一種水泥回轉窯的建模方法

1、一種水泥回轉窯的建模方法企業(yè)提升熟料產品質量，避免過燒，降低單位產品耗能提 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.【關鍵詞】熟料回轉窯 ; 建模 ; 化學反應進程【 Keywords 】 clinker

3、 rotary kiln; modeling;chemical reaction process【中圖分類號】 TQ172.622【文獻標志碼】 A【文章編號】 1673-1069 （ 20_ ） 06-0184-021 引言水泥行業(yè)是國民經濟的重要基礎性產業(yè)，是經濟發(fā)展水平和綜合國力的重要標志，在國民經濟中占據重要地位。進入新世紀以來，中國水泥產量一直位居世界首位，全國水泥產量在20_年達到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，而在水泥生產總能耗中，熟料生產約占70

4、%- 80%1 o如果可以通過數(shù)字方法模擬熟料回轉窯內的生產過程、計算窯內溫度分布，模擬各處熟料成分變化，將為企業(yè)優(yōu)化生產、節(jié)能降耗提供有力數(shù)據支持。2 干法回轉窯工藝簡介回轉窯是水泥生產線的主要設備，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 模型構成根據水泥回轉窯的生產過程，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：根據質量平衡，計算生 /

5、熟料、燃料、風及煙氣的質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，在生產過程中由電動機帶動回轉窯緩慢轉動，控制物料在窯內的傳遞速度，為了保證煅燒時間，生產周期相對較長。針對這種生產特點，模型需要沿回轉窯長度方向虛擬分割為若干單元，在各個單元內分別進行計算。根據建模對象參數(shù)及計算精度需要，單元個數(shù)以50200為宜，文中設定單元數(shù)為 100 。4.1 物料僖遞速度計算窯內物料在回轉窯窯體轉動時靠摩擦力被帶到一定高

6、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 。根據這個距離即可算出單元內物料傳遞速度，然后可根據單元內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。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為窯體轉速（r/min ） , L為單元窯體長度（mj） , M為各單元物料質量（kg） , B為物料休止角（o） o根據物料溫度的變化，物料休止角應發(fā)生相應變化， Fout （j ）為熟料各成分流出量（kg/s ） , rt （j ）為熟料各成分質量占比（。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 ）為單元內煙氣各成分消耗量（ kg/s ），F(xiàn)rag （k）為單元內煙氣各成分生成量（kg/s ）。4.2 熱量交換模型單元內需要計算的熱量包括Qra （反應生熱或吸熱）、Qmt （物料流進/由熱量）、Qgs

8、（煙氣/風流進由熱量、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。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為導熱換熱（kj/s ） , T1、T2分別 為不同物體的溫度（）。

9、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經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的反應過 程。反應生成熟料的成分主要由生料配比決定，窯內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，a為反應程度（01） , h為反應條件（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線的仿真系統(tǒng)，用于培訓員工生產技能、比對分析實際水泥生產線耗能原因、為生產調節(jié)提供數(shù)據支撐。本方法作為底層數(shù)據應用于新峰水泥節(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，支持水泥生產優(yōu)化模塊及