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自动化机械石灰立窑的设计制造及施工运行要点
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摘要：石灰窑是生产各类型轻质碳酸钙的首要设备，其设计施工安装及运行有特殊的规律性，涉及的专业多，系统较为庞大，是一综合性的工程项目。在做好基础性建设的同时也必须注重关键要素的管理，抓好重要工程的建设，环环相扣，以确保石灰窑顺利建成投产。本文对以无烟煤、石灰石或焦炭、石灰石混烧为主的石灰窑工程设计、制造、施工、操作等方面应当注意的几点进行探讨。
关键词：石灰窑型 工程设计 施工运行 规范与标准
一、概述
石灰生产已有上百年的历史，早期是由土窑来完成的。近代后，随着工业产业化的发展出现了机械立窑生产石灰。上世纪六十年代以后国外企业实现了规模化工业化生产石灰，促进了生产工艺的进步和控制手段的提高。以意大利西姆公司为代表的制造企业在轻钙生产规模化自动化控制方面取得了实质上的发展，其主要技术在欧洲等地得到了有效发挥。
国内轻钙行业在国家政策引领下，正由小规模经营向集约化规模化方向转变。从2008年开始华北地区土窑改机立窑取得了重大进展，江淮地区各企业也在积极改进石灰窑的结构，特别是国内龙头企业广泛采用了先进的机械立窑。以石灰石与煤混烧为主要形式，也有少量企业采用了煤气、天然气烧窑，使石灰煅烧技术向前迈出了一大步。石灰窑是轻钙生产的首要设备，抓好石灰窑的生产设计制造，可为轻钙生产创造基本的生产条件。
二、石灰窑的结构设计需要注意的几个问题
1、建设石灰窑首先要对基础地面进行地质勘探，探明地质结构情况，对土质岩貌进行掌握。根据立窑的高度、体积、重量，核定窑的静态载荷重、动态载荷重、地震力及风载荷重，并考虑窑的附着机械荷载重。基础开挖，垫层夯实，支筋制作，基础浇筑，预埋件的安置等必须按照设计院提供的图纸进行并由专人管理。
2、一般机械立窑的窑壳为钢板制作，钢板材质常选为普通碳钢板，在满足窑壳的机械强度前提下可根据窑的不同高度设计板厚，以降低钢材消耗量。钢制窑壳的安装由专业公司承担，除了按照图纸严格施工外，要充分运用网络计划进行施工管理。窑体就位后的垂直度及焊接缝必须在部颁标准要求范围内。
窑顶的观察孔要留在易于操作人员观察测量的地方。排潮汽装置要分别设置在窑的三段，窑顶的排潮孔径不宜超过φ50mm，分布要均匀，烘窑结束后要及时封堵三段排潮孔。
3、窑衬的结构要选好，耐火砖的质量、尺寸必须达到合格标准。轻浇砼保温隔热层推荐不超过100mm厚。多层窑衬之间要以异型耐高温砖相连。保温隔热层设置防沉降隔断墙，间距也应当适宜。
窑衬砌筑前首先验收砖块尺寸要合格，然后组织预砌筑。在适合的场地将准备砌筑的砖层进行干组装，检查成圆情况，是否与设计的尺寸一致。如果成圆度差则应当进行现场修理。按照部颁机械窑炉施工规范，对灰浆、砖缝要严格按照设计要求操作执行。所有砖缝都应错开，内层外层相交错砌成。对变径段要特别关注，按照图纸要求每层必须保持圆的同轴度，并逐渐形成窑体的锥角。
一般窑衬结构为 内层为高铝质耐火砖，次之为粘土质耐火砖，再次之为保温砖或轻浇保温层，再次之为粘土砖，粘土砖之外为岩棉板， 外层为钢壳。窑衬连同窑壳总厚度可达到1000mm左右。对于窑的预留孔及预埋件要有专人管理，砌筑时同时施工。窑衬施工尽量避开寒冬，至少环境温度达到5℃以上时施工较好。
