工業(yè)爐窯物質(zhì)流和能量流匹配節(jié)能原理分析

工業(yè)爐窯物質(zhì)流和能量流匹配節(jié)能原理分析目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"編者按1\o"CurrentDocument"摘要1\o"CurrentDocument".工藝流程與數(shù)學(xué)模型2\o"CurrentDocument".結(jié)果與討論3\o"CurrentDocument"2.1.計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證3\o"CurrentDocument"2.2.爐窯系統(tǒng)的熱量收支3\o"CurrentDocument"2.3.爐窯系統(tǒng)的蟒分析4\o"CurrentDocument"2.4.爐窯的節(jié)能潛力評(píng)估與技術(shù)措施4\o"CurrentDocument".工業(yè)爐窯高能效低排放關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)與工業(yè)示范5\o"CurrentDocument".結(jié)論9編者按工業(yè)爐窯是我國的能耗大戶，每年耗能約占全國總能耗的1/4,其中燃煤約70%,其他為氣體、液體燃料或電力等。由于我國工業(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。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)，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)能量流與媚流分布情況，得到了能量與爆損失的主要部位，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)。摘要工業(yè)爐窯是我國的能耗大戶，每年耗能約占全國總能耗的1/4。在能源日益緊缺、環(huán)境污染嚴(yán)重的今天，工業(yè)爐窯節(jié)能減排工作十分緊迫。工業(yè)爐窯的生產(chǎn)是不同設(shè)備、不同工序協(xié)同生產(chǎn)的一個(gè)過程，包含物質(zhì)與能量在各個(gè)系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換與轉(zhuǎn)移，因此工業(yè)爐窯的物質(zhì)流和能量流分析是爐窯實(shí)現(xiàn)高能效和低排放的基礎(chǔ)。一般的方法主要從爐窯的產(chǎn)品用能或余第1頁共10頁磨系統(tǒng)等主要裝置的典型水泥爐窯系統(tǒng)能量流與煙流分布，得到能量與爆損失的主要部位，評(píng)估了節(jié)能的潛力。1)高溫爐壁散熱引起的熱量損失最大，達(dá)6.84%,其爆損達(dá)4.17%；煤粉的未燃盡碳熱損失相對(duì)較大，達(dá)1.95%,煙損失達(dá)2.59%,這2項(xiàng)均屬于高溫能源浪費(fèi)，具有較大的節(jié)約潛力。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和180℃,高于環(huán)境溫度，還有一定的煙損失。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，推薦采用高效輻壓機(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。第10頁共10頁熱利用角度來分析，未將工業(yè)爐窯作為一個(gè)系統(tǒng)，整體來考察物質(zhì)流和能量流狀況?；诠?jié)點(diǎn)計(jì)算法，從工業(yè)爐窯整體系統(tǒng)出發(fā)，建立一種工業(yè)爐窯物質(zhì)流與能量流匹配的數(shù)學(xué)模型，獲得了典型工業(yè)爐窯不同部位的能量收支情況；同時(shí)采用熱力學(xué)第二定律的煙分析方法研究爐窯系統(tǒng)的煙損失，明確了爐窯節(jié)能的重點(diǎn)部位。采用該方法開展了3200t/d典型水泥爐窯的物質(zhì)流和能量流分析計(jì)算，結(jié)果說明，水泥爐窯的熱量損失主要包含高溫?fù)p失與低溫?fù)p失，其中高溫?fù)p失主要是爐窯壁面散熱損失與煤粉未燃盡的碳熱損失，分別占6.84%與1.95%,煙損失分別為4.17%與2.59%,有較大的節(jié)能潛力；低溫?zé)釗p失包含煙道尾部煙氣的排煙熱損失、出冷卻機(jī)熟料帶出的顯熱等，AQC爐和SP爐的熱量損失各占3.06%和6.19%,燒損失分別為1.26%和1.45%,仍有利用價(jià)值。針對(duì)高溫和低溫?zé)崃繐p失的不同原因，對(duì)于爐窯的節(jié)能潛力進(jìn)行了評(píng)估，提出采用先進(jìn)保溫、富氧煨燒、低溫余熱再利用等新技術(shù)，可進(jìn)一步降低爐窯的煤耗；此外，也推薦了減少設(shè)備電耗的新技術(shù)，如采用高效風(fēng)機(jī)以及永磁電機(jī)等，結(jié)合富余蒸汽拖動(dòng)風(fēng)機(jī)以及節(jié)能管控等技術(shù)，有望實(shí)現(xiàn)熟料燒成系統(tǒng)零電耗的目標(biāo)。.工藝流程與數(shù)學(xué)模型對(duì)于目前的新型干法水泥熟料生產(chǎn)工藝流程，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。