水泥制造设备的运转方法 |
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| 申请号 | CN201480054046.X | 申请日 | 2014-06-30 | 公开(公告)号 | CN105579415A | 公开(公告)日 | 2016-05-11 |
| 申请人 | 三菱综合材料株式会社; | 发明人 | 小松卓哉; 高山佳典; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提供可将 煅烧 炉中的燃烧和热耗率这两者同时最优化的 水 泥制造设备的运转方法。本发明涉及 水泥 制造设备的运转方法，所述方法在煅烧炉中供给第1 燃料 ，在水泥窑中同时供给将内部保持为烧成 温度 的第2燃料和燃烧用的1次空气，并且在冷却器中导入 冷却水 泥熟料的空气，将该空气的一部分作为2次空气供给至上述水泥窑中，作为3次空气供给至上述煅烧炉中，与此同时将余量从该冷却器排出，其中，预先求得煅烧炉的废气出口的第1 氧 浓度与通过上述第1燃料和上述第2燃料确定的热耗率的关系、以及预热器的废气出口的第2氧浓度与上述热耗率的关系，调整上述2次空气和上述3次空气的量，使得上述第1氧浓度和第2氧浓度均在包含上述热耗率为最小的上述氧浓度值的范围内。 | ||||||
| 权利要求 | 1.水泥制造设备的运转方法，所述设备具备预热水泥原料的预热器、煅烧从所述预热器排出的上述水泥原料的至少一部分的煅烧炉、烧成经过上述预热器和煅烧炉的上述水泥原料以制成水泥熟料的水泥窑、和冷却从该水泥窑排出的上述水泥熟料的冷却器，其中，在上述煅烧炉中供给煅烧导入的上述水泥原料所需要的量的第1燃料，在上述水泥窑中同时供给将内部保持为烧成温度所需要的量的第2燃料和燃烧用的1次空气，并且在上述冷却器中导入用于冷却上述水泥熟料的固定量的空气，将所述空气中的一部分作为辅助上述第2燃料的燃烧的2次空气供给至上述水泥窑中，将另外的一部分作为使上述第1燃料燃烧的3次空气供给至上述煅烧炉中，与此同时将余量从所述冷却器排出，所述运转方法的特征在于： |
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| 说明书全文 | 水泥制造设备的运转方法技术领域背景技术[0002] 一直以来，已知在烧成水泥原料的水泥窑的前段设置有通过将用预热器预热了的水泥原料的一部分加热以促进脱碳酸(煅烧)，从而降低上述水泥窑的负荷的助燃炉(以下在本说明书中称为煅烧炉。)的水泥制造设备。 发明内容[0005] 发明所要解决的课题但是，在上述目前的水泥制造设备的运转方法方面，在为了实现煅烧炉中的燃烧的最优化，而在煅烧炉中投入的煤粉或燃烧用空气的量过剩的情况下，虽然煅烧炉内的水泥原料的反应率增加，但作为整个烧成工序热耗量的热耗率(制造1kg的熟料所需要的热量)反而因从煅烧炉排出的废气的显热增加而升高，有导致制造成本高涨的问题。 [0006] 本发明鉴于上述情况而开发，其课题在于：提供可将煅烧炉中的燃烧和热耗率这两者同时最优化的水泥制造设备的运转方法。 [0007] 解决课题的手段通常，在水泥制造设备中，从水泥窑的主喷嘴同时供给将内部保持为水泥原料的烧成温度所需要的燃料和燃烧用空气(1次空气)，与此同时在冷却烧成了的熟料的冷却器中以固定的流量供给冷却用的空气。然后，将在冷却器中与熟料进行热交换而变为高温的上述空气的一部分作为2次空气供给至水泥窑内以作为燃烧用空气的辅助，与此同时将另外的一部分供给至煅烧炉中作为燃烧用空气(3次空气)，将余量从冷却器直接排出。 [0008] 因此，例如若增加在煅烧炉中供给的燃烧用空气的风量，则来自冷却器的排气风量减少。另一方面，煅烧炉的燃烧用空气的风量增加使得从预热器排出的预热器废气的风量增加，结果热耗率值升高。