“五级 ”串并联耦合重构换热技术开发.pdf

2中图分类号：TQ72.文献标识码：B 文章编号：008-0473(2023)05-002-07 DOI编码：0.6008/ki.008-0473.2023.05.003“五级+”串并联耦合重构换热技术开发陶从喜1 梁 乾1 蒋代能2 沈序辉1 何明海1 王 明1 蒋文伟1 李 维1 陈 贵3 欧天安3（1.华润水泥技术研发（广西）有限公司，广西 南宁 530409；2.华润水泥（贵港）有限公司，广西 贵港 537100；3.广西建筑材料科学研究设计院有限公司，广西 南宁 530022）摘 要 以水泥生产陶氏3C碳中和理论作为指导，研发预热器高效换热过程减碳技术。在常规预热器优化换热技改的基础上，结合局部高固气比原理，开展预热器基础换热研究开发。研发“五级+”串并联耦合重构换热技术，提高固气比及增加换热次数，用相对低的系统改造成本，提高预热器系统换热效率，C1预热器出口温度较技改前降低约40，能进一步促进烧成系统节能降碳。关键词 悬浮预热器 高固气比 串并联耦合 3C碳中和理论0 引言随着国家“碳达峰”“碳中和”工作的部署及开展，尽早实现水泥行业“碳达峰、碳中和”目标，成为大家共同面临的难题1。笔者根据对水泥全过程排碳源的分析，将整个水泥生产全周期进程的控碳环节划分为三个方面，即：产生CO2的源头原料及燃料的控制与降低，水泥生产过程的减碳操作，以及固碳或抵消排放出的CO2，归纳为源头低碳、过程减碳以及末端去碳，简称陶氏3C碳中和理论。该理论体系主要围绕水泥生产矿山、水泥熟料烧成系统、粉磨系统、混凝土等产业链制定节能减碳技术路线，解决行业降碳难题。陶氏3C碳中和是对水泥行业碳减排关键技术的归纳与总结，见图1所示。图 基于水泥生产全周期的陶氏3C碳中和理论其中过程减碳技术是指采用新技术、新材料、新工艺、新装备低能耗集成创新技术与装备优化升级现有生产线，通过降低系统煤耗、电耗，不断提升能效水平，实现水泥生产过程更低碳排放的控碳技术。本文介绍结合现有生产条件开发的一种隶属于过程减碳技术的高效换热过程减碳技术“五级”串关联耦合重构换热技术。1 烧成系统工艺发展及现状-五级预热器在预分解窑生产熟料的过程中，生料先在预热器、分解炉内通过悬浮、分离等方式，在升温过程中经过脱水、预热和分解（生料中碳酸盐的分解），然后进入回转窑内煅烧。预分解窑水泥熟料烧成系统作为新型干法水泥生产技术的核心环节，其消耗的能量占水泥生产总能量的97。该过程能量的利用率，是新型干法水泥生产降低能源消耗及污染物排放水平的关键。由中国建筑材料联合会和全国能源基础与管理标准化技术委员会归口管理的水泥单位产品能源消耗限额（GB 167802021）强制性国家标准经过多次意见反馈和研讨定稿，已于2021年10月11日发布，2022年11月1日实施，对单位熟料产品的综合能耗、电耗、煤耗等提出更严格的要求，见表1。预分解窑熟料烧成中的预热器系统从问世到上世纪80年代多数采用四级预热器系统，由于废气温度往往达到380 以上，不仅浪费能量，还影2023年第5期 新世纪水泥导报 No.5 2023 Cement Guide for New Epoch 烧成论坛3响设备寿命；20世纪80年代，我国开始推行五级预热器系统，到了21世纪00年代，以五级悬浮预热预分解技术为核心的预分解工艺成为我国水泥熟料生产的主导工艺，熟料热耗降到3 100 kJ/kg.cl以下。然而，这个时期五级预热器最上一级出口废气温度在320 左右十分常见，和喂入生料的温度之间仍有很大温差。为了实现生料回收更多热量，降低熟料烧成热耗的目的，我们开始考虑增加预热器级数的方式2。