氣燒并流蓄熱式雙膛豎窯溫度自動控制系統設計

南國英

（山西太鋼工程技術公司，山西 太原 030003）

1 概述

石灰石進行煅燒時的化學反應式為：

達不到分解溫度便不發生反應，而且在分解時，需要大量的分解熱。石灰石的主要成分為碳酸鈣，石灰石的分解反應在普通石灰爐中分解溫度大約為900℃，但在工業生產中由于石灰石是以塊狀煅燒的，所以工業石灰石塊內部所需溫度要比普通的分解溫度稍高一些。石灰石達到分解溫度后，邊吸收一定的熱量邊進行分解。該熱量叫做分解熱，它隨基準溫度的不同而不同，若把1 kg純石灰從20℃加熱到900℃分解之后，再把所得到的生石灰和CO2又冷卻到20℃，那么這一過程的熱收支如下：

1）CaCO3從20℃加熱到900℃熱耗234 kcal。

2）在900℃時的分解熱396 kcal。

3）生成的CaO從900℃冷卻到20℃時放熱105 kcal。

4）生成的CO2從900℃冷卻到20℃時放熱103 kcal。在工業生產中煅燒石灰時，回收3）、4）兩項熱量在從經濟的角度考慮是很必要的。并流蓄熱式雙膛豎窯正是盡可能回收3）、4）兩項熱量的窯型。

氣燒并流蓄熱式雙膛豎窯是利用高爐煤氣、焦爐煤氣、電石爐氣等具有一定熱值的尾氣燃燒加熱石灰石燒制石灰。各窯膛裝載有石灰石的預熱區作為回熱熱交換器，而爐料有蓄熱器的功能。圖1為氣燒并流蓄熱式雙膛豎窯的基本操作原理圖。

圖1 氣燒并流蓄熱式雙膛豎窯加熱原理

1）在第一個階段，燃料通過噴槍4噴入窯膛1，并在窯內采用助燃空氣3燒盡。熱量釋放出來，石灰石煅燒會吸收部分熱量。通過各窯膛底座冷卻空氣5上吹以冷卻石灰。在窯膛1內的冷卻空氣5連同來自鍛燒的廢氣8通過加熱氣體環形通道6和交叉通道7大約以1000℃的溫度流進窯膛2。在窯膛2內，來自窯膛1的廢氣8與冷卻空氣5混合由窯底部上吹。這些氣體在回熱窯膛2的預熱區C加熱石灰石。廢氣通過窯膛2的頂部排出。

2）第二階段將在10～15 min后開始。燃料和空氣停止進入窯膛1，換向啟動。在窯膛1裝入石灰石后，相同量的燃料和助燃空氣3噴入窯膛2。在煅燒期間產生的廢氣8以及冷卻空氣5向上流過窯膛1并加熱該窯體預熱區C的爐料。廢氣通過窯膛1的頂部排出。

雙膛豎窯具有節約能源的功能，為了更好地將雙膛豎窯的節能功能發揮到最佳效果，就需要有更高效的控制系統。

2 控制系統簡述

普通石灰爐中石灰石在大約900℃的溫度下分解為石灰和CO2，繼續煅燒在1280℃左右的溫度下石灰就已經開始生成其晶體，故控制石灰爐煅燒溫度對于石灰生產至關重要。

為了實現雙膛豎窯的高效的溫度自動控制，就需要配備PLC自動控制系統、煤氣控制系統、助燃空氣/冷卻空氣控制系統、儀表控制系統。

2.1 PLC自動控制系統

氣燒并流蓄熱式雙膛豎窯PLC自動控制系統由工程師站、操作員站、現場PLC控制站、變頻控制站構成。

正常操作以2臺操作員站為主，完成對產量管理、窯溫窯壓控制、上料、燃料供應、送風、生成曲線、報表等功能，不允許現場操作。工程師站完成Wincc畫面和S7程序編輯、修改、保存、下載等功能。

現場PLC控制站采用帶有6個ET200站的1套S7-400PLC窯本體控制站和帶有2個ET200站的1套S7-400PLC煤氣加壓站控制站。

變頻控制站分別由窯本體的2臺助燃風機變頻器、2臺冷卻風機變頻器、1臺卷揚機變頻器和煤氣加壓站的3臺加壓機變頻器組成。

系統配置圖如圖2所示。

圖2 系統配置圖

2.2 石灰窯供氣PID調節原理

下頁圖3為石灰窯供氣系統圖，該供氣系統變頻器的作用是為電機提供可變頻率的電源，實現電機的無級調速，從而使管網風量連續變化。流量傳感器的任務是檢測煤氣管網煤氣瞬時流量。

