魏小林，李慧鑫，李 森，黃俊欽，李 博，陳立新

(1.中國科學院 力學研究所 高溫氣體動力學國家重點實驗室，北京 100190；2.中國科學院大學 工程科學學院，北京 100049； 3.北京漢能清源科技有限公司，北京 100070)

0 引 言

工業(yè)爐窯是工業(yè)生產(chǎn)中的重要熱工設備，其利用燃料或電能轉化產(chǎn)生的熱量，實現(xiàn)物料或工件的冶煉、焙燒、燒結、熔化、加熱等工序，目的是制造或加工出更有利用價值的物料或工件。工業(yè)爐窯是我國的能耗大戶，每年耗能約占全國總能耗的1/4，其中燃煤約70%，其他為氣體、液體燃料或電力等[1]。由于我國工業(yè)爐窯種類多、數(shù)量大，在節(jié)能與環(huán)保等方面技術相對落后，從而造成產(chǎn)品綜合能耗高、環(huán)境污染較嚴重等問題，因此從工業(yè)爐窯流程中的物質流、能量流分析角度入手，研究其節(jié)能原理與技術十分必要。

工業(yè)爐窯的核心工藝是由不同的裝置與工序連接起來的流程組成[2-3]，流程中的物質流是生產(chǎn)的主體，能量流推動物質流進行流動和轉變，兩者各自獨立、變化又相互聯(lián)系、制約[4]。生產(chǎn)中的物料包括原料、燃料、輔材等，不同化學成分的物料在生產(chǎn)流程中定向運動，形成物質流；由燃料、電力等提供的不同形式能源為生產(chǎn)流程的各種物料提供了流動、轉化的動力與熱量，形成能量流。本文以水泥爐窯的能量流和物質流分析為例，研究工業(yè)爐窯的節(jié)能原理，為該行業(yè)提高能效、節(jié)約能源、較少溫室氣體排放及其他污染排放做出貢獻[5]。

水泥爐窯是一種典型的工業(yè)爐窯，截至2019年底，全年水泥和熟料產(chǎn)量分別為23.3億t和15.2億t，每年能耗可達2億t標準煤[6]。水泥爐窯包括熟料生產(chǎn)線和水泥粉磨站等。水泥熟料生產(chǎn)線是水泥工業(yè)的核心裝備，其功能是將石灰石和黏土、鐵質原料等按適當比例配制成生料，燒至部分熔融，并經(jīng)冷卻而獲得的半成品，稱為熟料。一般的硅酸鹽水泥熟料主要礦物組成為硅酸三鈣、硅酸二鈣、鋁酸三鈣和鐵鋁酸四鈣，主要化學成分為氧化鈣、二氧化硅和少量的氧化鋁和氧化鐵[7]。熟料煅燒完成后，在粉磨站加入一定量(20%～40%)的混合材(如礦渣、粉煤灰等)，生產(chǎn)出硅酸鹽水泥。

Sogut等[8]建立數(shù)學模型，對于進出水泥爐窯的能量流進行分析，得到回轉窯和各磨機的能量利用效率，特別是進行了不同裝置的分析，結果表明，不考慮煙氣余熱利用時，爐窯系統(tǒng)的損失為49%。Sui等[9]研究了利用余熱發(fā)電進行水泥生產(chǎn)過程的分析，其結果表明能量效率不能準確表達系統(tǒng)的能量利用率，而效率可準確表達。Atmaca等[10]通過類似的數(shù)學模型分析了水泥爐窯的能量流和流，給出了回轉窯和篦冷機的能量流輸入與輸出份額，同時研究了爐窯高溫壁面的散熱，結果表明爐窯表面的散熱占總能量的11.3%。

在窯頭窯尾煙氣余熱發(fā)電方面，我國的技術較先進，Wang等[11]對于水泥爐窯余熱發(fā)電采用單壓閃蒸、雙壓蒸汽循環(huán)、ORC循環(huán)以及卡琳娜循環(huán)等進行了熱量和分析，結果表明，目前使用較多的雙壓蒸汽循環(huán)熱電轉換效率為24.9%，效率可達40.7%。李福通[12]進行了水泥爐窯系統(tǒng)的能效分析、物料平衡、熱平衡的計算與測試，分析了預熱器、分解爐、回轉窯和篦冷機系統(tǒng)的能耗分布，計算方法來自于國家標準[13]。周元[14]推導了水泥爐窯系統(tǒng)中預熱器、分解爐和回轉窯的質量平衡和熱量平衡方程，得到了爐窯系統(tǒng)中各主要生產(chǎn)參數(shù)間的關系，仿真計算的結果得到了現(xiàn)場數(shù)據(jù)的驗證。

