工業(yè)爐窯物質(zhì)流和能量流匹配的節(jié)能原理分析

魏小林，李慧鑫，李 森，黃俊欽，李 博，陳立新

(1.中國(guó)科學(xué)院 力學(xué)研究所 高溫氣體動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 工程科學(xué)學(xué)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(shè)備，其利用燃料或電能轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的熱量，實(shí)現(xiàn)物料或工件的冶煉、焙燒、燒結(jié)、熔化、加熱等工序，目的是制造或加工出更有利用價(jià)值的物料或工件。工業(yè)爐窯是我國(guó)的能耗大戶，每年耗能約占全國(guó)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(guó)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(shù)相對(duì)落后，從而造成產(chǎn)品綜合能耗高、環(huán)境污染較嚴(yán)重等問(wèn)題，因此從工業(yè)爐窯流程中的物質(zhì)流、能量流分析角度入手，研究其節(jié)能原理與技術(shù)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(lái)的流程組成[2-3]，流程中的物質(zhì)流是生產(chǎn)的主體，能量流推動(dòng)物質(zhì)流進(jìn)行流動(dòng)和轉(zhuǎn)變，兩者各自獨(dú)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(xué)成分的物料在生產(chǎn)流程中定向運(yùn)動(dòng)，形成物質(zhì)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(dòng)、轉(zhuǎn)化的動(dòng)力與熱量，形成能量流。本文以水泥爐窯的能量流和物質(zhì)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(xiàn)[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(dá)2億t標(biāo)準(zhǔn)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(zhì)原料等按適當(dāng)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(xué)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(xué)模型，對(duì)于進(jìn)出水泥爐窯的能量流進(jìn)行分析，得到回轉(zhuǎn)窯和各磨機(jī)的能量利用效率，特別是進(jìn)行了不同裝置的分析，結(jié)果表明，不考慮煙氣余熱利用時(shí)，爐窯系統(tǒng)的損失為49%。Sui等[9]研究了利用余熱發(fā)電進(jìn)行水泥生產(chǎn)過(guò)程的分析，其結(jié)果表明能量效率不能準(zhǔn)確表達(dá)系統(tǒng)的能量利用率，而效率可準(zhǔn)確表達(dá)。Atmaca等[10]通過(guò)類似的數(shù)學(xué)模型分析了水泥爐窯的能量流和流，給出了回轉(zhuǎn)窯和篦冷機(jī)的能量流輸入與輸出份額，同時(shí)研究了爐窯高溫壁面的散熱，結(jié)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(guó)的技術(shù)較先進(jìn)，Wang等[11]對(duì)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(jìn)行了熱量和分析，結(jié)果表明，目前使用較多的雙壓蒸汽循環(huán)熱電轉(zhuǎn)換效率為24.9%，效率可達(dá)40.7%。李福通[12]進(jìn)行了水泥爐窯系統(tǒng)的能效分析、物料平衡、熱平衡的計(jì)算與測(cè)試，分析了預(yù)熱器、分解爐、回轉(zhuǎn)窯和篦冷機(jī)系統(tǒng)的能耗分布，計(jì)算方法來(lái)自于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[13]。周元[14]推導(dǎo)了水泥爐窯系統(tǒng)中預(yù)熱器、分解爐和回轉(zhuǎn)窯的質(zhì)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(guān)系，仿真計(jì)算的結(jié)果得到了現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證。

綜上，對(duì)于水泥爐窯的物質(zhì)流與能量流研究主要關(guān)注的是預(yù)熱器、分解爐、回轉(zhuǎn)窯和篦冷機(jī)系統(tǒng)[15-17]，對(duì)于余熱利用單獨(dú)進(jìn)行分析，未考慮原燃材料的干燥系統(tǒng)。本文在此基礎(chǔ)上，建立了一種可適用工業(yè)爐窯物質(zhì)流與能量流分析的節(jié)點(diǎn)計(jì)算模型，研究了包含窯頭余熱鍋爐(AQC爐)、篦冷機(jī)、回轉(zhuǎn)窯、分解爐、五級(jí)懸浮預(yù)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(duì)節(jié)能潛力進(jìn)行了評(píng)估，為水泥爐窯節(jié)能管控技術(shù)提供了理論依據(jù)。

