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)學模型2\o"CurrentDocument".結(jié)果與討論3\o"CurrentDocument"2.1.計算結(jié)果驗證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)相對落后，從而造成產(chǎn)品綜合能耗高、環(huán)境污染較嚴重等問題，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。對于水泥爐窯的物質(zhì)流與能量流研究主要關(guān)注的是預熱器、分解爐、回轉(zhuǎn)窯和篦冷機系統(tǒng)，對于余熱利用單獨進行分析，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)點計算模型，研究了包含窯頭余熱鍋爐（AQC爐）、篦冷機、回轉(zhuǎn)窯、分解爐、五級懸浮預熱器、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，對節(jié)能潛力進行了評估，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)是不同設備、不同工序協(xié)同生產(chǎn)的一個過程，包含物質(zhì)與能量在各個系統(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6.84%,其爆損達4.17%；煤粉的未燃盡碳熱損失相對較大，達1.95%,煙損失達2.59%,這2項均屬于高溫能源浪費，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)采用更先進的保溫技術(shù)，可減少高溫爐壁散熱損失；對于燃料的未燃盡碳熱損失，可采用富氧燃燒等技術(shù)，實現(xiàn)高效燃燒；對于煙氣低溫熱損失，可采用余風再循環(huán)，同時實現(xiàn)AQC爐出口煙氣以及冷卻機低溫余風的熱利用。4)針對水泥廠節(jié)電措施，推薦采用高效輻壓機、高效風機、永磁電機等技術(shù)，結(jié)合富余蒸汽拖動風機以及節(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)爐窯作為一個系統(tǒng)，整體來考察物質(zhì)流和能量流狀況。基于節(jié)點計算法，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；同時采用熱力學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)流和能量流分析計算，結(jié)果說明，水泥爐窯的熱量損失主要包含高溫損失與低溫損失，其中高溫損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；低溫熱損失包含煙道尾部煙氣的排煙熱損失、出冷卻機熟料帶出的顯熱等，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%,仍有利用價值。針對高溫和低溫熱量損失的不同原因，對于爐窯的節(jié)能潛力進行了評估，提出采用先進保溫、富氧煨燒、低溫余熱再利用等新技術(shù)，可進一步降低爐窯的煤耗；此外，也推薦了減少設備電耗的新技術(shù)，如采用高效風機以及永磁電機等，結(jié)合富余蒸汽拖動風機以及節(jié)能管控等技術(shù)，有望實現(xiàn)熟料燒成系統(tǒng)零電耗的目標。.工藝流程與數(shù)學模型對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、高溫風機、窯頭與窯尾引風機、篦冷機風機等主要耗電設備。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、富氧煨燒、分級燃燒、微細顆粒物與CO2減排等設備。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)絡來描述水泥爐窯，圖中的節(jié)點代表具有不同功能的裝置，連接線是指節(jié)點之間的連接方式。圖2將水泥爐窯的7個主要裝置簡化為7個節(jié)點，節(jié)點間的關(guān)系表達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，進出爐窯系統(tǒng)的物質(zhì)流及其伴隨的能量流用實線描述。爐窯不同部位由于熱能散失的能量流用虛線描述，計算時并入各附近的節(jié)點。圖2水泥爐窯流程網(wǎng)絡第2頁共10頁.結(jié)果與討論計算結(jié)果驗證對計算結(jié)果進行驗證，測試數(shù)據(jù)來源于2017年國家建材工業(yè)水泥能效環(huán)保評價檢驗測試中心的現(xiàn)場測試報告，測試爐窯為金剛(集團)白山水泥3200t/d水泥熟料生產(chǎn)線?？梢钥闯瞿Ｐ皖A測值較可靠。2.2.爐窯系統(tǒng)的熱量收支首先計算了包含篦冷機、回轉(zhuǎn)窯、分解爐、五級懸浮預熱器等4個主要裝置的水泥爐窯系統(tǒng)支出熱量，該系統(tǒng)的4個節(jié)點對應圖2的節(jié)點2?5,此方法與一般水泥爐窯的熱平衡計算區(qū)域一致。