綜上，對于水泥爐窯的物質流與能量流研究主要關注的是預熱器、分解爐、回轉窯和篦冷機系統(tǒng)[15-17]，對于余熱利用單獨進行分析，未考慮原燃材料的干燥系統(tǒng)。本文在此基礎上，建立了一種可適用工業(yè)爐窯物質流與能量流分析的節(jié)點計算模型，研究了包含窯頭余熱鍋爐(AQC爐)、篦冷機、回轉窯、分解爐、五級懸浮預熱器、窯尾余熱鍋爐(SP爐)、生料磨系統(tǒng)等主要裝置的水泥爐窯系統(tǒng)能量流與流分布情況，得到了能量與損失的主要部位，對節(jié)能潛力進行了評估，為水泥爐窯節(jié)能管控技術提供了理論依據(jù)。

1 工藝流程與數(shù)學模型

1.1 工藝流程

對于目前的新型干法水泥熟料生產(chǎn)工藝流程[18]，從窯頭至窯尾，除圖1中的主要裝備外，還包括生料磨、煤磨、高溫風機、窯頭與窯尾引風機、篦冷機風機等主要耗電設備。在熟料生產(chǎn)中，水泥生料經(jīng)窯尾預熱器、分解爐，90%以上的碳酸鈣完成分解，然后進入回轉窯進一步升溫、燒成，生成溫度達1 400 ℃的高溫熟料，從窯頭出來進入篦冷機冷卻至110 ℃左右，輸送至熟料庫；而燃煤煙氣分為兩路，與物料形成逆向流動，首先從窯頭燃燒器進入回轉窯，保持燃燒溫度達1 700 ℃左右，窯頭煙氣與窯尾燃煤煙氣在分解爐里混合，保持溫度在900 ℃左右，分解爐出來的煙氣進入預熱器，預熱生料后的煙氣溫度在300 ℃以上，進入SP爐，SP爐出口的180 ℃煙氣分別進入生料磨和煤磨，干燥物料，降至70 ℃后排放。另外，從篦冷機高溫段出來的高溫空氣(900～1 000 ℃)分兩路，進入窯頭(二次風)和窯尾(三次風)作為煤粉的主要助燃風；而從篦冷機中、低溫段出來的熱空氣(350～400 ℃)進入AQC爐，降溫至110 ℃后排放。圖1中，還給出了可能在水泥爐窯上使用的新技術，包括節(jié)能管控平臺、富氧煅燒、分級燃燒、微細顆粒物與CO2減排等設備[19]。

圖1 新型干法水泥熟料生產(chǎn)線工藝流程Fig.1 Flowchart of new dry process cement clinker production line

1.2 數(shù)學模型

1.2.1流程網(wǎng)絡圖

為了從數(shù)學上描述水泥熟料生產(chǎn)工藝流程的物質流與能量流，借鑒殷瑞鈺院士提出的鋼鐵制造流程工序功能集合的解析思路[2]，采用圖2的流程網(wǎng)絡來描述水泥爐窯，圖中的節(jié)點代表具有不同功能的裝置，連接線是指節(jié)點之間的連接方式，例如管道、物料提升機、輸送帶等。圖2將水泥爐窯的7個主要裝置簡化為7個節(jié)點，節(jié)點間的關系表達了不同裝置之間的聯(lián)系。外圍的框圖將所研究的爐窯系統(tǒng)與外界分割開，進出爐窯系統(tǒng)的物質流及其伴隨的能量流用實線描述。爐窯不同部位由于熱能散失的能量流用虛線描述，計算時并入各附近的節(jié)點。

圖2 水泥爐窯流程網(wǎng)絡Fig.2 Flow network diagram of cement furnace and kiln

表1為進出圖2爐窯系統(tǒng)的主要物質流與能量流情況。

表1 水泥爐窯流程中的主要節(jié)點以及物質流與能量流Table 1 Main nodes in the cement process and the material and energy flow

