工业炉窑物质流和能量流匹配的节能原理分析

魏小林，李慧鑫，李 森，黄俊钦，李 博，陈立新

(1.中国科学院 力学研究所 高温气体动力学国家重点实验室，北京 100190；2.中国科学院大学 工程科学学院，北京 100049； 3.北京汉能清源科技有限公司，北京 100070)

0 引 言

工业炉窑是工业生产中的重要热工设备，其利用燃料或电能转化产生的热量，实现物料或工件的冶炼、焙烧、烧结、熔化、加热等工序，目的是制造或加工出更有利用价值的物料或工件。工业炉窑是我国的能耗大户，每年耗能约占全国总能耗的1/4，其中燃煤约70%，其他为气体、液体燃料或电力等[1]。由于我国工业炉窑种类多、数量大，在节能与环保等方面技术相对落后，从而造成产品综合能耗高、环境污染较严重等问题，因此从工业炉窑流程中的物质流、能量流分析角度入手，研究其节能原理与技术十分必要。

工业炉窑的核心工艺是由不同的装置与工序连接起来的流程组成[2-3]，流程中的物质流是生产的主体，能量流推动物质流进行流动和转变，两者各自独立、变化又相互联系、制约[4]。生产中的物料包括原料、燃料、辅材等，不同化学成分的物料在生产流程中定向运动，形成物质流；由燃料、电力等提供的不同形式能源为生产流程的各种物料提供了流动、转化的动力与热量，形成能量流。本文以水泥炉窑的能量流和物质流分析为例，研究工业炉窑的节能原理，为该行业提高能效、节约能源、较少温室气体排放及其他污染排放做出贡献[5]。

水泥炉窑是一种典型的工业炉窑，截至2019年底，全年水泥和熟料产量分别为23.3亿t和15.2亿t，每年能耗可达2亿t标准煤[6]。水泥炉窑包括熟料生产线和水泥粉磨站等。水泥熟料生产线是水泥工业的核心装备，其功能是将石灰石和黏土、铁质原料等按适当比例配制成生料，烧至部分熔融，并经冷却而获得的半成品，称为熟料。一般的硅酸盐水泥熟料主要矿物组成为硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙和铁铝酸四钙，主要化学成分为氧化钙、二氧化硅和少量的氧化铝和氧化铁[7]。熟料煅烧完成后，在粉磨站加入一定量(20%～40%)的混合材(如矿渣、粉煤灰等)，生产出硅酸盐水泥。

Sogut等[8]建立数学模型，对于进出水泥炉窑的能量流进行分析，得到回转窑和各磨机的能量利用效率，特别是进行了不同装置的分析，结果表明，不考虑烟气余热利用时，炉窑系统的损失为49%。Sui等[9]研究了利用余热发电进行水泥生产过程的分析，其结果表明能量效率不能准确表达系统的能量利用率，而效率可准确表达。Atmaca等[10]通过类似的数学模型分析了水泥炉窑的能量流和流，给出了回转窑和篦冷机的能量流输入与输出份额，同时研究了炉窑高温壁面的散热，结果表明炉窑表面的散热占总能量的11.3%。

在窑头窑尾烟气余热发电方面，我国的技术较先进，Wang等[11]对于水泥炉窑余热发电采用单压闪蒸、双压蒸汽循环、ORC循环以及卡琳娜循环等进行了热量和分析，结果表明，目前使用较多的双压蒸汽循环热电转换效率为24.9%，效率可达40.7%。李福通[12]进行了水泥炉窑系统的能效分析、物料平衡、热平衡的计算与测试，分析了预热器、分解炉、回转窑和篦冷机系统的能耗分布，计算方法来自于国家标准[13]。周元[14]推导了水泥炉窑系统中预热器、分解炉和回转窑的质量平衡和热量平衡方程，得到了炉窑系统中各主要生产参数间的关系，仿真计算的结果得到了现场数据的验证。

综上，对于水泥炉窑的物质流与能量流研究主要关注的是预热器、分解炉、回转窑和篦冷机系统[15-17]，对于余热利用单独进行分析，未考虑原燃材料的干燥系统。本文在此基础上，建立了一种可适用工业炉窑物质流与能量流分析的节点计算模型，研究了包含窑头余热锅炉(AQC炉)、篦冷机、回转窑、分解炉、五级悬浮预热器、窑尾余热锅炉(SP炉)、生料磨系统等主要装置的水泥炉窑系统能量流与流分布情况，得到了能量与损失的主要部位，对节能潜力进行了评估，为水泥炉窑节能管控技术提供了理论依据。