从理论上讲，预热器级数愈多，愈接近可逆换热反应，换热效率愈高；但每增加一级预热器就须多克服一级的流体阻力，从而增加动力消耗（电耗）。实践证明，不是级数越多越好，而是存在于一个最优级数3。表 GB6780-202单位熟料产品能耗限额等级2 常规五级预热器的优化改造窑外分解工艺是技术先进性与过程复杂性并存的水泥熟料煅烧技术，由于窑尾增设了悬浮生料的预热器和分解炉，不同温度的气固两相在整个烧成系统中流动、分散、混合、燃烧、换热、分解、传质、分离、预烧、烧成和冷却，期间物化反应生生不息。从目前的生产效果来看，预热预分解窑系统的功能还不尽人意，众多水泥工作者正不断从各个角度和层面对系统展开研究以优化系统性能。大多数的研究是以窑系统热工标定为基础，采用反求方法，计算出与熟料烧成有关的难以检测的关键参数，以全面分析与评价整个烧成系统，找出存在问题和提出改进方案2。纵观几十年的技术进步历程，水泥生产技术研究者和实践者努力追求的目标主要表现在以下四个方面:（1）为了降低热耗，需要增加旋风筒的级数，提高旋风筒分离效率，减少系统漏风，减少排气量和表面散热损失；（2）为了减少电耗，需要减少旋风筒的阻力；（3）减小旋风筒的结构体积，降低框架高度和设备重量；（4）防止堵料、塌料等事故的发生，提高系统的运转率。在这些目标的指引下，我们改进了旋风筒的结构形状，合理匹配各级旋风筒的尺寸比例和空间位置，在旋风筒内增设各种减阻导流装置，等等。这些属于传统的改进途径。2.1 预热器换热数学模型设定以实际生产线已知参数为参考，以稳定操作条件下的可测参数为已知量，通过平衡关系和“三传一反”规律建立数学模型，可计算出能反映系统工况特征的若干重要但难以检测或无法检测的实际参数。这对全面深入分析和研究窑炉生产能力、窑炉热负荷、冷却机能力、窑尾子系统各部风速、旋风筒分离效率、换热效率、分解炉分解功能及系统热耗等几大方面的工作来说，给予了基础资料的支撑。2.1.1 关键参数获取步骤水泥熟料烧成系统热工核心节点关键参数的获取需要经历三个主要步骤：（1）建立水泥熟料烧成系统热工计算模型，包括作为计算单元若干子系统的划分以及某些结合实际生产状况的合理的假设；（2）收集涉及水泥熟料烧成的各项原始数据，并对收集到的原始数据进行分析，计算全窑系统物料平衡及热平衡，为反求计算提供相应数据；（3）应用第一步建立的模型和第二步收集到的数据对全窑系统进行反求计算，以求得能反映系统工况特征的若干重要但难以检测或无法检测的实际参数，并对得出的反求结果进行分析，找到生产中存在的问题，为生产的优化提供指导。2.1.2 对模型的假设为简化系统模型计算，结合生产运行参数统计规律，对模型进行以下假设：（1）生料中物理水，在C1旋风筒及其联接管道中脱除；（2）生料中化合水，在C2旋风筒及其联接管道中脱除；（3）生料中MgCO3+CaCO3在C3、C4旋风筒及其联接管道、分解炉和窑尾上升烟道中部分分解，其余在回转窑中分解；（4）物料及气体比热与温度的关系均采用拟合关联式；（5）各单元出口气体温度与物料温度相同。2.2 五级预热器换热计算C1旋风筒平衡计算模型见图2所示。图2中物料平衡符号代表意义为：mC1C1喂料、VC22023年第5期 No.5 2023 陶从喜，等：“五级+”串并联耦合重构换热技术开发 烧成论坛4C2废气、fC2C2飞灰；mC2C2喂料（C1下料）、VC1C1废气、fC1C1飞灰。物料平衡计算公式为：mC1+VC2+fC2=mC2+VC1+fC1 图2中热量符号代表意义为：Qm1C1喂料显热、QVC2C2废气显热、QfC2C2飞灰显热；Qm2C2喂料（C1下料）显热、QVC1C1废气显热、QfC1C1飞灰显热，QB1C1表面散热、QF1C1单元物理化学反应热（对C1为生料自由水蒸发散热）。