1.2.2物質流與能量流模型

采用熱力學第一定律來分析水泥熟料生產(chǎn)工藝流程不同裝置間的物質流與能量流關系。

在工業(yè)爐窯物質流分析中，一般將單位目標產(chǎn)品(如每kg水泥熟料產(chǎn)量)的物質流變量作為分析對象，因此定義

(1)

對于某一節(jié)點i，根據(jù)物質守恒，當進出節(jié)點的物質達到平衡時，其物質流將滿足

(2)

式中，min為以每kg熟料為基準進入節(jié)點的物質質量，kg/kg；mex為以每kg熟料為基準離開節(jié)點的物質質量，kg/kg。

進入裝置的物質組分發(fā)生相變或化學反應時，需要考慮組分間的定量關系，因此定義為進入節(jié)點i內(nèi)的n組分物質轉化生成為k組分物質的定量系數(shù)，該系數(shù)由相變平衡或化學反應條件決定，這些系數(shù)是爐窯物質流與能量流匹配的關鍵。因此離開節(jié)點i的k組分物質可由進入節(jié)點i內(nèi)的n組分物質表達為

(3)

式中，rnk為通過相變或化學反應，從n組分轉化生成為k組分的定量系數(shù)，kg/kg。

式(3)給出了離開與進入爐窯物質流之間的內(nèi)在關系，在實際爐窯的物質流與能量流計算中，可用于分析爐窯的物質流與能量流平衡，替代繁復的現(xiàn)場測試。

將式(3)帶入節(jié)點i的物質流平衡方程(2)，得到

(4)

在物質流模型的基礎上，討論能量流模型。當物質流進出節(jié)點i，各組分物質的顯熱將伴隨進出，同時在節(jié)點i內(nèi)若有物質組分發(fā)生相變或化學反應時，將會有相變潛熱或反應熱的變化。

將k種物質的顯熱表達為

Qji,k,S=cp,ji,ktji,kmji,k，

(5)

式中，Qji,k,S為單位目標產(chǎn)品產(chǎn)量(以每kg熟料為基準)對應的k種物質的顯熱，kJ/kg；cp為比熱容，kJ/(kg·K)；t為溫度，K。

由于相變和化學反應從n組分轉化為k組分的物質，其相變潛熱和反應熱為

(6)

式中，Qji,k,LH為單位目標產(chǎn)品產(chǎn)量(即每kg熟料)的k種物質的相變潛熱和反應熱，kJ/kg；L為相變潛熱，kJ/kg；H為化學反應熱，kJ/kg。

根據(jù)能量守恒，對于某一節(jié)點i，當進出節(jié)點的能量達到平衡時，其能量流滿足

(7)

對于包含多個節(jié)點的爐窯系統(tǒng)，可將其作為一個整體，看作一個更大的節(jié)點，以上方程仍然適用，如可以將圖2框圖中的爐窯系統(tǒng)作為一個大節(jié)點進行討論。

為了研究工業(yè)爐窯的能源利用效率和節(jié)能潛力，同時采用熱力學第二定律獲得工藝流程中不同裝置部位的效率。對于進入爐窯的燃料燃燒熱、物料的高溫顯熱等，視為進入爐窯的Exin；對于爐窯產(chǎn)品生成需要的熱量，比如將熟料生成熱、物料干燥熱、鍋爐吸熱等看作為有用的能量(Excl)；對于爐窯壁面的散熱以及離開爐窯氣體攜帶的顯熱Q1，看作為損失的能量，其損[7]表示為

(8)

式中，Exout為單位質量目標產(chǎn)品(以每kg熟料為基準)的損失，kJ/kg；T0為環(huán)境溫度，K；T1為爐窯壁面溫度，K。

Exin=Excl+Exout，

(9)

式中，Excl為節(jié)點爐窯的(以每kg熟料為基準)，kJ/kg。

(10)

1.3 計算條件與參數(shù)

本文以金剛(集團)白山水泥有限公司3 200 t/d水泥熟料生產(chǎn)線為例，對水泥爐窯進行節(jié)能分析。該生產(chǎn)線的熟料產(chǎn)量達3 763 t/d，干燥后的入窯生料量為5 400 t/d，入窯生料水分為1.5%(干燥前、進入生料磨時的水分為5%)，表2為生料、熟料的化學成分分析。

