石灰回轉窯供熱節能優化改造

黃智堅， 胡曉宇

（廣東省韶鋼工程技術有限公司， 廣東 曲江 512123）

某鋼鐵集團實業公司石灰廠回轉窯的燃燒系統是由焦爐煤氣和轉爐煤氣在燒嘴處通過空氣的旋流和紊流將兩種煤氣進行混合后進行點燃燃燒。焦爐煤氣管道和轉爐煤氣管道都配置調節流量（工藝計量）的相關設備，卻未配置測量煤氣熱值WOBBE儀。

由于焦爐煤氣和轉爐煤氣熱值不能實時檢測數據及煤氣管網壓力波動較大，焦爐操作中只能根據出窯石灰的質量狀況和石灰窯窯前溫度和窯尾溫度以及經驗來調節進入石灰回轉窯的煤氣量和煤氣所需的空氣量，耗時長，經驗操作導致配比比例不合理，使氣燒回轉窯實際熱量與焙燒石灰的所需的熱量不匹配的情況，石灰生燒與過燒現象經常出現，造成對能量的浪費。當實際供熱量投用過大時，操作人員若不調整石灰產量變會使石灰窯的煅燒溫度進一步升高，就會造成石灰棚料的工藝事故發生。為了解決以上問題，有必要對氣燒回轉窯進行供熱節能優化改造。

1 改造內容

1.1 控制系統的硬件配置

某鋼鐵集團實業公司石灰廠，目前共有2座回轉窯。每座回轉窯配置西門子PCS7控制系統，對每座回轉窯的電氣和儀表設備進行監控和控制。本次改造，是在原來PSC7控制系統的基礎上，新增如下設備：

1）回轉窯燒嘴的出口焦爐煤氣總管和轉爐煤氣總管各自引出一條取樣管，分別新增1套熱值儀從新增取樣管監測兩種煤氣的煤氣熱值。

2）從回轉窯焦爐煤氣及轉爐煤氣的管道入口各自安裝1套調節閥，作用于煤氣流量調節（此處可穩定焦爐煤氣或者轉爐煤氣的流量，然后調節另外一種煤氣的流量），以穩定入窯的總配熱量。

3）在回轉窯助燃風機出口管道上安裝1套調節閥，作用于助燃空氣流量調節。

4）在窯頭、窯尾各安裝1個負壓測定儀，窯尾、預熱器頂部各安裝1個溫度測定儀，視情況安裝1套窯尾風機流量測定系統。

5）新增1套西門子S7-300調節系統，用于控制和檢測新增的設備和儀表。

6）新增1套自我研發的窯爐節能優化軟件調節控制系統。

1.2 控制系統構架

1）控制系統內需要定量輸入窯臺時產量、噸灰標煤耗、焦爐氣每小時流量、一次風小時配量、空氣過剩系數。

2）噸灰標煤耗由某鋼鐵集團實業公司石灰廠通過煙氣成分分析及石灰質量控制情況綜合確定及統一調節。

3）空氣過剩系數由某鋼鐵集團實業公司石灰廠根據煙氣成分（CO、O2）分析數據進行綜合確定及統一調節。

4）焦爐氣每小時流量由當班作業長根據石灰庫位和外部氣源供應情況確定。

5）隨后窯推桿設定、窯轉速、窯尾風機轉速由窯爐節能優化軟件調節控制系統實行自動聯動調節，再結合韋伯儀測定的即時焦、轉爐煤氣熱值自動聯動調節轉爐煤氣流量及二次風量。

1.3 煤氣供給方案

通過在HMI設定的每批次的石灰石加料量（給定輸出窯推杠的動作次數），計算出石灰出料量（給定輸出窯轉速速度）。由回轉窯的理論經驗值知道每噸石灰燒成的熱能值消耗，計算出每噸石灰所需要的熱能值，從而計算出煤氣的理論流量值。當得到煤氣的理論流量值和煤氣的實時流量，將利用雙交叉PID控制算法控制煤氣調節閥。由于煤氣的熱能值與石灰的質量有關，此次改造必須對PID的控制加入非線性處理，最終滿足生產需求。煤氣流量控制圖見圖1。