在此基礎(chǔ)上，計算的區(qū)域被擴大到包含AQC鍋爐、篦冷機、回轉(zhuǎn)窯、分解爐、五級懸浮預熱器、SP鍋爐、生料磨系統(tǒng)等7個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個節(jié)點系統(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入爐窯，蒸發(fā)剩余水分需熱量(Qre,w)1.89%o預熱器出口廢氣顯熱(Qpreh)和冷卻機余風顯熱(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%(相當于220kJ/kg)；由于出冷卻機的熟料溫度較高(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%(相當于159kJ/kg)；煤粉的未燃盡碳熱損失(Qub)占支出熱量的1.95%(相當于63kJ/kg)o圖3爐窯4個節(jié)點系統(tǒng)的熱量收入與支出比照圖4為爐窯7個節(jié)點系統(tǒng)的收入熱量與支出熱量比照?？梢姡瑹崃渴杖肱c圖3相同，而有效熱量支出(5個灰色柱圖)中，熟料形成熱占53.5%(相當于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%,也仍有利用價值；出口熟料帶走的顯熱(Qcl,out)占支出熱量的4.87%,假設降低熟料出口溫度，還有進一步下降的可能性。圖4爐窯7個節(jié)點系統(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)保評價檢驗測試中心的現(xiàn)場測試報告的測試值對比，可以看出，基于節(jié)點的物質(zhì)流與能量流計算模型預測值較可靠。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，計算了爐窯7個節(jié)點系統(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高，這是因為隨煙氣溫度降低，其煙將被貶損。圖5還給出了爐窯7個節(jié)點系統(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值，目前水泥爐窯節(jié)能需加以重視。圖5爐窯7個節(jié)點系統(tǒng)的煙收入與支出比照2.4.爐窯的節(jié)能潛力評估與技術(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，相當于浪費了220kJ/kg的熱量。另外，由于煤粉的未燃盡碳熱損失為63kJ/kg,這2項的熱損失假設換算為每噸熟料的標準煤熱量，那么相當于約9.7kg/t。由于這2項煙損失屬于爐窯系統(tǒng)的高溫損失，因此是爐窯系統(tǒng)節(jié)能的重點。在低溫余熱方面，由于出冷卻機熟料的溫度過高，其熱量還可通過加大冷卻機送風，增加利用約50%,即有79kJ/kg的熟料顯熱；對于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；對于冷卻機低溫余風(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準煤熱量）相當于6.8kg/t。假設在實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，對于回轉(zhuǎn)窯和三次風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的保溫技術(shù)，減少散熱。另外，對于爐窯高溫段的密封也非常重要，可減少漏風引起的熱損失。對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，實現(xiàn)高效燃燒。對于SP爐的煙氣熱損失，由于目前還有1/3左右的高溫煙氣熱量未得到有效利用，因此需要在統(tǒng)籌物料干燥的基礎(chǔ)上，盡量使高溫煙氣進入SP爐，產(chǎn)生更多的蒸汽。對于AQC爐出口的110C煙氣，可采用余風再循環(huán)方式，煙氣進入篦冷機的二、三等低溫段，提高冷卻機的余風溫度，可同時實現(xiàn)AQC爐出口煙氣以及冷卻機低溫余風的熱利用。以上分析主要針對燃煤消耗的能量，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3200t/d的熟料生產(chǎn)線，假設采用生料磨采用高效輻壓機可以減少5kWh/t；采用高效風機以及永磁電機等技術(shù)可分別提高效率10%以上，相當于減少電耗10kWh/t,結(jié)合富余蒸汽拖動風機以及節(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（相當于35?38kWh/t）,可實現(xiàn)燒成系統(tǒng)零電耗的目標。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，資源浪費和環(huán)境污染問題嚴峻。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，推進工業(yè)爐窯全面達標排放。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環(huán)節(jié)，十分復雜。近日，力學所高溫氣體動力學國家重點實驗室高效潔凈燃燒課題組提煉出工業(yè)爐窯的四項核心共性關(guān)鍵技術(shù)，包括：工業(yè)爐窯多工藝目標物質(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行工業(yè)示范，為我國工業(yè)爐窯高能效低排放技術(shù)應用提供技術(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；研究工業(yè)爐窯原料和工況波動條件下的富氧燃燒技術(shù)；提出分級燃燒、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。這些研究成果對于工業(yè)爐窯節(jié)能減排技術(shù)的研發(fā)及工程應用具有重要意義。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