水泥熟料全窯系統熱效率模型構建

姚艷飛，丁松雄，陳延信

(1.西安建筑科技大學材料科學與工程學院，西安 710055;2.阿格德大學土木工程系,格里姆斯塔 4876)

0 引 言

水泥生產工藝可以概括為“兩磨一燒”，即生料粉磨、熟料燒成和水泥粉磨，在此過程中需消耗大量的原燃料，同時排出粉塵、SO2、NOx等污染物[1-2]。作為傳統高能耗高消耗行業，水泥企業的節能減排一直倍受各學者和企業關注，其方法之一是通過優化操作、設備升級等手段提高系統的熱效率。目前關于熱效率的研究多針對水泥熟料制備系統進行[3-13]，即從生料入窯到從冷卻機冷卻后排出，包含了預熱分解系統、回轉窯和冷卻機三個子單元。

本論文研究在高固氣比理論基礎[14-17]上，將熱效率研究對象擴大至全窯系統，全窯系統的有效熱及熱效率進行分析，并討論了子系統與全窯系統熱效率間相互影響關系，由此建立了全窯系統熱效率模型。旨在構建精確的數學模型，為水泥熟料生產過程的熱利用情況進行全面評價。

1 全窯系統及各子系統定義

全窯系統研究范圍從原料入生料磨開始，至熟料從冷卻機排出結束，同時包含窯頭、窯尾余熱鍋爐及煤粉制備環節。為方便研究，根據工藝流程將全窯系統劃分為三個子系統，依次定義為窯尾余熱利用及廢氣處理系統(后簡稱為窯尾余熱系統)、熟料制備系統和窯頭余熱利用及廢氣處理系統(后簡稱為窯頭余熱系統)；考慮到熟料制備系統的性能直接影響熟料燒成熱耗及熟料質量等，需要重點研究，將其繼續細分為預熱系統、分解及熟料煅燒系統和冷卻機系統，具體如圖1所示。

圖1 全窯系統及子系統范圍劃分
Fig.1 Schematic diagram of whole cement clinker system and its subsystems

2 系統熱效率模型建立辦法

水泥熟料生產過程涉及到多種熱工裝備，從熟料制備的角度出發，可分為熱利用裝備和熱回收裝備兩類。熱利用裝備主要指分解爐和回轉窯，其對收到的熱量進行直接利用，用于碳酸鈣分解和熟料煅燒；除分解爐及回轉窯外，熟料生產中其余的熱工設備都可歸類為熱回收裝備，其作用是對收到的熱量進行盡可能的回收?；厥盏臒崃扛鶕焚|的好壞，用于助燃煤粉，或用于烘干物料，或用于余熱發電。對應到全窯系統各個子單元，分解及熟料煅燒系統屬于熱利用裝置，其余系統均屬于熱回收裝置。

不論是熱利用裝置還是熱回收裝置，其最重要的指標就是熱利用效率，即被該裝置有效利用的熱量與收到的總熱量的比值，可通過式(1)進行計算。

(1)

式中，EU為全窯系統或其子系統有效利用的熱量(kJ/kg);Ein指全窯系統或其子系統收入有效能總和(kJ/kg)；φi為全窯系統或其子系統熱效率(%)。為方便表述，用QY表示全窯系統；YW表示窯尾余熱系統；SC表示窯尾余熱系統；YT表示窯頭余熱系統；P表示預熱系統；DC表示分解及熟料煅燒系統；C表示冷卻機系統。

各系統收到的熱量可以通過質量及熱量平衡計算得到，有效利用的熱量根據各系統工藝流程及作用的不同，需進行單獨分析。

2.1 窯尾余熱系統有效熱分析

窯尾余熱系統從高溫風機出口開始，至窯尾收塵器入口結束，包含窯尾SP鍋爐和生料制備單元。根據圖1中質量流程圖，得到窯尾預熱系統熱平衡如表1所示。

表1 窯尾余熱系統熱量平衡Table 1 Heat balance of raw material grinding and SP unit

窯尾余熱系統的作用，一是將預熱單元排出煙氣中的熱量傳遞給SP鍋爐內水蒸氣，用于余熱發電，二是將出SP鍋爐后煙氣中剩余熱量用來烘干生料。因此，窯尾余熱系統的有效熱如式(2)所示。

(2)

2.2 熟料制備系統有效熱分析

熟料制備系統從生料入預熱系統開始，至冷卻后的熟料從冷卻機出口排出結束，其熱量平衡如表2所示。

表2 熟料制備系統熱量平衡Table 2 Heat balance of clinker calcination system

熟料制備系統的有效熱指的是從水泥生料至熟料所需進行的一系列化學反應所消耗的熱量，可通過式(3)計算得到。

(3)

式中，QSC1、QSC2及QSC3分別指的是在預熱系統、分解爐及回轉窯內所進行的化學反應消耗的熱量。

對熟料制備系統所包含的三個子系統進行具體研究，各自的熱平衡及有效熱分析分別如下：

(1)預熱系統有效熱分析

預熱系統從生料入窯開始，到分解爐入口結束，其作用是對分解及熟料煅燒系統排出的煙氣中包含的熱量進行回收，用于烘干生料。在烘干過程中，生料中所包含的水分全部蒸發，同時完成全部的碳酸鎂分解和少量的碳酸鈣分解反應。其熱量平衡分析如表3所示。