1 工艺流程与数学模型

1.1 工艺流程

对于目前的新型干法水泥熟料生产工艺流程[18]，从窑头至窑尾，除图1中的主要装备外，还包括生料磨、煤磨、高温风机、窑头与窑尾引风机、篦冷机风机等主要耗电设备。在熟料生产中，水泥生料经窑尾预热器、分解炉，90%以上的碳酸钙完成分解，然后进入回转窑进一步升温、烧成，生成温度达1 400 ℃的高温熟料，从窑头出来进入篦冷机冷却至110 ℃左右，输送至熟料库；而燃煤烟气分为两路，与物料形成逆向流动，首先从窑头燃烧器进入回转窑，保持燃烧温度达1 700 ℃左右，窑头烟气与窑尾燃煤烟气在分解炉里混合，保持温度在900 ℃左右，分解炉出来的烟气进入预热器，预热生料后的烟气温度在300 ℃以上，进入SP炉，SP炉出口的180 ℃烟气分别进入生料磨和煤磨，干燥物料，降至70 ℃后排放。另外，从篦冷机高温段出来的高温空气(900～1 000 ℃)分两路，进入窑头(二次风)和窑尾(三次风)作为煤粉的主要助燃风；而从篦冷机中、低温段出来的热空气(350～400 ℃)进入AQC炉，降温至110 ℃后排放。图1中，还给出了可能在水泥炉窑上使用的新技术，包括节能管控平台、富氧煅烧、分级燃烧、微细颗粒物与CO2减排等设备[19]。

图1 新型干法水泥熟料生产线工艺流程Fig.1 Flowchart of new dry process cement clinker production line

1.2 数学模型

1.2.1流程网络图

为了从数学上描述水泥熟料生产工艺流程的物质流与能量流，借鉴殷瑞钰院士提出的钢铁制造流程工序功能集合的解析思路[2]，采用图2的流程网络来描述水泥炉窑，图中的节点代表具有不同功能的装置，连接线是指节点之间的连接方式，例如管道、物料提升机、输送带等。图2将水泥炉窑的7个主要装置简化为7个节点，节点间的关系表达了不同装置之间的联系。外围的框图将所研究的炉窑系统与外界分割开，进出炉窑系统的物质流及其伴随的能量流用实线描述。炉窑不同部位由于热能散失的能量流用虚线描述，计算时并入各附近的节点。

图2 水泥炉窑流程网络Fig.2 Flow network diagram of cement furnace and kiln

表1为进出图2炉窑系统的主要物质流与能量流情况。

表1 水泥炉窑流程中的主要节点以及物质流与能量流Table 1 Main nodes in the cement process and the material and energy flow

1.2.2物质流与能量流模型

采用热力学第一定律来分析水泥熟料生产工艺流程不同装置间的物质流与能量流关系。

在工业炉窑物质流分析中，一般将单位目标产品(如每kg水泥熟料产量)的物质流变量作为分析对象，因此定义

(1)

对于某一节点i，根据物质守恒，当进出节点的物质达到平衡时，其物质流将满足

(2)

式中，min为以每kg熟料为基准进入节点的物质质量，kg/kg；mex为以每kg熟料为基准离开节点的物质质量，kg/kg。

进入装置的物质组分发生相变或化学反应时，需要考虑组分间的定量关系，因此定义为进入节点i内的n组分物质转化生成为k组分物质的定量系数，该系数由相变平衡或化学反应条件决定，这些系数是炉窑物质流与能量流匹配的关键。因此离开节点i的k组分物质可由进入节点i内的n组分物质表达为

(3)

式中，rnk为通过相变或化学反应，从n组分转化生成为k组分的定量系数，kg/kg。

式(3)给出了离开与进入炉窑物质流之间的内在关系，在实际炉窑的物质流与能量流计算中，可用于分析炉窑的物质流与能量流平衡，替代繁复的现场测试。

将式(3)带入节点i的物质流平衡方程(2)，得到

(4)

在物质流模型的基础上，讨论能量流模型。当物质流进出节点i，各组分物质的显热将伴随进出，同时在节点i内若有物质组分发生相变或化学反应时，将会有相变潜热或反应热的变化。

