悬挂缸式麦尔兹石灰窑控制系统设计和应用

杨 林

（山西太钢工程技术有限公司，山西 太原 030009）

在冶金行业，石灰生产主要有回转窑、麦尔兹窑等。就具体窑型比较，大型回转窑其产品品位高、产能大，但对使用的煤气热值要求较高，生产成本较竖窑约高20%，同时回转窑占地面积大，其投资也较高；而麦尔兹石灰窑用煤气热值要求较回转窑低，同等产能下其占地面积、投资费用均比回转窑少，且技术成熟、先进。本文介绍了某钢厂悬挂缸式麦尔兹石灰窑工艺原理、控制系统的网络配置、软件的功能及实现等[1-2]。

1 工艺说明

某钢厂新建的4座并流蓄热式麦尔兹双膛竖窑，其产量为600 t/d，属于大型石灰窑。窑体主要由通道相连的两个窑膛组成，其工艺原理如图1示意。

图1 麦尔兹双膛石灰竖窑工作原理示意图

麦尔兹并流蓄热式双膛石灰窑有两个窑膛（1#/2#窑膛），两个窑膛交替轮流煅烧和预热矿石，两个窑膛的煅烧带底部之间设有连接通道，每隔大约15 min换向一次。生产时，两个窑膛交替装入矿石，燃料分别由两个窑膛的上方送入，通过设在预热带顶部的多支喷枪使燃料均匀地分布在整个窑膛的断面上，原料矿石得到均匀煅烧。麦尔兹窑使用的是流体燃料，如煤气、油、煤粉等，在本项目中使用的是焦炉煤气和转炉煤气的混合煤气。助燃空气用大功率风机从竖窑的上部送入，助燃空气与燃料混合前在预热带先被预热，然后煅烧火焰气流通过煅烧带与矿石并流，使矿石得到煅烧。煅烧后的废气通过连接两个窑膛的通道沿着另一个窑膛的预热带向窑顶排出。经过长过程的并流煅烧，石灰的质量非常好，同时由于两个窑膛交替操作，废气直接预热矿石，热量得到了充分利用[3-6]。

2 控制系统介绍

2.1 网络配置

项目采用了环网型光学链路的工业以太网，工业以太网提供了针对制造业控制网络的数据传输以太网标准，该技术基于工业标准，有很高的网络安全性、可操作性和时效性。环网结构有冗余性、可靠性等优点，环网上的某一路链路断开，不会影响网络上数据的转发。在本项目中，6个交换机相互构成环网（如图2）。

图2 控制系统网络示意图

2.2 PLC系统

麦尔兹窑的自动化程度很高，在本项目中选用了西门子S7-1500系列PLC产品，该系列为S7-300/400的升级换代产品，主要用于中、高端工厂自动化控制系统，适合较复杂的应用。S7-1500系统性能卓越，处理速度更快，联网能力更强，诊断能力和安全性更好，不仅可节省成本，提高生产效率，而且安全可靠，维护简单方便。实现的功能如下：

1）上料系统。热效率很高的石灰窑要求恒定和准确的处理能力，它由上料和卸料设备来保证。上料从装料平台上的称重料斗开始，经过振动给料机将石灰石装入料斗，卷扬机带动料斗将其送至窑顶的料仓中（卷扬机速度由变频控制，在运行过程中可进行快慢调节），通过控制1#/2#窑膛上溜槽的进料翻板阀将石灰石交替装入1#/2#窑膛。每日的装料量及次数按照设定的参数自动调节。

2）卸料系统。1#/2#窑膛冷却带下方分别设置液压控制的卸料平台，平台下有一个接料斗，接收每次煅烧期间卸下的熟石灰，接料斗出口安装熟石灰出料振动给料机，将经过煅烧的熟石灰送至用户石灰皮带系统。

3）风机控制。包括助燃空气风机、冷却空气风机、喷枪冷却空气风机、悬挂缸冷却空气风机的控制。

燃烧控制根据煤气量及工艺参数计算出要求的总助燃风量，减去悬挂缸风量和喷枪冷却风量，则为需要的助燃风机风量。根据此计算结果确定助燃风机的启动数量及转速。

冷却空气风机、喷枪冷却空气风机、悬挂缸冷却风机为窑体、喷枪、悬挂缸及石灰产品提供冷风降温，并稳定窑内压力。

4）煤气系统。通过阀门调节进入燃烧窑膛喷枪的煤气流量，以保证其均匀进入所有的喷枪。从燃烧炉膛到非燃烧窑膛（蓄热窑膛）的周期性切换，要求对燃料、助燃空气和废气设置切换设备，所有的切换工艺为自动控制。

5）废气除尘。石灰烧制过程中为防止排出的烟气对大气产生污染，设置石灰窑除尘系统。利用除尘系统对烟气实施有效过滤，解决生产过程中的空气污染问题。

6）空气炮。连接通道处设置4台空气炮,主要作用是对通道的积灰进行吹扫,保证窑体内气流在通道处的畅通。每个周期开始后，在设定时间运行空气炮，也可以设置空气炮不清理的周期数。

7）液压单元。大部分装料、卸料装置为液压控制,液压系统的小部件便可以产生很大的力，安全、维护要求低。本项目中每两座窑共用一套液压单元，控制系统的功能包括液压泵及阀的控制、过滤泵的控制、液压油冷却及加热控制及参数设置等。

2.3 上位机系统

上位机软件选用西门子WINCC7.5。WINCC是基于PC的HMI（人机界面）系统，适用于对各种行业的生产过程、生产工序、机器设备和工厂进行可视化及操作控制。系统不仅支持单站系统，而且支持带有冗余服务器的分布式多站系统以及基于Web的解决方案。在本项目中，为便于开发和维护使用的是单站系统。

WINCC实现的功能：

2.3.1 工艺过程显示

包括工艺主画面（如图3）、废气除尘系统、空气炮、煤气系统等。画面展示出整个石灰窑系统各个工艺段设备的运行状态、仪表数据、生产过程参数的设置值及实际值显示。

图3 系统主画面

2.3.2 设备操作

包括设备的手自动状态选择及显示、设备故障情况及历史记录、设备的启停操作等。

2.3.3 仪表数据

可进行量程上下限、高低报警值、报警死区等参数的设置，仪表故障情况及历史记录，仪表数据的历史趋势显示等。

2.3.4 趋势曲线

将相关的历史数据放在同一张趋势图中（如，两个窑膛通道温度曲线、悬挂缸冷却空气温度曲线、窑膛压力曲线等），便于工艺人员进行分析对比。

2.3.5 报警记录

能够按照每座窑及煤气系统进行分区域报警查询，报警按照不同严重程度进行分类并以颜色区分，如存在红色报警会引发控制系统的停窑操作。

2.3.6 统计报表

利用WINCC的归档功能及VBS脚本实现，分别记录四座窑生产情况，所记录的信息如图4所示。

图4 利用用户归档实现报表

3 结语

麦尔兹窑是世界先进的石灰窑型之一，工艺技术成熟，充分利用煤气热值，能够稳定生产高品位优质石灰，符合当今冶金行业节能环保的要求。石灰窑控制系统功能全面、可靠，提高了生产效率和产品稳定性，具有良好的经济效益及社会效益。