0  引 言

  眾所周知，水泥生產(chǎn)是一個(gè)合成以阿里特為主要礦物的高溫化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。根據(jù)熵增原理和過(guò)渡狀態(tài)理論，水泥工業(yè)的固相反應(yīng)都存在反應(yīng)勢(shì)壘，因此須有溫度、壓力、催化劑等外界條件降低活化能。在水泥工業(yè)中，熟料的生成是液相燒結(jié)。依據(jù)化學(xué)反應(yīng)的觀點(diǎn)，在其它條件都相同時(shí)，越高的反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間，就能得到較高的合成率；同理相同的合成率，溫度越高，反應(yīng)時(shí)間越短。同時(shí)根據(jù)菲克定律，高溫對(duì)固相反應(yīng)的擴(kuò)散也有很大影響?，F(xiàn)代新型干法水泥生產(chǎn)追求的是優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低消耗，即較高的反應(yīng)程度，最低的時(shí)間消耗，得到最高的產(chǎn)量，因此在相同f-CaO含量時(shí)，更少的反應(yīng)時(shí)間就需要有較高的反應(yīng)溫度。

  燒成帶溫度的提高能夠提高熟料質(zhì)量，因?yàn)樵跓蓭囟容^高時(shí)，阿里特晶型由MⅠ向MⅢ型轉(zhuǎn)變，MⅢ型早期水化較慢，3d以后漿體致密，強(qiáng)度提高很快，貝利特在高溫緞燒及快速冷卻使B礦保留活性較高的а‘型，鍛燒溫度提高使液相粘度降低，有利于Al₂O₃ 溶進(jìn)鐵相 ，形成C6A2F，這樣鐵相就增加，而剩余下來(lái)生成含鋁相的Al₂O₃ 就減少了。鍛燒溫度提高也使A 礦中固溶的Al₂O₃ 增加，從而減少含鋁相含。這些都已經(jīng)得到了國(guó)內(nèi)外研究人員和實(shí)際生產(chǎn)的證實(shí)。

  燒成帶是水泥熟料礦物形成，窯用耐火材料經(jīng)受溫度最高，窯內(nèi)液固兩相出現(xiàn)交錯(cuò)反應(yīng)，是窯皮形成的地方。燒成帶溫度是影響水泥熟料質(zhì)量產(chǎn)量的關(guān)鍵因素，而影響燒成帶溫度的因素很多，例如窯尾溫度、喂煤量、煤的熱值、一次風(fēng)量、三次風(fēng)溫、胴體表面散熱、出窯熟料溫度、熟料產(chǎn)量、入窯物料溫度等等。因此如何控制、監(jiān)測(cè)、比較燒成帶溫度是水泥生產(chǎn)必須考慮的問(wèn)題。

  1 分段燃燒計(jì)算

  1.1  模型特征

  影響燒成帶溫度的因素眾多，相互之間耦合性很強(qiáng)，因此單獨(dú)分析某一因素的影響十分困難，然而如果根據(jù)實(shí)際窯況進(jìn)行測(cè)量，既不具有對(duì)窯型、原材料、生產(chǎn)狀況等等的代表性，也無(wú)法形成相互之間的可比性，因此燒成帶溫度的研究，既需要深入了解各個(gè)參數(shù)的現(xiàn)實(shí)含義，也要包括相互之間的隱含數(shù)值；既要有測(cè)量參數(shù)的支撐，又要有正常窯況的分析。

  筆者通過(guò)設(shè)置整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的熱平衡，分四個(gè)階段完成對(duì)燒成帶溫度的建模。第一步，建立整個(gè)系統(tǒng)的熱平衡和物料平衡，完成生產(chǎn)1噸熟料所需要的燃料消耗量，即收入的熱量等于支出熱量，收入熱量包括燃料帶入熱量、燃燒放出熱量、氣體帶入熱量等，支出熱量包括熟料形成熱量，氣體帶走熱量等；第二步，根據(jù)燃燒理論，得到在受限射流狀態(tài)下，燃料燃燒所產(chǎn)最高燃燒溫度，即

