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        一種水泥回轉(zhuǎn)窯的建模方法

        2019-07-09 02:20:56劉號(hào)召
        中小企業(yè)管理與科技 2019年16期
        關(guān)鍵詞:煙氣模型

        劉號(hào)召

        (亞洲仿真控制系統(tǒng)工程有限公司,廣東 珠海519015)

        1 引言

        水泥行業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè),是經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和綜合國(guó)力的重要標(biāo)志,在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占據(jù)重要地位。進(jìn)入新世紀(jì)以來(lái),中國(guó)水泥產(chǎn)量一直位居世界首位,全國(guó)水泥產(chǎn)量在2014年達(dá)到24.8 億噸的高峰點(diǎn)后,開始逐年下降,但到2018年仍有21.77 億噸的年產(chǎn)量。水泥行業(yè)一直以來(lái)被稱為“兩高一資”行業(yè),是僅次于冶金、化工行業(yè)的第三大耗能大戶,而在水泥生產(chǎn)總能耗中,熟料生產(chǎn)約占70%~80%[1]。如果可以通過(guò)數(shù)字方法模擬熟料回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的生產(chǎn)過(guò)程、計(jì)算窯內(nèi)溫度分布,模擬各處熟料成分變化,將為企業(yè)優(yōu)化生產(chǎn)、節(jié)能降耗提供有力數(shù)據(jù)支持。

        2 干法回轉(zhuǎn)窯工藝簡(jiǎn)介

        回轉(zhuǎn)窯是水泥生產(chǎn)線的主要設(shè)備,在窯外進(jìn)行預(yù)分解的生料及部分燃料由分解爐(或預(yù)熱器)進(jìn)入窯尾,由于窯體的轉(zhuǎn)動(dòng)而充分混合并緩慢向窯頭運(yùn)動(dòng);由窯頭方向加入的燃料與部分熱風(fēng)則從窯頭流向窯尾,與生料相向運(yùn)動(dòng),對(duì)生料進(jìn)行充分煅燒,完成化學(xué)反應(yīng)主要過(guò)程,熟料進(jìn)入篦冷機(jī)機(jī)型冷卻,尾部煙氣進(jìn)入分解爐。

        3 模型構(gòu)成

        根據(jù)水泥回轉(zhuǎn)窯的生產(chǎn)過(guò)程,模型分為熱量交換模型、化學(xué)反應(yīng)模型及物料傳遞模型,結(jié)構(gòu)如下圖:

        物料傳遞模型:根據(jù)質(zhì)量平衡,計(jì)算生/熟料、燃料、風(fēng)及煙氣的質(zhì)量流量以及各種成分組成;

        化學(xué)反應(yīng)模型:包括碳酸鹽分解反應(yīng)、熟料燒結(jié)反應(yīng)、燃料燃燒反應(yīng)等;

        熱量交換模型:包括燃料燃燒生熱、煙氣物料間換熱、物料窯體間換熱、煙氣窯體間換熱以及窯體對(duì)外界環(huán)境的散熱等。

        4 建模步驟

        熟料回轉(zhuǎn)窯有一定斜度,在生產(chǎn)過(guò)程中由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)回轉(zhuǎn)窯緩慢轉(zhuǎn)動(dòng),控制物料在窯內(nèi)的傳遞速度,為了保證煅燒時(shí)間,生產(chǎn)周期相對(duì)較長(zhǎng)。針對(duì)這種生產(chǎn)特點(diǎn),模型需要沿回轉(zhuǎn)窯長(zhǎng)度方向虛擬分割為若干單元,在各個(gè)單元內(nèi)分別進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)建模對(duì)象參數(shù)及計(jì)算精度需要,單元個(gè)數(shù)以50~200為宜,文中設(shè)定單元數(shù)為100。

        4.1 物料傳遞速度計(jì)算

        窯內(nèi)物料在回轉(zhuǎn)窯窯體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)靠摩擦力被帶到一定高度,達(dá)到物料的運(yùn)動(dòng)休止角時(shí),由于物料本身重力作用使其沿料層表面翻滾下來(lái),翻滾下來(lái)的物料不會(huì)落到原來(lái)的點(diǎn)上,而是向回轉(zhuǎn)窯的較低端移動(dòng)了一段距離[2]。根據(jù)這個(gè)距離即可算出單元內(nèi)物料傳遞速度,然后可根據(jù)單元內(nèi)物料成分計(jì)算各成分流出量。由于風(fēng)或煙氣流速較快,在各單元內(nèi)可認(rèn)為是即進(jìn)即出的,流入流量去掉反應(yīng)消耗量加上生成量即為流出流量。

