全流程热效率模型在降低水泥熟料烧成热耗中的应用

戴晓庆，姚艳飞（西安建筑科技大学材料科学与工程学院

来源：《水泥工程》

0前言

水泥生产耗能占工业能源消耗总量的12%~15%。国标《水泥单位产品能源消耗限额（GB16780—2021）》[1]中将熟料单位产品综合煤耗标准限定为I级≤94 kg/t、II级≤100 kg/t、III级≤109 kg/t，且要求现有企业需至少满足III级要求，新建、改建及扩建企业均应满足II级要求，这对水泥企业的生存提出了极大挑战。水泥企业可采取的节能措施，包括改善原燃料性质[2]、优化工艺流程与设备性能[3]、改善操作[4]等，其本质均是提高系统的稳定性并改善其性能，使熟料烧成、煤粉燃烧等反应可以更稳定、充分的进行，进而达到优化生产过程热效率的效果。对当前关于水泥熟料生产过程热效率的研究进行总结，多存在研究范围较小，未覆盖熟料生产全流程[5-6]等问题，多数无法用于直接指导工业生产。

基于以上，本文提出以热效率作为评价指标，并将热效率研究对象扩大至包含生料磨、煤磨、水泥熟料烧成系统及余热锅炉在内的水泥熟料烧成全流程，建立了水泥熟料烧成全流程热效率模型。

以此模型为理论指导，在国内多条水泥生产线开展了工程应用，均取得良好效果。文章简要介绍了水泥熟料烧成全流程热效率模型的建立过程，并以2 500 t/d生产线的能效优化工程为例，对热效率模型的应用效果进行介绍如下。

1热效率模型开发思路

水泥熟料烧成全流程热效率模型的开发思路如下：

（1）确定研究范围。确定水泥熟料烧成全流程热效率研究范围，并根据工艺流程划分为若干个子系统。

（2）开展热工分析。分析得到各研究对象的质量及热量收支明细，开展平衡分析。

（3）确定有效热及热效率。根据研究对象内热工设备的工艺作用，确定各研究对象的有效热及热效率。

（4）建立热效率模型。对水泥熟料烧成全流程热效率及其子系统热效率间的关联关系进行分析，开发得到热效率模型。

2热效率模型建立及分析

所确定水泥熟料烧成全流程热效率研究范围包含原料磨、熟料烧成系统、煤磨及余热锅炉；同时，结合水泥工艺流程及企业生产习惯，将其细分为窑尾余热利用子系统、熟料烧成子系统和窑头余热利用子系统，具体如图1所示。

考虑到熟料烧成子系统间存在大量的化学反应及热交换过程，且其运行效果直接影响到熟料质量、熟料烧成热耗等重要指标。论文根据工艺流程将熟料烧成子系统继续细分为预热单元、分解煅烧单元和冷却单元，具体如图2所示。

将水泥熟料生产过程涉及的热工装备分为热利用装备和热回收装备两类，其中热利用装备主要指分解炉和回转窑，热利用设备将收到的热量用于进行碳酸钙分解和熟料煅烧；除分解炉及回转窑外，熟料生产中其余的热工设备都可归类为热回收装备，其作用是对收到的热量进行尽可能的回收。回收的热量根据品质的好坏，用于助燃煤粉，或用于烘干物料，或用于余热发电。

不论是热利用装置还是热回收装置，其最重要的指标就是热利用效率，即被该装置有效利用的热量与收到的总热量的比值，可通过下式进行计算：

1. 式中，E为全窑系统或其子系统有效利用的热量，kJ/kg;E,指全窑系统或其子系统收入热量总和，kJ/kg;φ为全窑系统或其子系统热效率，%。为方便表述，用qy表示全窑系统；yw表示窑尾余热系统；sc表示窑尾余热系统；yt表示窑头余热系统；yr表示预热系统；fj表示分解炉及回转窑；lq表示冷却机系统。

以熟料烧成子系统为例，对水泥熟料烧成全流程热效率建立过程进行说明。熟料烧成子系统从生料粉入预热系统开始，至冷却后的熟料由篦冷机排出结束，其内热工设备包括预热器、分解炉、回转窑和冷却机。根据热工分析，获得熟料烧成子系统热量平衡表如表1所示。

