姚艷飛，丁松雄，陳延信

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

0 引 言

水泥生產(chǎn)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(shí)排出粉塵、SO2、NOx等污染物[1-2]。作為傳統(tǒng)高能耗高消耗行業(yè)，水泥企業(yè)的節(jié)能減排一直倍受各學(xué)者和企業(yè)關(guān)注，其方法之一是通過優(yōu)化操作、設(shè)備升級(jí)等手段提高系統(tǒng)的熱效率。目前關(guān)于熱效率的研究多針對(duì)水泥熟料制備系統(tǒng)進(jìn)行[3-13]，即從生料入窯到從冷卻機(jī)冷卻后排出，包含了預(yù)熱分解系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)窯和冷卻機(jī)三個(gè)子單元。

本論文研究在高固氣比理論基礎(chǔ)[14-17]上，將熱效率研究對(duì)象擴(kuò)大至全窯系統(tǒng)，全窯系統(tǒng)的有效熱及熱效率進(jìn)行分析，并討論了子系統(tǒng)與全窯系統(tǒng)熱效率間相互影響關(guān)系，由此建立了全窯系統(tǒng)熱效率模型。旨在構(gòu)建精確的數(shù)學(xué)模型，為水泥熟料生產(chǎn)過程的熱利用情況進(jìn)行全面評(píng)價(jià)。

1 全窯系統(tǒng)及各子系統(tǒng)定義

全窯系統(tǒng)研究范圍從原料入生料磨開始，至熟料從冷卻機(jī)排出結(jié)束，同時(shí)包含窯頭、窯尾余熱鍋爐及煤粉制備環(huán)節(jié)。為方便研究，根據(jù)工藝流程將全窯系統(tǒng)劃分為三個(gè)子系統(tǒng)，依次定義為窯尾余熱利用及廢氣處理系統(tǒng)(后簡稱為窯尾余熱系統(tǒng))、熟料制備系統(tǒng)和窯頭余熱利用及廢氣處理系統(tǒng)(后簡稱為窯頭余熱系統(tǒng))；考慮到熟料制備系統(tǒng)的性能直接影響熟料燒成熱耗及熟料質(zhì)量等，需要重點(diǎn)研究，將其繼續(xù)細(xì)分為預(yù)熱系統(tǒng)、分解及熟料煅燒系統(tǒng)和冷卻機(jī)系統(tǒng)，具體如圖1所示。

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

2 系統(tǒng)熱效率模型建立辦法

水泥熟料生產(chǎn)過程涉及到多種熱工裝備，從熟料制備的角度出發(fā)，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(zhuǎn)窯，其對(duì)收到的熱量進(jìn)行直接利用，用于碳酸鈣分解和熟料煅燒；除分解爐及回轉(zhuǎn)窯外，熟料生產(chǎn)中其余的熱工設(shè)備都可歸類為熱回收裝備，其作用是對(duì)收到的熱量進(jìn)行盡可能的回收?；厥盏臒崃扛鶕?jù)品質(zhì)的好壞，用于助燃煤粉，或用于烘干物料，或用于余熱發(fā)電。對(duì)應(yīng)到全窯系統(tǒng)各個(gè)子單元，分解及熟料煅燒系統(tǒng)屬于熱利用裝置，其余系統(tǒng)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(biāo)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(jìn)行計(jì)算。

(1)

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

各系統(tǒng)收到的熱量可以通過質(zhì)量及熱量平衡計(jì)算得到，有效利用的熱量根據(jù)各系統(tǒng)工藝流程及作用的不同，需進(jìn)行單獨(dú)分析。

2.1 窯尾余熱系統(tǒng)有效熱分析

窯尾余熱系統(tǒng)從高溫風(fēng)機(jī)出口開始，至窯尾收塵器入口結(jié)束，包含窯尾SP鍋爐和生料制備單元。根據(jù)圖1中質(zhì)量流程圖，得到窯尾預(yù)熱系統(tǒng)熱平衡如表1所示。