窑衬砌筑时要有专业的监理人员管理，严格按设计规范和图纸施工，按照部颁标准进行分段和总体验收。
4、石灰窑的高径比是非常关键的参数。受布风装置的限制，送入窑内的空气总是沿窑壁上升至顶部的为多数，即窑壁效应明显。因此窑的直径不宜过大而是与其高度成一定比例。一般推荐为1∶6—8。
5、窑衬结构对于窑的正常运行起着至关重要的作用。由于“边风效应”的存在窑衬的结构应当适应“拢火压边风”的要求，以达到均匀上火的效果。
石家庄鸿宇化学工程技术有限公司经过多年的探索，结合了石灰窑生产工艺技术实际要求，博采众家之长，研发出了新型节能石灰窑。主要特征是其吸收了花瓶型窑的优点，克服了直立窑的不足，它既能满足生产优质石灰的要求，又可以将能耗降到 ，形成了大型机立窑独有的结构特征，生产实践证明其窑型科学合理。
三、石灰窑的配套机械工程设计要点
石灰窑的配套机械工程可大致分为：配料、加料系统;出灰系统;配风系统;引风系统;电气控制系统五部分。
1、 配料加料系统主要工艺技术注意事项
原料的筛分要符合石灰窑的要求。配料前要将矿石中的粘土、碎石筛分并回收再用。石灰石的粒度，煤或焦炭的粒度要符合工艺设计要求。配料设备的选型要合理， 度要在0.5%级以上，混料要均匀。配混料设备的布置要符合混料均匀的要求。
加料系统包括混料输送、提升、布料。斗式计量无需混料输送，皮带计量则需要混料输送并要根据加料量和频次考虑是否需要设置中间料仓，以满足生产量的需要。提升机选型要与提升重力相匹配，提升架要有足够的强度和刚度。料车与轨道要相匹配，各部尺寸相一致，轴长、轴距与轨道宽、弯弧相一致。特别是弧形轨道的安装与加固要按设计图纸和说明严格进行。弧形轨道安装完工后要及时进行料车空运行试验，空试合格后要进行重车试运行，及时消除存在的卡刮机械故障。
布料器形式多样，总的要求是布料均匀。一方面粒度分布要均匀，另一方面布料量要均匀。这就要求料车装填容量要适当，布料器形式要合理。经验证明回转弯管式布料器设计制造合理，安装方便，可实现多点布料，运行效果良好。回转蜗壳式布料器也得到了用户的认可。
2、 出灰设备
常用的有螺锥出灰机、圆盘式出灰机、托扳出料机、振动出灰机。上述机械各有优点，也有不足之处。近年来专业厂家推出了插板式出灰设备。该设备由锥形料斗、上插门、中间仓、下插门和出灰输送机械组成。结构简单易行，操作便利，适合原料粒度在50---150mm范围内的大型石灰窑生产。上插板制作成相向运行的二个插门，出现偏烧情况时可以单独运作一个插门以纠正偏烧。选择合适的出灰设备对石灰窑的运行有一定辅助作用。
3、 配风系统
机械立窑应根据窑的有效容积、高径比、装填高度及生产能力确定配风量和风压值。布风应当尽可能沿窑水平截面均匀供风，但由于存在“边风效应”，往往达不到均匀布风效果。为此可设置底部进风与腰部进风相结合起来的办法。也可采用风烟结合的方法控制燃烧、纠正偏烧。
布风与出料装置相连二者有一定占位关系，当采用双插板中间料仓组合式出灰机械时，布风装置可以固定在窑底部并尽可能多占据窑低中心面积，同时设计多层风帽，风帽间设置多孔布风，顶部风帽通流量可适当加大，形成中心布风略大于边风的效果，在下料不受影响前提下保证了中心布风面积足够大。
4、 引风系统在设计时主要考虑出风均匀，防止由于引风偏向而引起窑内偏烧的问题。
