水泥生产过程数值模拟研究

1、水泥生产过程数值模拟研究史才军曹 张(湖南大学土木工程学院，长沙410082)摘要：水泥生产工艺是一个非常复杂的物理变化和化学变化的过程，为了研究这一过程，常采用建立数学模型进行模拟的方法。对模拟水泥生产的模型进行了评述，并分析了其优点和缺点。Mujumdar 的 RoCKS 计算模型是目前最为完备的整体计算模型，但实际的生产情况与计算模型仍存在一定的差异。对其中单个工艺环节建立的数学模型有一定的局限性，但其计算结果更加准确，对工艺的改进和进一步建立完整的数学模型意义很大。Takako Yuko 建立的颗粒模型和 Deliang Shi 建立的热力学模型，同样都是研究颗粒物理化学活动和能量传递

2、的微观机理，准确的把握微观机理，才能准确全面的研究水泥生产工艺。文章最后提出一种控制温室气体的排放的有效途径：二氧化碳的捕捉和储藏技术。关键词：水泥；生产；模拟；数学模型；二氧化碳SIMULATION OF THE CEMENT PRODUCTION Abstract: Key words: 随着我国基础建设的高速发展，水泥产量和消耗量连续几年来以惊人的速度增长。到2009年，水泥产量达到16.3亿吨，约占世界总产量的60%。每年水泥生产电耗超过1300亿千瓦时，煤耗占全国煤炭总产量的10%，年消耗石灰石约14亿吨，排放CO2约10亿吨以上。1-3水泥生产工艺分为湿法、半干法和干法，基于干法生

3、产的优点，目前正广泛使用。4水泥的生产过程是一个很复杂的物理化学过程，考虑到节能和减排等问题，我们必须要研究和优化生产过程。图1 水泥生产流程图典型的工艺流程图如图1，含有CaCO3、SiO2、Al2O3、Fe2O3等成分的生料陆续的通过预热炉、煅烧炉、回转窑、冷却塔，最终形成水泥熟料。在预热炉里，原料通过来自于煅烧炉的高温气体得到预热，同时原料充分混合。在煅烧炉，生料充分吸收热量，部分煅烧分解，热量来源一部分来自于燃料的燃烧，另外利用来自于回转窑的排放气体和冷却器排放的第三级高温气体，同时煅烧炉煅烧炉的排放气体也用于预热炉的预热。在回转窑，生料继续煅烧分解，部分熔融状态，同时形成C2S、C3

4、S、C3A、C4AF，在这阶段，热量主要来源于燃料的燃烧，煤粉可以通过第二级气体一起从反方向进入窑体内。高温熟料进入冷却塔，熟料得到冷却，热量可以通过气体进行回收，回收气体分别进入回转窑和煅烧炉循环利用，部分气体直接排入大气中。到目前为止，对该过程很多环节的控制方法仍在研究中。计算模型很多，按照研究对象考虑分为单个模型和集成模型，按照研究的方法来看分为热力学分析模型和微观机理模型，按模型的特点分为一维、二维和三维模型，按照研究的目的主要有生产过程的优化、工艺更新等。1 预热炉预热分解炉是新型干法水泥生产线上预分解技术的重要设备，其属于高温气-固多相反应器，炉内为气、固两相流动、煤粉燃烧、生料化

5、学反应、同时伴有旋流、回流的复杂流场。不仅使传热速度大大加快，而且尽可能提高生料的分解率。1.1 Mujumdar 模型5Mujumdar 等人，由烘干模型引入到旋风式预热炉的计算中，提出了相应的数学模型。在该模型中主要考虑能量在气-固之间的传递,不考虑石灰石的分解和煤粉的燃烧。如图2为i级预热器，假定从i-1、i级预热器出来的固体质量分别为Ms,i-1、Ms,i，温度为Ti-1、Ti，从i、i+1级预热器排出的气体带走的固体质量分别为Mse,i、Mse,i+1，温度为Ti、Ti+1，每级排出气体质量为Mg。物料平衡方程为： (1) (2) 在上式中，表示i级预热器的质量效率。i级预热器的能量

