一種水泥回轉(zhuǎn)窯的建模方法

1、一種水泥回轉(zhuǎn)窯的建模方法企業(yè)提升熟料產(chǎn)品質(zhì)量，避免過燒，降低單位產(chǎn)品耗能提 供分析、決策工具?！?Abstract 】 The paper introduces a modeling method of cement dry rotary kiln ， which can simulate the material transfer ， chemical reaction process and heat exchange in the production process of rotary kiln in a full range ， and calculate the change of

2、 clinker composition and material temperature in the kiln. It provides analysis and decision-making tools for cement production enterprises to improve the quality of clinker products ， avoid overburning and reduce energy consumption of per unit production.【關(guān)鍵詞】熟料回轉(zhuǎn)窯 ; 建模 ; 化學(xué)反應(yīng)進(jìn)程【 Keywords 】 clinker

3、 rotary kiln; modeling;chemical reaction process【中圖分類號】 TQ172.622【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】 A【文章編號】 1673-1069 （ 20_ ） 06-0184-021 引言水泥行業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的重要基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)，是經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和綜合國力的重要標(biāo)志，在國民經(jīng)濟(jì)中占據(jù)重要地位。進(jìn)入新世紀(jì)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20_年達(dá)到24.8 億噸的高峰點后，開始逐年下降，但到 20_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

4、%- 80%1 o如果可以通過數(shù)字方法模擬熟料回轉(zhuǎn)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(zhuǎn)窯工藝簡介回轉(zhuǎn)窯是水泥生產(chǎn)線的主要設(shè)備，在窯外進(jìn)行預(yù)分解的生料及部分燃料由分解爐（或預(yù)熱器）進(jìn)入窯尾，由于窯體的轉(zhuǎn)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(fēng)則從窯頭流向窯尾，與生料相向運動，對生料進(jìn)行充分煅燒，完成化學(xué)反應(yīng)主要過程，熟料進(jìn)入篦冷機(jī)機(jī)型冷卻，尾部煙氣進(jìn)入分解爐。3 模型構(gòu)成根據(jù)水泥回轉(zhuǎn)窯的生產(chǎn)過程，模型分為熱量交換模型、化學(xué)反應(yīng)模型及物料傳遞模型，結(jié)構(gòu)如下圖：物料傳遞模型：根據(jù)質(zhì)量平衡，計算生 /

5、熟料、燃料、風(fēng)及煙氣的質(zhì)量流量以及各種成分組成 ;化學(xué)反應(yīng)模型：包括碳酸鹽分解反應(yīng)、熟料燒結(jié)反應(yīng)、燃料燃燒反應(yīng)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(zhuǎn)窯有一定斜度，在生產(chǎn)過程中由電動機(jī)帶動回轉(zhuǎn)窯緩慢轉(zhuǎn)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(zhuǎn)窯長度方向虛擬分割為若干單元，在各個單元內(nèi)分別進(jìn)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50200為宜，文中設(shè)定單元數(shù)為 100 。4.1 物料僖遞速度計算窯內(nèi)物料在回轉(zhuǎn)窯窯體轉(zhuǎn)動時靠摩擦力被帶到一定高

6、度，達(dá)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(zhuǎn)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(fēng)或煙氣流速較快，在各單元內(nèi)可認(rèn)為是即進(jìn)即出的，流入流量去掉反應(yīng)消耗量加上生成量即為流出流量。Fout = kiDnLM/（ B） 0.5Fout （j ） =Fout , rt （ j ）Fgso = Fgsi - Fras （ k） + Frag（ k）其中， Fout 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（衿，D為直徑（

7、m1 , n為窯體轉(zhuǎn)速（r/min ） , L為單元窯體長度（mj） , M為各單元物料質(zhì)量（kg） , B為物料休止角（o） o根據(jù)物料溫度的變化，物料休止角應(yīng)發(fā)生相應(yīng)變化， Fout （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（。1） , Fgso為單元煙氣流出量（ kg/s ）， Fgsi 為單元煙氣流入量（ kg/s ）， Fras （ 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(yīng)生熱或吸熱）、Qmt （物料流進(jìn)/由熱量）、Qgs

8、（煙氣/風(fēng)流進(jìn)由熱量、Qws（窯壁吸熱量），換熱則包括輻射、對流與熱傳導(dǎo)三種傳熱方式，可分別進(jìn)行計算。A Q=Qra+Qmt+QgsQwsAT=AQ - At/ （M CpmiQts=Qrd+Qcv+Qcd= A （ krd （T14-T24） +（ kcv+kcd ）（ T1-T2 ）其中，AT卷單位時間內(nèi)物料溫度變化量（C） , At為 單位時間間隔（s） , Cpm為物料比熱（kj/ （kg C）, 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(dǎo)熱換熱（kj/s ） , T1、T2分別 為不同物體的溫度（）。

9、4.3 化學(xué)反應(yīng)模型燒結(jié)反應(yīng)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)高溫煨燒最終生成硅酸三鈣（C30、硅酸二鈣（C20、鋁酸三鈣（C3A和鐵鋁酸四鈣（C4AFF的反應(yīng)過 程。反應(yīng)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(yīng)進(jìn)程至關(guān)重要。滿足反應(yīng)溫度條件后，燒結(jié)反應(yīng)進(jìn)程可以應(yīng)用金斯特林格方程計算：其中，a為反應(yīng)程度（01） , h為反應(yīng)條件（01）, cj為物料均化程度（。1） , l為液相量（衿，lmax為液 相量最大值（衿，R為反應(yīng)物顆粒半徑（mm , p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(yīng)進(jìn)行較快，滿足反應(yīng)溫度后反應(yīng)進(jìn)度由下式計算：而燃燒過程更加快速劇烈，可認(rèn)為滿足燃燒條件后反應(yīng)瞬間完成，放出熱量。5 應(yīng)用與不足此建模方法可以應(yīng)用于針對干法水泥生產(chǎn)線的仿真系統(tǒng)，用于培訓(xùn)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(yīng)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