圖1 煤氣流量控制圖

1.4 助燃空氣供給方案

在程序中手動輸入空燃比的數值從而得到助燃空氣的流量，也可根據熱值儀檢測出當前煤氣的熱能值作為依據來計算出空氣的流量。由于氣體的受溫度，壓力等管道環境影響，助燃空氣的計算需與助燃空氣的流量、溫度和壓力補償后得出實際的空氣流量值，并以助燃空氣的設定值和實際值進行計算，最終作用于空氣調節閥。

助燃空氣流量控制圖見圖2。

圖2 助燃空氣流量控制

1.5 具體的操作環境界面

如圖3所示（白色區域為輸入區域，黑色區域為輸出區域）。

圖3 系統操作環境

2 燃燒控制

2.1 燃燒控制原理

在軟件系統中確認石灰窯所需要的煤氣流量需要通過石灰的噸灰熱能損耗、石灰每小時的產量及煤氣的熱能值計算，系統計算出的煤氣流量作為煤氣PID控制器（PA）的煤氣自動控制設定值SV1,在程序中手動輸入空燃比，則可得到所需的空氣流量，此時將得出的空氣流量作為空氣PID控制器（PB）的煤氣自動控制設定值SV2。

煤氣實時的流量作為實際檢測值PV1作為煤氣PID控制器（PA）的PV輸入值，此時滿足煤氣PID控制器（PA）的控制運算，由于煤氣控制流量不能以簡單的線性方式輸出，必須加入增量調制單元Z1或者Z2,根據空氣PID控制器（PB）的實時運算增加或者減少煤氣PID控制器的輸出值作用于煤氣調節閥。

同理，空氣實時的流量作為實際檢測值PV2作為煤氣PID控制器（PB）的PV輸入值，此時滿足空氣PID控制器（PA）的控制運算,由于空氣控制流量與煤氣的控制流量需要實時對比，此次也必須加入增量調制單元Z3或者Z4，根據煤氣PID控制器（PA）的實時運算增加或者減少空氣PID控制器的輸出值作用于空氣調節閥。

此時就形成上文所描述的雙交叉PID控制原理。此時引入Z1，Z2增量調制單元，目的是使煤氣調節閥每做一次改變，根據輸入的空燃比，控制煤氣調節閥的開度在一個合理的控制范圍內。同理，煤氣調節閥每做一次改變，空氣調節閥也隨著變化，若空氣調節閥超過合理的開度，使得固定空燃比例實現不了，引入Z3，Z4增量調制單元，使得空氣調節閥的開度在一個合理的控制范圍內。

2.2 窯尾風機的轉速控制

根據窯前窯后的負壓檢測儀表反饋數值和窯的產量設定（窯產量越大，窯尾風機轉速越大）建立限幅關系，控制窯尾風機的轉速，根據檢測保證回轉窯的熱量損失降至最少。窯尾風機轉速控制圖見圖5。

圖5 窯尾風機轉速控制功能

3 項目運行

根據未改造前石灰窯2015年8月—2016年2月和改造后石灰窯2016年8月—2017年2月的石灰產量、煤氣用量進行了對比，并在此基礎上對改造后的節能量進行了一個預估。

詳細對比見表1。

按照圖表的數據可得出改造前的石灰平均噸耗為5.77 GJ，改造后的石灰噸耗為5.423 GJ/t。每噸石灰可降低損耗0.387 GJ。

表1 能耗對比表

則每年可節省煤氣費用約為：

30萬t×0.387 GJ/t×12元/GJ=139萬元.

本項目完成后可使回轉窯的熱值消耗明顯變少，石灰的質量合格率提高并趨于平穩，煉鋼、煉鐵等單位的降低煉鋼石灰消耗和鋼鐵料消耗，為公司的鋼鐵產品做出了突出的貢獻。

[1]撖偉，羅春暉.石灰氣燒豎窯定量供熱控制[J].化學工程與裝備，2013（6）：156-160.

[2]張秀蓮，張曉濱.輥底爐生產線煤氣加熱溫度控制系統[J].工業加熱，1999（4）：27-31.