热量平衡计算公式为：Qm1+QVC2+QfC2=QmC2+QVc1+Qfc1+QB1+QF1 上述两方程中：其中fC2C2飞灰为未知量，mC2C2喂料（C1下料）为未知量，联立方程可求解模型单元内未知数。根据上述原理及方案，计算出常规五级双系列预热器参数，如表2所示。笔者对常规五级预热器优化改造的计算及工程实践表明，风速越高，压损越大，目前主流的各级出口风速均在1618 m/s，在确保上C1预热器不塌料的前提，尽量降低各级进出口风速而降低系统阻力是合理的技改方向。但优化改造后的C1预热器表2 五级双系列预热器关键节点参数计算结果图2 C旋风筒平衡计算模型示意图2023年第5期 新世纪水泥导报 No.5 2023 Cement Guide for New Epoch 烧成论坛5出口温度约在318 范围，与工程应用现场基本接近，大部分运行的五级预热器均在此范围10 内波动。但仅凭对预热器的降阻优化及局部改造很难提升系统的换热效率。3 “五级+”串并联耦合重构换热技术原理及关键参数核算3.1 换热技术原理悬浮预热器的主要功能在于充分利用回转窑及分解炉排除的炽热气流加热生料完成生料预热及部分碳酸盐分解。为了最大限度地利用废弃热焓降低过程中的动力消耗，悬浮预热器必须具备使气固两相在短程内充分分散、迅速换热，以及在换热后高效分离等三个功能。只有高效极致地发挥这三个功能，方可最大限度地提高换热效率，为全窑系统优质、高效、低耗和稳定生产创造条件。许多研究结果表明：悬浮预热器中生料粉与高温气流的换热主要发生在连接管道之中，而在管道中进行的热交换又主要发生在生料颗粒加速段的起始区。对数学模型的理论求解、热模实验及在悬浮预热窑上进行现场实测，证明了生料粉和高温气流的热交换主要发生在输送床加速段的起始区，其距离不超过50 cm，时间不大于0.035 s3。有关上升管道换热的理论研究也表明：当固气比Z3.6时，随着Z值增加热效率减小。因此，在一定范围内提高悬浮预热预分解系统的固气比，是提高系统换热效率、降低预热器出口废气温度的有效途径之一。本课题主要基于目前C1预热器出口废气带走热焓较多的特点，通过研究预热器换热效率，找到适用不同基地的技术升级方案，降低出预热器气体的热焓，最终提升综合能耗水平。3.2 换热技术方案考虑到工程应用中基地不适宜大规模改造的局限性，在不增加预热器级数和较大的荷载前提下，主要对现有五级双系列悬浮预热预分解系统进行局部改进，采用“五级+”串并联耦合重构换热技术提高固气比及增加换热次数，从而实现提高生料换热效率，降低系统废气温度。五级双系列悬浮预热器中气体、物料以相反的方向均等地通过平行双系列预热器，而“五级+”串并联耦合重构换热技术则不同，双系列悬浮预热器中生料串联进入C1双系列旋风筒进口的上升管道，两列的并行气流与串行料流相结合，使出旋风筒的气体均等地通过平行双系列预热器，使100的物料与50的气流交换热量，既达到增加换热次数的目的，也使得固气比Z可以从1.0左右提高到2.0左右或更高。以五级双系列悬浮预热预分解系统局部改造工艺流程为例（见图3所示），其生料入窑主要路径为：生料喂料C2AC1A上升管道C1A旋风筒C2BC1B上升管道C2双系列旋风筒C4C3双系列上升管道C3双系列旋风筒C5C4双系列上升管道C4双系列旋风筒分解炉C5双系列旋风筒烟室回转窑。从生料路径可知，生料与上升热气流在C2AC1A、C2BC1B、C3C2双系列、C4C3双系列、C5C4双系列上升管道经过5次热交换，其中C2AC1A、C2BC1B换热管道内固气比2，从而提高系统的换热效率。