懸掛缸式麥爾茲石灰窯控制系統設計和應用

楊 林

（山西太鋼工程技術有限公司，山西 太原 030009）

在冶金行業，石灰生產主要有回轉窯、麥爾茲窯等。就具體窯型比較，大型回轉窯其產品品位高、產能大，但對使用的煤氣熱值要求較高，生產成本較豎窯約高20%，同時回轉窯占地面積大，其投資也較高；而麥爾茲石灰窯用煤氣熱值要求較回轉窯低，同等產能下其占地面積、投資費用均比回轉窯少，且技術成熟、先進。本文介紹了某鋼廠懸掛缸式麥爾茲石灰窯工藝原理、控制系統的網絡配置、軟件的功能及實現等[1-2]。

1 工藝說明

某鋼廠新建的4座并流蓄熱式麥爾茲雙膛豎窯，其產量為600 t/d，屬于大型石灰窯。窯體主要由通道相連的兩個窯膛組成，其工藝原理如圖1示意。

圖1 麥爾茲雙膛石灰豎窯工作原理示意圖

麥爾茲并流蓄熱式雙膛石灰窯有兩個窯膛（1#/2#窯膛），兩個窯膛交替輪流煅燒和預熱礦石，兩個窯膛的煅燒帶底部之間設有連接通道，每隔大約15 min換向一次。生產時，兩個窯膛交替裝入礦石，燃料分別由兩個窯膛的上方送入，通過設在預熱帶頂部的多支噴槍使燃料均勻地分布在整個窯膛的斷面上，原料礦石得到均勻煅燒。麥爾茲窯使用的是流體燃料，如煤氣、油、煤粉等，在本項目中使用的是焦爐煤氣和轉爐煤氣的混合煤氣。助燃空氣用大功率風機從豎窯的上部送入，助燃空氣與燃料混合前在預熱帶先被預熱，然后煅燒火焰氣流通過煅燒帶與礦石并流，使礦石得到煅燒。煅燒后的廢氣通過連接兩個窯膛的通道沿著另一個窯膛的預熱帶向窯頂排出。經過長過程的并流煅燒，石灰的質量非常好，同時由于兩個窯膛交替操作，廢氣直接預熱礦石，熱量得到了充分利用[3-6]。

2 控制系統介紹

2.1 網絡配置

項目采用了環網型光學鏈路的工業以太網，工業以太網提供了針對制造業控制網絡的數據傳輸以太網標準，該技術基于工業標準，有很高的網絡安全性、可操作性和時效性。環網結構有冗余性、可靠性等優點，環網上的某一路鏈路斷開，不會影響網絡上數據的轉發。在本項目中，6個交換機相互構成環網（如圖2）。

圖2 控制系統網絡示意圖

2.2 PLC系統

麥爾茲窯的自動化程度很高，在本項目中選用了西門子S7-1500系列PLC產品，該系列為S7-300/400的升級換代產品，主要用于中、高端工廠自動化控制系統，適合較復雜的應用。S7-1500系統性能卓越，處理速度更快，聯網能力更強，診斷能力和安全性更好，不僅可節省成本，提高生產效率，而且安全可靠，維護簡單方便。實現的功能如下：

1）上料系統。熱效率很高的石灰窯要求恒定和準確的處理能力，它由上料和卸料設備來保證。上料從裝料平臺上的稱重料斗開始，經過振動給料機將石灰石裝入料斗，卷揚機帶動料斗將其送至窯頂的料倉中（卷揚機速度由變頻控制，在運行過程中可進行快慢調節），通過控制1#/2#窯膛上溜槽的進料翻板閥將石灰石交替裝入1#/2#窯膛。每日的裝料量及次數按照設定的參數自動調節。

2）卸料系統。1#/2#窯膛冷卻帶下方分別設置液壓控制的卸料平臺，平臺下有一個接料斗，接收每次煅燒期間卸下的熟石灰，接料斗出口安裝熟石灰出料振動給料機，將經過煅燒的熟石灰送至用戶石灰皮帶系統。