        其中,F(xiàn)out 為各單元物料流出量(kg/s),k 為流量計(jì)算系數(shù),i 為要的斜度(%),D 為直徑(m),n 為窯體轉(zhuǎn)速(r/min),L為單元窯體長(zhǎng)度(m),M 為各單元物料質(zhì)量(kg),B 為物料休止角(o)。根據(jù)物料溫度的變化,物料休止角應(yīng)發(fā)生相應(yīng)變化,F(xiàn)out(j)為熟料各成分流出量(kg/s),rt(j)為熟料各成分質(zhì)量占比(0~1),F(xiàn)gso 為單元煙氣流出量(kg/s),F(xiàn)gsi 為單元煙氣流入量(kg/s),F(xiàn)ras(k)為單元內(nèi)煙氣各成分消耗量(kg/s),F(xiàn)rag(k)為單元內(nèi)煙氣各成分生成量(kg/s)。

        4.2 熱量交換模型

        單元內(nèi)需要計(jì)算的熱量包括Qra(反應(yīng)生熱或吸熱)、Qmt(物料流進(jìn)/出熱量)、Qgs(煙氣/風(fēng)流進(jìn)出熱量、Qws(窯壁吸熱量),換熱則包括輻射、對(duì)流與熱傳導(dǎo)三種傳熱方式,可分別進(jìn)行計(jì)算。

        其中,ΔT 為單位時(shí)間內(nèi)物料溫度變化量(℃),Δt 為單位時(shí)間間隔(s),Cpm 為物料比熱(kj/(kg·℃)),Qts 為總的傳熱量(kj/s),Qrd 為輻射換熱(kj/s),Qcv 為對(duì)流換熱(kj/s),Qcd 為導(dǎo)熱換熱(kj/s),T1、T2分別為不同物體的溫度(℃)。

        4.3 化學(xué)反應(yīng)模型

        燒結(jié)反應(yīng)是指生料中的氧化鈣、二氧化硅、氧化鋁及少量氧化鐵在窯內(nèi)經(jīng)高溫煅燒最終生成硅酸三鈣(C3S)、硅酸二鈣(C2S)、鋁酸三鈣(C3A)和鐵鋁酸四鈣(C4AF)的反應(yīng)過(guò)程。反應(yīng)生成熟料的成分主要由生料配比決定,窯內(nèi)溫度分布及液相量也對(duì)反應(yīng)進(jìn)程至關(guān)重要。滿足反應(yīng)溫度條件后,燒結(jié)反應(yīng)進(jìn)程可以應(yīng)用金斯特林格方程計(jì)算:

        其中,α 為反應(yīng)程度(0~1),h 為反應(yīng)條件(0~1),cj 為物料均化程度(0~1),l 為液相量(%),l max 為液相量最大值(%),R 為反應(yīng)物顆粒半徑(mm),ρ 為生成物密度(kg/m3),k1、k2為常數(shù)。

        碳酸鈣及碳酸鎂分解反應(yīng)進(jìn)行較快,滿足反應(yīng)溫度后反應(yīng)進(jìn)度由下式計(jì)算:

        而燃燒過(guò)程更加快速劇烈,可認(rèn)為滿足燃燒條件后反應(yīng)瞬間完成,放出熱量。

        5 應(yīng)用與不足

        此建模方法可以應(yīng)用于針對(duì)干法水泥生產(chǎn)線的仿真系統(tǒng),用于培訓(xùn)員工生產(chǎn)技能、比對(duì)分析實(shí)際水泥生產(chǎn)線耗能原因、為生產(chǎn)調(diào)節(jié)提供數(shù)據(jù)支撐。本方法作為底層數(shù)據(jù)應(yīng)用于新峰水泥節(jié)能減排數(shù)字化管控項(xiàng)目、魯南中聯(lián)水泥節(jié)能減排項(xiàng)目等軟件系統(tǒng)中,支持水泥生產(chǎn)優(yōu)化模塊及自動(dòng)化控制模塊運(yùn)行。經(jīng)多次試驗(yàn)標(biāo)定,(總體)熟料單位標(biāo)煤耗可降低8~10kg/t,取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。

        不足之處:由于影響因素過(guò)多,模型未涉及窯體結(jié)皮、熟料結(jié)塊及窯皮脫落等異常工況的建模,希望隨著測(cè)量技術(shù)的發(fā)展回轉(zhuǎn)窯的建模技術(shù)也能不斷完善,完成異常工況下的生產(chǎn)模擬工作。

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