表3 預熱單元熱量平衡Table 3 Heat balance of preheating unit

預熱系統的有效熱包含兩部分，一是生料因溫度提高所吸收的熱量，二是生料在預熱過程中發生的水分氣化及碳酸鎂分解等消耗的熱量，具體如式(4)所示。

(4)

(2)分解及熟料煅燒系統有效熱分析

分解及熟料煅燒單元包含分解爐、C5旋風筒、三次風管及回轉窯。其收入熱量可分為兩類，一是喂入的煤粉燃燒所釋放的熱量；二是冷卻機回收的熱量，以二次風和三次風的形式分別進入回轉窯和分解爐內。其熱量平衡如表4所示。

表4 分解和熟料煅燒系統熱量平衡Table 4 Heat balance of decomposition & calcination unit

生料在分解和熟料煅燒系統內完成大部分的碳酸鈣分解及全部固相反應，其有效熱如式(5)所示。

(5)

(3)冷卻機系統有效熱分析

冷卻機系統利用常溫煙氣對高溫熟料進行快速冷卻，對熟料中包含的熱量進行回收，并將換熱后的熱煙氣根據溫度不同送往分解和熟料煅燒系統或者窯頭余熱系統，其熱平衡如表5所示。

表5 冷卻機單元熱量平衡Table 5 Heat balance of cooling unti

當研究對象為全窯系統時，冷卻機系統的有效熱包含二三次風中攜帶的熱量，以及去往窯頭余熱系統的中低溫風中攜帶的熱量：

(6)

2.3 窯頭余熱系統有效熱分析

窯頭余熱系統工藝流程從冷卻機余風出口開始，至AQC鍋爐和煤磨出口結束，包含AQC余熱鍋爐和煤粉制備兩部分。冷卻機系統排出的余風根據溫度不同，分別進入AQC余熱鍋爐和煤粉制備工段，隨后經頭排風機或煤磨風機排出。其熱量平衡如表6所示。

表6 窯頭廢氣系統熱量平衡Table 6 Heat balance of coal grinding and AQC unit

窯頭余熱系統利用冷卻機系統排出的中、低溫風，一方面進行煤粉制備，烘干原煤中的自由水；一方面用于余熱發電，與AQC鍋爐內水進行熱交換，產生過飽和蒸汽。其有效熱包含式(7)內容：

(7)

2.4 全窯系統有效熱分析

對于全窯系統，其作用主要是將原料煅燒為合格的水泥熟料，為了達到這一目的，需要對原料和原煤進行粉磨，并在粉磨過程中進行烘干。同時，水泥生產線多配備有余熱發電系統，將外排煙氣中的熱量用于發電，提高系統的經濟性。全窯系統熱量平衡如表7所示。

表7 全窯系統熱量平衡Table 7 Heat balance of whole cement clinker system

對于全窯系統，其有效熱包含了熟料形成熱、生料和煤粉中水分蒸發熱及物料升溫所吸收的物理熱、余熱發電鍋爐獲得熱等。對于全窯系統，其有效熱如式(8)所示。

(8)

3 全窯系統熱效率模型構建

根據全窯系統及其子系統有效熱及熱效率定義式，對子系統與全窯系統熱效率間影響關系進行分析，由此構建全窯系統熱效率分析模型。本論文同時得到三個子系統和五個子系統時的全窯系統熱效率模型，可根據研究目的的不同，選用最合適的模型。

3.1 模型一(三個子系統)

根據熱量守恒關系，全窯系統熱效率可由式(9)表達：

(9)

同樣，窯尾和窯頭余熱系統熱效率計算式可表達為：

(10)

(11)

根據式(10)、(11)可以得到：

(12)

(13)

帶入式(9)中，有：

(14)

(15)

3.2 模型二(五個子系統)

同樣辦法，可以得到全窯系統熱效率與窯尾余熱系統、預熱系統、分解及熟料煅燒系統、冷卻機系統、窯頭預熱系統熱效率間分析模型如式(16)所示。

(16)

3.3 模型分析及應用

根據式(15)及式(16)，無論是將全窯系統劃分為三個子系統還是五個子系統，子單元熱效率與全窯系統熱效率均呈正相關關系，即提高任一子單元的熱效率，都可以提高全窯系統熱效率。

φQY=1-VESC+φSCVESC+φYWVEYW+φYTVEYT

(17)

φQY=1-VEDC-VEYT+φYWVEYW+φPVEP+φDCVEDC+φCVEC+φYTVEYT

(18)

以下以某水泥生產線為例，對全窯系統熱效率模型應用及分析進行介紹。

(1)生產線概況

該生產線預熱系統采用POLYSIUS雙系列五級旋風預熱器+分解爐，回轉窯規格φ6.2/7.2×96 m，冷卻機采用IKN第四代冷卻機，設計產能12000 t/d。根據現場測定數據，該生產線熱量流程圖如圖2所示。