将k种物质的显热表达为

Qji,k,S=cp,ji,ktji,kmji,k，

(5)

式中，Qji,k,S为单位目标产品产量(以每kg熟料为基准)对应的k种物质的显热，kJ/kg；cp为比热容，kJ/(kg·K)；t为温度，K。

由于相变和化学反应从n组分转化为k组分的物质，其相变潜热和反应热为

(6)

式中，Qji,k,LH为单位目标产品产量(即每kg熟料)的k种物质的相变潜热和反应热，kJ/kg；L为相变潜热，kJ/kg；H为化学反应热，kJ/kg。

根据能量守恒，对于某一节点i，当进出节点的能量达到平衡时，其能量流满足

(7)

对于包含多个节点的炉窑系统，可将其作为一个整体，看作一个更大的节点，以上方程仍然适用，如可以将图2框图中的炉窑系统作为一个大节点进行讨论。

为了研究工业炉窑的能源利用效率和节能潜力，同时采用热力学第二定律获得工艺流程中不同装置部位的效率。对于进入炉窑的燃料燃烧热、物料的高温显热等，视为进入炉窑的Exin；对于炉窑产品生成需要的热量，比如将熟料生成热、物料干燥热、锅炉吸热等看作为有用的能量(Excl)；对于炉窑壁面的散热以及离开炉窑气体携带的显热Q1，看作为损失的能量，其损[7]表示为

(8)

式中，Exout为单位质量目标产品(以每kg熟料为基准)的损失，kJ/kg；T0为环境温度，K；T1为炉窑壁面温度，K。

Exin=Excl+Exout，

(9)

式中，Excl为节点炉窑的(以每kg熟料为基准)，kJ/kg。

(10)

1.3 计算条件与参数

本文以金刚(集团)白山水泥有限公司3 200 t/d水泥熟料生产线为例，对水泥炉窑进行节能分析。该生产线的熟料产量达3 763 t/d，干燥后的入窑生料量为5 400 t/d，入窑生料水分为1.5%(干燥前、进入生料磨时的水分为5%)，表2为生料、熟料的化学成分分析。

表2 生料、熟料化学成分分析Table 2 Chemical composition analysis of raw meal and clinker

原煤用量为533 t/d，进厂原煤水分为9.40%，干燥后水分为0.87%，表3为干燥后煤粉的工业分析。炉窑重要节点的温度见表4，一次风包括窑头输煤风与入窑净风以及窑尾分解炉输煤风等，煤粉采用罗茨风机浓相送粉，煤粉耗气0.4 Nm3/kg，漏风包括窑头、分解炉、预热器等漏风，C1出口即为SP炉进口，SP炉出口为生料磨进口，汽轮机蒸汽分为高压蒸汽(1.3 MPa)和低压蒸汽(0.18 MPa)。

表3 煤粉的工业分析Table 3 Proximate analysis of pulverized coal

表4 炉窑各主要节点的运行参数Table 4 Operation parameters of main nodes of furnace and kiln

计算时采用自编程序(也可用Aspen-Plus等流程计算软件)求解物质流和能量流方程组(4)和(7)，得到各节点的物质流和能量流数据。计算时窑头与窑尾的煤粉量比例取为4∶6，煤粉燃烧需要的理论空气量估算式[7]为

(11)

煤粉燃烧的过量空气系数取为1.03，漏风后的窑尾烟室、分解炉和预热器过量空气系数分别为1.06、1.15和1.24。窑头与窑尾的总一次风量占总风量的9.33%，其中窑头一次风量(包括输煤风、入窑净风)占总一次风量的60%。

入回转窑的二次风和入分解炉的三次风均来自于篦冷机的冷却空气，占其中的47%，冷却空气量为1.7 Nm3/kg，冷却机漏风率约为2%。除很高温度的二次风和三次风进入炉窑外，冷却机的高温余风(约400 ℃)进入AQC锅炉，占余风的73%，而低温余风(约200 ℃)进入除尘器后排放，占余风的27%。

由于现场运行时缺乏煤粉的元素分析数据，因此燃烧的理论烟气量按照煤粉所需空气量和煤粉可燃成分质量之和确定。另外，也可采用式(12)[7]对理论烟气量进行校核。

(12)