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

窯尾余熱系統(tǒng)的作用，一是將預(yù)熱單元排出煙氣中的熱量傳遞給SP鍋爐內(nèi)水蒸氣，用于余熱發(fā)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(tǒng)的有效熱如式(2)所示。

(2)

2.2 熟料制備系統(tǒng)有效熱分析

熟料制備系統(tǒng)從生料入預(yù)熱系統(tǒng)開始，至冷卻后的熟料從冷卻機(jī)出口排出結(jié)束，其熱量平衡如表2所示。

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

熟料制備系統(tǒng)的有效熱指的是從水泥生料至熟料所需進(jìn)行的一系列化學(xué)反應(yīng)所消耗的熱量，可通過式(3)計(jì)算得到。

(3)

式中，QSC1、QSC2及QSC3分別指的是在預(yù)熱系統(tǒng)、分解爐及回轉(zhuǎn)窯內(nèi)所進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)消耗的熱量。

對(duì)熟料制備系統(tǒng)所包含的三個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行具體研究，各自的熱平衡及有效熱分析分別如下：

(1)預(yù)熱系統(tǒng)有效熱分析

預(yù)熱系統(tǒng)從生料入窯開始，到分解爐入口結(jié)束，其作用是對(duì)分解及熟料煅燒系統(tǒng)排出的煙氣中包含的熱量進(jìn)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(fā)，同時(shí)完成全部的碳酸鎂分解和少量的碳酸鈣分解反應(yīng)。其熱量平衡分析如表3所示。

表3 預(yù)熱單元熱量平衡Table 3 Heat balance of preheating unit

預(yù)熱系統(tǒng)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(yù)熱過程中發(fā)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(tǒng)有效熱分析

分解及熟料煅燒單元包含分解爐、C5旋風(fēng)筒、三次風(fēng)管及回轉(zhuǎn)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(jī)回收的熱量，以二次風(fēng)和三次風(fēng)的形式分別進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯和分解爐內(nèi)。其熱量平衡如表4所示。

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

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

(5)

(3)冷卻機(jī)系統(tǒng)有效熱分析

冷卻機(jī)系統(tǒng)利用常溫?zé)煔鈱?duì)高溫熟料進(jìn)行快速冷卻，對(duì)熟料中包含的熱量進(jìn)行回收，并將換熱后的熱煙氣根據(jù)溫度不同送往分解和熟料煅燒系統(tǒng)或者窯頭余熱系統(tǒng)，其熱平衡如表5所示。

表5 冷卻機(jī)單元熱量平衡Table 5 Heat balance of cooling unti

當(dāng)研究對(duì)象為全窯系統(tǒng)時(shí)，冷卻機(jī)系統(tǒng)的有效熱包含二三次風(fēng)中攜帶的熱量，以及去往窯頭余熱系統(tǒng)的中低溫風(fēng)中攜帶的熱量：

(6)

2.3 窯頭余熱系統(tǒng)有效熱分析

窯頭余熱系統(tǒng)工藝流程從冷卻機(jī)余風(fēng)出口開始，至AQC鍋爐和煤磨出口結(jié)束，包含AQC余熱鍋爐和煤粉制備兩部分。冷卻機(jī)系統(tǒng)排出的余風(fēng)根據(jù)溫度不同，分別進(jìn)入AQC余熱鍋爐和煤粉制備工段，隨后經(jīng)頭排風(fēng)機(jī)或煤磨風(fēng)機(jī)排出。其熱量平衡如表6所示。

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

窯頭余熱系統(tǒng)利用冷卻機(jī)系統(tǒng)排出的中、低溫風(fēng)，一方面進(jìn)行煤粉制備，烘干原煤中的自由水；一方面用于余熱發(fā)電，與AQC鍋爐內(nèi)水進(jìn)行熱交換，產(chǎn)生過飽和蒸汽。其有效熱包含式(7)內(nèi)容：

(7)

