CN103559382B - 一种水泥分解炉入炉煤粉低位热值在线估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水泥分解炉入炉煤粉低位热值在线估计方法，为解决分解炉入炉煤粉低位热值无法实时监测的问题，通过实时监测分解炉出口温度、分解炉喷煤量、生料下料量、三次风温和三次风量的变化来监测和分析煤粉低位热值的变化，并计算煤粉低位热值的估计值。煤粉低位热值在线估计系统已经应用于工业现场，现场运行效果表明煤粉低位热值在线估计系统运行效果良好。对操作员起到了很好的指导作用。

Description

一种水泥分解炉入炉煤粉低位热值在线估计方法

技术领域

本发明属于自动化与电气工程技术领域，涉及一种水泥分解炉入炉煤粉低位热值在线估计方法。

背景技术

新型干法水泥生产所需要的热量来源于煤粉燃烧，煤粉燃烧在分解炉和回转窑内进行。在分解炉内，燃料的燃烧放热过程与生料的碳酸盐分解的吸热过程在悬浮态或流化态下极其迅速地进行，进而使入窑生料的分解率达到85％～90％。

生料分解、煤粉燃烧及热量传递过程在分解炉内完成，其中煤粉燃烧反应最为重要，要保证风、煤粉、物料的充分混合和平衡，要求煤粉充分并迅速燃烧，放出充分的热量使生料吸收，完成碳酸钙的分解。同时煤粉燃烧是复杂的过程，它不仅受到分解炉结构的制约，还受到煤粉特性的影响。煤粉的着火和燃烬是分解炉内煤粉燃烧需要注意的关键问题。

目前，水泥生产过程中，煤粉低位热值主要通过化验室化验得到，但是化验室每天的化验次数有限(6次或更多)，不能实时的监测煤粉低位热值的变化，也就无法准确的估计煤粉燃烧状况，及时调整分解炉喷煤量等参数。本专利通过实时综合分解炉出口温度、分解炉喷煤量、生料下料量、三次风温和三次风量的变化来表征煤粉低位热值的变化，并计算煤粉低位热值的估计值，可为分解炉控制提供更为完备和及时的参数信息。

发明内容

为了克服现有技术中的缺陷，解决分解炉入炉煤粉低位热值无法实时监测的问题，本发明提供一种水泥分解炉入炉煤粉低位热值在线估计方法，通过实时监测分解炉出口温度、分解炉喷煤量、生料下料量、三次风温和三次风量的变化来表征煤粉低位热值的变化，并计算煤粉低位热值的估计值。煤粉低位热值在线估计系统已经应用于工业现场，现场运行效果表明煤粉低位热值在线估计系统运行效果良好，对操作员起到了很好的指导作用。其技术方案如下：

一种水泥分解炉入炉煤粉低位热值在线估计方法，包括以下步骤：

1)冷却机总风量计算

根据风机特性，风机风量与风压存在以下关系：

$Q_1/Q_2=\sqrt{H_1/H_2},---\left(1\right)$

其中，Q₁是实际工况下风机风量，m³/h；Q₂是风机的额定风量，m³/h；H₁是实际工况下风机风压，Pa；H₂是风机的额定风压，Pa；

实际工况下的风机风压来自现场DCS，将Q₂、H₁、H₂带入式(1)，得到实际工况下的风机风量Q₁为

$Q_1=Q_2\×\sqrt{H_1/H_2},---\left(2\right)$

利用式(2)分别计算各个冷却风机的风量，再叠加计算得到冷却机的总风量为V_总；

2)三次风量计算

根据窑头排风机风量计算冷却机余风量、进入窑头AQC余热锅炉风量分别为V_余风和V_锅炉，又根据二次风和三次风的分配比例k₁∶k₂，可推导得到三次风量为

3)煤粉低位热值估计计算

分解炉内气体量包括分解炉煤粉燃烧烟气量、生料分解产生的二氧化碳量和窑尾烟气量；还包括以下步骤：

31)分解炉煤粉燃烧烟气量计算

标准状况下，单位煤粉燃烧需要的理论空气量为

V_k＝1.01×Q_net，ar/1000+0.5，(3)

