陶從喜

新型節(jié)能環(huán)保水泥熟料燒成技術(shù)的研發(fā)及應(yīng)用（上）

Research and Application of New Energy-saving and Environment-friendly Clinker Sintering Technologies（Ⅰ）

陶從喜

1 概述

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)水泥工業(yè)環(huán)保及節(jié)能減排任務(wù)的日趨嚴(yán)峻，采用節(jié)能環(huán)保的新技術(shù)及裝備來降低生產(chǎn)線的能源消耗，減少影響環(huán)境的廢棄物排放（包括CO2、NOx等）是實(shí)現(xiàn)水泥生產(chǎn)過程節(jié)能減排的重要措施。

水泥熟料燒成系統(tǒng)是整個(gè)水泥生產(chǎn)線的主要耗能生產(chǎn)單元，生產(chǎn)過程中消耗了大量的燃料，產(chǎn)生了大量的廢棄物（包括CO2、NOx等），筆者根據(jù)大量的工程實(shí)踐、試驗(yàn)及理論研究提出了在目前已成熟可靠且先進(jìn)的燒成技術(shù)及裝備基礎(chǔ)上，通過燒成單體技術(shù)的研發(fā)及優(yōu)化集成來提升整個(gè)燒成系統(tǒng)的技術(shù)性能指標(biāo)并應(yīng)用在實(shí)際工程實(shí)踐中。現(xiàn)將主要情況介紹如下。

2 新型節(jié)能環(huán)保的水泥熟料燒成技術(shù)的研發(fā)

新一代新型高效節(jié)能環(huán)保的水泥熟料燒成技術(shù)與裝備主要技術(shù)思路為：采用強(qiáng)化煅燒的兩檔支撐短回轉(zhuǎn)窯，降低系統(tǒng)表面散熱；采用帶環(huán)保高效分解爐的新型高效預(yù)分解系統(tǒng)降低預(yù)熱器出口溫度、壓力及廢棄物排放；采用新型高效大推力燃燒器，減少一次冷風(fēng)用量提高對(duì)各種煤質(zhì)的適應(yīng)性，減少系統(tǒng)熱耗，提高資源利用率；采用新型行進(jìn)式穩(wěn)流篦式冷卻機(jī)，提高熱回收率，降低系統(tǒng)熱耗等。該項(xiàng)技術(shù)與裝備作為國(guó)家節(jié)能減排水泥示范線的核心系統(tǒng)對(duì)整個(gè)水泥熟料生產(chǎn)線的節(jié)能降耗起著至關(guān)重要的作用。

2.1 兩檔支撐短回轉(zhuǎn)窯

眾所周知，濕法窯、干法中空窯等水泥熟料煅燒過程全部在窯內(nèi)進(jìn)行，而預(yù)分解窯生料的預(yù)熱和大部分物料的分解移至窯外的預(yù)熱器和分解爐，由于懸浮態(tài)的傳熱速率大大高于回轉(zhuǎn)窯內(nèi)物料層表面的接觸傳熱速率，入窯物料分解率顯著提高，窯的煅燒能力得到很好發(fā)揮，窯的規(guī)格得以縮小。隨著預(yù)分解技術(shù)的發(fā)展，窯的單位容積產(chǎn)量不斷提高，決定新型干法窯系統(tǒng)產(chǎn)量高低的因素不僅是窯的規(guī)格，在很大程度上還在于組成預(yù)分解系統(tǒng)的旋風(fēng)筒、連接管道、分解爐、回轉(zhuǎn)窯、冷卻機(jī)和燃燒裝置的合理匹配與生產(chǎn)操作，總的來說，燒成能力應(yīng)與預(yù)燒能力相適應(yīng)。預(yù)分解技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步為回轉(zhuǎn)窯中物料的煅燒提供了很好的預(yù)燒條件，新型高效篦冷機(jī)及大推力燃燒器的應(yīng)用保證了回轉(zhuǎn)窯中熟料的燒成。

長(zhǎng)徑比L/D＜12.5的兩檔支撐回轉(zhuǎn)窯，長(zhǎng)度大幅減小，相應(yīng)其表面積大幅降低，在同樣表明溫度的情況下，回轉(zhuǎn)窯的散熱相應(yīng)減少，因此燒成系統(tǒng)熱耗得以降低。