圖3 石灰窯供氣系統

依據石灰窯石灰產量和出灰平臺的灰溫，在程序設定范圍內人工設定冷卻風量，計算單元計算后通過PID-1調節單元給定冷卻風機工作頻率。

根據石灰窯石灰產量，計算單元計算出每個加熱周期所需煤氣量（熱量）和所需風量，通過不同的PID-2/PID-3調節單元給定加壓機工作頻率和助燃風機工作頻率，流量傳感器檢測的煤氣瞬時流量（熱量）反饋計算單元，計算單元再次計算、調整本加熱周期剩余所需煤氣量（熱量），通過不同的PID調節單元給定加壓機工作頻率和助燃風機工作頻率，直到在本周期結束前將所需煤氣和所需空氣送入石灰窯內，使石灰窯窯溫能穩步提升或保持溫度，使石灰窯能保質保量穩定生產。

2.3 煤氣控制系統

下頁圖4為煤氣控制系統圖，在停窯狀態下，1號—3號小回流閥為打開狀態，2號—6號切斷閥為關閉狀態，1號切斷閥為打開狀態。

圖4 煤氣控制系統圖

在生產模式生產時，3臺加壓機如果預選1號、3號加壓機，則2號加壓機備用。1號、3號加壓機啟動2分鐘后，1號、3號小回流閥關閉。如果1號膛為燃燒膛、2號膛為預熱膛，在開窯送氣命令下達后，1號切斷閥關閉，2號、3號、4號切斷閥打開向窯內送氣燃燒，送氣燃燒10～14 min后，2號、3號、4號切斷閥關閉同時1號切斷閥打開，換向開始，2號膛改為燃燒膛、1號膛改為預熱膛，換向完成，1號切斷閥關閉，2號、5號、6號切斷閥打開向窯內送氣燃燒，送氣燃燒10～14 min后，2號、5號、6號切斷閥關閉同時1號切斷閥打開，開始又一次換向。

2.4 助燃空氣/冷卻空氣控制系統

圖5為助燃空氣/冷卻空氣控制系統圖，在停窯狀態下，1號、2號蝶閥為關閉狀態，助燃空氣釋放閥和冷卻空氣釋放閥為關閉狀態（通向大氣），1號、2號換向閥為關閉狀態（通向窯內），手動閥1號、2號在調試完成后基本保持打開狀態。

圖5 助燃空氣/冷卻空氣控制系統圖

在生產模式生產時，依據石灰窯石灰產量和出灰平臺的灰溫，在程序設定范圍內人工設定冷卻風量，預選冷卻風機，未預選的為備用。助燃空氣風機則根據石灰窯產量預選5臺助燃空氣風機中的幾臺為窯供氣，其余風機則為備用。當助燃空氣變頻風機或冷卻空氣變頻風機出現故障（或維修保養）時，打開閥門1號或2號，備用風機運行，為窯正常生產提供助燃空氣或冷卻空氣。

如果2號膛為燃燒膛，1號換向閥關閉（通向煙氣管道），2號換向閥打開（通向窯內），助燃風機和冷卻風機運行后，下達開窯命令，助燃空氣釋放閥和冷卻空氣釋放閥打開（通向窯內），助燃空氣和冷卻空氣送入窯內，送氣燃燒10～14 min后，助燃空氣釋放閥和冷卻空氣釋放閥關閉，同時1號換向閥打開，2號換向閥關閉，換向開始，1號膛改為燃燒膛、2號膛改為預熱膛，換向完成，助燃空氣釋放閥和冷卻空氣釋放閥打開向窯內送氣，送氣燃燒10～14 min后，助燃空氣釋放閥和冷卻空氣釋放閥關閉，同時2號換向閥打開，1號換向閥關閉，開始又一次換向。

2.5 儀表控制系統

整座石灰窯的儀表按測量類型分為溫度儀表、壓力儀表、流量儀表、重量儀表、物位儀表等；按在生產過程中的作用分為保護檢測儀表、工藝控制儀表、計量檢測儀表等。

石灰窯自動生產時的幾個重要儀表：石灰窯料位計、窯通道溫度、煤氣流量、窯壓、煤氣加壓機出入口溫度/壓力、助燃空氣管道壓力、冷卻空氣管道壓力、氮氣壓力、壓縮空氣壓力、石灰石稱重稱、除塵管道壓力。

儀表在生產過程中起到的保護作用：加壓機/風機的溫度、加壓機/風機冷卻水溫度、出灰平臺溫度、噴槍溫度等。

3 結語

氣燒并流蓄熱式雙膛豎窯是目前最節能、品質最穩定的窯型。其對生產人員對運行設備、生產流程、安全操作規程、施工要求的了解都要求特別高，只有在各個方面滿足要求時才能保證生產的正常運轉。本文只是針對氣燒并流蓄熱式雙膛豎窯的節能燃燒控制系統做了概述。山西太鋼工程技術公司在2010年—2020年間已先后為新疆中泰和新疆藍山屯河上馬了6期12座氣燒并流蓄熱式雙膛豎窯，至今系統運行良好,自動投運率達100%。生產的石灰各項性能指標達到生產標準,滿足用戶要求，為業主單位的擴大生產、提高產能、提高產品質量、降本增效做出了應有的貢獻。