入窑生料由于碳酸钙与碳酸镁的煅烧分解，产生的大量CO2，其中碳酸镁在预热器中即完成分解，而碳酸钙约有95%在分解炉内分解，产生的CO2占窑尾C1出口烟气体积流量的20%，同时烟气中也包含入窑生料和煤粉中蒸发的少量水蒸气。SP炉出口烟气进入生料磨和煤磨用于干燥物料，使煤的水分从9.40%降至0.87%，生料的水分从5%降至1.5%。

生料在炉窑内煅烧生成熟料的形成热按式(13)[7]估算。

Qcl,f=17.21Acl+27.13Mcl+

32.01Ccl-21.42Scl-2.47Fcl，

(13)

其中，Qcl,f为熟料的形成热，kJ/kg；A、M、C、S、F分别为熟料中Al2O3、MgO、CaO、SiO2、Fe2O3的质量分数，%。在烟气余热利用方面，SP炉的蒸汽产量为12.4 t/h，AQC炉的高/低压蒸汽产量分别为16.2/3.4 t/h，余热电站发电量为5 700 kW。

2 结果与讨论

2.1 计算结果验证

对于计算结果进行验证，测试数据来源于2017年国家建材工业水泥能效环保评价检验测试中心的现场测试报告[20]，测试炉窑为金刚(集团)白山水泥有限公司3 200 t/d水泥熟料生产线。表5为炉窑主要运行数据的对比，可以看出，模型预测值较可靠。

表5 炉窑主要运行参数的计算与测试值Table 5 Calculation and test data of main operation parameters of furnace and kiln

2.2 炉窑系统的热量收支

本文首先计算了包含篦冷机、回转窑、分解炉、五级悬浮预热器等4个主要装置的水泥炉窑系统支出热量，该系统的4个节点对应图2的节点2～5，此方法与一般水泥炉窑的热平衡计算区域一致[13]。在此基础上，计算的区域被扩大到包含AQC锅炉、篦冷机、回转窑、分解炉、五级悬浮预热器、SP锅炉、生料磨系统等7个主要装置的水泥炉窑系统支出热量(图2)。

图3为炉窑4个节点系统的收入热量与支出热量对比。炉窑系统的热量收入(黑色柱图)中，95.3%的热量来源于煤的燃烧热(Qf)，其他为原燃材料与空气的显热(Q0)。有效热量支出(灰色柱图)中，熟料形成热(Qcl,f)最大，占总支出热量的53.38%(相当于1 742 kJ/kg)；由于干燥后的生料与煤中残余水分占1%～2%，因此干燥后生料和煤粉进入炉窑，蒸发残余水分需热量(Qre,w)1.89%。预热器出口废气显热(Qpreh)和冷却机余风显热(Qc)分别占支出热量的18.86%和12.3%(白色柱图)，其通过余热锅炉和生料、原煤的初始水分干燥过程，将得到进一步利用。其他支出热量(条纹柱图)包括：炉窑系统高温壁面散热(Qs,lo)，占支出热量的6.84%(相当于220 kJ/kg)；由于出冷却机的熟料温度较高(208 ℃，一般为110 ℃)，因此出口熟料带走的显热(Qcl,out)占总支出热量的4.86%(相当于159 kJ/kg)；煤粉的未燃尽碳热损失(Qub)占支出热量的1.95%(相当于63 kJ/kg)。

图3 炉窑4个节点系统的热量收入与支出对比Fig.3 Comparison of heat income and expense of 4 nodes system of furnace and kiln

图4为炉窑7个节点系统的收入热量与支出热量对比。可见，热量收入与图3相同，而有效热量支出(5个灰色柱图)中，熟料形成热占53.5%(相当于1 742 kJ/kg)，窑头与窑尾的烟气余热主要被AQC炉(QAQC,st)和SP炉(QSP,st)所吸收，产生蒸汽，该热量分别占总支出热量的9.27%和6.83%；SP炉出口的180 ℃烟气分别用于干燥生料和原煤的初始水分，该热量(Qdry)占支出的5.11%；蒸发残余水分需热量(Qre,w)1.89%。考虑余热利用和物料干燥后，热量利用的份额提升到76.6%，明显高于图3的结果。

热量损失(图4中6个白色柱图)中，高温炉壁(Qs,lo)所占的份额最大，占6.75%，具有可利用的潜力；煤粉的未燃尽碳热损失(Qub)占支出热量的1.95%；AQC炉(QAQC,lo)和SP炉(QSP,lo)的热量损失各占3.06%和6.19%，也仍有利用价值；出口熟料带走的显热(Qcl,out)占支出热量的4.87%，若降低熟料出口温度，还有进一步下降的可能性。

