一種水泥回轉窯的建模方法

劉號召

（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。

2 干法回轉窯工藝簡介

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。

3 模型構成

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。

4 建模步驟

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。

4.1 物料傳遞速度計算

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）。

4.2 熱量交換模型

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（℃）。

4.3 化學反應模型

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。

5 應用與不足

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。