關(guān)于兩檔窯對(duì)熟料產(chǎn)質(zhì)量的影響，國(guó)內(nèi)外許多研究者對(duì)其進(jìn)行了相關(guān)論述[1～6]，主要是從回轉(zhuǎn)窯的長(zhǎng)徑比L/D及物料在回轉(zhuǎn)窯的停留時(shí)間等方面進(jìn)行相關(guān)闡述，筆者結(jié)合前人的研究經(jīng)驗(yàn)，從回轉(zhuǎn)窯的傳熱、火焰輻射及二次風(fēng)溫、物料運(yùn)動(dòng)規(guī)律、入窯物料分解率等的影響對(duì)回轉(zhuǎn)窯內(nèi)物料煅燒的影響進(jìn)行了理論分析，得出了影響回轉(zhuǎn)窯產(chǎn)質(zhì)量的合適的長(zhǎng)徑比L/D及物料在回轉(zhuǎn)窯的停留時(shí)間的結(jié)論，主要結(jié)論如下：

影響燒成帶長(zhǎng)度的主要因素有：物料負(fù)荷率、物料運(yùn)動(dòng)方式及速度、二次風(fēng)溫、燃燒器的型式及物料燃料的物理化學(xué)性質(zhì)等，綜合考慮各種因素的影響，預(yù)分解窯燒成帶為5.2～5.5D，這也與實(shí)際運(yùn)行狀況符合；過渡帶是將物料繼續(xù)升溫至1300℃及發(fā)生一系列固相反應(yīng)，文獻(xiàn)[4]等也進(jìn)行了論述，認(rèn)為預(yù)分解窯過渡帶應(yīng)為1.8～2.5D；分解帶的長(zhǎng)度與入窯物料的分解率有很大的關(guān)系，現(xiàn)代的預(yù)分解系統(tǒng)基本可以保證入窯物料分解率達(dá)95%以上，因此分解帶的長(zhǎng)度1～2D足夠，至于冷卻帶在現(xiàn)代預(yù)分解窯中幾乎可以忽略，因此預(yù)分解窯的長(zhǎng)徑比總的為8～10D，考慮到實(shí)際生產(chǎn)可能的波動(dòng)以提高回轉(zhuǎn)窯的適應(yīng)性，回轉(zhuǎn)窯的長(zhǎng)徑比控制在10～12D之間是完全可行的并且是可靠的。

圖1 回轉(zhuǎn)窯中物料停留時(shí)間

現(xiàn)代預(yù)分解技術(shù)及高效冷卻機(jī)技術(shù)為回轉(zhuǎn)窯中物料煅燒提供了很好的預(yù)燒條件及煅燒條件，對(duì)于預(yù)分解窯，通常認(rèn)為只要入窯物料分解率合適（92%以上），物料在回轉(zhuǎn)窯中的停留時(shí)間達(dá)18min即可。兩檔窯及常規(guī)三檔窯中物料停留時(shí)間及溫度分布情況如圖1，從中可見，兩檔窯縮短的主要是物料在過渡帶的停留時(shí)間，從常規(guī)三檔窯的15min縮為6min，過渡帶的縮短即可保證回轉(zhuǎn)窯中固相反應(yīng)（主要是熟料礦物C2S、C3A及C4AF的形成反應(yīng)）的進(jìn)行，同時(shí)新生態(tài)的CaO在過渡帶縮短停留時(shí)間對(duì)于提高其在燒成帶的反應(yīng)活性十分有利[4]，對(duì)熟料質(zhì)量的改善也有好的影響。

2.2 新型高效預(yù)熱預(yù)分解系統(tǒng)

預(yù)熱預(yù)分解技術(shù)是預(yù)分解燒成工藝的核心技術(shù)，國(guó)內(nèi)外各大水泥制造公司均有自己的預(yù)熱器及分解爐，形成了具有各自特點(diǎn)的不同型式的旋風(fēng)筒、分解爐等，天津院有限公司在長(zhǎng)期大量的關(guān)于預(yù)分解系統(tǒng)的研發(fā)應(yīng)用過程中，通過不斷總結(jié)優(yōu)化提出了具有自我特色的高效低阻的第三代預(yù)分解系統(tǒng)，該系統(tǒng)完全具有天津院有限公司自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，目前已在幾十條水泥生產(chǎn)線上投產(chǎn)運(yùn)行，效果良好。