图3 五级双系列悬浮预热预分解系统局部交叉流换热工艺流程图“五级+”串并联耦合重构换热技术的主要特点为生料串联进入C1双系列旋风筒进口的上升管道，实现局部高固气比的换热目的。结合生产数据经验，对“五级+”串并联耦合重构换热关键参数进行核算，列入表3。从表3计算结果可以看出，相比于常规五级换热系统，“五级+”串并联耦合重构换热技术在不增加预热器阻力的情况下，实现C1预热器出口温度降低至280，较常规五级降低约3040，可以明显降低系统能耗。2023年第5期 No.5 2023 陶从喜，等：“五级+”串并联耦合重构换热技术开发 烧成论坛64“五级+”串并联耦合重构换热C F D 模拟窑尾预分解系统内的工况非常复杂，存在着不同工况的复杂多级燃烧以及分解、矿相转化等热化学反应和气固能质传递。水泥工业的热工设备都是高温非透明体，为了尽可能全面、真实地反应热工设备内气-固两相流动规律，传统的方法是采用理论分析、冷模试验、热模试验与现场热工标定相结合的物理模拟办法。但由于这种方法受测试手段和模拟条件的限制，很难获得炉内真实、全面的信息，且需投入大量人力财力，研究成本高。CFD（Computational Fluid Dynamics，计算流体力学）是表3 烧成系统主要运行状态计算结果现代工程问题研究最先进手段之一5。当今，随着计算机技术以及数值模拟求解方法愈发成熟，越来越多的研究者借助数值模拟仿真手段，来分析模拟水泥生产工艺中分解炉预热器等设备中的燃料燃烧以及物料与气流的工作状态，通过改变模拟参数来研究不同工况继而找出能节能减排的最佳工况6。建立贵港2#线旋风筒交叉换热方案的几何模型，并对其开展不同几何模型简化方法、网格类型及质量、湍流模型及参数设置、颗粒流模型及参数设置、边界条件参数设置、求解算法等条件下的CFD模拟，研究上述因素对气流场压力损失准确2023年第5期 新世纪水泥导报 No.5 2023 Cement Guide for New Epoch 烧成论坛7率、网格独立性、计算求解收敛性、计算资源消耗的影响，并在贵港2#线技改实施前对其工况进行CFD模拟预测，图4所示为贵港2#网格划分图。图4 CA、CB几何模型与网格划分同时开展现场调研贵港2#线交叉换热技改实施和热工标定，并根据实际情况对技改后的几何模型进行调整或简化，研究边界条件、湍流和颗粒模型、参数设置对模拟结果的影响，基于项目研究内容的结果进行模型和参数调整，使模拟结果符合技改后的实际工况。图5为贵港线技改后C1A预热器筒纵切面温度云图。由图5可见，由于C1A的换热管道很长，在换热管中基本完成了绝大部分的气固换热，在旋风筒中的温度分布比较均匀。表4所示为贵港线技改前后C1-C4预热器出口平均温度。图5 贵港线技改后CA预热器纵切面温度云图对比各个预热器烟气与生料出口温差可见，技改后C1A与C1B预热器中气固两相分别从各自出口逸出时的温差皆远远低于技改前常规C1预热器的温差，这是因为C1A与C1B预热器中固相皆为高表4 贵港2线技改前后预热器出口平均温度对比数据浓度，气固之间接触程度高所致。其他各级旋风筒技改前后的温差在2658 之间波动，波动原因主要与初始进入旋风筒的气固初始温度有关。综合计算，C1A出口温度与C1B出口温度汇总后计算温度为286，CFD计算值与生产运行数据已经很接近（热工标定双列混合温度约280）。通过旋风筒的CFD换热计算数据可以看出，其计算精度可以很好地指导设计及后期生产优化，是提升系统换热效率的非常有利的工具。5 结束语在国家节能减排大趋势下，水泥行业技改需求日趋频繁，大量的技改应用在预热器上，目前运行的预热预分解窑系统还存在着可优化的空间。