2.4 全窯系統(tǒng)有效熱分析

對(duì)于全窯系統(tǒng)，其作用主要是將原料煅燒為合格的水泥熟料，為了達(dá)到這一目的，需要對(duì)原料和原煤進(jìn)行粉磨，并在粉磨過程中進(jìn)行烘干。同時(shí)，水泥生產(chǎn)線多配備有余熱發(fā)電系統(tǒng)，將外排煙氣中的熱量用于發(fā)電，提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。全窯系統(tǒng)熱量平衡如表7所示。

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

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

(8)

3 全窯系統(tǒng)熱效率模型構(gòu)建

根據(jù)全窯系統(tǒng)及其子系統(tǒng)有效熱及熱效率定義式，對(duì)子系統(tǒng)與全窯系統(tǒng)熱效率間影響關(guān)系進(jìn)行分析，由此構(gòu)建全窯系統(tǒng)熱效率分析模型。本論文同時(shí)得到三個(gè)子系統(tǒng)和五個(gè)子系統(tǒng)時(shí)的全窯系統(tǒng)熱效率模型，可根據(jù)研究目的的不同，選用最合適的模型。

3.1 模型一(三個(gè)子系統(tǒng))

根據(jù)熱量守恒關(guān)系，全窯系統(tǒng)熱效率可由式(9)表達(dá)：

(9)

同樣，窯尾和窯頭余熱系統(tǒng)熱效率計(jì)算式可表達(dá)為：

(10)

(11)

根據(jù)式(10)、(11)可以得到：

(12)

(13)

帶入式(9)中，有：

(14)

(15)

3.2 模型二(五個(gè)子系統(tǒng))

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

(16)

3.3 模型分析及應(yīng)用

根據(jù)式(15)及式(16)，無論是將全窯系統(tǒng)劃分為三個(gè)子系統(tǒng)還是五個(gè)子系統(tǒng)，子單元熱效率與全窯系統(tǒng)熱效率均呈正相關(guān)關(guān)系，即提高任一子單元的熱效率，都可以提高全窯系統(tǒng)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(chǎn)線為例，對(duì)全窯系統(tǒng)熱效率模型應(yīng)用及分析進(jìn)行介紹。

(1)生產(chǎn)線概況

該生產(chǎn)線預(yù)熱系統(tǒng)采用POLYSIUS雙系列五級(jí)旋風(fēng)預(yù)熱器+分解爐，回轉(zhuǎn)窯規(guī)格φ6.2/7.2×96 m，冷卻機(jī)采用IKN第四代冷卻機(jī)，設(shè)計(jì)產(chǎn)能12000 t/d。根據(jù)現(xiàn)場測定數(shù)據(jù)，該生產(chǎn)線熱量流程圖如圖2所示。

(2)全窯系統(tǒng)熱效率計(jì)算結(jié)果及分析

圖2 某12000 t/d生產(chǎn)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(chǎn)下劃分為五個(gè)子系統(tǒng)，得到各子系統(tǒng)熱效率及有效能分?jǐn)?shù)計(jì)算結(jié)果如表8所示。

表8 某12000 t/d生產(chǎn)線熱效率模型計(jì)算結(jié)果Table 8 Calculation of 12000t/d thermal efficiency modeling

根據(jù)計(jì)算，該生產(chǎn)線全窯系統(tǒng)熱效率為80.09%，分解及熟料煅燒系統(tǒng)熱效率為32.67%，有效能分?jǐn)?shù)為1.76。子單元熱效率中，冷卻機(jī)單元的熱效率最高，達(dá)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(jìn)行余熱發(fā)電及烘干物料，但窯頭預(yù)熱單元的熱效率可以達(dá)到82.33%，高于窯尾預(yù)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(tǒng)為分解與熟料煅燒系統(tǒng)，其原因在于碳酸鈣的分解及熟料的固相反應(yīng)均需在較高的溫度下進(jìn)行，使得出冷卻機(jī)的高溫熟料和出分解爐的高溫?zé)煔庵袛y帶了大量的物理熱，即對(duì)于分解與熟料煅燒系統(tǒng)，其支出的無效熱較多。得益于預(yù)熱系統(tǒng)及冷卻機(jī)系統(tǒng)的存在，上述物理熱可以被回收利用，水泥生產(chǎn)熱耗得以大幅度降低，這也是為何預(yù)熱系統(tǒng)的工藝進(jìn)步及篦冷機(jī)的裝備發(fā)展對(duì)于水泥工業(yè)的節(jié)能具有重要促進(jìn)作用的原因。時(shí)至今日，水泥工業(yè)的節(jié)煤仍主要圍繞預(yù)熱系統(tǒng)和篦冷機(jī)進(jìn)行。