表2 生料、熟料化學成分分析Table 2 Chemical composition analysis of raw meal and clinker

原煤用量為533 t/d，進廠原煤水分為9.40%，干燥后水分為0.87%，表3為干燥后煤粉的工業(yè)分析。爐窯重要節(jié)點的溫度見表4，一次風包括窯頭輸煤風與入窯凈風以及窯尾分解爐輸煤風等，煤粉采用羅茨風機濃相送粉，煤粉耗氣0.4 Nm3/kg，漏風包括窯頭、分解爐、預熱器等漏風，C1出口即為SP爐進口，SP爐出口為生料磨進口，汽輪機蒸汽分為高壓蒸汽(1.3 MPa)和低壓蒸汽(0.18 MPa)。

表3 煤粉的工業(yè)分析Table 3 Proximate analysis of pulverized coal

表4 爐窯各主要節(jié)點的運行參數(shù)Table 4 Operation parameters of main nodes of furnace and kiln

計算時采用自編程序(也可用Aspen-Plus等流程計算軟件)求解物質流和能量流方程組(4)和(7)，得到各節(jié)點的物質流和能量流數(shù)據(jù)。計算時窯頭與窯尾的煤粉量比例取為4∶6，煤粉燃燒需要的理論空氣量估算式[7]為

(11)

煤粉燃燒的過量空氣系數(shù)取為1.03，漏風后的窯尾煙室、分解爐和預熱器過量空氣系數(shù)分別為1.06、1.15和1.24。窯頭與窯尾的總一次風量占總風量的9.33%，其中窯頭一次風量(包括輸煤風、入窯凈風)占總一次風量的60%。

入回轉窯的二次風和入分解爐的三次風均來自于篦冷機的冷卻空氣，占其中的47%，冷卻空氣量為1.7 Nm3/kg，冷卻機漏風率約為2%。除很高溫度的二次風和三次風進入爐窯外，冷卻機的高溫余風(約400 ℃)進入AQC鍋爐，占余風的73%，而低溫余風(約200 ℃)進入除塵器后排放，占余風的27%。

由于現(xiàn)場運行時缺乏煤粉的元素分析數(shù)據(jù)，因此燃燒的理論煙氣量按照煤粉所需空氣量和煤粉可燃成分質量之和確定。另外，也可采用式(12)[7]對理論煙氣量進行校核。

(12)

入窯生料由于碳酸鈣與碳酸鎂的煅燒分解，產(chǎn)生的大量CO2，其中碳酸鎂在預熱器中即完成分解，而碳酸鈣約有95%在分解爐內(nèi)分解，產(chǎn)生的CO2占窯尾C1出口煙氣體積流量的20%，同時煙氣中也包含入窯生料和煤粉中蒸發(fā)的少量水蒸氣。SP爐出口煙氣進入生料磨和煤磨用于干燥物料，使煤的水分從9.40%降至0.87%，生料的水分從5%降至1.5%。

生料在爐窯內(nèi)煅燒生成熟料的形成熱按式(13)[7]估算。

Qcl,f=17.21Acl+27.13Mcl+

32.01Ccl-21.42Scl-2.47Fcl，

(13)

其中，Qcl,f為熟料的形成熱，kJ/kg；A、M、C、S、F分別為熟料中Al2O3、MgO、CaO、SiO2、Fe2O3的質量分數(shù)，%。在煙氣余熱利用方面，SP爐的蒸汽產(chǎn)量為12.4 t/h，AQC爐的高/低壓蒸汽產(chǎn)量分別為16.2/3.4 t/h，余熱電站發(fā)電量為5 700 kW。

2 結果與討論

2.1 計算結果驗證

對于計算結果進行驗證，測試數(shù)據(jù)來源于2017年國家建材工業(yè)水泥能效環(huán)保評價檢驗測試中心的現(xiàn)場測試報告[20]，測試爐窯為金剛(集團)白山水泥有限公司3 200 t/d水泥熟料生產(chǎn)線。表5為爐窯主要運行數(shù)據(jù)的對比，可以看出，模型預測值較可靠。

表5 爐窯主要運行參數(shù)的計算與測試值Table 5 Calculation and test data of main operation parameters of furnace and kiln

