 系統(tǒng)控制工藝改進(jìn)

窯內(nèi)三段熱工工藝：預(yù)熱段、煅燒段、冷卻段。窯頂上料，原料石灰石經(jīng)由料車經(jīng)傳送帶提升至窯頂，系統(tǒng)打開窯蓋將原料裝入窯內(nèi)，裝料完畢關(guān)閉窯蓋。燃料由窯外的助燃風(fēng)機(jī)供風(fēng)燃燒，窯下卸灰在煅燒過程是封閉的，目的是使燃料的熱能充分利用。原有石灰窯的送料和卸灰均用人工機(jī)械化控制，窯體煅燒溫度由值班人員進(jìn)行小窗肉眼觀測火焰顏色進(jìn)行判斷，隨后進(jìn)行手動控制燃料閥門開度進(jìn)行調(diào)節(jié)。改造后在石灰窯窯體各段加裝溫度測量熱電偶，將測量溫度送入模擬量輸入模塊由PLC處理進(jìn)行PID調(diào)節(jié)自動控制各輸出閥門大小。為了減少污染排放并能夠進(jìn)行熱能二次利用，在窯頂加裝封蓋將廢棄引出進(jìn)行燃料的預(yù)熱改造。石灰窯生產(chǎn)過程外形圖由圖1所示。

2.2 自動控制設(shè)計

經(jīng)論證，石灰窯煅燒控制系統(tǒng)中的上料和卸灰過程仍保持機(jī)械控制；對于煅燒段溫度檢測與調(diào)節(jié)、煅燒段窯內(nèi)壓力檢測與調(diào)節(jié)、冷卻段溫度檢測與調(diào)節(jié)均應(yīng)用PID調(diào)節(jié)技術(shù)進(jìn)行控制；上位機(jī)控制柜通過觸摸屏顯示控制過程并能夠修改數(shù)據(jù)，實現(xiàn)煅燒過程全自動化控制。自動控制系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2：自動控制系統(tǒng)模塊圖

3 設(shè)備改造部分

3.1 燃料噴嘴合理布局，提高煅燒質(zhì)量

公司180m3普通氣燒豎窯共三座，均采用周邊套筒式燃料噴嘴。燃料噴嘴是以噴射煤氣和空氣混合氣體形式進(jìn)行噴入，在石灰石空隙中燃燒。存在的問題：

（1）噴射速度慢，穿透能力差，造成窯心溫度較低，容易形成欠燒。

（2）存在大量燃料不能完全燃燒，從而造成煅燒爐的煅燒段的時間過長，引起預(yù)熱段高溫，進(jìn)而產(chǎn)生煅燒段過燒；不完全燃燒的氣體從尾部排出進(jìn)入除塵設(shè)備，造成環(huán)保、中毒事故和能源浪費。

（3）燃?xì)夂椭伎諝庠跓焯幏峙洳粔蚓鶆?，會出現(xiàn)偏燒。

（4）燃料噴嘴長期處于髙溫和物料磨損過程中，燃燒器更換頻繁，造成生產(chǎn)成本增加、煤氣燃燒效率低。

針對存在的問題和原因進(jìn)行分析，改進(jìn)燃燒硬件系統(tǒng)方案：

（1）煅燒爐煅燒段均勻分布兩層噴燃式燒嘴。

噴燃燒嘴的噴口設(shè)計寬度約等于300mm，分兩層縱向錯列11.25°布置，32只燒嘴按圓周錯列布置，分上下兩層完全覆蓋整個圓周，同時在煅燒爐橫截面上，將煅燒段燒嘴分為4個區(qū)域，燃燒噴嘴排列分布。每個區(qū)域作為單獨的調(diào)節(jié)區(qū)域進(jìn)行調(diào)節(jié)，最終達(dá)到精確、均衡控溫的目的，高效的保證產(chǎn)品質(zhì)量。

（2）改變噴嘴結(jié)構(gòu)，改進(jìn)煅燒方式。

重新定制加工燃燒噴嘴，將噴嘴按照現(xiàn)場工藝要求制作成寬扁的鴨嘴形式，增大火焰面積，進(jìn)一步縮短火焰長度。燃燒方式采用噴燃式，使燃料在噴出時充分燃燒。噴燃式燃燒方式的特點是：火焰短，輻射能力強(qiáng)，熱傳導(dǎo)性能強(qiáng)；噴出速度高，穿透能力強(qiáng)；由于燃料燃燒充分，不形成燃料殘留。

經(jīng)改進(jìn)，解決了前面存在的石灰窯內(nèi)石料的欠燒和過燒的問題，節(jié)約了能源，避免引起環(huán)保和中毒事件的發(fā)生，并提高了煤氣的燃燒效率和噴嘴的使用壽命，成本大幅度降低。

3.2 增加外圍設(shè)備，提高系統(tǒng)工作性能

（1）風(fēng)機(jī)的更新與增設(shè)。

拆除原有助燃風(fēng)機(jī)，改為高壓頭、大風(fēng)量的鼓風(fēng)機(jī)。分別裝設(shè)爐底鼓風(fēng)機(jī)（冷卻風(fēng)機(jī)）和助燃風(fēng)機(jī)，實現(xiàn)了自動控制PID調(diào)節(jié)和提高了對物料的穿透性。