  第三步，根據(jù)過(guò)渡帶溫度的熱平衡，得出由過(guò)渡帶進(jìn)入燒成帶氣體的溫度，即進(jìn)入過(guò)渡帶熱量=離開過(guò)渡帶熱量+胴體散熱；第四步，根據(jù)燒成帶窯段的熱平衡，得出燒成帶的物料溫度，即進(jìn)入燒成帶熱量=離開燒成帶熱量+胴體散熱。由上述四個(gè)階段，實(shí)現(xiàn)對(duì)已有測(cè)量參數(shù)的深度細(xì)化，同時(shí)對(duì)隱參數(shù)實(shí)現(xiàn)顯化。

  為了改變過(guò)去研究建模的粗糙和不科學(xué)，本模型既注重對(duì)系統(tǒng)熱平衡、物料平衡的研究，實(shí)現(xiàn)已有真實(shí)研究成果的繼承，從而為本模型的普適性創(chuàng)造條件，又在原有熱平衡的基礎(chǔ)上，注重對(duì)窯的分段計(jì)算，實(shí)現(xiàn)熱平衡的深入和細(xì)化。為了更準(zhǔn)確的反應(yīng)物料、氣體的熱容，研究中根據(jù)物料氣體的熱容隨著溫度的變化而變化的特點(diǎn)，根據(jù)已有的物料、氣體等的測(cè)量資料，回歸出物料氣體熱容的線性方程，從而避免了原有熱平衡計(jì)算的靜態(tài)性，同時(shí)把可以測(cè)量的運(yùn)行參數(shù)做成界面，這樣既可以實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)參數(shù)的研究，又可以與已有生產(chǎn)線的DCS系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)測(cè)量、監(jiān)控、表征燒成帶溫度。圖1即是分段燃燒計(jì)算的示意圖，根據(jù)已有的窯外分解窯溫度帶劃分理論，示意圖中把窯分為三段，以有窯皮的劃分為兩段，分別為冷卻帶和燒成帶；把沒(méi)有窯皮的劃分為一段，即過(guò)渡帶。筆者以生產(chǎn)中應(yīng)用較多的5000T/D生產(chǎn)線為基礎(chǔ)，窯型為Ф4.8×74m為對(duì)象建立模型。由于胴體溫度受外界風(fēng)速影響較大，對(duì)流換熱系數(shù)和其它換熱系數(shù)計(jì)算困難，本文對(duì)它們進(jìn)行了修正。

  為了便于和現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)銜接，筆者編寫了Visual Basic 程序，其部分界面如圖2所示，所有可以調(diào)整的參數(shù)都可以顯示在界面上，以便于計(jì)算比較。

  圖2   Visual Basic程序部分界面

  1.2  運(yùn)算結(jié)果

  利用該程序模擬四川某企業(yè)五條5000T/D的新型干法水泥窯得出的結(jié)果如圖4所示，從結(jié)果中可以看出，燒成帶物料溫度為1455℃，最高氣體溫度出現(xiàn)在10～20m之間約2000℃，從工業(yè)電視中可以看到整個(gè)視野明亮發(fā)白，火焰活潑有力。此時(shí)測(cè)得的熟料F-CaO含量為0.8%，立升重為1350g/L，3d強(qiáng)度35.2MPa，28d強(qiáng)度60MPa，由此可知熟料反應(yīng)的溫度較高，資料顯示熟料的較好反應(yīng)溫度為1300℃以上，與計(jì)算結(jié)果相差0.3%，對(duì)比過(guò)去國(guó)內(nèi)外的研究資料（見圖3）與計(jì)算的圖4發(fā)現(xiàn)，該模型明顯符合生產(chǎn)實(shí)際狀況。再次模擬蜀地某企業(yè) 3200T/D新型干法水泥生產(chǎn)線，亦有上述結(jié)論。

  圖3  預(yù)分解窯和預(yù)熱器窯氣體和物料溫度沿窯廠分布規(guī)律

  圖4   根據(jù)模型得出的物料溫度與氣體溫度

  為了便于分析問(wèn)題，以下討論都是依據(jù)上述計(jì)算機(jī)程序，通過(guò)精心修整生產(chǎn)中的謬誤、偏差參數(shù)，確定合理的生產(chǎn)工藝參數(shù)，具體參數(shù)見表1-表3。假定其他條件相同，變化的只有單一因素。