2.2 爐窯系統(tǒng)的熱量收支

本文首先計算了包含篦冷機、回轉窯、分解爐、五級懸浮預熱器等4個主要裝置的水泥爐窯系統(tǒng)支出熱量，該系統(tǒng)的4個節(jié)點對應圖2的節(jié)點2～5，此方法與一般水泥爐窯的熱平衡計算區(qū)域一致[13]。在此基礎上，計算的區(qū)域被擴大到包含AQC鍋爐、篦冷機、回轉窯、分解爐、五級懸浮預熱器、SP鍋爐、生料磨系統(tǒng)等7個主要裝置的水泥爐窯系統(tǒng)支出熱量(圖2)。

圖3為爐窯4個節(jié)點系統(tǒng)的收入熱量與支出熱量對比。爐窯系統(tǒng)的熱量收入(黑色柱圖)中，95.3%的熱量來源于煤的燃燒熱(Qf)，其他為原燃材料與空氣的顯熱(Q0)。有效熱量支出(灰色柱圖)中，熟料形成熱(Qcl,f)最大，占總支出熱量的53.38%(相當于1 742 kJ/kg)；由于干燥后的生料與煤中殘余水分占1%～2%，因此干燥后生料和煤粉進入爐窯，蒸發(fā)殘余水分需熱量(Qre,w)1.89%。預熱器出口廢氣顯熱(Qpreh)和冷卻機余風顯熱(Qc)分別占支出熱量的18.86%和12.3%(白色柱圖)，其通過余熱鍋爐和生料、原煤的初始水分干燥過程，將得到進一步利用。其他支出熱量(條紋柱圖)包括：爐窯系統(tǒng)高溫壁面散熱(Qs,lo)，占支出熱量的6.84%(相當于220 kJ/kg)；由于出冷卻機的熟料溫度較高(208 ℃，一般為110 ℃)，因此出口熟料帶走的顯熱(Qcl,out)占總支出熱量的4.86%(相當于159 kJ/kg)；煤粉的未燃盡碳熱損失(Qub)占支出熱量的1.95%(相當于63 kJ/kg)。

圖3 爐窯4個節(jié)點系統(tǒng)的熱量收入與支出對比Fig.3 Comparison of heat income and expense of 4 nodes system of furnace and kiln

圖4為爐窯7個節(jié)點系統(tǒng)的收入熱量與支出熱量對比?？梢姡瑹崃渴杖肱c圖3相同，而有效熱量支出(5個灰色柱圖)中，熟料形成熱占53.5%(相當于1 742 kJ/kg)，窯頭與窯尾的煙氣余熱主要被AQC爐(QAQC,st)和SP爐(QSP,st)所吸收，產(chǎn)生蒸汽，該熱量分別占總支出熱量的9.27%和6.83%；SP爐出口的180 ℃煙氣分別用于干燥生料和原煤的初始水分，該熱量(Qdry)占支出的5.11%；蒸發(fā)殘余水分需熱量(Qre,w)1.89%?？紤]余熱利用和物料干燥后，熱量利用的份額提升到76.6%，明顯高于圖3的結果。

熱量損失(圖4中6個白色柱圖)中，高溫爐壁(Qs,lo)所占的份額最大，占6.75%，具有可利用的潛力；煤粉的未燃盡碳熱損失(Qub)占支出熱量的1.95%；AQC爐(QAQC,lo)和SP爐(QSP,lo)的熱量損失各占3.06%和6.19%，也仍有利用價值；出口熟料帶走的顯熱(Qcl,out)占支出熱量的4.87%，若降低熟料出口溫度，還有進一步下降的可能性。

圖4 爐窯7個節(jié)點系統(tǒng)的熱量收入與支出對比Fig.4 Comparison of heat income and expense of 7 nodes system of furnace and kiln

表6為爐窯主要熱量收支占比較大的節(jié)點計算值與來自于2017年國家建材工業(yè)水泥能效環(huán)保評價檢驗測試中心的現(xiàn)場測試報告的測試值對比，可以看出，基于節(jié)點的物質流與能量流計算模型預測值較可靠。

表6 爐窯主要節(jié)點熱量收支占比的計算與測試值Table 6 Calculation and test data of heat budget in main nodes of furnace and kiln