3）風機控制。包括助燃空氣風機、冷卻空氣風機、噴槍冷卻空氣風機、懸掛缸冷卻空氣風機的控制。

燃燒控制根據煤氣量及工藝參數計算出要求的總助燃風量，減去懸掛缸風量和噴槍冷卻風量，則為需要的助燃風機風量。根據此計算結果確定助燃風機的啟動數量及轉速。

冷卻空氣風機、噴槍冷卻空氣風機、懸掛缸冷卻風機為窯體、噴槍、懸掛缸及石灰產品提供冷風降溫，并穩定窯內壓力。

4）煤氣系統。通過閥門調節進入燃燒窯膛噴槍的煤氣流量，以保證其均勻進入所有的噴槍。從燃燒爐膛到非燃燒窯膛（蓄熱窯膛）的周期性切換，要求對燃料、助燃空氣和廢氣設置切換設備，所有的切換工藝為自動控制。

5）廢氣除塵。石灰燒制過程中為防止排出的煙氣對大氣產生污染，設置石灰窯除塵系統。利用除塵系統對煙氣實施有效過濾，解決生產過程中的空氣污染問題。

6）空氣炮。連接通道處設置4臺空氣炮,主要作用是對通道的積灰進行吹掃,保證窯體內氣流在通道處的暢通。每個周期開始后，在設定時間運行空氣炮，也可以設置空氣炮不清理的周期數。

7）液壓單元。大部分裝料、卸料裝置為液壓控制,液壓系統的小部件便可以產生很大的力，安全、維護要求低。本項目中每兩座窯共用一套液壓單元，控制系統的功能包括液壓泵及閥的控制、過濾泵的控制、液壓油冷卻及加熱控制及參數設置等。

2.3 上位機系統

上位機軟件選用西門子WINCC7.5。WINCC是基于PC的HMI（人機界面）系統，適用于對各種行業的生產過程、生產工序、機器設備和工廠進行可視化及操作控制。系統不僅支持單站系統，而且支持帶有冗余服務器的分布式多站系統以及基于Web的解決方案。在本項目中，為便于開發和維護使用的是單站系統。

WINCC實現的功能：

2.3.1 工藝過程顯示

包括工藝主畫面（如圖3）、廢氣除塵系統、空氣炮、煤氣系統等。畫面展示出整個石灰窯系統各個工藝段設備的運行狀態、儀表數據、生產過程參數的設置值及實際值顯示。

圖3 系統主畫面

2.3.2 設備操作

包括設備的手自動狀態選擇及顯示、設備故障情況及歷史記錄、設備的啟停操作等。

2.3.3 儀表數據

可進行量程上下限、高低報警值、報警死區等參數的設置，儀表故障情況及歷史記錄，儀表數據的歷史趨勢顯示等。

2.3.4 趨勢曲線

將相關的歷史數據放在同一張趨勢圖中（如，兩個窯膛通道溫度曲線、懸掛缸冷卻空氣溫度曲線、窯膛壓力曲線等），便于工藝人員進行分析對比。

2.3.5 報警記錄

能夠按照每座窯及煤氣系統進行分區域報警查詢，報警按照不同嚴重程度進行分類并以顏色區分，如存在紅色報警會引發控制系統的停窯操作。

2.3.6 統計報表

利用WINCC的歸檔功能及VBS腳本實現，分別記錄四座窯生產情況，所記錄的信息如圖4所示。

圖4 利用用戶歸檔實現報表

3 結語

麥爾茲窯是世界先進的石灰窯型之一，工藝技術成熟，充分利用煤氣熱值，能夠穩定生產高品位優質石灰，符合當今冶金行業節能環保的要求。石灰窯控制系統功能全面、可靠，提高了生產效率和產品穩定性，具有良好的經濟效益及社會效益。