CN104534506A - 一种富氧燃烧水泥回转窑送风控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种富氧燃烧水泥回转窑送风控制方法及系统。所述控制方法，包括以下步骤：(1)调整一次风中氧分压P_O2，从21％开始，逐步提高；(2)对于每一个一次风中氧分压P_O2值，获取富氧煤燃烧水泥回转窑内辐射强度I和尾气中NOx的含量；(3)获取生产单位熟料的节约成本ΔE；(4)当生产单位熟料的节约成本ΔE不再提高时，停止提高一次风中氧分压P_O2。所述系统，包括CCD探测器、尾气烟气分析仪、一次风氧浓度分析仪、一次风开度控制器、制氧机以及上位机。本发明提供的送风控制方法及系统实现了回转窑燃烧经济性的最优化，提供了一种最优富氧燃烧一次风氧浓度的选择方案，弥补了技术空白，提高了经济效益。

Description

一种富氧燃烧水泥回转窑送风控制方法及系统

技术领域

本发明属于水泥回转窑燃烧控制领域，更具体地，涉及一种富氧燃烧水泥回转窑送风控制方法及系统。

背景技术

劣质煤难着火、难燃烬，以往回转窑燃用劣质煤大多通过减小煤粉细度、减小一次风量的方法来实现。减小煤粉细度会造成煤磨电耗增加，减小一次风量易造成燃烧器堵塞、燃烧工况波动等不利影响。由于煤磨出力和喷煤系统的限制，很多回转窑不具备燃用劣质煤的条件。当煤炭供应紧张时，水泥厂往往受制于煤种供应的问题而造成开工不足。

近年来，水泥窑富氧燃烧技术开始应用，解决了劣质煤难以应用于水泥回转窑的技术问题。该技术通过变压吸附的原理获得纯度80-90％的氧气，并通过与空气的混配提高一次风中氧浓度的方法，实现改善劣质煤燃烧特性(难着火、难燃烬)的目的。

然而，由于现在没有适合富氧燃水泥回转窑的燃烧工况控制方法，因此在实际的使用中，富氧燃烧存在两方面的问题：一、在燃用烟煤等优质煤时(机械不完全损失和化学不完全损失较小)，由于仅仅在一次风中提高了氧浓度，一次风占总风量的比例小于10％，一次风中O₂浓度从21％提高到30％时，总风量减小的幅度小于1％；假设排烟温度不变的情况下，排烟损失(回转窑热损失最大的部分)与非富氧条件差别不大，加之变压吸附制氧的电耗和设备折损，因此该技术的经济性较差；二、在燃用劣质煤时，富氧燃烧技术可以有效提高燃烧效率，有效降低未燃尽碳的机械不完全损失和CO化学不完全损失，但燃烧效率提高带来了回转窑内温度的升高，直接造成了窑内热力型NOx污染物浓度的增加，这会带来后续烟气脱硝装置中氨水使用量的增加，同样造成运行的不经济。

因此亟需一种富氧燃烧水泥回转窑的送风控制方法及系统，控制富氧燃烧水泥回转窑经济运行。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种富氧燃烧水泥回转窑送风控制方法及系统，其目的在于通过对富氧燃烧经济性分析和相应的设备改进，提供一套适用于富氧燃烧的经济、环保的富氧燃烧一次风氧浓度调整方案及设备，由此解决现有的富氧燃烧控制技术不能综合考虑富氧燃烧经济性能的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种富氧燃烧水泥回转窑送风控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)调整一次风中氧分压P_O2，从21％开始，逐步提高；

(2)对于每一个一次风中氧分压P_O2值，获取富氧煤燃烧水泥回转窑内辐射强度I和尾气中NOx的含量；

(3)获取生产单位熟料的节约成本ΔE，具体方法如下：

ΔE＝ΔM_煤种+D(ΔQ+ΔQ_排烟)-ΔM_制氧-M_脱NOx

其中ΔM_煤种为使用劣质煤生产单位熟料的节约成本，根据生产单位熟料的用煤量及该煤种的价格确定；D为使用该煤种生产单位热量的成本，ΔM_制氧为富氧燃烧生产单位熟料增加的制氧成本，ΔM_脱NOx为使用劣质煤的脱氮成本,ΔQ为减少的不完全燃烧热损失，ΔQ_排烟为减少的排烟热损失；