2.3 爐窯系統(tǒng)的分析

為了從能量的品位角度分析熱量的利用與損失情況，計算了爐窯7個節(jié)點系統(tǒng)的支出對比(圖5)，其中熟料形成熱引起的支出最大，達71%。為了分析對比明顯，圖5僅給出除熟料形成熱支出外的其他支出和損失，可以看出，SP爐(ExSP,st)和AQC爐(ExAQC,st)的支出分別占6.61% 和7.25%，是較大的支出。另外，用于生料磨和煤磨的物料干燥(Exdry)和用于在預熱器中物料殘余水分干燥(Exre,w)的支出分別占2.25%和1.84%?？梢?，這些用于熟料形成熱以及余熱鍋爐吸熱、物料干燥的有效支出占88.95%，因此該爐窯的效率相當高，這是因為隨煙氣溫度降低，其將被貶損。

圖5 爐窯7個節(jié)點系統(tǒng)的收入與支出對比Fig.5 Comparison of exergy income and expense of 7 nodes system of furnace and kiln

2.4 爐窯的節(jié)能潛力評估與技術措施

從節(jié)能技術看，對于回轉窯和三次風管等高溫壁面的散熱，可采用覆蓋輻射換熱器等措施回收熱量，但更佳的方案是采用更先進的保溫技術，減少散熱。另外，對于爐窯高溫段的密封也非常重要，可減少漏風引起的熱損失。對于燃料的未燃盡碳熱損失，可采用富氧燃燒等技術，提高低質煤的燃盡率和火焰著火溫度，實現(xiàn)高效燃燒。

對于SP爐的煙氣熱損失，由于目前還有1/3左右的高溫煙氣熱量未得到有效利用，因此需要在統(tǒng)籌物料干燥的基礎上，盡量使高溫煙氣進入SP爐，產(chǎn)生更多的蒸汽。對于AQC爐出口的110 ℃煙氣，可采用余風再循環(huán)方式，110 ℃煙氣進入蓖冷機的二、三等低溫段，提高冷卻機的余風溫度，可同時實現(xiàn)AQC爐出口煙氣以及冷卻機低溫余風的熱利用。

以上分析主要針對燃煤消耗的能量，未考慮電耗，一般研究的水泥爐窯電耗在60～65 kWh/t(換算為每噸熟料的電耗)。目前，也有一些新技術可減少電耗，針對3 200 t/d的熟料生產(chǎn)線，若采用生料磨采用高效輥壓機可以減少5 kWh/t；采用高效風機以及永磁電機等技術可分別提高效率10%以上，相當于減少電耗10 kWh/t，結合富余蒸汽拖動風機以及節(jié)能管控技術采用新技術后，節(jié)電效果將更顯著，加上余熱電站的發(fā)電量(相當于35～38 kWh/t)，可實現(xiàn)燒成系統(tǒng)零電耗的目標。

3 結 論

本文建立了一種基于節(jié)點法的工業(yè)爐窯物質流與能量流計算模型，可利用節(jié)能管控平臺的監(jiān)測數(shù)據(jù)，比較準確地預測爐窯的物質流與能量流狀況，同時給出爐窯系統(tǒng)不同部位的分析。通過研究包含AQC鍋爐、篦冷機、回轉窯、分解爐、五級懸浮預熱器、SP鍋爐、生料磨系統(tǒng)等主要裝置的典型水泥爐窯系統(tǒng)能量流與流分布，得到能量與損失的主要部位，評估了節(jié)能的潛力。

2)窯頭與窯尾的煙氣余熱主要被AQC爐(QAQC,st)和SP爐(QSP,st)吸收，該熱量分別占總支出熱量的9.27%和6.83%。但AQC和SP鍋爐出口煙氣溫度分別為110 ℃和180 ℃，高于環(huán)境溫度，還有一定的損失。

3)采用更先進的保溫技術，可減少高溫爐壁散熱損失；對于燃料的未燃盡碳熱損失，可采用富氧燃燒等技術，實現(xiàn)高效燃燒；對于煙氣低溫熱損失，可采用余風再循環(huán)，同時實現(xiàn)AQC爐出口煙氣以及冷卻機低溫余風的熱利用。

4)針對水泥廠節(jié)電措施，推薦采用高效輥壓機、高效風機、永磁電機等技術，結合富余蒸汽拖動風機以及節(jié)能管控技術等，可取得顯著的節(jié)電效果。