第三代預(yù)分解系統(tǒng)借助于現(xiàn)代流體力學(xué)、燃料燃燒學(xué)和氣固兩相流原理，通過對(duì)單體設(shè)備原理分析，提出對(duì)單體設(shè)備結(jié)構(gòu)的構(gòu)想，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行冷熱態(tài)試驗(yàn)研究及計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算研究，提出了結(jié)構(gòu)型式合理、性能優(yōu)良的預(yù)熱器系統(tǒng)，通過對(duì)分解爐內(nèi)的反應(yīng)過程進(jìn)行多因素相關(guān)分析，在國(guó)內(nèi)首次提出原燃料特性與預(yù)熱預(yù)分解系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)間的相關(guān)性關(guān)系[7]，開發(fā)出結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適應(yīng)于不同原燃料的三噴騰型TTF高效分解爐[8]。在裝備開發(fā)過程中，特別研究目前預(yù)分解系統(tǒng)的特點(diǎn)，開發(fā)出結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的大蝸殼旋風(fēng)筒、懸掛分片式的耐熱鋼內(nèi)筒、滾動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)的鎖風(fēng)閥和箱式結(jié)構(gòu)的撒料盒等新型結(jié)構(gòu)預(yù)熱器系統(tǒng)。

2.2.1 新型高效預(yù)熱器系統(tǒng)

預(yù)熱器系統(tǒng)主要考慮提高系統(tǒng)換熱效果及降低系統(tǒng)阻力，通過分析研究影響預(yù)熱器系統(tǒng)換熱效率及阻力的因素，我們采取了以下技術(shù)措施：一是采用結(jié)構(gòu)型式合理的撒料裝置（圖2），提高物料在管道系統(tǒng)的分散效果，從而提高換熱效率；二是采用結(jié)構(gòu)優(yōu)良的二心270°大蝸殼型式的旋風(fēng)筒（圖3），在適當(dāng)降低系統(tǒng)阻力的前提下提高旋風(fēng)筒的分離效率，從而提高系統(tǒng)換熱效果。

預(yù)熱器系統(tǒng)的CFD模擬研究：

隨著現(xiàn)代數(shù)學(xué)物理理論、數(shù)值模擬方法以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）在工程上的應(yīng)用日漸成熟，顯示出了巨大的靈活性，已經(jīng)成為工程領(lǐng)域研究的主要發(fā)展方向。我們采用大型商業(yè)通用軟件Fluent對(duì)天津院有限公司第三代預(yù)分解系統(tǒng)預(yù)熱器預(yù)熱單元進(jìn)行模擬研究，提出了預(yù)熱器系統(tǒng)的優(yōu)化方案，為預(yù)熱器系統(tǒng)的推廣應(yīng)用提供了很好的技術(shù)支撐。

（1）計(jì)算模型

對(duì)天津院有限公司第三代預(yù)分解系統(tǒng)預(yù)熱器進(jìn)行模擬計(jì)算，采用三維建模軟件生成計(jì)算所需的三維幾何模型，以工程實(shí)際運(yùn)行檢測(cè)的數(shù)據(jù)作為相關(guān)邊界參數(shù)，為便于了解各級(jí)預(yù)熱器的相關(guān)參數(shù)及減少計(jì)算工作量，我們采用分級(jí)計(jì)算的方法，即每一計(jì)算單元為旋風(fēng)筒加其進(jìn)口熱風(fēng)管道，其出口參數(shù)作為下一個(gè)計(jì)算單元的入口參數(shù)，計(jì)算由五級(jí)預(yù)熱器開始至一級(jí)換熱單元結(jié)束，計(jì)算所用的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖見圖4。

因?yàn)镽SM模型能較好地捕捉切向速度和軸向速度的分布特點(diǎn)，能很好地反應(yīng)氣體在旋風(fēng)筒內(nèi)的運(yùn)動(dòng)情況，能夠滿足旋風(fēng)筒模擬計(jì)算的要求，因此筆者通過大量的對(duì)比分析，確定采用各向異性處理的RSM（Reynolds stress model）模型來模擬預(yù)熱器旋風(fēng)筒內(nèi)氣相的計(jì)算，計(jì)算用控制方程如下。

質(zhì)量守恒方程又稱為連續(xù)性方程，其表達(dá)式為：

式中：ρ——流體的密度

u——流體的速度

t——時(shí)間

動(dòng)量方程又稱Navier-Stokes方程（簡(jiǎn)稱N-S方程），其雷諾平均表達(dá)式為[7]：

μ——流體粘度

δij——應(yīng)力張量系數(shù)

能量守恒方程的比焓形式為：

式中：h——流體的比焓

u，v，w——流體x，y，z方向上的速度

U——流體絕對(duì)速度

λ——流體的導(dǎo)熱系數(shù)

p——流體壓力

T——溫度

Φ——熱流量

Sh——源相

圖2 撒料盒結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 旋風(fēng)筒示意圖

圖4 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖及計(jì)算單元

在模擬計(jì)算中，為了使方程組封閉，必須對(duì)雷諾應(yīng)力進(jìn)行處理。RSM模型放棄了各向同性假設(shè)，而是直接求解雷諾應(yīng)力方程，F(xiàn)luent中其形式如下：

