預(yù)熱系統(tǒng)塌料鑒定方法及12000t/d生產(chǎn)線應(yīng)用舉例

姚艷飛 陳延信 丁松雄

（1 西安建筑科技大學(xué)，西安 710055；2 阿格德大學(xué)，格里姆斯塔 挪威）

懸浮預(yù)熱系統(tǒng)在水泥熟料生產(chǎn)中的應(yīng)用，使得水泥窯產(chǎn)量明顯增高，各種消耗相應(yīng)減少，水泥工業(yè)生產(chǎn)達到一個新的階段[1]。得益于以上優(yōu)勢，以懸浮預(yù)熱為主要特點的新型干法水泥生產(chǎn)工藝成為當(dāng)前應(yīng)用最廣的水泥工藝[2-4]。

水泥懸浮預(yù)熱系統(tǒng)通常由3 至5 級旋風(fēng)筒組成[5]，根據(jù)生產(chǎn)規(guī)模采用單列或雙列。單體旋風(fēng)筒由旋風(fēng)筒本體和進口的換熱管道組成，每級旋風(fēng)筒進口管道與下級旋風(fēng)筒的出口管道相連。物料在旋風(fēng)筒換熱管道處喂入，與下級旋風(fēng)筒出口熱煙氣進行熱交換，并隨煙氣進入本級旋風(fēng)筒中。如物料未能被熱煙氣攜帶，塌落至下級旋風(fēng)筒中，稱之為塌料（圖1）。一旦預(yù)熱系統(tǒng)發(fā)生“塌料”現(xiàn)象，輕則影響系統(tǒng)穩(wěn)定性，造成熱耗增加；重則影響生料分解率，降低熟料質(zhì)量；更甚者造成預(yù)熱系統(tǒng)堵料，迫使系統(tǒng)停機；個別企業(yè)甚至因塌料造成窯頭沖料，引發(fā)安全事故。

圖1 Cn+1至Cn換熱管道塌料示意圖Fig.1 Diagram of material collapse in the tube from Cn+1 outlet to Cn inlet

當(dāng)前，對于“塌料”問題的研究，多集中在水泥生產(chǎn)一線：佟立金[6]和劉青元[7]等分別對2300t/d 和4500t/d 生產(chǎn)線分解爐塌料的原因進行分析，并進行針對改造，解決了塌料問題；趙曉東[8]對塌料引起系統(tǒng)堵塞后的處理方法進行了介紹。以上分析多依賴于水泥生產(chǎn)一線技術(shù)人員個人經(jīng)驗，主觀性較強，且由于各生產(chǎn)線生產(chǎn)規(guī)模、設(shè)備選型、塌料位置及塌料程度等情況各有不同，難以形成具有普適性的鑒定及處理塌料的辦法。長春理工大學(xué)劉生瑞[9]針對窯外分解系統(tǒng)的塌料現(xiàn)象，從燃料、生料、操作、設(shè)備等諸多方面系統(tǒng)分析了塌料成因，提出緩解乃至消除塌料現(xiàn)象的途徑，但關(guān)于如何鑒定塌料未進行研究。

鑒于以上，本論文利用熱工分析方法，得到某12000t/d 生產(chǎn)線預(yù)熱系統(tǒng)理論溫度、壓力分布規(guī)律；隨后對DCS 信號數(shù)據(jù)進行時域分析，得到預(yù)熱系統(tǒng)溫度、壓力平均值及方差等，掌握塌料時溫度、壓力信號特征；同時利用功率譜密度分析等，得出塌料周期和塌料量，為鑒定塌料現(xiàn)象提供了一種科學(xué)方法。

1 12000t/d 生產(chǎn)線基本情況

該12000t/d 生產(chǎn)線采用POLYSIUS 雙系列五級旋風(fēng)預(yù)熱器+分解爐，回轉(zhuǎn)窯規(guī)格Φ6.2/7.2×96m，篦冷機采用IKN 第四代篦冷機，設(shè)計產(chǎn)能12000t/d。

2 預(yù)熱系統(tǒng)溫度、壓力分布規(guī)律理論分析

2.1 理論溫度分布

2.1.1 溫度分布模型建立

該12000t/d 生產(chǎn)線采用五級預(yù)熱系統(tǒng)，考慮到C5 旋風(fēng)筒內(nèi)基本無氣固換熱發(fā)生，其出口溫度基本由分解爐出口決定，本研究只對其C1、C2、C3和C4四級旋風(fēng)筒進行分析。

熱工標(biāo)定得該生產(chǎn)線預(yù)熱系統(tǒng)內(nèi)基本無漏風(fēng)，可認(rèn)為進入各旋風(fēng)筒煙氣量相同。由質(zhì)量平衡可知，進入各旋風(fēng)筒物料與飛灰的質(zhì)量之和等于該筒排出物料與飛灰的質(zhì)量之和。對于第i 級旋風(fēng)筒Ci，可得：