1 工藝流程與數(shù)學(xué)模型

1.1 工藝流程

對(duì)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(fēng)機(jī)、窯頭與窯尾引風(fēng)機(jī)、篦冷機(jī)風(fēng)機(jī)等主要耗電設(shè)備。在熟料生產(chǎn)中，水泥生料經(jīng)窯尾預(yù)熱器、分解爐，90%以上的碳酸鈣完成分解，然后進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯進(jìn)一步升溫、燒成，生成溫度達(dá)1 400 ℃的高溫熟料，從窯頭出來(lái)進(jìn)入篦冷機(jī)冷卻至110 ℃左右，輸送至熟料庫(kù)；而燃煤煙氣分為兩路，與物料形成逆向流動(dòng)，首先從窯頭燃燒器進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯，保持燃燒溫度達(dá)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(lái)的煙氣進(jìn)入預(yù)熱器，預(yù)熱生料后的煙氣溫度在300 ℃以上，進(jìn)入SP爐，SP爐出口的180 ℃煙氣分別進(jìn)入生料磨和煤磨，干燥物料，降至70 ℃后排放。另外，從篦冷機(jī)高溫段出來(lái)的高溫空氣(900～1 000 ℃)分兩路，進(jìn)入窯頭(二次風(fēng))和窯尾(三次風(fēng))作為煤粉的主要助燃風(fēng)；而從篦冷機(jī)中、低溫段出來(lái)的熱空氣(350～400 ℃)進(jìn)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(shù)，包括節(jié)能管控平臺(tái)、富氧煅燒、分級(jí)燃燒、微細(xì)顆粒物與CO2減排等設(shè)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(xué)模型

1.2.1流程網(wǎng)絡(luò)圖

為了從數(shù)學(xué)上描述水泥熟料生產(chǎn)工藝流程的物質(zhì)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(luò)來(lái)描述水泥爐窯，圖中的節(jié)點(diǎn)代表具有不同功能的裝置，連接線是指節(jié)點(diǎn)之間的連接方式，例如管道、物料提升機(jī)、輸送帶等。圖2將水泥爐窯的7個(gè)主要裝置簡(jiǎn)化為7個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)間的關(guān)系表達(dá)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(jìn)出爐窯系統(tǒng)的物質(zhì)流及其伴隨的能量流用實(shí)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(jì)算時(shí)并入各附近的節(jié)點(diǎn)。

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

表1為進(jìn)出圖2爐窯系統(tǒng)的主要物質(zhì)流與能量流情況。

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

1.2.2物質(zhì)流與能量流模型

采用熱力學(xué)第一定律來(lái)分析水泥熟料生產(chǎn)工藝流程不同裝置間的物質(zhì)流與能量流關(guān)系。

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

(1)

對(duì)于某一節(jié)點(diǎn)i，根據(jù)物質(zhì)守恒，當(dāng)進(jìn)出節(jié)點(diǎn)的物質(zhì)達(dá)到平衡時(shí)，其物質(zhì)流將滿足

(2)

式中，min為以每kg熟料為基準(zhǔn)進(jìn)入節(jié)點(diǎn)的物質(zhì)質(zhì)量，kg/kg；mex為以每kg熟料為基準(zhǔn)離開節(jié)點(diǎn)的物質(zhì)質(zhì)量，kg/kg。

進(jìn)入裝置的物質(zhì)組分發(fā)生相變或化學(xué)反應(yīng)時(shí)，需要考慮組分間的定量關(guān)系，因此定義為進(jìn)入節(jié)點(diǎn)i內(nèi)的n組分物質(zhì)轉(zhuǎn)化生成為k組分物質(zhì)的定量系數(shù)，該系數(shù)由相變平衡或化學(xué)反應(yīng)條件決定，這些系數(shù)是爐窯物質(zhì)流與能量流匹配的關(guān)鍵。因此離開節(jié)點(diǎn)i的k組分物質(zhì)可由進(jìn)入節(jié)點(diǎn)i內(nèi)的n組分物質(zhì)表達(dá)為