6、平衡方程满足： (3)上式中和表示固体和气体的热容量，符号g代表空气。图3 煅烧炉数学模型模型图图2 预热器数学模型模型图这种模型的基本原理是质量守衡和能量守衡，计算的连续性很好，输出结果便于下一阶段的计算。其缺点主要有：(1)这里所指的能量简单的指的是该系统的输入能量，如图1中煅烧炉的尾气排入预热炉的输入能量，事实上很多预热器内部燃烧产生热；(2)这里的平衡主要指的是物理意义上的平衡，没有涉及到物料的分解等化学反应；(3)该模型对预热炉的几何尺寸仅从外形进行考虑，实验证明模型的几何尺寸和进风口的设置会对结果产生影响。1.2 CFD 模型炉内的气、固两相流动的过程是流体力学范畴，可以近似假定满

7、足理想流体理论,通过利用建立CFD(Computational fluent dynamics)模型进行计算，假定模型满足Navier-Stokes方程6： (4)该模型内部边界条件复杂，可以考虑建立气相湍流流动模型，利用计算流体力学中标准、RNG 模型和雷诺应力模型(RSM)求解。李相国、叶旭初、D.K. Fidaros等就应用商业软件对分解炉内的情况分别进行冷态流场和燃料燃烧分析, 7-9得出炉内的流动和温度分布情况。该方法优点是直观，方便。缺点是：(1)该计算模型的边界条件相对独立，其计算结果不利于下一步的使用；(2)模型中主要考虑的是理想流体，炉内的气、固两相流动不是完全意义上的理想流

8、体；(3)不同的求解模型的计算结果有一定的差异。2 煅烧炉煅烧炉的数学模型主要是Mujumdar等提出的，5如图3。Mujumdar等假定物料的部分分解发生在煅烧炉中。首先作如下假设：(1)气相完全混合均匀；(2)原料和煤颗粒看成统一粒径的离散相颗粒，且颗粒在炉内停留时间相同。得到气相质量平衡方程： (5)气相能量平衡方程： (6)该方法的计算精度很大程度上依赖于上面两条假设与实际的吻合程度。煅烧炉的几何尺寸对气相的均匀混合影响很大。3 回转窑水泥回转窑是水泥熟料生产线的主要设备。回转窑由筒体、支承装置、带挡轮支承装置、传动装置、活动窑头、窑尾密封装置、喷煤管装置等部件组成。回转窑的窑体与水平

9、呈一定的倾斜，整个窑体由托轮装置支承，并有控制窑体上下窜动的挡轮装置，传动系统除设置主传动外，还设置了在主电源中源断时仍能使窑体转动，防止窑体弯曲变形的辅助传动装置，窑头、窑尾密封装置采用了先进的技术，保证了密封的可靠性。3.1 微观分析模型3.1.1 流化床窑技术通过分析，I.Maki等人提出熟料的化学组成和颗粒尺寸对我们估计熟料的形成机理很有作用。10在此基础上，Takako Yuko 等利用微观分析，11比较了喷动床窑、流化床窑和回转窑的差别。方法是，分别在喷动床窑、流化床窑中取样，用JIS R 5202方法比较不同窑体的熟料颗粒中CaO、SiO2、f-CaO、Al2O3、Fe3O4、M

10、gO、Na2O、K2O、SO3等的含量。并借助电子显微镜拍摄颗粒照片和XRD技术分析熟料中的矿物含量，从微观机理上解释熟料颗粒的形成过程。JIS R 5202方法得到的数据比较：(1)同样粒径的颗粒，流化床窑熟料颗粒中f-CaO的含量明显低于喷动床窑熟料颗粒；(2) 随着粒径增大，CaO的含量增大，而SiO2的含量减少；(3) 同样粒径的颗粒，流化床窑熟料颗粒中Na2O、K2O、SO3的含量明显低于喷动床窑熟料颗粒。分析结果表明：(1) C3S在大颗粒熟料中含量较多，而C2S在小颗粒熟料中含量较多；(2) 流化床窑熟料颗粒中有害氧化物含量较少，熟料品质更好。 影响颗粒间热传递的因素Delian

11、g Shi 等利用离散单元法DEM、CFD以及热传导计算模拟回转窑内的热量传递情况。12并用表1实验参数进行实验，研究对比当颗粒材料为玻璃、铁、铝时的各自不同的传热特性，总结出当介质热传导率低或在真空内，热传导系数高的材料传热快；但当介质热传导率提高后，热传导系数低的材料传热效率大大提高。表1 实验参数Parameters of the experimentGlassSteelAluminumParticleDensity(kg/m3)Diameter(m)Poisson ratioYoungs modulus(GPa)Friction coefficientThermal conductiv