Mi-1+Ai+1+Q=Mi+Ai+Q

式中：Mi——旋風(fēng)筒Ci的出口物料質(zhì)量，kg；

Ai——出旋風(fēng)筒C 煙氣中攜帶的飛灰質(zhì)量，kg；

Q——入預(yù)熱系統(tǒng)煙氣質(zhì)量，kg；

圖2 單級旋風(fēng)筒質(zhì)量平衡示意圖Figure 2 Mass balance diagram of single stage cyclone

Ci旋風(fēng)筒分離效率為ηi時，有：

Ai=Mi/(1-ηi)* ηi

系統(tǒng)喂料量G0和各級分離效率ηi已知時，可計算得到各級出口飛灰及物料質(zhì)量。

由熱量平衡可知：入各級旋風(fēng)筒煙氣與煙氣中攜帶飛灰所放出的熱量之和，等于入該級旋風(fēng)筒物料所吸收的熱量。對于第i 級旋風(fēng)筒Ci，可得：

QCQi+1TQi+1+Mi-1CMi-1TMi-1+Ai+1CAi+1TAi+1=QCQiTQi+MiCMiTMi+AiCAiTAi

式中：Cj——物料或氣體比熱，kJ/(kg℃)；

Tj——物料或氣體溫度，℃。

以此類推，可得到預(yù)熱系統(tǒng)所有旋風(fēng)筒質(zhì)量和熱量平衡式。

2.1.2 溫度分析假定

分析時，以1kg 熟料、環(huán)境溫度20℃為計算基準(zhǔn)，參考生產(chǎn)線實際情況，假定以下內(nèi)容：

1）預(yù)熱系統(tǒng)各部位散熱量相同，均為收入熱量的5%；

2）入預(yù)熱系統(tǒng)生料干基質(zhì)量M0=1.6000kg，所含水分m0=0.0037kg；

3）入預(yù)熱系統(tǒng)煙氣質(zhì)量G0=1.9000kg，煙氣中攜帶飛灰質(zhì)量A0=0.2000kg，兩者溫度均為T0=860℃；

4）分離效率η1～η4分別為95%、85%、85%、85%；

5）生料水分脫除在C1 內(nèi)完成，碳酸鎂分解在C3 內(nèi)完成，預(yù)熱系統(tǒng)內(nèi)無其他化學(xué)反應(yīng)發(fā)生。

6）對于運行正常的旋風(fēng)筒，其換熱管道內(nèi)氣固換熱充分，出旋風(fēng)筒的物料和煙氣溫度可認(rèn)為相同，即：TQi=TMi=TAi=Ti。

2.1.3 物質(zhì)比熱容線性回歸

考慮到物質(zhì)比熱隨溫度及成分的不同會發(fā)生變化，本論文研究利用已有的比熱數(shù)據(jù)，采用回歸方法，得到物質(zhì)比熱與溫度及成分的計算式，具體方法如下：

1）利用回歸方法得到各單組分比熱；

2）對預(yù)熱系統(tǒng)各位置氣體和生料成分進行分析，得到其組分及含量；

3）根據(jù)各物質(zhì)成分，將各單組分比熱進行算術(shù)加權(quán)相加。

下表列舉了入預(yù)熱系統(tǒng)生料比熱的計算過程，得出60℃時，入窯生料的比熱為0.8406kJ/kg·°C。

表1 60 ℃時入預(yù)熱系統(tǒng)生料比熱容Table 1 Specific heat capacity of raw material at 60 °C

2.1.4 理論溫度分布計算

建立C1、C2、C3和C4熱量平衡方程組，其中包含T1、T2、T3、T4四個未知數(shù)，方程組可求解。得到預(yù)熱系統(tǒng)各單元物料收支及溫度分布分別見表2和表3。

表2 預(yù)熱系統(tǒng)物料收支平衡表/kg

表3 預(yù)熱系統(tǒng)各級溫度分布/℃

3 預(yù)熱系統(tǒng)壓力分布理論模型

旋風(fēng)預(yù)熱器阻力損失大小主要取決于旋風(fēng)筒結(jié)構(gòu)參數(shù)(結(jié)構(gòu)形式、內(nèi)部結(jié)構(gòu)等)和操作參數(shù)(處理風(fēng)量、料粉濃度和溫度壓力等)。關(guān)于其數(shù)學(xué)計算模型，大量學(xué)者在轉(zhuǎn)圈理論、篩分理論及邊界層理論等的指導(dǎo)下，開展了眾多研究。本研究采用巴特（Barth）理論計算式[10-11]：