圖3 全窯系統(tǒng)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(jù)全窯系統(tǒng)熱效率模型，各子單元熱效率對(duì)全窯系統(tǒng)熱效率的影響程度由其有效能分?jǐn)?shù)決定，有效能分?jǐn)?shù)的值越大，提高該子單元的熱效率對(duì)提高全窯系統(tǒng)熱效率的貢獻(xiàn)越大。分解及煅燒單元的有效能分?jǐn)?shù)要遠(yuǎn)高于其他子單元，其次為預(yù)熱單元。以表8中數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，保持各子單元有效能分?jǐn)?shù)值不變，依次改變單個(gè)子單元的熱效率，分析其對(duì)全窯系統(tǒng)熱效率的影響程度。子單元熱效率的單次調(diào)整幅度為3%。計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

根據(jù)圖3，分解及煅燒單元的熱效率對(duì)全窯系統(tǒng)影響幅度最大，預(yù)熱單元與冷卻機(jī)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(tǒng)熱效率有效途徑

根據(jù)全窯系統(tǒng)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(tǒng)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(jù)計(jì)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(shí)全窯系統(tǒng)熱效率增加0.13%。入窯分解率提高后，回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的熱負(fù)荷得到降低，頭尾煤比例可較分解率提高前降低。此時(shí)，二次風(fēng)量可隨頭煤的減少而降低，同時(shí)起到降低回轉(zhuǎn)窯內(nèi)熱力型NOx的作用。

(2)降低煅燒溫度

在滿足碳酸鈣分解反應(yīng)所需溫度的條件下，適當(dāng)降低分解爐內(nèi)控制溫度，可以降低出分解爐煙氣溫度，進(jìn)而降低分解與熟料煅燒單元內(nèi)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(nèi)煤粉燃燒及碳酸鈣分解速率必然降低，故以上操作需結(jié)合生產(chǎn)線煤粉性質(zhì)、分解爐爐容及有效高度等實(shí)際情況進(jìn)行，避免可能造成的負(fù)面影響。

5 結(jié) 論

水泥熟料生產(chǎn)涉及環(huán)節(jié)較多，單獨(dú)考慮熟料制備系統(tǒng)無法對(duì)生產(chǎn)線運(yùn)行情況進(jìn)行全面了解。論文研究將研究對(duì)象擴(kuò)大為全窯系統(tǒng)，即“一磨一燒”系統(tǒng)，并建立全窯系統(tǒng)熱效率模型。

(1)引入熱效率及有效能分?jǐn)?shù)概念，將全窯系統(tǒng)細(xì)分為5個(gè)子系統(tǒng)/單元，分別建立熱效率計(jì)算模型，并得出各子系統(tǒng)/單元與全窯系統(tǒng)間關(guān)聯(lián)關(guān)系：提高各子系統(tǒng)/單元熱效率，均可以提高全窯系統(tǒng)熱效率；全窯系統(tǒng)熱效率與煅燒單元有效能分?jǐn)?shù)呈反比關(guān)系，與其他各系統(tǒng)/單元呈正比關(guān)系。

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

(3)某12000 t/d生產(chǎn)線分解及熟料煅燒系統(tǒng)熱效率為32.67%，全窯系統(tǒng)熱效率為80.09%。與常規(guī)熱工標(biāo)定相比，全窯系統(tǒng)熱效率模型更能體現(xiàn)系統(tǒng)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(tǒng)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。