式中：ρ——流體密度

μ——流體粘度

δij——應(yīng)力張量系數(shù)

Ωk——模型常數(shù)

ε——湍流耗散率

Suser——用戶源相

為了計(jì)算的精確性，筆者選用DPM（Discrete phase model）離散相模型，并運(yùn)用其中的隨機(jī)軌道模型追蹤預(yù)熱器內(nèi)的顆粒相的運(yùn)動(dòng)。

（2）計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果，我們通過試驗(yàn)結(jié)果不斷對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行修正，使其計(jì)算結(jié)果與實(shí)際更接近，從而為預(yù)熱器的優(yōu)化提供參考依據(jù)。計(jì)算時(shí)只給定C5的入口條件，上面各級(jí)的入口參數(shù)從下面各級(jí)的出口結(jié)果得到。

模擬計(jì)算表明，氣體在旋風(fēng)筒內(nèi)強(qiáng)烈旋轉(zhuǎn)，沿著壁面螺旋向下運(yùn)動(dòng)，到達(dá)底部后折向中心，又螺旋向上沿內(nèi)筒流出，圖5顯示了氣體在旋風(fēng)筒內(nèi)的運(yùn)動(dòng)情況。

模擬計(jì)算結(jié)果還表明，旋風(fēng)筒內(nèi)氣流表現(xiàn)出很強(qiáng)的各向異性，切向速度呈現(xiàn)出明顯的強(qiáng)制渦——準(zhǔn)自由渦結(jié)構(gòu)，如圖6所示，這和相關(guān)文獻(xiàn)中的描述相吻合。從圖中可以看出，中心區(qū)域表現(xiàn)出明顯的強(qiáng)制渦特性，而外圍區(qū)域則表現(xiàn)出準(zhǔn)自由渦的特點(diǎn)。速度大小基本可用Vt=k×rn來描述，其中強(qiáng)制渦時(shí)n＞0，準(zhǔn)自由渦時(shí)n＜0，k為系數(shù)。

通過模擬計(jì)算，我們得到了各級(jí)預(yù)熱單元的壓力損失，并和現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定數(shù)據(jù)進(jìn)行了比對(duì)，結(jié)果如表1所示。從表中可以看出，模擬結(jié)果基本能反映各級(jí)預(yù)熱單元壓力損失的變化情況，與現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定結(jié)果的變化趨勢(shì)基本一致。從計(jì)算結(jié)果看，整個(gè)預(yù)熱單元系統(tǒng)的壓力損失約為4100Pa，平均每級(jí)壓力損失為820Pa，與設(shè)計(jì)值基本相近。

為了提高生料和氣體間的換熱效率，我們?cè)O(shè)計(jì)了撒料裝置，從而使生料在管道中充分懸浮、分散，保證生料與氣體的充分換熱。系統(tǒng)換熱模擬計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定數(shù)據(jù)如表2所示，可見預(yù)熱單元系統(tǒng)的整體換熱情況與現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定數(shù)據(jù)基本吻合，模擬計(jì)算基本能夠反映預(yù)熱單元系統(tǒng)的換熱情況。

旋風(fēng)筒分離效率模擬計(jì)算的結(jié)果見圖7，可見該旋風(fēng)筒整體分離效率較好，能很好地完成預(yù)熱器系統(tǒng)的分離功能，從而對(duì)提高換熱效果有利。

2.2.2 分解爐

天津院目前的主導(dǎo)爐型為三噴騰型TTF分解爐，該分解爐具有三噴騰和碰頂效應(yīng)、湍流回流作用強(qiáng)、固氣停留時(shí)間比大(τm=4～5)、溫度場(chǎng)及濃度場(chǎng)均勻、物料分散及換熱效果好、爐體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、阻力系數(shù)低等特點(diǎn)[8]，其結(jié)構(gòu)見圖8。