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)、富氧煨燒、分級(jí)燃燒、微細(xì)顆粒物與CO2減排等設(shè)備。圖1新型干法水泥熟料生產(chǎn)線工藝流程為了從數(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，借鑒殷瑞鉉院士提出的鋼鐵制造流程工序功能集合的解析思路，采用圖2的流程網(wǎng)絡(luò)來描述水泥爐窯，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。圖2將水泥爐窯的7個(gè)主要裝置簡化為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)第2頁共10頁.結(jié)果與討論計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，測(cè)試數(shù)據(jù)來源于2017年國家建材工業(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，測(cè)試爐窯為金剛(集團(tuán))白山水泥3200t/d水泥熟料生產(chǎn)線。可以看出模型預(yù)測(cè)值較可靠。2.2.爐窯系統(tǒng)的熱量收支首先計(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。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)o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比照。爐窯系統(tǒng)的熱量收入(黑色柱圖)中，95.3%的熱量來源于煤的燃燒熱(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1742kJ/kg)；由于干燥后的生料與煤中剩余水分占1%?2%,因此干燥后生料和煤粉進(jìn)入爐窯，蒸發(fā)剩余水分需熱量(Qre,w)1.89%o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)，其通過余熱鍋爐和生料、原煤的初始水分干燥過程，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,Io),占支出熱量的6.84%(相當(dāng)于220kJ/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(QcLout)占總支出熱量的4.86%(相當(dāng)于159kJ/kg)；煤粉的未燃盡碳熱損失(Qub)占支出熱量的1.95%(相當(dāng)于63kJ/kg)o圖3爐窯4個(gè)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的熱量收入與支出比照?qǐng)D4為爐窯7個(gè)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的收入熱量與支出熱量比照?？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1742kJ/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)剩余水分需熱量(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。第3頁共10頁熱量損失(圖4中6個(gè)白色柱圖)中，高溫爐壁(Qs,Io)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,Io)和SP爐(QSP,Io)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%,假設(shè)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)的熱量收入與支出比照基于2017年國家建材工業(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。2.3.爐窯系統(tǒng)的煙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)的煙支出比照(圖5),其中熟料形成熱引起的煙支出最大，達(dá)71%。為了分析比照明顯，圖5僅給出除熟料形成熱支出煙外的其他煙支出和媚損失，可以看出，SP爐(ExSP,st)和AQC爐(ExAQC,st)的燒支出分別占6.61%和7.25%,是較大的煙支出。另外，用于生料磨和煤磨的物料干燥(Exdry)和用于在預(yù)熱器中物料剩余水分干燥(Exre,w)的煙支出分別占2.25%和1.84%0可見，這些用于熟料形成熱以及余熱鍋爐吸熱、物料干燥的有效煙支出占88.95%,因此該爐窯的煙效率相當(dāng)高，這是因?yàn)殡S煙氣溫度降低，其煙將被貶損。圖5還給出了爐窯7個(gè)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的爆損失，主要的損失來自于爐窯高溫壁面散熱(Exs,⑹和燃料的不完全燃燒(Exubc),分別占煙損失的4.17%和2.59%；出冷卻機(jī)熟料的剩余煙(Excl,out)占1.32%；SP爐(ExSP,I。)的其他煙氣(溫度180℃)以及AQC爐(ExAQC,⑹出口煙氣(溫度110℃)還有一定的煙損失，分別為1.45%和1.26%。從節(jié)能角度從發(fā)，這些損失都有可利用的價(jià)值，目前水泥爐窯節(jié)能需加以重視。