其中：

式中：(Δp)q——旋風(fēng)筒總阻力損失，Pa；

ξ——旋風(fēng)筒總阻力損失系數(shù)；

ξj——斷面j-j 到n-n 的阻力損失系數(shù)，即有效能阻力損失系數(shù)；

ξn——斷面n-n 到m-m 的阻力損失系數(shù)，即純消耗性阻力損失系數(shù)。

Un——n-n 斷面處的切向速度，m/s；

aj——旋風(fēng)筒進口截面積，m2；

vj——旋風(fēng)筒進口氣流速度，m/s；

n——渦旋指數(shù)，理想流體為1.0，實際流體為0.5～0.9；

ρ——流體密度，kg/m3；

vn——內(nèi)渦旋氣柱軸向速度，m/s；

Q——流量，m3；

h——旋風(fēng)筒總高度，m；

rn——內(nèi)筒半徑，m；

rw——旋風(fēng)筒半徑，m；

f — — 邊壁摩擦阻力系數(shù)，由穆舍爾克納茲公式確定，

m——粉塵氣體的固氣比，m=mk/mt；

計算得，該12000t/d 生產(chǎn)線預(yù)熱系統(tǒng)各級壓力損失如下表所示：

表4 預(yù)熱系統(tǒng)壓力損失計算結(jié)果

表5 預(yù)熱系統(tǒng)各級出口壓力

4 預(yù)熱系統(tǒng)DCS 數(shù)據(jù)分析

對預(yù)熱系統(tǒng)DCS 數(shù)據(jù)進行實時采集，采樣頻率為0.2Hz。得到系統(tǒng)投料量、高溫風(fēng)機風(fēng)量等參數(shù)不變，C5 出口溫度穩(wěn)定在860℃時預(yù)熱系統(tǒng)溫度、壓力數(shù)據(jù)如下圖所示。

圖3 預(yù)熱系統(tǒng)各級出口溫度隨時間變化曲線Figure 3 Time-varying Curve of Temperature of Cyclone Outlets

圖4 預(yù)熱系統(tǒng)各級出口壓力隨時間變化曲線Figure 4 Time-varying Curve of Pressure of Cyclone Outlets

4.1 溫度壓力信號時域分析

所采集DCS 數(shù)據(jù)為溫度和壓力的時間序列信號，可以將其當(dāng)作具有不隨時間改變特征的平穩(wěn)并滿足各態(tài)歷經(jīng)假說的隨機信號處理。文章采用均值和均方差偏根作為時域統(tǒng)計量[12]，其定義式分別如下：

其中，——樣本均值，n——樣本總數(shù)，σ——均方差偏根。

溫度和壓力信號的均值和方差計算結(jié)果如表6及表7所示。

表6 預(yù)熱系統(tǒng)出口溫度均值及方差

表7 預(yù)熱系統(tǒng)出口壓力均值及方差

根據(jù)DCS 數(shù)據(jù)計算結(jié)果，C3～C1 出口溫度高于理論計算值，C4 出口溫度低于理論計算值，C4～C3 單元溫差實際僅為57.44℃；同時C4 出口溫度和壓力的方差值分別達到70.13 和4833.80，明顯高于其他單元，即C4 出口溫度和壓力信號波動大于其他單元。

4.2 溫度壓力信號功率譜密度分析

通常可采用功率譜密度函數(shù)對壓強時間序列信號進行頻域分析。處理方法有直接法和間接法兩種[13]，本研究中采用直接法，即對原始信號作快速傅立葉變換算法(FFT)，進而求得信號功率譜密度函數(shù)。

時間序列信號x(t)的傅立葉變換式如下[14][15][16]：

功率譜密度函數(shù)s(f)定義為：

若時間序列信號為離散信號，則信號x(t)的傅立葉變換式形式如下：

X(k)——信號x(t)的頻譜，表征了信號中不同諧波分量所占的比重。則相應(yīng)的離散功率譜密度函數(shù)為：

以上分析采用matlab 軟件進行，得到的預(yù)熱系統(tǒng)溫度及壓力譜密度圖譜如下圖所示：

圖5 溫度信號譜密度圖Fig.5 Spectrum density diagram of temperature signal

圖6 壓力信號譜密度圖Figure 6 Spectral density diagram of pressure signal

根據(jù)譜密度圖，C4 出口溫度和壓力信號在0.05453Hz 處幅值均明顯高于其他預(yù)熱單元；即在0.05453Hz 處，C4 出口溫度和壓力信號存在干擾信號，此干擾信號的周期為18.34s。

5 預(yù)熱系統(tǒng)工況分析

根據(jù)理論計算及對DCS 數(shù)據(jù)的時域和功率譜密度分析，C4 出口實際溫度低于理論計算值，C3 出口溫度高于理論計算值；同時C4 出口溫度和壓力信號存在周期為18.34s 的干擾信號，造成其溫度和壓力信號波動較大，方差明顯高于其余預(yù)熱單元。

