[发明专利]一种水泥熟料烧成过程清洁生产的建模优化方法

说明书

技术领域

本发明涉及水泥烧成技术领域，具体地说是通过过程模拟技术，进行水泥熟料物料和能量衡算，研究影响水泥熟料烧成过程的能耗和污染排放的因素并优化，对水泥行业实现清洁生产有重大意义。

背景技术

伴随着水泥工业的迅速发展也带来了严重的资源、能源、环境等问题。据统计2012年我国水泥产量超过21亿吨，每生产一吨硅酸盐水泥熟料需要石灰石1.4吨、粘土0.2吨、标准煤0.23吨、电75千瓦时，同时产生0.9吨CO2气体(其中60%来自碳酸钙分解，其余由燃料燃烧产生)，加上SO2、NO等气体的产生，最终导致严重的环境污染。

经过对我国的20余条技术较为先进的熟料烧成生产线现场标定，预热器系统实际废气温度超过345℃，2000t/d以上回转窑筒体表面散热平均高达150kJ/(kg﹒cl)，篦冷机的热回收效率低于70％，平均生产热耗约3360kJ/(kg﹒cl)，电耗大于25kWh/（t﹒cl），生料烘干后多余的废气一般排至大气，少数用来发电(需增设锅炉、汽轮机、发电机组)。就新型干法本身来说，我国和世界先进水平相比，单位熟料热耗高250kJ/kg左右，单位水泥电耗高10kWh/t左右。

2012年8月，国务院发布《节能减排“十二五”规划》。《规划》在“十一五”节能、COD和SO2这三个约束性指标的基础上，在“十二五”期间新增了氮氧化物和氨氮这两个污染物减排的指标，形成了五个约束性目标。因此如何在水泥生产中节能降耗、如何打造绿色环保水泥成为水泥行业清洁生产的重点。

水泥生产中污染物的生成和能量消耗主要发生在预热分解系统和回转窑的物理化学反应阶段，因使用原料、燃料种类或喂料量的不同，所产生能耗和污染气体的量有很大差异，因此研究影响能耗和污染排放的因素并对其进行控制，对水泥行业实现清洁生产有重大意义。然而烧成过程很多关键参数无法直接测量，生产过程中对生产参数进行调整优化，对新工艺设计进行风险评价，以及对各种备选方案进行可行性评定等都难以实现现场试验。即使有条件进行试验研究，也会造成大量的资源浪费。

而稳态流程模拟能够基于计算机辅助计算手段，对过程进行物料、能量衡算、装置尺寸和费用计算。它可以对系统的工况特性进行分析研究，在计算机上逐次改变各种条件的输入信息，就可以得到表明相应变化了的工况特性分析结果。这些结果若是在实验或生产装置上用改变操作条件逐一实践，花费的人力、物力将是巨大的。因此，有必要通过过程分析和模拟计算手段模拟水泥熟料烧成过程，为水泥工业实施适当的清洁生产技术提供理论和数据支持。

发明内容

针对现有水泥熟料烧成过程中存在的能源和环境问题，本发明的目的在于提供一种基于流程模拟的方法，综合物料、能量衡算和节能减排技术，能够有效地对不同生产工艺或工况进行物耗、能耗和环境影响对比分析，以便进一步稳定工艺操作，优化操作参数，从而为水泥工业清洁生产提供理论和数据支持。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种水泥熟料烧成过程清洁生产的建模优化方法，包括以下步骤：

根据水泥熟料烧成过程中各工序的物质平衡关系和热量守恒原理在Aspen Plus软件中建立水泥熟料烧成过程模型；设定并输入水泥烧成过程的数据并运行该模型，直到模拟结果满足误差要求；根据实际生产要求，选择相对应的节能减排技术，优化水泥熟料烧成过程模型，并优化熟料烧成方法。

所述根据水泥熟料烧成过程中各工序的物质平衡和热量守恒式在Aspen Plus软件中建立水泥熟料烧成过程模型包括以下步骤：根据水泥熟料烧成各生产工序操作任务选定各个单元操作模型：根据各个工序的物质平衡和热量守衡式，确定各单元操作模型进出口物流和能流数，连接各单元操作模型形成水泥熟料烧成过程模型。

所述根据水泥熟料烧成各生产工序操作任务选定各个单元操作模型包括：

1）悬浮预热子系统采用Aspen Plus中的分离模块Cyclone和换热模块Heater，用于模拟气固换热和分离任务；

2）分解炉采用RCSTR模块、Mixer模块和煤粉燃烧模块，用于模拟燃料燃烧、助燃气混合和生料的分解任务；

3）回转窑子系统采用多级RCSTR模块、Mixer模块、气固分离模块和煤粉燃烧模块，用于模拟生料分解、矿物锻烧、燃料燃烧、助燃气混合和气固分离任务；

4）冷却子系统采用HeatX模块和FSplit模块，用于模拟熟料的骤冷、热量回收任务和气体分割任务。

所述根据各工序的物质平衡关系和热量守衡关系，确定各单元操作模型进出口物流和能流数包括以下步骤：