(2)全窯系統熱效率計算結果及分析

圖2 某12000 t/d生產線熱量收支示意圖
Fig.2 Heat flow of one 12000 t/d cement line

采用模型二，將12000 t/d生產下劃分為五個子系統，得到各子系統熱效率及有效能分數計算結果如表8所示。

表8 某12000 t/d生產線熱效率模型計算結果Table 8 Calculation of 12000t/d thermal efficiency modeling

根據計算，該生產線全窯系統熱效率為80.09%，分解及熟料煅燒系統熱效率為32.67%，有效能分數為1.76。子單元熱效率中，冷卻機單元的熱效率最高，達到92.72%；窯頭和窯尾余熱利用單位的功能類似，都是利用煙氣中攜帶的熱量進行余熱發電及烘干物料，但窯頭預熱單元的熱效率可以達到82.33%，高于窯尾預熱單元17.33%，其原因在于入AQC鍋爐的煙氣溫度更高，AQC鍋爐與煙氣的換熱效率要高于SP鍋爐[18]。

熱效率最低的子系統為分解與熟料煅燒系統，其原因在于碳酸鈣的分解及熟料的固相反應均需在較高的溫度下進行，使得出冷卻機的高溫熟料和出分解爐的高溫煙氣中攜帶了大量的物理熱，即對于分解與熟料煅燒系統，其支出的無效熱較多。得益于預熱系統及冷卻機系統的存在，上述物理熱可以被回收利用，水泥生產熱耗得以大幅度降低，這也是為何預熱系統的工藝進步及篦冷機的裝備發展對于水泥工業的節能具有重要促進作用的原因。時至今日，水泥工業的節煤仍主要圍繞預熱系統和篦冷機進行。

圖3 全窯系統熱效率隨子單元熱效率變化趨勢Fig.3 Influence of subunits thermal efficiency on φC

根據全窯系統熱效率模型，各子單元熱效率對全窯系統熱效率的影響程度由其有效能分數決定，有效能分數的值越大，提高該子單元的熱效率對提高全窯系統熱效率的貢獻越大。分解及煅燒單元的有效能分數要遠高于其他子單元，其次為預熱單元。以表8中數據為基礎，保持各子單元有效能分數值不變，依次改變單個子單元的熱效率，分析其對全窯系統熱效率的影響程度。子單元熱效率的單次調整幅度為3%。計算結果如圖3所示。

根據圖3，分解及煅燒單元的熱效率對全窯系統影響幅度最大，預熱單元與冷卻機單元影響程度相同，位于第二位；窯頭和窯尾余熱單元并列位于第三位。

4 提高全窯系統熱效率有效途徑

根據全窯系統熱效率模型，提高分解及煅燒單元的熱效率是提高全窯系統熱效率最有效的途徑。分解及煅燒單元的熱效率可以通過以下方式得到提高：

(1)提高生料入窯分解率

根據計算，生料入窯分解率每增加3%，分解及煅燒單元的熱效率可以增加0.73%，同時全窯系統熱效率增加0.13%。入窯分解率提高后，回轉窯內的熱負荷得到降低，頭尾煤比例可較分解率提高前降低。此時，二次風量可隨頭煤的減少而降低，同時起到降低回轉窯內熱力型NOx的作用。

(2)降低煅燒溫度

在滿足碳酸鈣分解反應所需溫度的條件下，適當降低分解爐內控制溫度，可以降低出分解爐煙氣溫度，進而降低分解與熟料煅燒單元內無效支出熱量，以提高其熱效率。需要注意的是，溫度降低后，分解爐內煤粉燃燒及碳酸鈣分解速率必然降低，故以上操作需結合生產線煤粉性質、分解爐爐容及有效高度等實際情況進行，避免可能造成的負面影響。

5 結 論

水泥熟料生產涉及環節較多，單獨考慮熟料制備系統無法對生產線運行情況進行全面了解。論文研究將研究對象擴大為全窯系統，即“一磨一燒”系統，并建立全窯系統熱效率模型。

(1)引入熱效率及有效能分數概念，將全窯系統細分為5個子系統/單元，分別建立熱效率計算模型，并得出各子系統/單元與全窯系統間關聯關系：提高各子系統/單元熱效率，均可以提高全窯系統熱效率；全窯系統熱效率與煅燒單元有效能分數呈反比關系，與其他各系統/單元呈正比關系。

(2)煅燒單元熱效率的改變對全窯系統的影響最大，其次為冷卻機單元和預熱單元，窯頭窯尾廢氣單元影響效果最小。

(3)某12000 t/d生產線分解及熟料煅燒系統熱效率為32.67%，全窯系統熱效率為80.09%。與常規熱工標定相比，全窯系統熱效率模型更能體現系統熱量利用情況。

(4)提高分解及煅燒單元的熱效率是提高全窯系統熱效率最有效的途徑；分解及煅燒單元的熱效率可以通過提高入窯生料分解率或降低煅燒溫度來提高。