一般考虑设置对称的引风出口，如双出烟口180°布置，对称汇流。引风应当可控制，采用调风器或变频调节以维持窑顶一定的压力。
5、 电气控制系统应由专业的设计公司根据所配置的机电设备进行优化设计。
根据业主要求和实际工程需要，设计技术先进、符合规范、性价比优良的配套电气工程。
对于起重设备要采用国内外质量有保证、服务及时的(厂家)产品，电气设备必须经得住高强度、大负荷、抗干拢运行的考验。
四、石灰窑的控制工程设计要点
石灰窑控制工程系统主要包括给料控制、计量控制、配料控制、提升控制、布料控制、出料与料位控制、煅烧温度控制与鼓风控制、引风控制及纠偏控制。上述控制单元可以实施分散控制集中监视管理，即DCS控制。其中给料、计量、配料、提升、布料可合并为一个子系统;出料与料位控制为一子系统;煅烧鼓风与纠偏为一子系统;引风控制为一子系统。
各子系统均可采用目前较为先进的PLC控制。各子系统可单独操作也可通过一定的通讯协议组成工业以太网络，并由上位机进行监督控制。一般叙述为现场采集模拟量后送模数转换，然后送工控机模块式程控与给定比较后输出调节数字量，经数模转换后送送执行机构以完成一次调整。或者由PLC硬连线直接完成采集、处理和控制。相应地考虑I\O本地和远程设置的数量、分布、整体性、安全可靠性和经济合理性。此外对主机冗余、电源冗余也要做充分的考虑。有条件的要进一步考虑备品、扩容、操作站的数量及外围设备的配置。紧急停车系统是为防止生产装置发生故障引发人身伤亡或设备损坏导致重大事故而设置的安全保护装置。这就要求控制系统本身的事故发生率要小，要有自诊断报警功能，能够在线软件组态和修改，设置适当的权限。
控制系统的结构必须独立于其它系统，以确保系统的安全等级。即硬件中发信元件、I\O卡件及供电等应独立设计，软件应遵守IEC61508-3标准，软件结构本身要满足生产安全的特殊要求。
提升系统的控制国内许多厂家采用旋转编码器做为测量料车位置、加减速、停车限位信号发生装置，再由PLC编程控制料车的运行，这方面取得了较好的效果。
石灰窑控制的主要工艺指标有煅烧段温度，料位，窑顶压力，窑顶温度，出料温度等。
配料提升加料系统为相对独立的程控系统但可与料位控制系统串联控制。
石灰窑运行属于大滞后、长周期、多因素干扰工况。因此在设计石灰窑的自动控制系统工程时要特别的注意各因素间的关联程度，各参数变化周期相差较大。在整定各系统PID参数时要充分考虑工艺操作人员提供的经验数据。
石灰生产主要由煅烧段温度和鼓引风量所决定。在原料成分稳定的情况下，煅烧温度与配料比例、送风量有直接关系。当温度升高时煤石比、送入风量均应减小，反之应增加。出料可根据产量要求采用定时定量出料，加料以料位高低为依据。加料周期应小于温度调整周期。加料以批为单位，配比也以批为一个单位进行调整。鼓风可实现连续调整而不受限制。
引风控制一方面要考虑窑顶风压，另一方面要考虑烟气浓度。通常控制窑顶为微正压。
为方便纠正烧偏，在煅烧段与冷却段之间设有腰风口。当窑煅烧平面的对称点温度差超过一定值时可开启相应腰风口阀门强化或抑制低温点或高温点的燃烧工况。但需要注意其可操作性。窑的温度调整要求灵敏有效，测温点必须接近窑内，感应元件配置要准确。
图示如下：
五、石灰窑工程项目建设方式
石灰窑从设计阶段开始就应当通盘考虑。选址要正确;土建工程要由专业工程公司承揽;窑体加工要严格按图施工;砌筑要执行HG\T20641—98标准;窑顶、窑底部设备选型非常关键，关系到窑的正常运行与否;配套的机电设备、自控设备直接关系到窑的生产效率高低。