綜合以上，判斷該12000t/d 生產(chǎn)線C4～C3 換熱管存在塌料現(xiàn)象。部分C2 出口物料經(jīng)C4 出風(fēng)管道、C4 內(nèi)筒塌落至C4 旋風(fēng)筒內(nèi)，造成入C4 物料量增多；由于入C4 風(fēng)量和風(fēng)溫基本不變，根據(jù)熱量守恒，必然造成出C4 物料和煙氣溫度降低。將C4 和C3 看成一個整體進行分析：正常工況下，物料在C3 及C4 入口換熱管分別進行兩次換熱；發(fā)生塌料時，部分物料直接進入C4，換熱次數(shù)減少至一次，根據(jù)氣固換熱理論，換熱次數(shù)減少，必然造成出C3 煙氣的溫度升高。對于C2，入口風(fēng)溫升高，風(fēng)量和物料量不變，出口風(fēng)溫必然升高；同理，C1 出風(fēng)溫亦升高。

5.1 塌料原因分析

熱工標(biāo)定得C4 出口工況風(fēng)量為1109742m3/h，根據(jù)設(shè)備尺寸（C4 出口風(fēng)管有效內(nèi)徑5.68m，C4 內(nèi)筒有效內(nèi)徑4.68m，兩者通過縮口過渡），計算得C4 出口風(fēng)管風(fēng)速為17.92m/s，C4 內(nèi)筒內(nèi)風(fēng)速12.16m/s。

C3 物料進入C4～C3 換熱管時，在慣性力作用下逆氣流加速下落，受煙氣給與的向上的懸浮力作用，物料下降速度逐漸變慢并最終隨氣流向上運動。當(dāng)前C3 下料點至C4 內(nèi)筒距離較短，物料到達C4 內(nèi)筒位置時仍處在下落階段，但由于內(nèi)筒處風(fēng)速突然降低，煙氣所給予的懸浮力變小，部分物料無法克服向下的慣性力，造成塌料。

5.2 C4～C3 換熱管塌料量分析

假定塌料量占到正常C2下料總量的比例為A，此時進入C3的物料量為（1-A）*M2，進入C4 的物料分為兩部分：C3 下料量M3及C2 塌料量A*M2，按照2.1.1 中辦法重新建立塌料時質(zhì)量和熱量平衡組，得到C4～C3 換熱管塌料時預(yù)熱系統(tǒng)各級物料收支和出口溫度分布。

依次改變塌料量A，得到不同塌料量時預(yù)熱系統(tǒng)的溫度分布，得出塌料量70%左右時，預(yù)熱系統(tǒng)各級溫度分布與大數(shù)據(jù)計算平均值較為接近，具體如下表所示。

表8 預(yù)熱系統(tǒng)各級溫度分布/℃

塌料量70%時，預(yù)熱系統(tǒng)各級物料收支如下表所示：

表9 預(yù)熱系統(tǒng)物料收支平衡表/kg

6 小結(jié)

文章將理論計算和大數(shù)據(jù)分析結(jié)合，提供了一種分析預(yù)熱系統(tǒng)塌料現(xiàn)象的科學(xué)方法，并在12000t/d 生產(chǎn)線上開展應(yīng)用，判斷出其C4～C3 換熱管位置存在塌料，塌料周期為18.34s，塌料量占到C3 正常下料量的70%。具體如下：

1.利用熱力學(xué)知識及巴特（Barth）理論計算式，得到12000t/d 生產(chǎn)線預(yù)熱系統(tǒng)理論溫度和壓力分布，當(dāng)C5 出口煙氣溫度860℃時，C4 出口溫度為730.3℃，C3 出口溫度為592.2℃，兩者溫差為129.7℃；

2.采用平均值和方差作為時域統(tǒng)計量，對DCS 溫度、壓力信號數(shù)據(jù)進行時域分析，得出生產(chǎn)線C4 出口溫度低于理論值，C3～C1 溫度低于理論值；同時C4 出口溫度及壓力信號方差顯著高于其他單元，證明C4 出口溫度及壓力信號存在異常波動；

3.功率譜密度分析得出C4 出口溫度和壓力信號在0.05453Hz 處有顯著干擾信號，此干擾信號因塌料產(chǎn)生，塌料周期為18.34s;

4.結(jié)合設(shè)計參數(shù)，判斷塌料的原因在于C3 下料點至C4 內(nèi)筒距離較短，且C4內(nèi)筒處風(fēng)速較低，物料到達C4 內(nèi)筒位置時無法克服向下的慣性力，產(chǎn)生塌料?！?/p>