同时，单位煤粉燃烧产生的理论烟气量为

V₀＝0.89×Q_net，ar/1000+1.65，(4)

其中，Q_net，ar是煤粉低位热值，kcal/kg，

所以实际烟气量为

V₁＝V₀+(α-1)×V_k，(5)其中，α是过剩空气系数；V₁是标况下单位煤粉燃烧产生的实际烟气量，Nm³/kg，

根据理想气体状态方程

P₁V₁/T₁＝P₀V₀/T₀，(6)

P₁是标准工况下的实际压强，T₁是标准工况下的实际温度，P₀是标准工况下的理论压强，T₀是标准工况下的理论温度；将标准状况下烟气量V₁换算为实际工况下的烟气量V₂，分解炉煤粉燃烧产生的烟气量为

其中，为分解炉喷煤量，kg/h；V₂是实际工况下单位煤粉燃烧产生的实际烟气量，m³/kg；

32)生料分解产生二氧化碳计算

标准状况下，生料中碳酸盐分解放出二氧化碳为其中，C_ca0是熟料中碳酸钙的比例，％；C_mg0是熟料中碳酸镁的比例，％；是生产单位熟料所需的生料分解放出的二氧化碳量，Nm³/kg；

根据方程(6)计算实际工况下生产单位熟料所需的生料分解放出的二氧化碳量为所以，生料碳酸盐分解放出的二氧化碳量为

$V_{{\mathrm{CO}}_2}=V_{{\mathrm{CO}}_2}^1\×m_s/k,---\left(8\right)$

其中，m_s是生料下料量，kg/h；k是生料与熟料的折算比例；

33)窑尾烟气量计算

窑尾烟气是指回转窑内煤粉燃烧产生的烟气量，根据式(3)、(4)、(5)、(6)计算得到实际工况下窑尾烟室烟气量为

其中，为窑头喷煤量，kg/h；V₂是实际工况下单位煤粉燃烧产生的实际烟气量，m³/kg，由式(7)、(8)、(9)计算得到分解炉内总的气体量为

34)热容计算

通过建立热容模型，实现热容的实时计算：

生料热容与温度的回归模型：

C_s＝1.3088×10^-7T²+5.8816×10^-4T+8.3765×10^-1，(11)

其中，C_s是生料热容，kJ/kg·℃；T是生料温度，℃；

根据各气体所占的比例，对各气体成分热容进行线性叠加计算，得到分解炉气体的热容；

以下是回归得到的各气体成分的热容模型：

$C_{{\mathrm{CO}}_2}=1.4448\×{10}^{-10}{T}^3-5.8893\×{10}^{-7}{T}^2+1.0367\×{10}^{-3}T+1.6179$ $\begin{array}{cc}{C}_{O_2}=3.0737\×{10}^{-10}{T}^3+27886\×{10}^{-7}{T}^2+1.0925\×{10}^{-4}T+1.307& C_{N_2}=-4.3036\×{10}^{-11}{T}^3+1.1611\×{10}^{-7}{T}^2+2.3471\×{10}^{-7}T+1.2967\end{array}$ 热容不仅随温度变化，同时也受到压强的影响，设定压强对热容的修正系数，即k₃＝P₁/P_N，其中，P₁是实际工况下的压强，Pa；P_N是标准状况下的压强，Pa；

根据现场数据得到各气体成分之间的比例为：所以分解炉气体热容C_f为

$C_f=(\frac{a}{100}\×C_{{\mathrm{CO}}_2}+\frac{b}{100}\×C_{{\mathrm{CO}}_2}+\frac{c}{100}\×C_{N_2})\×k_3,---\left(12\right);$

35)煤粉低位热值计算

如果煤粉完全燃烧，煤粉燃烧放出的热量被分解炉内气体和物料分解所吸收，所以列热平衡方程如下：

其中，t₁是前一周期分解炉出口温度，℃；t₂是当前时刻分解炉出口温度，℃；ΔQ_net，ar是煤粉低位热值变化量，m_s是生料下料量；

又Q_net，ar2＝Q_net，ar1±ΔQ_net，ar，根据工况判断煤粉热值的变化趋势，联立公式(10)、(11)、(12)、(13)计算得到当前时刻的煤粉低位热值，即Q_net，ar2，式中的Q_net，ar1是前一周期的煤粉低位热值。