12、ity(W/(mK)Heat capacity(J/(kgK)AirDensity(kg/m3)Viscisity kg/(ms)Thermal conductivity(W/(mK)Heat capacity(J/(kgK)27003.0*1030.33690.31.7800.01.231.8*10-50.02611000.779003.0*1030.291930.315477.027003.0*1030.331100.3180900.0A.A.BOATENG 等利用热力学模型，13通过研究研究回转窑内热传导情况和材料颗粒的运动轨迹，得出回转窑转速和内部热传导情况之间的规律。微观分析方法的缺

13、点是着眼点在局部或某一方面，不能够整体了解到窑内的物料平衡和能量平衡状况。但微观分析模型是深入了解窑内的情况必不可少的环节。Takako Yuko 等的微观分析方法从根本上研究了熟料的生成过程机理，该分析方法有助于我们分析窑内环境和熟料的组成成分之间的关系。Deliang Shi 等的物料热传递分析，A.A.BOATENG 等的热力学模型分析，都没有考虑实际窑内出现的熔融状态，提出了研究颗粒之间热传递的研究方法和影响热传递效率的主要因素，其模型和分析方法对窑内的整体分析起到借鉴作用。3.2 宏观分析模型3.2.1 Saeman 模型Saeman 在1951年建立了回转窑的数学模型，通过该模型可

14、以计算出物料在回转窑内停留的时间与相关参数的关系如下式QV为体积速率。14 (7)L.G.Ndiaye 等对该模型进行了验算，并和实验数据进行了对比。15如图4，5为模型的示意图。图5 回转窑纵剖面图图4 回转窑数学模型图3.2.2 Mujumdar 模型基于 Sherritt 等人提出的关于回转窑轴向混合情况的估计，16结果表明对于工业水泥回转窑佩克来特数要大于104，轴向混合基本可以被忽略。因而，对于对于组分i的质量守衡方程为17： (8)化学反应由下式计算： (9)该模型是一个典型的一维数学模型,明确的边界条件,可以得到明确的解。3.2.3 回转窑内热传递模型M.D.Heydenrych

15、 等人在基于假设的基础上提出一种新的计算模型。18该模型主要考虑固体颗粒在窑的转动下运动，气体充满在固体颗粒的空隙中间，随颗粒一起运动。将该模型计算结果同 Jauhari et al 的实验结果进行比较，19发现该模型对于快速反应系统误差较大。即：< 2 模型适用> 2 误差较大原因是因为，在快速反应系统中，分散或扩散对结果的影响不可忽略。3.2.4 CFD 模型E.Mastorakos应用轴对称 CFD 模型，蒙特卡罗方法建立辐射模型，有限体积法建立能量方程，同时考虑能量平衡、化学反应。借助 FLOW-3D 商业软件进行求解。20其结果与实验数据有一定的偏差，窑外温度偏差普遍达1

16、0%以上，个别数据偏差40%。根据计算模型结果预测，回转窑向外界损失热量为10%左右，用以承担生料分解和熟料生成的热量占40以上。 CFD 模型计算方法的计算精度很大程度取决于模型的设置，对于回转窑的数值模拟，CFD 模型还有待进一步改进。4 冷却塔从窑内出来的水泥熟料，温度很高，处于高温熔融的状态，在急冷急热作用下，来不及结晶而变成玻璃体状的物质。玻璃体含量多时，可提高熟料质量，易磨性好，使熟料强度提高。基于 Nsofor and Adebiyi 实验确定可以适用于200-1000摄氏度的气固热传递系数，21 Mujumdar 等人建立了冷却系统的数学模型如图6。5其中假定水泥熟料稳定的流量

17、速度进入该系统，空气由垂直方向即y方向进入，气体按照第二级气体、第三级气体和尾气分别排入回转窑、煅烧炉和大气中。这三者各自所占比例按照模型图上各自x方向所占的单元数来确定。模型的边界条件如图所示。图 集成模型计算步骤图 冷却系统数学模型质量平衡方程可以写为： (10)能量平衡方程可以写为： (11)以上两式中 为熟料和空气之间的热传递系数，Nsofor and Adebiyi 通过实验确定 Nusselt number 计算的经验公式： (30Nu60；50Nu120) (12)需要指出的是，对于大多冷却系统，其雷诺数 Reynolds numbers 比 Nsofor and Adebiyi