本文在水泥生产全周期陶氏3C碳中和减碳理论思想的指导下，从水泥熟料生产的各个角度和层面对系统展开分析，创造性地提出了“五级+”串并联耦合重构换热技术方案，通过对旋风筒进行改造，在一定范围内提高悬浮预热预分解系统的固2023年第5期 No.5 2023 陶从喜，等：“五级+”串并联耦合重构换热技术开发 烧成论坛8中图分类号：TQ72.622 文献标识码：A 文章编号：008-0473(2023)05-008-07 DOI编码：0.6008/ki.008-0473.2023.05.004两种不同蜗壳结构C1旋风筒性能差异的数值模拟研究万政武1 梅书霞1 谢峻林2 刘 勇1 林永权3 魏子易3 刘长江4（1.武汉理工大学材料科学与工程学院，湖北 武汉 430070；2.北京工业大学材料与制造学部，北京 100124；3.华润水泥技术研发有限公司，广东 广州 510460；4.广西自贸区见炬科技有限公司，广西 钦州 535000）摘 要 针对两种不同蜗壳结构的C1旋风筒建立模型，进行了数值模拟，其中气相采用RSM雷诺应力模型，颗粒相采用DPM离散相模型，模拟结果符合实际工况。针对两种旋风筒的结构差异，对其速度场、压力场以及各截面湍流强度进行了对比分析。结果表明：两种结构旋风筒的气固分离效率变化不大；压降有300 Pa左右的差别，其中270切的蜗壳相较于180切湍流强度更小，阻力损失也更小；换热管道与旋风筒蜗壳入口的连接形式以及入口形状对流场的稳定性影响较大，其中五边形进口比四边形进口的流场分布更为合理，阻力损失也更小，相对来说，系统运行的能耗将更低。关键词 旋风筒 数值模拟 气固二相流场 分离效率 压降 蜗壳结构2023年第5期 新世纪水泥导报 No.5 2023 Cement Guide for New Epoch 烧成论坛0 引言建材行业能源消耗、二氧化碳排放、污染物排放总量在工业部门中位居前三位1。水泥行业作为我国建材行业的领头羊，正在积极采取措施，为实现节能减碳战略目标吹响号角。目前，以悬浮预热和窑外分解为核心的新型气比，提高系统换热效率、降低预热器出口废气温度，降低出预热器热焓，最终提升水泥熟料生产综合能耗水平。本文通过对现行的常规预热器进行分析，同时开展“五级+”串并联耦合重构换热技术原理确认及数据核算，初步得出以下几个方面的结论：（1）受限于原燃材料及换热效率的影响，目前大部分常规运行的五级预热器C1出口温度基本在310320，系统热损还可进一步降低；（2）该技术方案理论上可以实现C1出口废气温度降低至280 的目标，较常规预热器废气温度降低3040；（3）预热器换热CFD模拟计算表明，在计算机上模拟技改前后的工况（计算与实测时间对比误差较小）可以通过持续的迭代优化计算，为技改方案提供基础数据，是优化系统设计非常有利的工具。参考文献1 陶从喜,纪友红,胡松,等.开展存量生产线节能降碳技改 推动水泥行业高质量发展J.中国水泥,2022(3):73-76.2 徐德龙.水泥高固气比预热预分解技术C/2011年中国(山 东)水泥与混凝土高峰论坛论文集.济南:山东省硅酸盐学 会,2011.3 杨沛浩,陈延信,徐德龙.高温高固气比条件下旋风预热 器分级分离效率的研究J.西安建筑科技大学学报,2015,47(5):752-759.4 胡亚茹.高固气比预热预分解全窑系统热力学仿真研究D.西安:西安建筑科技大学,2006.5 张凯,陶从喜,王洪霞,等.预热器撒料盒实验仿真计算研究J.水泥技术,2014(1):20-24.6 董立龙,赵蔚琳,耿宗俊.基于Fluent软件模拟分析旋风筒的 工作性能J.四川水泥,2014(8):13-1.（收稿日期：2023-05-10）