劉號召
(亞洲仿真控制系統(tǒng)工程有限公司,廣東 珠海519015)
水泥行業(yè)是國民經(jīng)濟的重要基礎性產(chǎn)業(yè),是經(jīng)濟發(fā)展水平和綜合國力的重要標志,在國民經(jīng)濟中占據(jù)重要地位。進入新世紀以來,中國水泥產(chǎn)量一直位居世界首位,全國水泥產(chǎn)量在2014年達到24.8 億噸的高峰點后,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]。如果可以通過數(shù)字方法模擬熟料回轉窯內(nèi)的生產(chǎn)過程、計算窯內(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。
回轉窯是水泥生產(chǎn)線的主要設備,在窯外進行預分解的生料及部分燃料由分解爐(或預熱器)進入窯尾,由于窯體的轉動而充分混合并緩慢向窯頭運動;由窯頭方向加入的燃料與部分熱風則從窯頭流向窯尾,與生料相向運動,對生料進行充分煅燒,完成化學反應主要過程,熟料進入篦冷機機型冷卻,尾部煙氣進入分解爐。
根據(jù)水泥回轉窯的生產(chǎn)過程,模型分為熱量交換模型、化學反應模型及物料傳遞模型,結構如下圖:
物料傳遞模型:根據(jù)質(zhì)量平衡,計算生/熟料、燃料、風及煙氣的質(zhì)量流量以及各種成分組成;
化學反應模型:包括碳酸鹽分解反應、熟料燒結反應、燃料燃燒反應等;
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外界環(huán)境的散熱等。
熟料回轉窯有一定斜度,在生產(chǎn)過程中由電動機帶動回轉窯緩慢轉動,控制物料在窯內(nèi)的傳遞速度,為了保證煅燒時間,生產(chǎn)周期相對較長。針對這種生產(chǎn)特點,模型需要沿回轉窯長度方向虛擬分割為若干單元,在各個單元內(nèi)分別進行計算。根據(jù)建模對象參數(shù)及計算精度需要,單元個數(shù)以50~200為宜,文中設定單元數(shù)為100。
窯內(nèi)物料在回轉窯窯體轉動時靠摩擦力被帶到一定高度,達到物料的運動休止角時,由于物料本身重力作用使其沿料層表面翻滾下來,翻滾下來的物料不會落到原來的點上,而是向回轉窯的較低端移動了一段距離[2]。根據(jù)這個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)物料成分計算各成分流出量。由于風或煙氣流速較快,在各單元內(nèi)可認為是即進即出的,流入流量去掉反應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 為流量計算系數(shù),i 為要的斜度(%),D 為直徑(m),n 為窯體轉速(r/min),L為單元窯體長度(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,物料休止角應發(fā)生相應變化,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)。
單元內(nèi)需要計算的熱量包括Qra(反應生熱或吸熱)、Qmt(物料流進/出熱量)、Qgs(煙氣/風流進出熱量、Qws(窯壁吸熱量),換熱則包括輻射、對流與熱傳導三種傳熱方式,可分別進行計算。
其中,ΔT 為單位時間內(nèi)物料溫度變化量(℃),Δt 為單位時間間隔(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 為對流換熱(kj/s),Qcd 為導熱換熱(kj/s),T1、T2分別為不同物體的溫度(℃)。
燒結反應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)的反應過程。反應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反應進程至關重要。滿足反應溫度條件后,燒結反應進程可以應用金斯特林格方程計算:
其中,α 為反應程度(0~1),h 為反應條件(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進行較快,滿足反應溫度后反應進度由下式計算:
而燃燒過程更加快速劇烈,可認為滿足燃燒條件后反應瞬間完成,放出熱量。
此建模方法可以應用于針對干法水泥生產(chǎn)線的仿真系統(tǒng),用于培訓員工生產(chǎn)技能、比對分析實際水泥生產(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)應用于新峰水泥節(jié)能減排數(shù)字化管控項目、魯南中聯(lián)水泥節(jié)能減排項目等軟件系統(tǒng)中,支持水泥生產(chǎn)優(yōu)化模塊及自動化控制模塊運行。經(jīng)多次試驗標定,(總體)熟料單位標煤耗可降低8~10kg/t,取得了良好的經(jīng)濟效益與社會效益。
不足之處:由于影響因素過多,模型未涉及窯體結皮、熟料結塊及窯皮脫落等異常工況的建模,希望隨著測量技術的發(fā)展回轉窯的建模技術也能不斷完善,完成異常工況下的生產(chǎn)模擬工作。