首钢长治钢铁有限公司熔剂厂 山西省长治市 046031
摘要：石灰煅烧过程的复杂性、长时间延迟、原料特性变化、操作条件变化以及化学反应和热反应速率的非线性，使得石灰回转窑运行困难。本文介绍了一种石灰窑自动化系统，该系统将自动化系统与自适应回路控制器相结合，实现了石灰窑操作的自动化，并显著改善了石灰窑的性能。
关键词：新型石灰窑；自动化控制；生产线
引言：石灰窑自动化的目标是：提高石灰质量、增加窑产量、提高燃料效率、增加耐火寿命完善窑炉信息采集与处理。在大多数石灰窑中，这些自动化的目标没有实现，因为：过程传感器是不可靠的，仪表回路控制器不能在设定的点上维护过程变量。本文提出了一种能自动计算和调整窑集点以生产质量的准确、动态的石灰窑自动化控制生产线。
1.活性石灰窑窑炉作业过程
石灰石被加热并达到分解温度后，它可以边吸收一定的热量，边进行分解。这一热量常被称之为分解热。足够的热，使石灰石发生从物理性质到化学性质的转化反应。其煅烧机理为： 将石灰石CaCO3（碳酸钙）加热，分解出CO2（二氧化碳）。得到CaO（氧化钙），也就是活性石灰、或者是石灰。它的加热反应式为：
CaCO3 —△→CaO CO2↑ Q 根据实验表明，使CaCO3发生分解反应的理论温度为870—920℃。而实际煅烧时的分解温度，在考虑到燃烧质量、衬砖吸热、窑体散热、废气含热等众多因素时，所投入的热量则要高于理论分解所需的热量。这一分解温度，在带竖式预热器的回转窑上约为1250℃。当然，这一温度是指CaCO3在此温度下，在规定的时间范围内，CaO内的残留CO2含量为2 %时。 在石灰的煅烧理念中，将CaCO3加热、分解并得到CaO过程通常是比较容易实现的。但是，对活性石灰而言，更为重要的是如何使生成的CaO具有“活性”性能。这对它的保证基础则是：石灰原料具有符合产品需要的理化指标。具有煅烧前期的预热分解保证。具有合理的煅烧温度和时间。煅烧窑炉具有满足产品需要的性能。 CaCO3的分解是需要热量的。通过理论测算结果表明：kg（千克）单位的CaCO3分解，需要约1200大卡的热量。 根据这一热量指数与所选用燃料的低发热值指数进行衡算，可以得出单位CaCO3分解所需的燃料用量。这个理论热量指数在进一步的理念中，预示着它与CaCO3分解过程，温度和时间的密切关系。 影响温度的主要因素是燃料的质量和数量。煅烧设备则是影响煅烧时间的重要因素。 在活性石灰的煅烧过程中，对石灰石的粒度要求，是为了保证满足用户需要的同时，又要符合自身煅烧条件的需要。因为，它会在很大程度上影响煅烧过程设备性能的发挥。 由石灰的转化生成过程事以得知，活性石灰的煅烧机理，实际上就是产生热量，传递热量，热量转换的过程。是使CaCO3的性质在特定的煅烧设备和煅烧环境中，在规定的时间内发生质变的过程。
2.新型石灰窑自动化控制生产线
石灰生产采用回转窑和竖炉。在这种情况下，石灰石被用作原料。破碎和分选设备用于处理石灰石。现代新的生产工艺和自动控制系统提高了石灰的质量。然而，对石灰质量的要求越来越高，优质石灰的短缺也日益突出。为了提供所需的烧成程度和所需的石灰反应性，窑炉已进行现代化改造。回转窑已投入使用，换热器已得到改进，以实现高质量的生产线。本文开发了窑炉自动化控制生产线，解决了许多制约窑炉正常运行的问题。四种元素是石灰窑成功实现自动化的必要条件。它们需要：准确可靠的工艺传感器，在所有操作条件下，任意和连续地维护窑变量的仪器环控制器。控制器必须能够处理随时间变化且具有长时间滞后的非线性过程特性，一种监控系统，它将调整仪器-控制点，以最大限度地利用尽可能少的数量生产优质石灰。[3]
2.1生产数据库分析窑的性能
许多年来，大多数窑上都有所有所需的过程传感器。然而，大多数厂没有准确和连续的传感器。造成这种情况的原因有几个：仪器没有保持良好的工作状态，具有高噪音成分的仪器信号，而大多数控制器无法有效地滤除，其失效模式未被许多石灰窑操作者所认识。任何窑炉自动化系统都需要传感器保持良好的工作秩序，定期升级和维护窑过程传感器。