(3)

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

式(3)給出了離開與進(jìn)入爐窯物質(zhì)流之間的內(nèi)在關(guān)系，在實(shí)際爐窯的物質(zhì)流與能量流計(jì)算中，可用于分析爐窯的物質(zhì)流與能量流平衡，替代繁復(fù)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。

將式(3)帶入節(jié)點(diǎn)i的物質(zhì)流平衡方程(2)，得到

(4)

在物質(zhì)流模型的基礎(chǔ)上，討論能量流模型。當(dāng)物質(zhì)流進(jìn)出節(jié)點(diǎn)i，各組分物質(zhì)的顯熱將伴隨進(jìn)出，同時(shí)在節(jié)點(diǎn)i內(nèi)若有物質(zhì)組分發(fā)生相變或化學(xué)反應(yīng)時(shí)，將會(huì)有相變潛熱或反應(yīng)熱的變化。

將k種物質(zhì)的顯熱表達(dá)為

Qji,k,S=cp,ji,ktji,kmji,k，

(5)

式中，Qji,k,S為單位目標(biāo)產(chǎn)品產(chǎn)量(以每kg熟料為基準(zhǔn))對(duì)應(yīng)的k種物質(zhì)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(xué)反應(yīng)從n組分轉(zhuǎn)化為k組分的物質(zhì)，其相變潛熱和反應(yīng)熱為

(6)

式中，Qji,k,LH為單位目標(biāo)產(chǎn)品產(chǎn)量(即每kg熟料)的k種物質(zhì)的相變潛熱和反應(yīng)熱，kJ/kg；L為相變潛熱，kJ/kg；H為化學(xué)反應(yīng)熱，kJ/kg。

根據(jù)能量守恒，對(duì)于某一節(jié)點(diǎn)i，當(dāng)進(jìn)出節(jié)點(diǎn)的能量達(dá)到平衡時(shí)，其能量流滿足

(7)

對(duì)于包含多個(gè)節(jié)點(diǎn)的爐窯系統(tǒng)，可將其作為一個(gè)整體，看作一個(gè)更大的節(jié)點(diǎn)，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(gè)大節(jié)點(diǎn)進(jìn)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(shí)采用熱力學(xué)第二定律獲得工藝流程中不同裝置部位的效率。對(duì)于進(jìn)入爐窯的燃料燃燒熱、物料的高溫顯熱等，視為進(jìn)入爐窯的Exin；對(duì)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(duì)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(zhì)量目標(biāo)產(chǎn)品(以每kg熟料為基準(zhǔn))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(diǎn)爐窯的(以每kg熟料為基準(zhǔn))，kJ/kg。

(10)

1.3 計(jì)算條件與參數(shù)

本文以金剛(集團(tuán))白山水泥有限公司3 200 t/d水泥熟料生產(chǎn)線為例，對(duì)水泥爐窯進(jìn)行節(jié)能分析。該生產(chǎn)線的熟料產(chǎn)量達(dá)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(jìn)入生料磨時(shí)的水分為5%)，表2為生料、熟料的化學(xué)成分分析。

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

原煤用量為533 t/d，進(jìn)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(diǎn)的溫度見表4，一次風(fēng)包括窯頭輸煤風(fēng)與入窯凈風(fēng)以及窯尾分解爐輸煤風(fēng)等，煤粉采用羅茨風(fēng)機(jī)濃相送粉，煤粉耗氣0.4 Nm3/kg，漏風(fēng)包括窯頭、分解爐、預(yù)熱器等漏風(fēng)，C1出口即為SP爐進(jìn)口，SP爐出口為生料磨進(jìn)口，汽輪機(jī)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(diǎn)的運(yùn)行參數(shù)Table 4 Operation parameters of main nodes of furnace and kiln