与之相反的是，若减少在煅烧炉中供给的燃烧用空气的风量，则从冷却器直接排出的风量增加，因此通过与熟料的热交换而变为高温的废气的潜热无法利用而被废弃，由此同样地导致热耗率的恶化。 [0009] 因此，本发明人等得到如下见解：在以固定的风量对冷却器供给冷却用空气的情况下，在整个烧成工序中，来自预热器的废气和来自冷却器的废气的增减互为制约的关系，因此若调整3次空气的风量使得这些废气的显热之和为最小值，则可使热耗率最小。 [0010] 但是，在实际的水泥制造设备的运转中，难以直接地把握来自预热器的废气和来自冷却器的废气的风量。 [0012] 因此，本发明人等得到如下见解：将水泥制造设备中的预热器、煅烧炉、水泥窑、冷却器等各种设备分解为称为单元操作的单元，通过描述各种设备的宏观反应或热交换的工序模拟，计算整个烧成工序的物料平衡或热耗率，由此求得来自预热器的废气的O2浓度与热耗率的关系和来自煅烧炉的废气的O2浓度与热耗率的关系。 [0013] 本发明基于上述见解而开发，权利要求1所记载的发明为水泥制造设备的运转方法，所述设备具备预热水泥原料的预热器、煅烧从该预热器排出的上述水泥原料的至少一部分的煅烧炉、烧成经过上述预热器和煅烧炉的上述水泥原料以制成水泥熟料的水泥窑、和冷却从该水泥窑排出的上述水泥熟料的冷却器，其中，在上述煅烧炉中供给煅烧导入的上述水泥原料所需要的量的第1燃料，在上述水泥窑中同时供给将内部保持为烧成温度所需要的量的第2燃料和燃烧用的1次空气，并且在上述冷却器中导入用于冷却上述水泥熟料的固定量的空气，将该空气中的一部分作为辅助上述第2燃料的燃烧的2次空气供给至上述水泥窑中，将另外的一部分作为使上述第1燃料燃烧的3次空气供给至上述煅烧炉中，与此同时将余量从该冷却器排出，所述运转方法的特征在于：预先求得上述煅烧炉的废气出口的第1氧浓度与通过上述第1燃料和第2燃料确定的热耗率的关系、以及上述预热器的废气出口的第2氧浓度与上述热耗率的关系，调整上述3次空气和来自上述冷却器的排气的风量，使得上述第1氧浓度和第2氧浓度均在包含上述热耗率为最小的上述氧浓度值的范围内。 [0014] 另外，权利要求2所记载的发明为权利要求1所记载的发明，其特征在于：在上述煅烧炉中以固定的供给量供给上述第1燃料，与此同时在上述水泥窑中边调整为保持为上述烧成温度所需要的供给量边供给上述第2燃料。 [0015] 需说明的是，在本发明中，热耗率为制造1kg的熟料所需要的在水泥窑和煅烧炉中投入的煤粉或石油焦等的热量的总和，更具体而言，可根据在水泥窑中投入的煤粉等燃料的每单位重量发热量与投入量的乘积、和在煅烧炉中投入的煤粉等燃料的每单位重量发热量与投入量的乘积的总和求得。 [0016] 发明效果根据权利要求1或2所记载的发明，预先求得煅烧炉的废气出口的第1氧浓度与通过第1燃料和第2燃料确定的热耗率的关系、以及预热器的废气出口的第2氧浓度与上述热耗率的关系，在运转时测定第1氧浓度和第2氧浓度，调整从冷却器供给至煅烧炉中的3次空气的风量和来自冷却器的排气风量，使得上述氧浓度均在包含上述热耗率为最小的氧浓度值的范围内，由此可将煅烧炉中的燃烧和热耗率这两者同时最优化。 附图说明 [0017] [图1] 图1为应用本发明的一个实施方式的水泥制造设备的示意构成图。 [0018] [图2] 图2为在上述实施方式的模拟中使用的未反应核模型的示意图。 [0019] [图3] 图3为显示煅烧炉出口废气的O2浓度与冷却器排气的显热的关系的图。 [0020] [图4] 图4为显示煅烧炉出口废气的O2浓度与预热器废气的显热的关系的图。 [0021] [图5] 图5为显示煅烧炉出口废气的O2浓度与热耗率的关系的图。 [0022] [图6] 图6为显示预热器出口废气的O2浓度与热耗率的关系的图。 [0023] 实施发明的方式首先，若基于图1对应用本发明的一个实施方式的水泥制造设备的构成进行说明，则该水泥制造设备大致由以下构成：预热水泥原料的预热器1，煅烧从该预热器1排出的水泥原料的至少一部分的煅烧炉2，烧成经过预热器1和煅烧炉2的水泥原料以制成水泥熟料的水泥窑3，和冷却从水泥窑3排出的水泥熟料的冷却器4。 [0024] 在这里，预热器1在垂直方向连结多个(在图中为4级)旋风分离器1a~1d，是将在原料工序中调整了粒度或成分并从供给管线5供给至最上级的旋风分离器1a的水泥原料在依次输送至下方的旋风分离器1b~1d的过程中通过从水泥窑3高温排出的气体预热的设备。顺便提一下，以80℃左右的温度投入至最上级的旋风分离器1a的原料在最下级的旋风分离器1d中达到800℃以上的温度，除了预热以外还发生石灰石的脱碳酸。 [0025] 另一方面，在从最上级的旋风分离器1a排出的预热器废气的排气管线6设置未图示的风扇，通过该风扇的抽吸使得将预热器废气排出至体系外。该预热器废气是将从水泥窑3和煅烧炉2排出的燃烧废气或通过原料的脱碳酸而产生的CO2在从最下级的旋风分离器1d至最上级的旋风分离器1a之间与水泥原料热交换后排出至体系外，在排气管线6设置测定预热器废气的O2浓度(第2 O2浓度)的O2浓度计6a。该预热器废气显热作为热损耗对作为整个体系的热耗量的热耗率造成影响。 [0026] 另外，煅烧炉2是为了降低水泥窑3的热负荷，而从管线7分取直至预热器1c为止加热了的水泥原料进行脱碳酸的设备。该煅烧炉2通过从冷却器4通过排气管线9回收的高温3次空气10将在炉内投入的煤粉(第1燃料) 8燃烧，从而对水泥原料提供热。然后，使得从煅烧炉2排出的水泥原料、未燃烧的煤粉和废气通过管线17导入至预热器1的最下级的旋风分离器1d中，在该管线17设置测定来自煅烧炉2的废气的O2浓度(第1 O2浓度)的O2浓度计2a。另外，在排气管线9插装用于控制3次空气10的流量的流量调节阀11。 [0027] 上述水泥窑3为绕轴线旋转驱动的圆筒状部件，在窑底部分3a供给用预热器1和煅烧炉2加热了的原料，与此同时从在窑前面3b设置的主喷嘴12同时供给煤粉(第2燃料) 13和燃料用的1次空气，通过该燃烧气体或火焰的辐射使得内部保持为水泥原料的烧成所需要的1450℃。然后，从窑底部分3a供给至水泥窑3内的水泥原料在随着该水泥窑3的旋转而输送至窑前面3b侧的过程中通过水泥窑3内的热交换而被加热，完成脱碳酸，进一步进行烧成从而成为水泥熟料。 [0028] 然后，在该水泥窑3中，调整上述煤粉的投入量，并且将该煤粉完全燃烧，使得根据其入口的水泥原料的温度或脱碳率，进行水泥原料的脱碳酸和熟料烧成反应，并且控制燃烧用的1次空气的风量和从冷却器4供给的燃烧辅助用的2次空气15的风量，使得窑底部分3a的废气的O2浓度为规定的值。 [0029] 接着，冷却器4用于冷却从水泥窑3排出的熟料，在其底部供给用于骤冷熟料的冷却用空气14，该冷却用空气14与制造的熟料的量对应，供给固定的量。然后，用该冷却器4冷却了的熟料在冷却器出口变为150℃左右并被排出。 [0030] 另一方面，用于冷却的空气14通过与熟料的热交换变为高温，一部分作为水泥窑3中的燃烧辅助用的2次空气15被供给至该水泥窑3中，另外的一部分被供给为去向上述煅烧炉2的3次空气10，与此同时将余量16通过未图示的在排气管线设置的风扇排出至外部。与预热器废气相同，来自该冷却器4的排气的显热也作为热损耗对热耗率造成影响。 [0031] 然后，在该水泥制造设备中，通过下述工序模拟分析，预先求得在煅烧炉2的废气出口通过O2浓度计2a测定的第1 O2浓度与通过煤粉8、13的供给量确定的热耗率的关系、以及在预热器1的废气出口通过O2浓度计6a测定的第2 O2浓度与上述热耗率的关系。 [0032] 然后，控制在来自冷却器4的排气管线设置的上述风扇的转数和在排气管线9设置的流量调节阀11的开度，使得第1 O2浓度和第2 O2浓度均在包含热耗率为最小的O2浓度值的范围内，由此调整从冷却器4供给至煅烧炉2的3次空气10和从冷却器4直接排出的排气16的量。 [0033] 在这里，若具体地对本发明人等实施的上述工序模拟进行说明，则在该工序模拟中将各种设备分解为称为单元操作的单元。例如，若为旋风分离器，则为分离器、热交换器、反应器等。然后，将它们如电路图那样配置，连接固体(粉体)或气体的流动(气流)，进行反复计算直至最后收敛从而得到解。需说明的是，本工序模拟使用作为通用的工序模拟软件的Aspen Tech公司的Aspen Plus v7.2进行。 [0034] 另外，在本工序模拟中，在发生水泥原料的脱碳酸和煤粉8的燃烧的煅烧炉2和最下级的旋风分离器1d导入反应速率模型。另外，作为原料的反应模型，采用未反应核模型。如图2所示，该未反应核模型是在粒子内部存在未反应的部分(未反应核)，且在其外侧形成反应产物层的模型。由于反应速率因未反应核的直径而变化，所以可进行考虑由反应率导致的反应速率的变化的计算。 [0035] 对于水泥原料，设成可制造普通硅酸盐水泥的熟料的组成。另外，水泥原料中所含有的CaCO3进行脱碳酸并变化为CaO。该脱碳酸反应在未反应CaCO3表面发生反应，假设反应界面与表面积成比例，采用粒子模型。 [0036] 在该计算中，考虑由CO2的气体界面膜扩散导致的影响，求得规定温度下的CO2的平衡分压PCO2_eq，用与计算中的CO2分压的比值校正。如下式所示，反应量通过反应速率常数与滞留时间的乘积来计算。需说明的是，平衡分压的温度依赖性可使用通过热天平等的实测或例如文献(“Thermodynamic evaluation and optimization of the (Ca+C+O+S) system”D. Lindberg and P. Chartrand, J. Chem. Thermo., 41, 2009)等的值。 [0037] [数1]在这里 k：反应速率[1/s] 8 A：2.2×10 [1/s] E：2.0×105 [J/mol] R：气体常数8.314 T：温度[K] X：脱碳酸率(质量基准) PCO2：计算中的CO2分压 PCO2_eq：规定温度下的CO2的平衡分压 另外，预热器1在垂直方向连结旋风分离器1a~1d，通过从水泥窑3高温排出的燃烧气体来预热水泥原料。由此，以80℃左右的温度投入至最上级的旋风分离器1a的水泥原料在最下级的旋风分离器1d中达到800℃以上的温度，除了预热以外还发生CaCO3的脱碳酸。 [0038] 此外，在煅烧炉2中，供给固定量的水泥原料和与之对应的固定量的煤粉，与此同时调整燃烧用的3次空气10的风量。然后，该煅烧炉2中的脱碳酸如上所述地反应，煤粉参考文献(“A random pore model for fluid-solid reactions: I. Isothermal, kinetic control”，S. K. Bhatia, D. D. Perlmutter，AIChE Journal vol26, 3 1980)、(“石炭ガス化反応のモデリング 石炭チャーのガス化反応速度と形状形態変化モデル”，梶谷史朗，电力中央研究所报告，2003)进行燃烧。 [0039] 另外，在水泥窑3中，调整煤粉的投入量使得水泥原料变为1450℃ (烧成区温度)的熟料，并且确定辅助燃烧的2次空气15的风量，使得在煤粉燃烧并从水泥窑3变为废气排出时，窑底部分3a的废气中的氧浓度为2%。顺便提一下，1450℃这样的值为据说通常发生熟料烧成反应的值，2%废气氧这样的值为区分水泥窑3和煅烧炉2的类型的水泥制造设备在操作时的通常的目标值。 [0040] 然后，在水泥窑3内，在通过主喷嘴12的火焰的辐射或与燃烧气体的热交换加热为1450℃时，水泥原料从燃烧气体接收的热量可用下式表示。 [0041] [数2]α：原料从燃烧气体接收的热量比例 Qcombustion_air：燃烧气体的显热[kcal/hr] 在本实施方式中，设为α=0.4。 [0042] 另外，冷却器4中的熟料与冷却空气14的热交换将熟料看做固定层，按错流计算。传热系数通过ranz-marshall式导出。传热量Q通过参考文献(“プロセス用キルン”，社团法人日本粉体工业技术协会，日刊工业新闻社，1985)求得每单位体积固定层的粒子-流体间的传热量q，并乘以参考文献(“mean temperature difference and temperature efficiency for shell and tube heat exchangers connected in series with two tube passes per shell pass”，Dodd, R.，IChemE vol.58, 1980)求得的错流热交换校正系数F和粒子的体积V来计算。熟料粒径设为20mm，在冷却器内部堆积的熟料的层厚度设为适合实际设备的厚度。 [0043] [数3]在这里 Q：传热量[J/s] q：每单位体积的传热量[J/m3s] F：校正系数 V：粒子体积[m3] 2 h：传热系数[J/msK] a：粒子的比表面积[1/m] 另外，在实际的运转中，通过来自煅烧炉2的废气中的O2浓度，进行煤粉8的燃烧管理。 因此，依据实际的运转，实施针对调整3次空气10的量使得煅烧炉的废气中的O2浓度为1.5%~5%的情况的计算。 [0044] 结果如图3所示，在冷却器4中，由于作为煅烧炉2的燃烧用空气回收的3次空气10的风量增加，所以来自冷却器4的排气风量减少，与此同时温度降低且废气的显热减少。 [0045] 另外，如图4所示，在增加去向煅烧炉2的3次空气10的量的情况下，除了由最下级的旋风分离器1d出口的废气温度的上升导致的预热器废气温度的上升以外，由于燃烧用空气风量增加，来自预热器的移除显热增加。 [0046] 图5显示在调整3次空气10的量使得煅烧炉2的废气中的O2浓度为1.5%~5%的情况下的热耗率的变化。另外，来自预热器1的废气中的O2浓度不仅受从煅烧炉2输送的废气中的O2浓度影响，还受来自水泥窑3的废气中的O2浓度的影响。图6显示预热器1的出口的废气中的O2浓度和热耗率的变化。 [0047] 需说明的是，在本模拟中，针对3种助燃率分析上述O2浓度与热耗率的关系。在这里，助燃率=(在煅烧炉2中投入的燃料的热量)/(在水泥窑3中投入的燃料的热量+在煅烧炉2中投入的燃料的热量)。 [0048] 由图5和图6可知，在任一助燃率的情况下，在增加煅烧炉2中的燃烧用空气量(3次空气10)的情况下，热耗率均不会一味地恶化而存在最优点。其原因在于：以煅烧炉2的燃烧优化为目的的去向煅烧炉2的燃烧用空气(3次空气10)的增加降低由来自冷却器4的排气16导致的移除显热，与此同时引起由来自预热器1的废气温度的上升和风量增加导致的移除显热的增加。 [0049] 因此，预先求得图5和图6所示的关系，在运转时测定第1氧浓度和第2氧浓度，控制在来自冷却器4的排气管线设置的风扇和和流量调节阀11以调整在煅烧炉中供给的3次空气的风量和来自冷却器4的排气16的风量，使得上述氧浓度均在包含上述热耗率为最小的氧浓度值的范围内，由此可将煅烧炉2的燃烧和热耗率这两者同时最优化。需说明的是，希望煅烧炉出口的废气的O2浓度约在2%~4%的范围内调整，预热器废气的O2浓度约在0.5%~2%的范围内调整。 [0050] 产业上的可利用性根据本发明，可提供能够将煅烧炉中的燃烧和热耗率这两者同时最优化的水泥制造设备的运转方法。 [0051] 符号说明1 预热器 2 煅烧炉 2a、6a O2浓度计 3 水泥窑 4 冷却器 8 煤粉(第1燃料) 10 3次空气 11 流量调节阀 13 煤粉(第2燃料) 15 2次空气 16 排气 |
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