2.2仪表回路控制
本文提出了一种自适应控制器（AC），用于旋转窑复杂仪表回路的控制。AC在控制过程时具有独特的过程特性，它是一种预测过程变化的校正控制动作的自适应控制器。一旦安装完毕，它就不需要重新调优，因为它不断地适应过程特性的变化。交流电处理非线性过程的能力使其能够稳定所有窑炉控制回路，并使控制器处于“自动”工作模式。[4]
2.3石灰窑自动化控制系统
监控系统的目的是为窑炉控制回路生成最优设定点。在窑炉自动化系统开发之初，打算采用窑的线性稳态热力学模型来计算各种仪表回路集，通过对窑运行数据的统计分析，调整窑的稳态热力学模型，确定最佳的窑用工况。这种方法是不成功的，因为所有影响热力学模型的变量的测量都不能在一致的基础上得到，无法计算最优集点。此外，现场观察表明，许多窑在很长一段时间内不处于稳定状态。有一种或多或少连续的不同大小的扰动流，抑制了稳态运行。因此，即使所有所需的参数都可以定期测量，使用非线性稳态模型也是不十分有效的。使用窑炉的动态模型是不可能的，因为我们不知道是否存在任何超精确的动力学模型。任何窑炉运行的动态模型都必须使用较高层次的非线性要求。在使用稳态热力学模型计算窑点的最初概念中，它打算使用一个规则-基德斯佩特系统来处理任何“越界”或紧急窑炉情况，以使窑炉处于极限内或实现自动关停。在尝试实施基于固定模型的窑监督控制系统方面的经验表明，这种方法是不可行的。因此，决定模仿“最佳”窑工的行为，使用基于规则的专家系统来提供控制。保持预定的窑温，窑温剖面由石灰窑操作人员选择，并通过统计分析得出，石灰的着火损失（LOI）试验，以及石灰的反应性与原料端和燃烧端的窑温之间的关系。反应活性和LOI试验是衡量CaCO_3完全转化为CaO的程度和石灰燃烧程度的指标。这些石灰质指标的测定最大限度地利用窑内可用的热量，最大限度地提高石灰的质量，尽管可能存在热量输入的变化和灰泥含水量的变化。[5]
2.4生产数据处理
根据石灰炉的热平衡和物料平衡原理，建立了石灰炉反应传热过程的数学物理模型和石灰石分解速率的在线监测模型。利用该模型，通过数值模拟分析了操作参数对石灰煅烧过程的影响，并对其进行了优化。利用visualbasic程序进行通信编程，实现了石灰炉的集中管理和自动控制。该软件已投入实际生产，使石灰炉运行稳定、高效，达到了增产降耗的目的。自动化控制生产线需要数据库来记录和存储KILN参数（包括操作符），输入信息是显而易见的。在控制窑炉的有意义的规则之前，必须分析窑参数之间的关系。通过绘制参数图，可大大提高分析能力。通过参数趋势的比较，可以直观地看到预期关系的快速确认。从长远来看，这些数据可用于窑的移动和趋势分析。
3.新型石灰窑自动化控制生产线的应用优势
初步测试结果表明：按规格石灰的产量由25%提高到90%，产量增长了10%，燃料效率提高了约5%。目前还没有计算耐火材料寿命的增加。对于一个典型的纸浆厂石灰窑生产石灰在200吨/天左右，自动化控制生产线的经济效益估计是每年50万到100万元。
结束语：本文主要介绍了一种具有环保、节能功能和机械化、自动化程度较高的现代化石灰窑自动控制生产线，自适应控制器（AC）实时监控并调节控制参数，实现石灰窑生产线的可靠和安全。
参考文献：
[1]杨盛泉，杨洪波，王劲松，罗清道.基于以太网的工业石灰窑PLC自动控制系统的研究与设计[J].工业炉，2016，38（02）：65-69.
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[3]许洪玮，刘春雷，刘洋，陈杰，万平.新型石灰窑自动化控制生产线[J].自动化与仪器仪表，2014（01）：96-97.
[4]蔡风云.梅钢2~#石灰窑燃烧系统优化自控设计方案[J].中国石油和化工标准与质量，2013，33（17）：20.
[5]孙英姿，刘兆洁.莱钢并流蓄热式MAERZ石灰窑PLC系统的设计及应用[J].价值工程，2012，31（06）：37.