熟料制备系统承担了水泥生料的脱水、碳酸盐分解、熟料烧成等熟料形成所需的全部化学反应，煤粉的燃烧也发生在此系统内。根据有效热及热效率定义，得到烧成子系统热效率计算式如下：

按上述过程分别得到全窑系统热效率与下属五个子系统热效率计算式，并根据全窑系统热效率与五个子系统热效率间关系式得到水泥熟料烧成全流程热效率模型如下：

将式中子系统收入热量与全窑系统收入热量的比值称为子系统的有效能分数，用VE、VE,、VE,、VE₂和VE,表示。则式(5)可进一步表示为：

根据全窑系统热效率机理模型，φ是各子系统/单元热效率的线性叠加，增大任何一个子系统/单元热效率，均可提高。

模型中，有效能分数除自身含义外还可作为各子系统/单元热效率的系数，即有效能分数越大，所对应子系统/单元的热效率对φ的影响越大，其节能的潜力亦越大。根据实际运行数据，统计得到国内部分生产线有效能分数计算结果见表2,图3。

计算表明，各子系统/单元有效能分数具有以下规律：

(1)分解煅烧单元有效能分数(VE₅)的值最大，且远高于其他子系统/单元；

(2)对于大部分生产线，预热单元的有效能分数(VE,)略大于冷却单元(VE₁),但二者的值较为接近，可认为其对全窑系统热效率的影响效果接近，同处第二档；

(3)窑尾余热利用子系统(VE,)及窑头余热利用子系统(VE,)的有效能分数对φ的影响程度相近，在所有子单元/系统中影响最小，可一并划入第三档；并且窑尾余热利用子系统的有效能分数对φ的影响略大于窑头余热利用子系统。

综上，各子单元热效率对φ,的影响程度由大致

小排序依次为分解煅烧单元、预热单元和冷却单元。也就是说，在开展水泥熟料烧成系统节能优化时，可将提高φ;作为提高φ的最为有效的措施。

3热效率模型应用案例

(1)生产线运行简介。某2500 t/d熟料生产线于2006年4月底建成投产，采用五级单系列预热预分解系统，其中分解炉采用CDC-R形式，回转窑规格为Φ4m×60m,配套BTF2500三代篦式冷却机。2017年，对生产线进行热工标定，系统主要运行参数见表3。

采用全窑系统热效率机理模型开展计算，结果如表4所示。

对比发现，该2500 t/d生产线的分解煅烧单元的热效率仅为27.09%,远低于30.28%的行业参考值；以上造成生产线平均运行产量仅为2744 t/d,熟料烧成热耗则高达119.4 kg/t,均落后于同规格生产线；其次，该生产线冷却单元的热效率也有较大提升空间。

以此为指导，将原有预热分解系统替换为高固气比预热分解系统，同时将篦冷机更换为四代篦冷机，篦床面积增加至83m²。改造后，生产线主要运行参数见表5。

改造前后熟料烧成子系统主要支出热量对比如表6所示。

得益于熟料烧成子系统主要支出热量的降低，生产线预热单元、分解煅烧单元及冷却单元的热效率均得到提高，具体如表7所示。

生产线全流程热效率提高后，熟料烧成热耗降低至100.8 kg/t，一跃成为行业领先；熟料产量高达3 840 t/d（连续10天均值），改造效果较好。

4结语

降低水泥熟料烧成热耗本质在于提高系统的热效率。论文提出以生料磨、煤磨、水泥熟料烧成系统及余热锅炉在内的水泥熟料烧成全流程为研究对象，建立水泥熟料烧成全流程热效率模型，以此为指导开展生产线能效优化工作，得结论如下：

1. 根据水泥熟料烧成全流程热效率模型，分解煅烧单元热效率对全流程热效率影响最大，其次为预热单元和冷却单元。开展水泥熟料烧成系统节能优化时，可提高φfj作为提高φqy最为有效措施。

（2）某2 500 t/d生产线的分解煅烧单元的热效率仅为27.09%，远低于30.28%的行业参考值；同时该生产线冷却单元的热效率也有较大提升空间。以此为指导，将原有预热分解系统替换为高固气比预热分解系统，同时将篦冷机更换为四代篦冷机。改造后，分解煅烧单元的热效率提高至30.08%，冷却单元热效率由83.10%提高至89.63%，熟料烧成热耗降低至100.8 kg/t，改造效果较好。