基础材料、板材、型钢必须按国标号要求采购，易损耗非标件则要选择正规供应厂商。起重等特种设备要选择有资质的厂商进货。
石灰窑工程有总包与分包之分。总包工程由承揽工程的工程公司总体设计推进工程项目的建设，建设单位、监理公司共同监督工程建设项目的每一阶段情况。分包则由建设单位统一规划设计，由设计院、分项目由各专业公司承揽、监理公司监督工程项目的实施，可以是菜单式组织管理模式。建设单位可根据自己的情况结合项目建设情况选择建设方式。
六、石灰窑的操作要点
石灰窑的操作是一项较为复杂的工程作业。工程项目建成后，建设单位要组织监理、施工、设计、供应商进行综合性试生产前验收。工程建设的各项资料完整，安全环保三同时，各项手续齐全。生产准备工作就绪，安全、操作规程、检修规程、管理规定齐全。现场整理完毕，符合规范。
运行人员对窑的隐蔽工程要进行彻底检查，将施工时遗留的物品清理出，对一些临时构件进行合理处理，不得有任何阻碍窑运行时物料流动的物体。如施工时遗留下的焊丝、螺丝、废钢材料等。
烘窑要按规程规定进行操作。烘窑结束后要清理烘窑产生的废渣以防止点火后阻碍物料下降。点火时 为关键的是上火均匀，加布料均匀，出料时间要根据原料粒度掌握好时间和出料量。出料后要及时补充料位至正常值。此外还须注意底火的焦结程度，防止形成大焦渣堵阻物料下降。点火成功后原料配比的变化要掌握好，点火初期的每批料配比都要有变动，递减速度要掌握好，严防高配比结瘤产生。
送引风使用要得当，初期严格控制风量，之后每隔一定时间适当提高风量。窑温提升速度要缓慢，一般20---30日调整到位即可。之后可根据对产量的要求适当提高风量以适应产出量和加入量，每提高一个产量单位要在此产量下运行一段时间以稳定窑的工况。新建设工厂建议请有经验的运行专家指导烘窑、点火、试生产。
各岗位运行人员必须紧密配合，做到勤看火勤卸料勤加料，多点布料或连续加料要准确，混料要均匀，配比要稳定，用风要得当。以产定风。参考窑顶温度、出灰温度严格控制风量。
七、石灰窑的维护保养及安全注意事项
石灰窑的维护保养主要是指运行设备。一是易损件的维护保养，要有专人定时定期巡回检查，定期调整或更换。如天轮、钢丝绳、制动器摩擦片、触点开关等。二是定期润滑加油，每班至少对油杯油进行检查加注一次，对油位进行监管，对大型运转机械定期更换新油。三是对各限位保险等安全防护装置进行定时检查试验，严防安保装置失效。
石灰窑的操作为典型的窑炉操作，涉及起重、高空等特种作业。操作人员要有一定的技术素质和职业责任，管理层要加强硬件和软件管理，防止粉尘危害及中毒等事故发生。
八、结论
石灰窑工程是一项系统性很强的工程项目建设，只要建设方、施工单位、设计及监理单位通力合作，从基础抓起，科学设计、科学施工、科学管理，关注并解决要点问题，形成系统性，工程建设就一定会收到事半功倍的效果。工程的质量、安全也就有了保障，项目建设将会如期完成。
随着设计施工生产水平的稳步提高，安全、环保投入的加大，企业将在循环经济、三废治理、污染物零排放等方面取得重大进展。相信在不远的一个时期我国石灰生产将步入一个全新的阶段，并将在轻钙等多领域发挥出重要作用。
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