計(jì)算時(shí)采用自編程序(也可用Aspen-Plus等流程計(jì)算軟件)求解物質(zhì)流和能量流方程組(4)和(7)，得到各節(jié)點(diǎn)的物質(zhì)流和能量流數(shù)據(jù)。計(jì)算時(shí)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(guò)量空氣系數(shù)取為1.03，漏風(fēng)后的窯尾煙室、分解爐和預(yù)熱器過(guò)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(fēng)量占總風(fēng)量的9.33%，其中窯頭一次風(fēng)量(包括輸煤風(fēng)、入窯凈風(fēng))占總一次風(fēng)量的60%。

入回轉(zhuǎn)窯的二次風(fēng)和入分解爐的三次風(fēng)均來(lái)自于篦冷機(jī)的冷卻空氣，占其中的47%，冷卻空氣量為1.7 Nm3/kg，冷卻機(jī)漏風(fēng)率約為2%。除很高溫度的二次風(fēng)和三次風(fēng)進(jìn)入爐窯外，冷卻機(jī)的高溫余風(fēng)(約400 ℃)進(jìn)入AQC鍋爐，占余風(fēng)的73%，而低溫余風(fēng)(約200 ℃)進(jìn)入除塵器后排放，占余風(fēng)的27%。

由于現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行時(shí)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(zhì)量之和確定。另外，也可采用式(12)[7]對(duì)理論煙氣量進(jìn)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(yù)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(shí)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(jìn)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(zhì)量分?jǐn)?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(jié)果與討論

2.1 計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證

對(duì)于計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)源于2017年國(guó)家建材工業(yè)水泥能效環(huán)保評(píng)價(jià)檢驗(yàn)測(cè)試中心的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試報(bào)告[20]，測(cè)試爐窯為金剛(集團(tuán))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(yùn)行數(shù)據(jù)的對(duì)比，可以看出，模型預(yù)測(cè)值較可靠。

表5 爐窯主要運(yùn)行參數(shù)的計(jì)算與測(cè)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(jì)算了包含篦冷機(jī)、回轉(zhuǎn)窯、分解爐、五級(jí)懸浮預(yù)熱器等4個(gè)主要裝置的水泥爐窯系統(tǒng)支出熱量，該系統(tǒng)的4個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)圖2的節(jié)點(diǎn)2～5，此方法與一般水泥爐窯的熱平衡計(jì)算區(qū)域一致[13]。在此基礎(chǔ)上，計(jì)算的區(qū)域被擴(kuò)大到包含AQC鍋爐、篦冷機(jī)、回轉(zhuǎn)窯、分解爐、五級(jí)懸浮預(yù)熱器、SP鍋爐、生料磨系統(tǒng)等7個(gè)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(gè)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的收入熱量與支出熱量對(duì)比。爐窯系統(tǒng)的熱量收入(黑色柱圖)中，95.3%的熱量來(lái)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(dāng)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(jìn)入爐窯，蒸發(fā)殘余水分需熱量(Qre,w)1.89%。預(yù)熱器出口廢氣顯熱(Qpreh)和冷卻機(jī)余風(fēng)顯熱(Qc)分別占支出熱量的18.86%和12.3%(白色柱圖)，其通過(guò)余熱鍋爐和生料、原煤的初始水分干燥過(guò)程，將得到進(jìn)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(dāng)于220 kJ/kg)；由于出冷卻機(jī)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(dāng)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(dāng)于63 kJ/kg)。

圖3 爐窯4個(gè)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的熱量收入與支出對(duì)比Fig.3 Comparison of heat income and expense of 4 nodes system of furnace and kiln

圖4為爐窯7個(gè)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的收入熱量與支出熱量對(duì)比?？梢?，熱量收入與圖3相同，而有效熱量支出(5個(gè)灰色柱圖)中，熟料形成熱占53.5%(相當(dāng)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(jié)果。

熱量損失(圖4中6個(gè)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(jià)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(jìn)一步下降的可能性。