18、 实验环境要高很多。如何得到适用高温状态下传递系数,仍需要进一步的实验研究。5 集成模型要总体考虑水泥生产工艺，需要把前面独立的四部分模型联系在一起，组合成一个整体系统。5,17Mujumdar 等人建立了整体计算模型 RoCKS，如图7示。模型一共包括前处理、调用子模型、迭代计算、后处理等部分。前处理主要功能是：输入需要的数据、数据一致性检测和初始条件假定。数据输入主要有：(1)生料从预热炉进入；(2)空气从冷却设备进入；(3)煤由煅烧炉和回转窑进入；(4)所有材料特性和必须的参数设置。通过计算，Mujumdar 等人得到了预热炉级数及生料分解情况与单位产量能耗之间的关系，回转窑转速、冷却过

19、程及煤的特性对熟料生成的影响。虽然所得结果细节上与实际生产有差距，但分析所得到一些规律与实际生产仍然是基本吻合。以上提到1-4的单一部分的计算模型相对整体集成模型来说较为简单，虽然不能够整体的把握整个工艺流程，但其计算结果仍然有助于对水泥生产过程的研究和优化。如何在计算数学模型中考虑更多的因素，以使计算模型与实际生产的差距越来越小，仍是需要解决的问题。特别是对于水泥熟料的微观分析，有助于进一步把握水泥生成机理，个人认为意义重大。整体集成模型的研究目前基本停留在一维研究阶段，如何对整个过程进行更准确的模拟，随着计算流体力学 CFD 模型的引入，为下一步的研究工作提供了参考。图8 二氧化碳捕捉的三

20、种工艺示意图6 二氧化碳的捕捉储藏以及纯氧燃烧6.1 二氧化碳的捕捉和储藏鉴于温室气体CO2排放量太大，对我们地球环境所造成的巨大压力，从可持续发展战略的角度出发，西方学者首先提出CO2的捕捉和储存的设想。剑桥大学Xi Liang曾指出CO2的捕捉和储存是化石能源安全利用的唯一途径。 主要原理是利用一定的工艺方法把工业尾气中的CO2捕捉起来，在满足工业CO2需求后，剩余的CO2经过压缩以及脱水干燥等方法储存起来。如图8示为CO2捕捉的三种不同工艺，即燃烧前除碳、燃烧后捕捉和纯氧燃烧工艺。图是CO2的捕捉和储存基本流程图，捕捉后对CO2进行储存。22-246.2 O2/CO2燃烧纯氧燃烧为捕捉提

21、供了更大的可行性。O2/CO2燃烧，有关文献又称为纯氧燃烧，25，26目前主要国外对该领域的研究很多，特别是西欧已进入实验阶段，预计不久的未来会进入生产实践阶段。27-30与传统水泥生产流程不同，在燃烧前，将空气中的O2和N2进行分离，纯氧燃烧一方面减少因N2产生的热量损失，另一方面提高CO2在尾气中的含量，更利于CO2的提取。CO2的捕捉和储存要想全面得到推广应用，目前除一些技术性问题需要解决外，就是经济上需要降低成本。317 结语目前为止，还没有一种广为接受的准确的模拟水泥生产工艺的数学模型。水泥生产工艺是一个非常复杂的物理变化和化学变化的过程，为了研究这一过程，常采用建立数学模型进行模拟

22、的方法。精确的了解水泥熟料的形成过程，需要准确的建立与实际情况相吻合的数学模型。进一步控制熟料的特性、研究如何在生产过程中节能、如何控制温室气体的排放等，这对于水泥工业的发展和可持续发展战略有着重要的意义。控制温室气体的排放的有效途径是实行二氧化碳的捕捉和储藏技术。水泥生产是一个连续工艺的过程，Mujumdar 等人建立的 RoCKS 计算模型是目前最为完备的整体计算模型，但实际的生产情况与计算模型仍存在一定的差异；建立 CFD 模型进行计算，是另外一种可以尝试的计算方法，但它也存在模型过于理想化，数值计算量大。对其中单个工艺环节建立的数学模型有很大的局限性，但因为研究对象相对单一，考虑的因素

23、更多，其计算结果更加准确，对工艺的改进和进一步建立完整的数学模型意义很大。Takako Yuko 建立的颗粒模型和 Deliang Shi 建立的热力学模型，同样都是研究颗粒物理化学活动和能量传递的微观机理，准确的把握微观机理，才能准确全面的研究水泥生产工艺。References:1 Daisuke Hayashi, Matthias Krey.CO2 emission reduction potential of large-scale energy efficiency measures in heavy industry in China, India, Brazil, Indonesi

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