一种水泥回转窑的建模方法

刘号召

（亚洲仿真控制系统工程有限公司，广东 珠海519015）

1 引言

水泥行业是国民经济的重要基础性产业，是经济发展水平和综合国力的重要标志，在国民经济中占据重要地位。进入新世纪以来，中国水泥产量一直位居世界首位，全国水泥产量在2014年达到24.8 亿吨的高峰点后，开始逐年下降，但到2018年仍有21.77 亿吨的年产量。水泥行业一直以来被称为“两高一资”行业，是仅次于冶金、化工行业的第三大耗能大户，而在水泥生产总能耗中，熟料生产约占70%～80%[1]。如果可以通过数字方法模拟熟料回转窑内的生产过程、计算窑内温度分布，模拟各处熟料成分变化，将为企业优化生产、节能降耗提供有力数据支持。

2 干法回转窑工艺简介

回转窑是水泥生产线的主要设备，在窑外进行预分解的生料及部分燃料由分解炉（或预热器）进入窑尾，由于窑体的转动而充分混合并缓慢向窑头运动；由窑头方向加入的燃料与部分热风则从窑头流向窑尾，与生料相向运动，对生料进行充分煅烧，完成化学反应主要过程，熟料进入篦冷机机型冷却，尾部烟气进入分解炉。

3 模型构成

根据水泥回转窑的生产过程，模型分为热量交换模型、化学反应模型及物料传递模型，结构如下图：

物料传递模型：根据质量平衡，计算生/熟料、燃料、风及烟气的质量流量以及各种成分组成；

化学反应模型：包括碳酸盐分解反应、熟料烧结反应、燃料燃烧反应等；

热量交换模型：包括燃料燃烧生热、烟气物料间换热、物料窑体间换热、烟气窑体间换热以及窑体对外界环境的散热等。

4 建模步骤

熟料回转窑有一定斜度，在生产过程中由电动机带动回转窑缓慢转动，控制物料在窑内的传递速度，为了保证煅烧时间，生产周期相对较长。针对这种生产特点，模型需要沿回转窑长度方向虚拟分割为若干单元，在各个单元内分别进行计算。根据建模对象参数及计算精度需要，单元个数以50～200为宜，文中设定单元数为100。

4.1 物料传递速度计算

窑内物料在回转窑窑体转动时靠摩擦力被带到一定高度，达到物料的运动休止角时，由于物料本身重力作用使其沿料层表面翻滚下来，翻滚下来的物料不会落到原来的点上，而是向回转窑的较低端移动了一段距离[2]。根据这个距离即可算出单元内物料传递速度，然后可根据单元内物料成分计算各成分流出量。由于风或烟气流速较快，在各单元内可认为是即进即出的，流入流量去掉反应消耗量加上生成量即为流出流量。

其中，Fout 为各单元物料流出量（kg/s），k 为流量计算系数，i 为要的斜度（%），D 为直径（m），n 为窑体转速（r/min），L为单元窑体长度（m），M 为各单元物料质量（kg），B 为物料休止角（o）。根据物料温度的变化，物料休止角应发生相应变化，Fout（j）为熟料各成分流出量（kg/s），rt（j）为熟料各成分质量占比（0～1），Fgso 为单元烟气流出量（kg/s），Fgsi 为单元烟气流入量（kg/s），Fras（k）为单元内烟气各成分消耗量（kg/s），Frag（k）为单元内烟气各成分生成量（kg/s）。

4.2 热量交换模型

单元内需要计算的热量包括Qra（反应生热或吸热）、Qmt（物料流进/出热量）、Qgs（烟气/风流进出热量、Qws（窑壁吸热量），换热则包括辐射、对流与热传导三种传热方式，可分别进行计算。

其中，ΔT 为单位时间内物料温度变化量（℃），Δt 为单位时间间隔（s），Cpm 为物料比热（kj/（kg·℃）），Qts 为总的传热量（kj/s），Qrd 为辐射换热（kj/s），Qcv 为对流换热（kj/s），Qcd 为导热换热（kj/s），T1、T2分别为不同物体的温度（℃）。

4.3 化学反应模型

烧结反应是指生料中的氧化钙、二氧化硅、氧化铝及少量氧化铁在窑内经高温煅烧最终生成硅酸三钙（C3S）、硅酸二钙（C2S）、铝酸三钙（C3A）和铁铝酸四钙（C4AF）的反应过程。反应生成熟料的成分主要由生料配比决定，窑内温度分布及液相量也对反应进程至关重要。满足反应温度条件后，烧结反应进程可以应用金斯特林格方程计算:

其中，α 为反应程度（0～1），h 为反应条件（0～1），cj 为物料均化程度（0～1），l 为液相量（%），l max 为液相量最大值（%），R 为反应物颗粒半径（mm），ρ 为生成物密度（kg/m3），k1、k2为常数。

碳酸钙及碳酸镁分解反应进行较快，满足反应温度后反应进度由下式计算：

而燃烧过程更加快速剧烈，可认为满足燃烧条件后反应瞬间完成，放出热量。

5 应用与不足

此建模方法可以应用于针对干法水泥生产线的仿真系统，用于培训员工生产技能、比对分析实际水泥生产线耗能原因、为生产调节提供数据支撑。本方法作为底层数据应用于新峰水泥节能减排数字化管控项目、鲁南中联水泥节能减排项目等软件系统中，支持水泥生产优化模块及自动化控制模块运行。经多次试验标定，（总体）熟料单位标煤耗可降低8～10kg/t，取得了良好的经济效益与社会效益。

不足之处：由于影响因素过多，模型未涉及窑体结皮、熟料结块及窑皮脱落等异常工况的建模，希望随着测量技术的发展回转窑的建模技术也能不断完善，完成异常工况下的生产模拟工作。