本发明的有益效果：

本发明通过对分解炉工况的研究，得出分解炉出口温度、分解炉喷煤量、生料下料量、三次风温和三次风量与煤粉低位热值之间的相互影响关系，再根据分解炉出口温度、分解炉喷煤量、生料下料量、三次风温和三次风量的变化对煤粉低位热值进行实时在线估计，进而了解煤的热值特性，针对不同煤质及时采取相应的优化燃烧措施，实时调整分解炉喷煤量，使得煤粉能在分解炉内充分、稳定地燃烧。煤粉低位热值在线估计系统已应用于实际现场，且效果良好，对操作员起到了很好的指导作用，对企业节煤降耗起到了重要的作用。

附图说明

图1是煤粉低位热值的在线实时估计运行数据图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细地说明。

1分解炉工况变化的影响因素

通过分析分解炉内部结构、入炉生料的分解机理和入炉煤粉的燃烧机理，结合操作员的经验，认为分解炉工况变化的影响因素包括：生料流量的波动、煤粉流量的波动和三次风量的波动，同时还包括生料成分和生料三率值变化、煤粉成分和煤粉低位热值的变化以及三次风温的波动。由于生料成分、生料三率值、煤粉成分取决于原燃料状况，且认为它们是稳定的干扰因素。通过分析生料下料量、三次风量、三次风温、分解炉出口温度、分解炉喷煤量与煤粉低位热值的变化关系，确定煤粉低位热值的变化趋势和大小，达到实时监测煤粉低位热值的目的。

2分解炉燃烧工况分析

现场操作员根据分解炉出口温度的高低来调整入炉煤粉量，使分解炉炉内温度保持在880℃～900℃。首先判断分解炉出口温度的变化趋势，然后再判断影响分解炉出口温度变化的其它参数的变化，最后得出煤粉低位热值的变化趋势。以前一周期的煤粉低位热值为基准值，进行递增或递减变化，做到实时调整煤粉低位热值的大小。操作员根据煤粉低位热值的变化，在调整分解炉喷煤量时，热值高的煤粉喷煤量就要少些，相反，热值低的煤粉喷煤量就多些。操作员可以对喷煤量的大小有一个相对准确的估量，从而达到降低煤耗的目的。