圖5爐窯7個(gè)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的煙收入與支出比照2.4.爐窯的節(jié)能潛力評(píng)估與技術(shù)措施從爐窯系統(tǒng)的煙分析可見，高溫爐壁散熱引起的煙損失最大，相當(dāng)于浪費(fèi)了220kJ/kg的熱量。另外，由于煤粉的未燃盡碳熱損失為63kJ/kg,這2項(xiàng)的熱損失假設(shè)換算為每噸熟料的標(biāo)準(zhǔn)煤熱量，那么相當(dāng)于約9.7kg/t。由于這2項(xiàng)煙損失屬于爐窯系統(tǒng)的高溫?fù)p失，因此是爐窯系統(tǒng)節(jié)能的重點(diǎn)。在低溫余熱方面，由于出冷卻機(jī)熟料的溫度過高，其熱量還可通過加大冷卻機(jī)送風(fēng)，增加利用約50%,即有79kJ/kg的熟料顯熱；對(duì)于SP爐出口的180C煙氣，除用于物料干燥外，仍有51kJ/kg的煙氣余熱可以利用；對(duì)于冷卻機(jī)低溫余風(fēng)(208℃),也有69kJ/kg第4頁共10頁的顯熱，這些低溫余熱（換算為每噸熟料的標(biāo)準(zhǔn)煤熱量）相當(dāng)于6.8kg/t。假設(shè)在實(shí)際工程中能夠使得高溫與低溫余熱得到有效利用，可減少煤耗5kg/t以上。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?，因此需要在統(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110C煙氣，可采用余風(fēng)再循環(huán)方式，煙氣進(jìn)入篦冷機(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?65kWh/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)3200t/d的熟料生產(chǎn)線，假設(shè)采用生料磨采用高效輻壓機(jī)可以減少5kWh/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10kWh/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?38kWh/t）,可實(shí)現(xiàn)燒成系統(tǒng)零電耗的目標(biāo)。3.工業(yè)爐窯高能效低排放關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)與工業(yè)示范工業(yè)爐窯是冶金、建材、陶瓷、化工、石化等流程工業(yè)中至關(guān)重要的用能裝備，其能耗中煤炭占70%,屬于化石能源消耗和環(huán)境污染的主要源頭。我國使用的傳統(tǒng)工業(yè)爐窯存在高能耗、高污染等特點(diǎn)，資源浪費(fèi)和環(huán)境污染問題嚴(yán)峻。2019年7月，生態(tài)環(huán)境部等五部委聯(lián)合發(fā)布《工業(yè)爐窯大氣污染綜合治理方案》，要求到2020年，完善工業(yè)爐窯大氣污染綜合治理管理體系，推進(jìn)工業(yè)爐窯全面達(dá)標(biāo)排放。江蘇、山東等東部大省公布了工業(yè)爐窯超低排放的指標(biāo)要求，工業(yè)爐窯潔凈燃燒與超低排放的技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用迫在眉睫。水泥爐窯屬于典型的工業(yè)爐窯，其工藝過程包含多個(gè)環(huán)節(jié)，十分復(fù)雜。近日，力學(xué)所高溫氣體動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室高效潔凈燃燒課題組提煉出工業(yè)爐窯的四項(xiàng)核心共性關(guān)鍵技術(shù)，包括：工業(yè)爐窯多工藝目標(biāo)物質(zhì)流與能量流匹配節(jié)能、富氧燃燒及燃燒優(yōu)化調(diào)控、分解燃燒與SNCR優(yōu)化控制技術(shù)以及微細(xì)顆粒物排放與資源化利用等。并將研發(fā)成功的關(guān)鍵技術(shù)在典型的水泥爐窯上進(jìn)行工業(yè)示范，為我國工業(yè)爐窯高能效低排放技術(shù)應(yīng)用提供技術(shù)途徑和支撐。第5頁共10頁

自2016年開始，課題組對(duì)工業(yè)爐窯高能效低排放關(guān)鍵技術(shù)開展基礎(chǔ)理論研究、關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)和工程技術(shù)集成，深入研發(fā)工業(yè)爐窯原料物流、燃燒能流與余熱利用精準(zhǔn)匹配的節(jié)能方法及管控技術(shù)，建立工業(yè)爐窯能量流優(yōu)化重組的節(jié)能管控平臺(tái)；研究工業(yè)爐窯原料和工況波動(dòng)條件下的富氧燃燒技術(shù)；提出分級(jí)燃燒、煤粉氣化與SNCR相結(jié)合以及催化燃燒等方法降低NO*、SOx以及CO排放；探索兼顧煙氣溫降、顆粒物高效脫除系統(tǒng)的優(yōu)化途徑。將節(jié)能管控、富氧煨燒、分級(jí)燃燒以及顆粒物別離等節(jié)能減排共性關(guān)鍵技術(shù)在3200t/d水泥爐窯上完成工業(yè)示范。這些研究成果對(duì)于工業(yè)爐窯節(jié)能減排技術(shù)的研發(fā)及工程應(yīng)用具有重要意義。相關(guān)的研究成果發(fā)表期刊論文52篇(發(fā)表于Fuel、PowderTechnology>EnergyFuels>JournalofTher