（2）增加引風(fēng)機(jī)和煙氣換熱器。

煙氣換熱器分為助燃空氣換熱和燃料換熱。提高了燃料和助燃空氣的初始焓值，避免物料的冷熱不均和實現(xiàn)物料的持續(xù)穩(wěn)定的反應(yīng)，同時還可以節(jié)約大量的燃料。

（3）增加幾十個傳感器，并在上位機(jī)控制機(jī)柜設(shè)置顯示控制觸摸屏，實現(xiàn)窯溫自動化的控制。

（4）對熱交換后的煙氣進(jìn)行除塵處理（爐頂除塵)，設(shè)置除塵裝置。

（5）增加爐底除塵，回收成品粉料。

（6）增加的PLC自控設(shè)備：煤氣流量調(diào)節(jié)閥，助燃風(fēng)調(diào)節(jié)閥，冷卻風(fēng)調(diào)節(jié)閥，引風(fēng)調(diào)節(jié)閥等。

4 煅燒溫度PLC自動控制系統(tǒng)設(shè)計

控制系統(tǒng)核心部件為西門子S7-200 PLC控制模塊，PLC通過用戶程序?qū)υO(shè)備進(jìn)行監(jiān)測或自動控制。通過觸摸屏可以監(jiān)測各現(xiàn)場數(shù)據(jù)，也可以設(shè)定各系統(tǒng)參數(shù)。

4.1 石灰窯自動煅燒控制工作原理

對檢測預(yù)熱段、煅燒段、冷卻段三段溫度分別進(jìn)行檢測與PID調(diào)節(jié)。

（1）煅燒段溫度PID調(diào)節(jié)和煤氣流量的比例調(diào)節(jié)。根據(jù)用戶設(shè)定的煅燒段溫度值，自動控制煤氣流量調(diào)節(jié)閥，同時聯(lián)鎖控制助燃風(fēng)調(diào)節(jié)閥，實現(xiàn)煅燒段的溫度與設(shè)定值一致。

（2）煅燒段壓力PID調(diào)節(jié)。根據(jù)用戶設(shè)定的煅燒段壓力值，自動控制引風(fēng)調(diào)節(jié)閥的開度，實現(xiàn)煅燒段壓力與設(shè)定值一致。

（3）冷卻段溫度PID調(diào)節(jié)。根據(jù)用戶設(shè)定的冷卻段溫度值，自動控制冷卻風(fēng)調(diào)節(jié)閥的開度，實現(xiàn)冷卻段溫度與設(shè)定值一致。

4.2 PLC控制系統(tǒng)運行模式

系統(tǒng)運行模式分為手動和自動兩種。

手動操作模式可以通過手操器上的引風(fēng)機(jī)、冷卻風(fēng)機(jī)、助燃風(fēng)機(jī)三個開關(guān)分別控制三種風(fēng)機(jī)的啟動和停止。根據(jù)石灰窯工作的工藝過程，依次將引風(fēng)、冷卻風(fēng)、助燃風(fēng)、煤氣量閥門開度進(jìn)行手動調(diào)節(jié)，完成石灰窯的上料、點燃過程。

自動運行模式，控制系統(tǒng)將根據(jù)石灰窯煅燒段溫度、煅燒段壓力、冷卻段溫度對進(jìn)風(fēng)量、煤氣量等進(jìn)行連續(xù)自動調(diào)節(jié)。進(jìn)入此狀態(tài)后，系統(tǒng)開始連續(xù)自動控制，不再需要人為干預(yù)，可實現(xiàn)無人自動控制。

4.3 故障智能識別與處理

由于控制器采用西門子 S7-200 PLC 作為核心控制元件，因此配合精心設(shè)計的軟件能夠根據(jù)當(dāng)前工況對石灰窯進(jìn)行實時而又全面的故障識別與處理，用戶能夠直接通過控制器識別故障點，從而提高故障處理的工作效率。

5 結(jié)論

通過改造，石灰窯在生產(chǎn)過程中由人工登高觀測火焰溫度、手動控制風(fēng)量、煤氣量閥門大小的半機(jī)械化生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)變?yōu)槌b料和卸料之外的自動化控制生產(chǎn)過程。對燃料噴嘴結(jié)構(gòu)、分布等進(jìn)行重新設(shè)計與安裝，煅燒過程溫度全自動化控制，大大減少了人力物力的支出，并且對煅燒之后的氣體進(jìn)行引出對燃料氣體預(yù)熱，廢氣利用，減少了投資。系統(tǒng)在保證燃料充足、物料（石灰石）質(zhì)量的前提下，產(chǎn)量可提高到125噸/天以上，獲得了很好的經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)

[1]蘇晃舜.石灰窯低壓輸送轉(zhuǎn)爐煤氣措施[J].冶金動力,2014(12):30.

[2]李京旺,牛海濤.石灰窯結(jié)構(gòu)及性能的優(yōu)化設(shè)計措施[J].建筑與結(jié)構(gòu)設(shè)計,2014(02):37.

[3]祝洪芬.各種類型石灰窯除塵措施研究分析[J].北方環(huán)境,2011,23(06):103.

[4]石曉瑛,許智榜.基于PLC的燒結(jié)爐溫度控制[J].華東交通大學(xué)學(xué)報,2010,27(02):78.

[5]許洪瑋,劉春雷,劉洋,陳杰.萬平新型石灰窯自動化控制生產(chǎn)線[J].自動化與儀器儀表,2014(01):96.