要判断煤粉低位热值的变化情况，首先要确定反映煤粉低位热值变化的各个分解炉燃烧工况。假定分解炉的热效率不变，各个工况如下：

工况1 生料下料量、三次风量和三次风温不变时，煤粉低位热值与分解炉出口温度、分解炉喷煤量的关系。

1)分解炉出口温度升高，如果分解炉喷煤量降低或不变，则煤粉低位热值升高；如果分解炉喷煤量升高，则煤粉低位热值认为不变。

2)分解炉出口温度降低，如果分解炉喷煤量升高或不变，则煤粉低位热值降低；如果分解炉喷煤量也降低，则煤粉低位热值认为不变。

3)分解炉出口温度不变，如果喷煤量升高，则煤粉低位热值降低；如果喷煤量降低，则煤粉低位热值升高；如果喷煤量不变，则煤粉低位热值认为不变。

工况2 分解炉喷煤量和三次风量、三次风温不变时，煤粉低位热值与生料下料量、分解炉出口温度的关系。

1)分解炉出口温度升高，如果生料下料量升高或不变，则煤粉低位热值升高；如果生料下料量降低，则煤粉低位热值认为不变。

2)分解炉出口温度降低，如果生料下料量升高，则煤粉低位热值认为不变；如果生料下料量降低或不变，则煤粉低位热值降低。

3)分解炉出口温度不变，如果生料下料量升高，则煤粉低位热值升高；如果生料下料量降低，则煤粉低位热值降低；如果生料下料量不变，则煤粉低位热值认为不变。

工况3 生料下料量与分解炉喷煤量、三次风温不变，煤粉低位热值与三次风量、分解炉出口温度的关系。

1)分解炉出口温度升高，如果三次风量升高或不变，则煤粉低位热值升高；如果三次风量降低，则煤粉低位热值认为不变。

2)分解炉出口温度降低，如果三次风量升高，则煤粉低位热值认为不变；如果三次风量降低或不变，则煤粉低位热值降低。

3)分解炉出口温度不变，如果三次风量升高，则煤粉低位热值升高；如果三次风量降低，则煤粉低位热值降低；如果三次风量不变，则煤粉低位热值认为不变。

工况4 生料下料量与分解炉喷煤量、三次风量不变，煤粉低位热值与三次风温、分解炉出口温度的关系。

1)分解炉出口温度升高，如果三次风温降低或不变，则煤粉低位热值升高；如果三次风温升高，则煤粉低位热值认为不变。

2)分解炉出口温度降低，如果三次风温降低，则煤粉低位热值不变；如果三次风温升高或不变，则煤粉低位热值降低。

3)分解炉出口温度不变，如果三次风温升高，则煤粉低位热值降低；如果三次风温降低，则煤粉低位热值升高；如果三次风温不变，则煤粉低位热值认为不变。

3煤粉低位热值估计计算

生料下料量、三次风温、分解炉出口温度、分解炉喷煤量等数据来自集散控制系统(Distributed Control System，DCS)，但是工业现场一般不会有三次风量的计量，所以三次风量需要计算得到。

三次风是出冷却机热风的一部分(出冷却机热风分为4部分，分别是冷却机余风、进入窑头AQC余热锅炉风、二次风和三次风)，通过计算冷却机总进风量、冷却机余风、进入窑头AQC余热锅炉风和二次风，进而得到三次风量。

一种水泥分解炉入炉煤粉低位热值在线估计方法，包括以下步骤：

1)冷却机总风量计算

根据风机特性，风机风量与风压存在以下关系：

(引用)

其中，Q₁是实际工况下风机风量，m³/h；Q₂是风机的额定风量，m³/h；H₁是实际工况下风机风压，Pa；H₂是风机的额定风压，Pa；

实际工况下的风机风压来自现场DCS，将Q₂、H₁、H₂带入式(1)，得到实际工况下的风机风量Q₁为

(引用)

利用式(2)分别计算各个冷却风机的风量，再叠加计算得到冷却机的总风量为V_总；

2)三次风量计算

根据窑头排风机风量计算冷却机余风量、进入窑头AQC余热锅炉风量分别为V_余风和V_锅炉，又根据二次风和三次风的分配比例k₁∶k₂，可得到三次风量为

(推导)

3)煤粉低位热值估计计算

分解炉内气体量包括分解炉煤粉燃烧烟气量、生料分解产生的二氧化碳量和窑尾烟气量。

进一步优选，步骤3)包括以下步骤：

31)分解炉煤粉燃烧烟气量计算

标准状况下，单位煤粉燃烧需要的理论空气量为

V_k＝1.01×Q_net，ar/1000+0.5，(3)(引用)同时，单位煤粉燃烧产生的理论烟气量为

V₀＝0.89×Q_net，ar/1000+1.65，(4)(引用)

其中，Q_net，ar是煤粉低位热值，kcal/kg，

所以实际烟气量为

V₁＝V₀+(α-1)×V_k，(5)(推导)

其中，α是过剩空气系数；V₁是标况下单位煤粉燃烧产生的实际烟气量，Nm³/kg，根据理想气体状态方程

P₁V₁/T₁＝P₀V₀/T₀，(6)(引用)

将标准状况下烟气量V₁换算为实际工况下的烟气量V₂，分解炉煤粉燃烧产生的烟气量为

(推导)

其中，为分解炉喷煤量，kg/h；V₂是实际工况下单位煤粉燃烧产生的实际烟气量，m³/kg；

32)生料分解产生二氧化碳计算

标准状况下，生料中碳酸盐分解放出二氧化碳为

(引用)其中，C_ca0是熟料中碳酸钙的比例，％；C_mg0是熟料中碳酸镁的比例，％；是生产单位熟料所需的生料分解放出的二氧化碳量，Nm³/kg；

根据方程(6)计算实际工况下生产单位熟料所需的生料分解放出的二氧化碳量为所以，生料碳酸盐分解放出的二氧化碳量为

(推导)