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  2  燒成帶溫度因素分析

  2.1  窯尾煙氣溫度

  窯尾煙氣溫度是燒成帶溫度向外輸出的重要表征，也是分解爐內(nèi)碳酸鹽分解的重要熱源。圖5是燒成帶溫度與窯尾煙氣溫度的關(guān)系圖。

  由上圖可知，燒成帶溫度隨窯尾溫度的升高而降低，其原因在于假定其他的條件不變，即總熱量一定，出窯尾廢氣的溫度越高，帶走的熱量就越多，燒成帶溫度也會(huì)隨之降低。但實(shí)際生產(chǎn)并非其他條件不變，例如隨著窯尾溫度的升高，分解爐內(nèi)生料的分解率可能會(huì)提高，這時(shí)入窯物料的的溫度有可能增加，此時(shí)燒成帶溫度會(huì)出現(xiàn)如圖6所示的變化。由圖可知，當(dāng)入窯物料溫度的升高時(shí)，燒成帶溫度有明顯的上升。把圖6中1100℃處的燒成帶溫度代入到圖5中得到圖7。從圖7可以看出，直線在1100℃時(shí)發(fā)生了改變——開始向上隆起，說(shuō)明入窯物料溫度的升高抑制了燒成帶溫度的降低，因此盡量提高入窯生料分解率可以減輕窯內(nèi)的熱負(fù)荷又能盡快升高物料溫度，在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)大部分的熱量都應(yīng)用于物料升溫，而不是碳酸鹽分解，分解率的提高既可以縮短窯的長(zhǎng)度尤其是碳酸鹽分解帶的長(zhǎng)度，又可以提高燒成帶溫度，減小窯頭喂煤量。根據(jù)測(cè)算窯尾物料溫度每提高10℃，就可以減少窯頭喂煤量1%，但是實(shí)踐表明只要碳酸鹽沒(méi)有完全分解，物料溫度就不會(huì)一直升高，且在分解溫度以下，也是就是說(shuō)物料升高的溫度是有限的，因此提高入窯生料分解率對(duì)水泥回轉(zhuǎn)窯的優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低消耗有至關(guān)重要。

  為了使保證入分解爐的溫度大于出分解爐溫度，在不引起煙道系統(tǒng)結(jié)皮、堵塞的情況下，適當(dāng)提高窯尾煙氣溫度是可以的，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)狀況，一般生料的分解率不會(huì)是100%，當(dāng)入窯生料溫度在870℃時(shí)，窯尾溫度控制在1100℃比較合適。

  2.2 窯頭喂煤量

  窯頭的喂煤量是提供窯內(nèi)熱源的主要方式，窯頭喂煤量的多少直接影響窯內(nèi)燒成帶溫度，但是有時(shí)增加喂煤量，燒成帶溫度并不一定增加，原因是煤粉是否完全燃燒，窯內(nèi)通風(fēng)是否變大等都會(huì)抵消增加喂煤量的效果。在合適的通風(fēng)條件下，整個(gè)窯系統(tǒng)用煤量是一定的，只是窯頭與分解爐的分配比例有所不同。圖8是窯尾溫度為1050℃，入窯生料溫度為850℃時(shí)，窯頭喂煤所占比例分別為40%，50%，45%，55%，60%，30%時(shí)，燒成帶溫度的計(jì)算結(jié)果。

  從圖中可以看出窯頭喂煤所占比例越大燒成帶溫度越高，這是緣于我們假定其他的條件都相同，但是實(shí)際生產(chǎn)中，隨著窯頭喂煤量的增加窯尾溫度會(huì)隨著增加，尤其是調(diào)節(jié)窯內(nèi)用風(fēng)量時(shí)。圖9表明同樣是窯頭喂煤量占40%時(shí)，窯尾溫度增加對(duì)燒成帶溫度的影響。

  從圖中可以看出，隨著窯尾溫度的升高，窯頭喂煤量的效果逐漸在削弱?，F(xiàn)在運(yùn)轉(zhuǎn)的多數(shù)預(yù)分解窯的操作都是基本固定風(fēng)量，隨溫度和喂料量的變化增減用煤量。由上述分析可知，這種操作十分有害，甚至起到適得其反的作用，增加窯頭用煤量，如果沒(méi)有恰當(dāng)?shù)娘L(fēng)量，要么會(huì)造成窯尾氣體溫度升高，或者造成燃料的不完全燃燒，不會(huì)增加燒成帶溫度，因此在增加窯頭喂煤量以提高燒成帶溫度時(shí)，應(yīng)注意窯尾溫度的升高和監(jiān)控?zé)煔庵蠧O的含量。