图4 炉窑7个节点系统的热量收入与支出对比Fig.4 Comparison of heat income and expense of 7 nodes system of furnace and kiln

表6为炉窑主要热量收支占比较大的节点计算值与来自于2017年国家建材工业水泥能效环保评价检验测试中心的现场测试报告的测试值对比，可以看出，基于节点的物质流与能量流计算模型预测值较可靠。

表6 炉窑主要节点热量收支占比的计算与测试值Table 6 Calculation and test data of heat budget in main nodes of furnace and kiln

2.3 炉窑系统的分析

为了从能量的品位角度分析热量的利用与损失情况，计算了炉窑7个节点系统的支出对比(图5)，其中熟料形成热引起的支出最大，达71%。为了分析对比明显，图5仅给出除熟料形成热支出外的其他支出和损失，可以看出，SP炉(ExSP,st)和AQC炉(ExAQC,st)的支出分别占6.61% 和7.25%，是较大的支出。另外，用于生料磨和煤磨的物料干燥(Exdry)和用于在预热器中物料残余水分干燥(Exre,w)的支出分别占2.25%和1.84%。可见，这些用于熟料形成热以及余热锅炉吸热、物料干燥的有效支出占88.95%，因此该炉窑的效率相当高，这是因为随烟气温度降低，其将被贬损。

图5 炉窑7个节点系统的收入与支出对比Fig.5 Comparison of exergy income and expense of 7 nodes system of furnace and kiln

2.4 炉窑的节能潜力评估与技术措施

从节能技术看，对于回转窑和三次风管等高温壁面的散热，可采用覆盖辐射换热器等措施回收热量，但更佳的方案是采用更先进的保温技术，减少散热。另外，对于炉窑高温段的密封也非常重要，可减少漏风引起的热损失。对于燃料的未燃尽碳热损失，可采用富氧燃烧等技术，提高低质煤的燃尽率和火焰着火温度，实现高效燃烧。

对于SP炉的烟气热损失，由于目前还有1/3左右的高温烟气热量未得到有效利用，因此需要在统筹物料干燥的基础上，尽量使高温烟气进入SP炉，产生更多的蒸汽。对于AQC炉出口的110 ℃烟气，可采用余风再循环方式，110 ℃烟气进入蓖冷机的二、三等低温段，提高冷却机的余风温度，可同时实现AQC炉出口烟气以及冷却机低温余风的热利用。

以上分析主要针对燃煤消耗的能量，未考虑电耗，一般研究的水泥炉窑电耗在60～65 kWh/t(换算为每吨熟料的电耗)。目前，也有一些新技术可减少电耗，针对3 200 t/d的熟料生产线，若采用生料磨采用高效辊压机可以减少5 kWh/t；采用高效风机以及永磁电机等技术可分别提高效率10%以上，相当于减少电耗10 kWh/t，结合富余蒸汽拖动风机以及节能管控技术采用新技术后，节电效果将更显著，加上余热电站的发电量(相当于35～38 kWh/t)，可实现烧成系统零电耗的目标。

3 结 论

本文建立了一种基于节点法的工业炉窑物质流与能量流计算模型，可利用节能管控平台的监测数据，比较准确地预测炉窑的物质流与能量流状况，同时给出炉窑系统不同部位的分析。通过研究包含AQC锅炉、篦冷机、回转窑、分解炉、五级悬浮预热器、SP锅炉、生料磨系统等主要装置的典型水泥炉窑系统能量流与流分布，得到能量与损失的主要部位，评估了节能的潜力。

2)窑头与窑尾的烟气余热主要被AQC炉(QAQC,st)和SP炉(QSP,st)吸收，该热量分别占总支出热量的9.27%和6.83%。但AQC和SP锅炉出口烟气温度分别为110 ℃和180 ℃，高于环境温度，还有一定的损失。

3)采用更先进的保温技术，可减少高温炉壁散热损失；对于燃料的未燃尽碳热损失，可采用富氧燃烧等技术，实现高效燃烧；对于烟气低温热损失，可采用余风再循环，同时实现AQC炉出口烟气以及冷却机低温余风的热利用。

4)针对水泥厂节电措施，推荐采用高效辊压机、高效风机、永磁电机等技术，结合富余蒸汽拖动风机以及节能管控技术等，可取得显著的节电效果。