圖4 爐窯7個(gè)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的熱量收入與支出對(duì)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(diǎn)計(jì)算值與來(lái)自于2017年國(guó)家建材工業(yè)水泥能效環(huán)保評(píng)價(jià)檢驗(yàn)測(cè)試中心的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試報(bào)告的測(cè)試值對(duì)比，可以看出，基于節(jié)點(diǎn)的物質(zhì)流與能量流計(jì)算模型預(yù)測(cè)值較可靠。

表6 爐窯主要節(jié)點(diǎn)熱量收支占比的計(jì)算與測(cè)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(jì)算了爐窯7個(gè)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的支出對(duì)比(圖5)，其中熟料形成熱引起的支出最大，達(dá)71%。為了分析對(duì)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(yù)熱器中物料殘余水分干燥(Exre,w)的支出分別占2.25%和1.84%。可見，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(dāng)高，這是因?yàn)殡S煙氣溫度降低，其將被貶損。

圖5 爐窯7個(gè)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的收入與支出對(duì)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(píng)估與技術(shù)措施

從節(jié)能技術(shù)看，對(duì)于回轉(zhuǎn)窯和三次風(fēng)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(jìn)的保溫技術(shù)，減少散熱。另外，對(duì)于爐窯高溫段的密封也非常重要，可減少漏風(fēng)引起的熱損失。對(duì)于燃料的未燃盡碳熱損失，可采用富氧燃燒等技術(shù)，提高低質(zhì)煤的燃盡率和火焰著火溫度，實(shí)現(xiàn)高效燃燒。

對(duì)于SP爐的煙氣熱損失，由于目前還有1/3左右的高溫?zé)煔鉄崃课吹玫接行Ю茫虼诵枰诮y(tǒng)籌物料干燥的基礎(chǔ)上，盡量使高溫?zé)煔膺M(jìn)入SP爐，產(chǎn)生更多的蒸汽。對(duì)于AQC爐出口的110 ℃煙氣，可采用余風(fēng)再循環(huán)方式，110 ℃煙氣進(jìn)入蓖冷機(jī)的二、三等低溫段，提高冷卻機(jī)的余風(fēng)溫度，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)AQC爐出口煙氣以及冷卻機(jī)低溫余風(fēng)的熱利用。

以上分析主要針對(duì)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(shù)可減少電耗，針對(duì)3 200 t/d的熟料生產(chǎn)線，若采用生料磨采用高效輥壓機(jī)可以減少5 kWh/t；采用高效風(fēng)機(jī)以及永磁電機(jī)等技術(shù)可分別提高效率10%以上，相當(dāng)于減少電耗10 kWh/t，結(jié)合富余蒸汽拖動(dòng)風(fēng)機(jī)以及節(jié)能管控技術(shù)采用新技術(shù)后，節(jié)電效果將更顯著，加上余熱電站的發(fā)電量(相當(dāng)于35～38 kWh/t)，可實(shí)現(xiàn)燒成系統(tǒng)零電耗的目標(biāo)。

3 結(jié) 論

本文建立了一種基于節(jié)點(diǎn)法的工業(yè)爐窯物質(zhì)流與能量流計(jì)算模型，可利用節(jié)能管控平臺(tái)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，比較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)爐窯的物質(zhì)流與能量流狀況，同時(shí)給出爐窯系統(tǒng)不同部位的分析。通過(guò)研究包含AQC鍋爐、篦冷機(jī)、回轉(zhuǎn)窯、分解爐、五級(jí)懸浮預(yù)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(píng)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(jìn)的保溫技術(shù)，可減少高溫爐壁散熱損失；對(duì)于燃料的未燃盡碳熱損失，可采用富氧燃燒等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高效燃燒；對(duì)于煙氣低溫?zé)釗p失，可采用余風(fēng)再循環(huán)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)AQC爐出口煙氣以及冷卻機(jī)低溫余風(fēng)的熱利用。

4)針對(duì)水泥廠節(jié)電措施，推薦采用高效輥壓機(jī)、高效風(fēng)機(jī)、永磁電機(jī)等技術(shù)，結(jié)合富余蒸汽拖動(dòng)風(fēng)機(jī)以及節(jié)能管控技術(shù)等，可取得顯著的節(jié)電效果。