其中，m_s是生料下料量，kg/h；k是生料与熟料的折算比例；

33)窑尾烟气量计算

窑尾烟气是指回转窑内煤粉燃烧产生的烟气量，根据式(3)、(4)、(5)、(6)计算得到实际工况下窑尾烟室烟气量为

(推导)

其中，为窑头喷煤量，kg/h；V₂是实际工况下单位煤粉燃烧产生的实际烟气量，m³/kg。

所以，由式(7)、(8)、(9)计算得到分解炉内总的气体量为

(推导)

34)热容计算

为了更好的表示热量的变化，通过建立热容模型，实现热容的实时计算：

经过查询资料得到生料热容与温度的回归模型：

C_s＝1.3088×10^-7T²+5.8816×10^-4T+8.3765×10^-1，(11) (回归得到)

其中，C_s是生料热容，kJ/kg·℃；T是生料温度，℃；

分解炉内气体成分复杂，包括二氧化碳、氧气和氮气等气体，根据各气体所占的比例，对各气体成分热容进行线性叠加计算，得到分解炉气体的热容；以下是各气体成分的热容模型：(以下三个公式回归得到)

热容不仅随温度变化，同时也受到压强的影响。所以设定压强对热容的修正系数，即k₃＝P₁/P_N，其中，P₁是实际工况下的压强，Pa；P_N是标准状况下的压强，Pa；

根据现场数据得到各气体成分之间的比例为：所以分解炉气体热容C_f为

(推导)

35)煤粉低位热值计算

根据热量平衡原理，如果煤粉完全燃烧，煤粉燃烧放出的热量被分解炉内气体和物料分解所吸收，所以列热平衡方程如下：

(推导)

其中，t₁是前一周期分解炉出口温度，℃；t₂是当前时刻分解炉出口温度，℃；ΔQ_net，ar是煤粉低位热值变化量，具体参数如表1。

又Q_net，ar2＝Q_net，ar1±ΔQ_net，ar，(推导)根据工况判断煤粉热值的变化趋势，联立公式(10)、(11)、(12)、(13)计算得到当前时刻的煤粉低位热值，即Q_net，ar2。

表1估计计算关键参数

4工程实现

根据建立的模型，式(13)，编写应用软件，实现煤粉低位热值的在线实时估计。运行数据如图1所示。

获取关键时间点的化验值和估计值列表比较如表2：

表2煤粉低位热值比较

根据列表发现实际值和估计值误差很小，所以煤粉热值在线估计效果良好。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种水泥分解炉入炉煤粉低位热值在线估计方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)冷却机总风量计算

根据风机特性，风机风量与风压存在以下关系：

$Q_1/Q_2=\sqrt{H_1/H_2},---\left(1\right)$

其中，Q₁是实际工况下风机风量，m³/h；Q₂是风机的额定风量，m³/h；H₁是实际工况下风机风压，Pa；H₂是风机的额定风压，Pa；

实际工况下的风机风压来自现场DCS，将Q₂、H₁、H₂带入式(1)，得到实际工况下的风机风量Q₁为

$Q_1=Q_2\×\sqrt{H_1/H_2},---\left(2\right)$

利用式(2)分别计算各个冷却风机的风量，再叠加计算得到冷却机的总风量为V_总；

2)三次风量计算

根据窑头排风机风量计算冷却机余风量、进入窑头AQC余热锅炉风量分别为V_余风和V_锅炉，又根据二次风和三次风的分配比例k₁∶k₂，可推导得到三次风量为

3)煤粉低位热值估计计算

分解炉内气体量包括分解炉煤粉燃烧烟气量、生料分解产生的二氧化碳量和窑尾烟气量；还包括以下步骤：

31)分解炉煤粉燃烧烟气量计算

标准状况下，单位煤粉燃烧需要的理论空气量为

V_k＝1.01×Q_net，ar/1000+0.5， (3)

同时，单位煤粉燃烧产生的理论烟气量为

V₀＝0.89×Q_net，ar/1000+1.65， (4)