  2.3  窯頭溫度

  窯頭溫度包括四部分：a出窯熟料溫度；b二次風(fēng)溫；c三次風(fēng)溫d一次風(fēng)溫；四者對(duì)燒成帶的溫度影響各有不同。出窯熟料溫度是熟料帶走熱量多少的表征，二次風(fēng)溫和三次風(fēng)溫是冷卻熟料時(shí)的風(fēng)溫。兩者之間存在相關(guān)性，隨著出窯熟料溫度的增加，二次風(fēng)溫和三次風(fēng)溫可能會(huì)升高，假定二次風(fēng)溫和三次風(fēng)溫恒定。圖9是出窯熟料溫度與燒成帶溫度之間的關(guān)系圖。

  由圖可知，隨著燒成帶溫度的增加，出窯熟料溫度隨著增加，兩者之間有近似直線關(guān)系，但是增加的幅度很小，說(shuō)明出窯熟料溫度受到燒成帶溫度影響很小。實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，正常運(yùn)轉(zhuǎn)的窯系統(tǒng)，出窯熟料溫度基本恒定在1300℃，但是二次風(fēng)溫與三次風(fēng)溫卻是經(jīng)常受熟料粒度、冷卻風(fēng)量的變化而變化，而且二次風(fēng)與三次風(fēng)有一個(gè)風(fēng)量分配的問(wèn)題。二次風(fēng)與三次風(fēng)既可同時(shí)升溫，又可以只有一個(gè)升高，在二次風(fēng)量較大時(shí)，窯尾溫度也會(huì)增加，因此假定窯尾溫度不變，二次風(fēng)溫與燒成帶溫度關(guān)系如圖10所示。

  從圖中可以看出隨著二次風(fēng)溫的增加，熟料燒成帶溫度呈明顯的增加趨勢(shì)，說(shuō)明二次風(fēng)溫度對(duì)燒成帶溫度影響明顯。實(shí)際上，二次風(fēng)不僅提供了窯內(nèi)煤粉燃燒的一個(gè)熱源，而且提供了煤粉燃燒所需要的氧氣。根據(jù)二次風(fēng)溫，我們可以了解熟料的煅燒狀況，而且提高二次風(fēng)溫度，可以明顯減少窯頭喂煤量，計(jì)算結(jié)果表明，二次風(fēng)溫在1200℃時(shí)比在1100℃時(shí)，可節(jié)約4%的燃料消耗。因此較高的二次風(fēng)溫度對(duì)提高燒成帶溫度是有益的，與二次風(fēng)溫相反，三次風(fēng)溫越高，意味著有較多的熱量被轉(zhuǎn)移到了分解爐，這時(shí)進(jìn)入窯內(nèi)的熱量相應(yīng)減少，燒成帶溫度變低，圖11印證了這一點(diǎn)。

  隨著三次風(fēng)溫的升高，燒成帶溫度在下降，但是在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，三次風(fēng)除了提供分解爐內(nèi)熱量，還有提供分解爐內(nèi)煤粉燃燒需要的氧氣，因此從綜合的觀點(diǎn)看，三次風(fēng)溫不宜過(guò)低，至少應(yīng)該高于分解爐出口溫度，否則通過(guò)分解爐后會(huì)吸收一部分熱量。

  一次風(fēng)溫與二次風(fēng)和三次風(fēng)不同，一次風(fēng)溫度較低，它的主要目的是輸送煤粉。假定二次風(fēng)溫為1100℃，三次風(fēng)溫為900℃，這時(shí)一次風(fēng)溫與與燒成帶溫度之間，呈現(xiàn)較弱的線性相關(guān)，其相關(guān)系數(shù)僅為0.8929。當(dāng)一次風(fēng)溫升高時(shí)，燒成帶溫度并沒(méi)有明顯提高，而且隨著實(shí)際生產(chǎn)中多通道燃燒器的使用，一次風(fēng)量在逐漸的減少，因此，盡管一次風(fēng)溫度最低，但是對(duì)燒成帶溫度的影響卻是微乎其微。故，不必刻意提高一次風(fēng)溫，較高的一次風(fēng)溫對(duì)煤粉的輸送也十分不利。值得注意的是，由于系統(tǒng)漏風(fēng)，造成一次空量明顯增大。因此強(qiáng)化窯頭窯尾以及篦冷機(jī)的漏風(fēng)管理尤為重要。

