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?分析方法研究爐窯系統(tǒng)的?損失，明確了爐窯節(jié)能的重點(diǎn)部位。采用該方法開展了3 200 t/d典型水泥爐窯的物質(zhì)流和能量流分析計(jì)算，結(jié)果表明，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%，?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%，?損失分別為1.26%和1.45%，仍有利用價(jià)值。針對高溫和低溫?zé)崃繐p失的不同原因，對于爐窯的節(jié)能潛力進(jìn)行了評估，提出采用先進(jìn)保溫、富氧煅燒、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)。

       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(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、富氧煅燒、分級燃燒、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，借鑒殷瑞鈺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)

2.1 計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證

      對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)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(jià)檢驗(yàn)測試中心的現(xiàn)場測試報(bào)告，測試爐窯為金剛(集團(tuán))白山水泥有限公司3 200 t/d水泥熟料生產(chǎn)線。可以看出模型預(yù)測值較可靠。

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)。

      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對比。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(Q_f)，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(Q_cl,f)最大，占總支出熱量的53.38%(相當(dāng)于1 742 kJ/kg)；由于干燥后的生料與煤中殘余水分占1%～2%，因此干燥后生料和煤粉進(jìn)入爐窯，蒸發(fā)殘余水分需熱量(Q_re,w)1.89%。預(yù)熱器出口廢氣顯熱(Q_preh)和冷卻機(jī)余風(fēng)顯熱(Q_c)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(Q_s,lo)，占支出熱量的6.84%(相當(dāng)于220 kJ/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(Q_cl,out)占總支出熱量的4.86%(相當(dāng)于159 kJ/kg)；煤粉的未燃盡碳熱損失(Q_ub)占支出熱量的1.95%(相當(dāng)于63 kJ/kg)。

      圖4為爐窯7個(gè)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的收入熱量與支出熱量對比?？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1 742 kJ/kg)，窯頭與窯尾的煙氣余熱主要被AQC爐(Q_AQC,st)和SP爐(Q_SP,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(Q_dry)占支出的5.11%；蒸發(fā)殘余水分需熱量(Q_re,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。

      熱量損失(圖4中6個(gè)白色柱圖)中，高溫爐壁(Q_s,lo)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(Q_ub)占支出熱量的1.95%；AQC爐(Q_AQC,lo)和SP爐(Q_SP,lo)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(Q_cl,out)占支出熱量的4.87%，若降低熟料出口溫度，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)的熱量收入與支出對比

     基于2017年國家建材工業(yè)水泥能效環(huán)保評價(jià)檢驗(yàn)測試中心的現(xiàn)場測試報(bào)告的測試值對比，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)測值較可靠。

2.3 爐窯系統(tǒng)的?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?支出對比(圖5)，其中熟料形成熱引起的?支出最大，達(dá)71%。為了分析對比明顯，圖5僅給出除熟料形成熱支出?外的其他?支出和?損失，可以看出，SP爐(Ex_SP,st)和AQC爐(Ex_AQC,st)的?支出分別占6.61% 和7.25%，是較大的?支出。另外，用于生料磨和煤磨的物料干燥(Ex_dry)和用于在預(yù)熱器中物料殘余水分干燥(Ex_re,w)的?支出分別占2.25%和1.84%。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?支出占88.95%，因此該爐窯的?效率相當(dāng)高，這是因?yàn)殡S煙氣溫度降低，其?將被貶損。

      圖5還給出了爐窯7個(gè)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的?損失，主要的損失來自于爐窯高溫壁面散熱(Ex_s,lo)和燃料的不完全燃燒(Ex_ubc)，分別占?損失的4.17%和2.59%；出冷卻機(jī)熟料的剩余?(Ex_cl,out)占1.32%；SP爐(Ex_SP,lo)的其他煙氣(溫度180 ℃)以及AQC爐(Ex_AQC,lo)出口煙氣(溫度110 ℃)還有一定的?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?收入與支出對比

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?分析可見，高溫爐壁散熱引起的?損失最大，相當(dāng)于浪費(fèi)了220 kJ/kg的熱量。另外，由于煤粉的未燃盡碳熱損失為63 kJ/kg，這2項(xiàng)的熱損失若換算為每噸熟料的標(biāo)準(zhǔn)煤熱量，則相當(dāng)于約9.7 kg/t。由于這2項(xiàng)?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79 kJ/kg的熟料顯熱；對于SP爐出口的180 ℃煙氣，除用于物料干燥外，仍有51 kJ/kg的煙氣余熱可以利用；對于冷卻機(jī)低溫余風(fēng)(208 ℃)，也有69 kJ/kg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6.8 kg/t。若在實(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5 kg/t以上。

      從節(jié)能技術(shù)看，對于回轉(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?/span>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。對于AQC爐出口的110 ℃煙氣，可采用余風(fēng)再循環(huán)方式，110 ℃煙氣進(jìn)入蓖冷機(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60～65 kWh/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3 200 t/d的熟料生產(chǎn)線，若采用生料磨采用高效輥壓機(jī)可以減少5 kWh/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10 kWh/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35～38 kWh/t)，可實(shí)現(xiàn)燒成系統(tǒng)零電耗的目標(biāo)。