其中，Q_net，ar是煤粉低位热值，kcal/kg，

所以实际烟气量为

V₁＝V₀+(α-1)×V_k， (5)其中，α是过剩空气系数；V₁是标况下单位煤粉燃烧产生的实际烟气量，Nm³/kg，

根据理想气体状态方程

P₁V₁/T₁＝P₀V₀/T₀， (6)

P₁是标准工况下的实际压强，T₁是标准工况下的实际温度，P₀是标准工况下的理论压强，T₀是标准工况下的理论温度；将标准状况下烟气量V₁换算为实际工况下的烟气量V₂，分解炉煤粉燃烧产生的烟气量为

其中，为分解炉喷煤量，kg/h；V₂是实际工况下单位煤粉燃烧产生的实际烟气量，m³/kg；

32)生料分解产生二氧化碳计算

标准状况下，生料中碳酸盐分解放出二氧化碳为

其中，C_ca0是熟料中碳酸钙的比例，％；C_mg0是熟料中碳酸镁的比例，％；是生产单位熟料所需的生料分解放出的二氧化碳量，Nm³/kg；

根据方程(6)计算实际工况下生产单位熟料所需的生料分解放出的二氧化碳量为所以，生料碳酸盐分解放出的二氧化碳量为

$V_{{\mathrm{CO}}_2}=V_{{\mathrm{CO}}_2}^1\×m_5/k,---\left(8\right)$

其中，m_s是生料下料量，kg/h；k是生料与熟料的折算比例；

33)窑尾烟气量计算

窑尾烟气是指回转窑内煤粉燃烧产生的烟气量，根据式(3)、(4)、(5)、(6)计算得到实际工况下窑尾烟室烟气量为

其中，为窑头喷煤量，kg/h；V₂是实际工况下单位煤粉燃烧产生的实际烟气量，m³/kg，

由式(7)、(8)、(9)计算得到分解炉内总的气体量为

34)热容计算

通过建立热容模型，实现热容的实时计算：

生料热容与温度的回归模型：

C_s＝1.3088×10^-7T²+5.8816×10^-4T+8.3765×10^-1， (11)

其中，C_s是生料热容，kJ/kg·℃；T是生料温度，℃；

根据各气体所占的比例，对各气体成分热容进行线性叠加计算，得到分解炉气体的热容；以下是回归得到的各气体成分的热容模型：

$C_{{\mathrm{CO}}_2}=1.4448\×{10}^{-10}{T}^3-5.8893\×{10}^{-7}{T}^2+1.0367\×{10}^{-3}T+1.6179$

$\begin{array}{cc}{C}_{O_2}=3.0737\×{10}^{-10}{T}^3+2.7886\×{10}^{-7}{T}^2+1.0925\×{10}^{-4}T+1.3037& C_{N_2}=-4.3036\×{10}^{-11}{T}^3+1.1611\×{10}^{-7}{T}^2+2.3471\×{10}^{-7}T+1.2967\end{array}$

热容不仅随温度变化，同时也受到压强的影响，设定压强对热容的修正系数，即k₃＝P₁/P_N，其中，P₁是实际工况下的压强，Pa；P_N是标准状况下的压强，Pa；

根据现场数据得到各气体成分之间的比例为：

所以分解炉气体热容C_f为

$C_f=(\frac{a}{100}\×C_{{\mathrm{CO}}_2}+\frac{b}{100}\×C_{O_2}+\frac{c}{100}\×C_{N_2})\×k_3,---\left(12\right);$

35)煤粉低位热值计算

如果煤粉完全燃烧，煤粉燃烧放出的热量被分解炉内气体和物料分解所吸收，所以列热平衡方程如下：

其中，t₁是前一周期分解炉出口温度，℃；t₂是当前时刻分解炉出口温度，℃；ΔQ_net，ar是煤粉低位热值变化量，m_s是生料下料量；

又Q_net，ar2＝Q_net，ar1±ΔQ_net，ar，根据工况判断煤粉热值的变化趋势，联立公式(10)、(11)、(12)、(13)计算得到当前时刻的煤粉低位热值，即Q_net，ar2，式中的Q_net，ar1是前一周期的煤粉低位热值。