石灰窯的自動化改造

文/胡海東 刁金霞

鋼鐵工業、電石工業、氧化鋁工業、耐火材料工業等都是石灰消耗大戶，近幾年來這些產業高速發展對石灰的需求不斷增長，因此大幅度提高石灰的產量和質量是必然發展趨勢。目前國家大力提倡環境保護、節能減排，這就要求企業進行更高技術、機械化 、自動化程度越高越好的現代技術改造，成為現代化石灰煅燒爐。

河北某鋼廠石灰窯屬于機械立窯，生產高活性石灰。但因煅燒煤氣、風機、壓力閥門的控制均用人工控制，燃燒溫度主要靠有經驗的員工登窯進行目測、調節，造成石灰質量完全依賴于現場控制人員的經驗多寡；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，經常出現欠燒、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不高、產量提升困難、污染嚴重等一系列的問題。

1 改造技術參數分析

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

圖1：石灰窯自動化生產外形結構圖

2 系統自動控制設計

2.1 系統控制工藝改進

窯內三段熱工工藝：預熱段、煅燒段、冷卻段。窯頂上料，原料石灰石經由料車經傳送帶提升至窯頂，系統打開窯蓋將原料裝入窯內，裝料完畢關閉窯蓋。燃料由窯外的助燃風機供風燃燒，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械化控制，窯體煅燒溫度由值班人員進行小窗肉眼觀測火焰顏色進行判斷，隨后進行手動控制燃料閥門開度進行調節。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處理進行PID調節自動控制各輸出閥門大小。為了減少污染排放并能夠進行熱能二次利用，在窯頂加裝封蓋將廢棄引出進行燃料的預熱改造。石灰窯生產過程外形圖由圖1所示。

2.2 自動控制設計

經論證，石灰窯煅燒控制系統中的上料和卸灰過程仍保持機械控制；對于煅燒段溫度檢測與調節、煅燒段窯內壓力檢測與調節、冷卻段溫度檢測與調節均應用PID調節技術進行控制；上位機控制柜通過觸摸屏顯示控制過程并能夠修改數據，實現煅燒過程全自動化控制。自動控制系統模塊結構如圖2所示。

圖2：自動控制系統模塊圖

3 設備改造部分

3.1 燃料噴嘴合理布局，提高煅燒質量

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，引起預熱段高溫，進而產生煅燒段過燒；不完全燃燒的氣體從尾部排出進入除塵設備，造成環保、中毒事故和能源浪費。

（3）燃氣和助燃空氣在燒嘴處分配不夠均勻，會出現偏燒。

（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，造成生產成本增加、煤氣燃燒效率低。

針對存在的問題和原因進行分析，改進燃燒硬件系統方案：

（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個區域，燃燒噴嘴排列分布。每個區域作為單獨的調節區域進行調節，最終達到精確、均衡控溫的目的，高效的保證產品質量。

（2）改變噴嘴結構，改進煅燒方式。

重新定制加工燃燒噴嘴，將噴嘴按照現場工藝要求制作成寬扁的鴨嘴形式，增大火焰面積，進一步縮短火焰長度。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，熱傳導性能強；噴出速度高，穿透能力強；由于燃料燃燒充分，不形成燃料殘留。

經改進，解決了前面存在的石灰窯內石料的欠燒和過燒的問題，節約了能源，避免引起環保和中毒事件的發生，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 增加外圍設備，提高系統工作性能

（1）風機的更新與增設。

拆除原有助燃風機，改為高壓頭、大風量的鼓風機。分別裝設爐底鼓風機（冷卻風機）和助燃風機，實現了自動控制PID調節和提高了對物料的穿透性。

（2）增加引風機和煙氣換熱器。

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物料的持續穩定的反應，同時還可以節約大量的燃料。

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

（4）對熱交換后的煙氣進行除塵處理（爐頂除塵)，設置除塵裝置。

（5）增加爐底除塵，回收成品粉料。

（6）增加的PLC自控設備：煤氣流量調節閥，助燃風調節閥，冷卻風調節閥，引風調節閥等。

4 煅燒溫度PLC自動控制系統設計

控制系統核心部件為西門子S7-200 PLC控制模塊，PLC通過用戶程序對設備進行監測或自動控制。通過觸摸屏可以監測各現場數據，也可以設定各系統參數。

4.1 石灰窯自動煅燒控制工作原理

對檢測預熱段、煅燒段、冷卻段三段溫度分別進行檢測與PID調節。

（1）煅燒段溫度PID調節和煤氣流量的比例調節。根據用戶設定的煅燒段溫度值，自動控制煤氣流量調節閥，同時聯鎖控制助燃風調節閥，實現煅燒段的溫度與設定值一致。

（2）煅燒段壓力PID調節。根據用戶設定的煅燒段壓力值，自動控制引風調節閥的開度，實現煅燒段壓力與設定值一致。

（3）冷卻段溫度PID調節。根據用戶設定的冷卻段溫度值，自動控制冷卻風調節閥的開度，實現冷卻段溫度與設定值一致。

4.2 PLC控制系統運行模式

系統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機、冷卻風機、助燃風機三個開關分別控制三種風機的啟動和停止。根據石灰窯工作的工藝過程，依次將引風、冷卻風、助燃風、煤氣量閥門開度進行手動調節，完成石灰窯的上料、點燃過程。

自動運行模式，控制系統將根據石灰窯煅燒段溫度、煅燒段壓力、冷卻段溫度對進風量、煤氣量等進行連續自動調節。進入此狀態后，系統開始連續自動控制，不再需要人為干預，可實現無人自動控制。

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，因此配合精心設計的軟件能夠根據當前工況對石灰窯進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 結論

通過改造，石灰窯在生產過程中由人工登高觀測火焰溫度、手動控制風量、煤氣量閥門大小的半機械化生產模式轉變為除裝料和卸料之外的自動化控制生產過程。對燃料噴嘴結構、分布等進行重新設計與安裝，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行引出對燃料氣體預熱，廢氣利用，減少了投資。系統在保證燃料充足、物料（石灰石）質量的前提下，產量可提高到125噸/天以上，獲得了很好的經濟效益。

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