  2.4 胴體表面溫度

  窯的胴體溫度是指示窯內(nèi)燒成帶溫度的較好指標(biāo)，但它又受到耐火材料厚度，窯皮厚度，熟料溫度，窯的轉(zhuǎn)速等等影響，從熱平衡的觀點(diǎn)來(lái)看，窯外散失熱量越多，燒成帶溫度越低。由于窯皮的不斷脫落與粘附，表面溫度也會(huì)有所變化，同時(shí)熟料成分的變化導(dǎo)致液相粘度的變化，進(jìn)而有窯皮也有厚薄的變化，但從一段時(shí)間來(lái)看，窯內(nèi)還是一個(gè)熱平衡的溫度場(chǎng)，窯皮基本保持在恒定的位置。圖13即表明窯胴體溫度與燒成帶溫度間的關(guān)系，可以發(fā)現(xiàn)隨著窯筒體溫度的升高燒成帶溫度有明顯的下降，這說(shuō)明窯胴體溫度對(duì)燒成帶溫度影響較大，因此保證較低的窯筒體溫度對(duì)燒成帶溫度非常有利，這可以通過(guò)增加窯皮厚度，較少耐火材料磨損，及時(shí)更換耐火磚，增加一定的生料喂料量等措施解決。據(jù)統(tǒng)計(jì)胴體溫度每降低1℃約減少熱耗5.4J/Kg-cl，因此采用新型隔熱材料是降低胴體溫度的有效途徑。

  增加生料喂料量對(duì)燒成帶溫度的影響較小，原因是物料在進(jìn)入燒成帶后是一個(gè)微吸熱的過(guò)程，火焰對(duì)熟料的輻射成為換熱的一個(gè)主要方式?，F(xiàn)代新型干法水泥生產(chǎn)主要是薄料快燒，目的是強(qiáng)化火焰對(duì)熟料的傳熱效率，實(shí)際上窯轉(zhuǎn)速的加快，對(duì)于保護(hù)厚窯皮有利，從而提高了燒成帶溫度，但是過(guò)厚的窯皮，對(duì)窯內(nèi)通風(fēng)等也會(huì)造成不利影響，因此要有適宜的窯皮厚度。過(guò)去的濕法窯和懸浮預(yù)熱器窯，由于窯體過(guò)渡帶較長(zhǎng)，窯的轉(zhuǎn)速較慢，出燒成帶的高溫氣體，通過(guò)沒(méi)有窯皮的耐火材料時(shí)，大量的熱量都散失于空氣中，新型干法水泥窯由于分解率的提高，過(guò)渡帶較短，散失熱量較少，因此提高了回轉(zhuǎn)窯的熱效率，計(jì)算表明Ф4×60m和Ф4×43m可以節(jié)約5%的燃料消耗。

  3  結(jié) 論

  建立適應(yīng)新型干水泥回轉(zhuǎn)窯燒成帶溫度的檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)燒成帶溫度的數(shù)字化，對(duì)水泥回轉(zhuǎn)窯的產(chǎn)量與質(zhì)量都十分有益，但是燒成帶溫度作為反映熟料產(chǎn)質(zhì)量的重要指標(biāo)，受到很多因素的影響，更重要的是，燒成帶是一個(gè)非穩(wěn)定溫度場(chǎng)，它是隨著時(shí)間的變化而變化的，因此研究起來(lái)十分困難。上述模型中，假定燒成帶是一個(gè)穩(wěn)定溫度場(chǎng)，研究動(dòng)態(tài)平衡下的燒成帶溫度，因此還有很多的細(xì)節(jié)需要完善，但是它能提供我們生產(chǎn)中很多重要的啟示，也為未來(lái)的研究指明了方向。

  因此，通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)將大量正常生狀態(tài)下有關(guān)因素?cái)?shù)據(jù)輸入，建立可靠、準(zhǔn)確、適宜的數(shù)據(jù)庫(kù)，回歸出各因素與燒成帶溫度之間的聯(lián)系，從而建立良好的數(shù)學(xué)模型，在數(shù)據(jù)模型的基礎(chǔ)上，編制專家系統(tǒng)軟件程序，通過(guò)專家系統(tǒng)的智能控制，得出正常狀態(tài)下燒成帶溫度的可靠檢測(cè)結(jié)果，對(duì)比正常狀態(tài)的數(shù)據(jù)，就可以診斷出不正常窯況的緣由，從而為根本上監(jiān)測(cè)控制燒成帶溫度提供依據(jù)，為水泥生產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低消耗打下良好基礎(chǔ)。