（1）分解爐的模擬優(yōu)化

圖5 氣體在旋風(fēng)筒內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡及速度分布

圖6 C4單元旋風(fēng)筒基準(zhǔn)型柱體切向速度

為了優(yōu)化分解爐的結(jié)構(gòu)型式，天津院有限公司對(duì)水泥分解爐的工藝過程、爐內(nèi)氣固兩相流動(dòng)、煤粉燃燒、碳酸鈣分解等過程的機(jī)理做了大量的研究工作，引入了計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)，同時(shí)在與計(jì)算機(jī)三維圖形處理技術(shù)相結(jié)合的基礎(chǔ)上，成功地開發(fā)出了具有分解爐數(shù)值模擬功能的計(jì)算機(jī)輔助試驗(yàn)平臺(tái)仿真系統(tǒng)。該仿真系統(tǒng)具有一套完整的計(jì)算結(jié)構(gòu)體系，包括分解爐虛擬樣機(jī)的前處理網(wǎng)格造型，流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、顆粒場(chǎng)等物理場(chǎng)的求解器和后處理的可視化輸出。利用該分解爐計(jì)算機(jī)輔助試驗(yàn)平臺(tái)，我們可以針對(duì)不同的分解爐型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并對(duì)生產(chǎn)進(jìn)行預(yù)測(cè)和指導(dǎo)。此外，該系統(tǒng)的開發(fā)，一方面解決了冷模試驗(yàn)無(wú)法進(jìn)行煤粉燃燒和碳酸鈣分解等高溫過程的模擬研究的問題，另一方面，采用這種新的研究方法能大大地縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期。

從湍流流動(dòng)角度分析，分解爐計(jì)算機(jī)仿真開發(fā)中解決了圓柱坐標(biāo)非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格下極點(diǎn)處理這一國(guó)內(nèi)外公認(rèn)的技術(shù)難題。數(shù)值求解器的開發(fā)過程中，碰到在圓柱坐標(biāo)方程離散時(shí)，中心軸線處半徑為零，數(shù)學(xué)處理速度、動(dòng)量等值為無(wú)窮大，而從連續(xù)性考慮，物理意義上速度、動(dòng)量等均為具體值這一極點(diǎn)處理難題。多年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者均力求解決這個(gè)問題（煉鋼爐、旋風(fēng)筒等只能進(jìn)行對(duì)稱數(shù)值模擬）。該平臺(tái)開發(fā)的技術(shù)解決了這一難題，實(shí)現(xiàn)流場(chǎng)、顆粒場(chǎng)、溫度場(chǎng)、組分場(chǎng)360°全場(chǎng)模擬，真正實(shí)現(xiàn)分解爐的仿真研究。

表1 預(yù)熱單元系統(tǒng)基準(zhǔn)型壓力損失，Pa

表2 預(yù)熱單元系統(tǒng)基準(zhǔn)型系統(tǒng)換熱，℃

圖7 旋風(fēng)筒分離效率

圖8 分解爐示意圖

圖9 TTF基本結(jié)構(gòu)形式圖

表3 生料的化學(xué)成分分析，%

表4 煤樣的工業(yè)分析和元素分析，%

表5 生料顆粒的粒徑分布

表6 煤粉顆粒的粒徑分布

表7 窯尾煙氣成分，%

表8 入口物質(zhì)流量和溫度

表9 其他相關(guān)參數(shù)取值

圖10 TTF分解爐溫度及速度分布

我們通過基礎(chǔ)試驗(yàn)研究，建立了針對(duì)分解爐特點(diǎn)的、在耦合狀態(tài)下的煤焦燃燒及碳酸鈣分解的動(dòng)力學(xué)模型。

煤焦燃燒模型:

碳酸鈣分解的模型:

模擬TTF分解爐基本結(jié)構(gòu)形式見圖9，生料和煤樣參數(shù)見表3～9。模擬的工況條件：產(chǎn)量5500t/d，熟料熱耗3009.6 kJ/kg。

我們?cè)O(shè)定不同的分解爐柱段高度、分解爐直徑、不同的下縮口尺寸、喂料點(diǎn)的不同高度、不同的分料比例等，通過正交設(shè)計(jì)確定優(yōu)化的方案，得出了最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)為：柱段直徑7.1m，下柱段和中柱段高度11.9m和15.4 m，煙室縮口2.4m，中部縮口5.3m；最優(yōu)分料比例為35%，出爐物料分解率95%，煤粉燃盡率92%。按此設(shè)計(jì)的分解爐既能滿足煤粉燃燒和生料分解的要求，也能保證分解爐運(yùn)行的安全與穩(wěn)定。優(yōu)化后的分解爐斷面溫度分布見圖10。

河北燕趙水泥有限公司采用的就是優(yōu)化后的分解爐，實(shí)際運(yùn)行檢測(cè)結(jié)果表明分解爐出爐物料分解率達(dá)95%以上，完全能滿足系統(tǒng)正常穩(wěn)定生產(chǎn)的要求。

(未完待續(xù))

TQ172.622.26

A

1001-6171（2011）01-0026-10

2010-10-20； 編輯：呂 光