(4)当生产单位熟料的节约成本ΔE不再提高时，停止提高一次风中氧分压P_O2。

优选地，所述富氧燃烧水泥回转窑送风控制方法，其所述减少的不完全燃烧热损失ΔQ按照如下方法获取：

A、建立生产单位孰料时，一次风中氧分压P_O2、水泥回转窑内辐射强度I和减少的不完全燃烧热损失ΔQ的映射关系表；

B、根据当前一次风中氧分压及测定的水泥回转窑内辐射强度I，在水泥回转窑内辐射强度I和减少的不完全燃烧热损失ΔQ的映射关系表中，查找对应的减少的不完全燃烧热损失ΔQ，得到减少的不完全燃烧热损失ΔQ。

优选地，所述富氧燃烧水泥回转窑送风控制方法，其所述减少的排烟热损失ΔQ_排烟按照如下方法计算：

ΔQ_排烟＝0.1×(P_O2-21％)×(0.12×7m³×529.5kJ/m³)/21％

其中P_O2为氧分压。

优选地，所述富氧燃烧水泥回转窑送风控制方法，其所述制氧成本ΔM_制氧按照如下方式计算：

ΔM_制氧＝C_o2×V_o2/0.79(1-0.21/P_O2)

其中，C_o2为每标方纯氧制氧电耗成本，P_O2为一次风中氧含量。

优选地，所述富氧燃烧水泥回转窑送风控制方法，其所述脱氮成本M_脱NOx按照如下方式计算：

M_脱NOx＝C_NOx×V_空气×(P_NOx-400)/(11.76×η×46×10⁶)

其中，C_NOx为20％氨水价格；P_NOx为尾部烟气中NOx浓度；V_空气为单位熟料理论上需要的空气量；η为氨水还原NOx效率。

按照本发明的另一方面，提供了一种应用方法的富氧燃烧水泥回转窑送风控制系统，包括CCD探测器、尾气烟气分析仪、一次风氧浓度分析仪、一次风开度控制器、制氧机以及上位机；所述CCD探测器设置在水泥回转窑原有工业电视处，所述尾气烟气分析仪设置在水泥回转窑窑尾烟气出口处，所述一次风氧浓度分析仪设置在一次风送风管道出口，所述一次风开度控制器设置在一次风送风口，所述制氧机设置在一次风送风管道入口；所述CCD探测器、尾气烟气分析仪及一次风氧浓度分析仪与所述上位机电信号连接；所述上位机与一次风开度控制器及制氧机电连接。

优选地，所述富氧燃烧水泥回转窑送风控制系统，其制氧机为变压吸附制氧机。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

富氧燃烧通过提高一次风中氧浓度可以有效的提高回转窑内的温度分布水平，减小回转窑的化学不完全燃烧损失和机械不完全燃烧损失，由此提高回转窑的燃烧效率。但窑内温度水平的提高会带来热力型NOx浓度的显著增加，由此带来尾气处置成本的增加。

本发明提供的富氧燃烧水泥回转窑送风控制方法及系统，实现了回转窑燃烧经济性的最优化，提供了一种最优富氧燃烧一次风氧浓度的选择方案，弥补了技术空白，提高了经济效益。

附图说明

图1是本发明提供的富氧燃烧水泥回转窑送风控制装置结构示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1为CCD探测器，2为尾气烟气分析仪，3为一次风氧浓度分析仪，4为一次风开度控制器，5为制氧机，6为上位机。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供的富氧燃烧水泥回转窑送风控制方法，包括以下步骤：

(1)调整一次风中氧分压P_O2，从21％开始，逐步提高；

(2)对于每一个一次风中氧分压P_O2值，获取富氧煤燃烧水泥回转窑内辐射强度I和尾气中NOx的含量；

(3)获取生产单位熟料的节约成本ΔE；

(4)当生产单位熟料的节约成本ΔE不再提高时，停止提高一次风中氧分压P_O2。

生产单位熟料生成量的节约成本ΔE按照如下方法获取：

ΔE＝ΔM_煤种+D(ΔQ+ΔQ_排烟)-ΔM_制氧-M_脱NOx

其中ΔM_煤种为使用劣质煤生产单位熟料的节约成本，根据生产单位熟料的用煤量及该煤种的价格确定；D为使用该煤种生产单位热量的成本，ΔM_{制 氧}为富氧燃烧生产单位熟料增加的制氧成本，ΔM_脱NOx为使用劣质煤的脱氮成本,ΔQ为减少的不完全燃烧热损失，ΔQ_排烟为减少的排烟热损失。

减少的不完全燃烧热损失ΔQ按照如下方法获取：

A、建立生产单位孰料时，一次风中氧分压P_O2、水泥回转窑内辐射强度I和减少的不完全燃烧热损失ΔQ的映射关系表：

辐射强度I与煤燃烧产生的有效热能之间的函数关系，呈单调上升函数，因此辐射强度I与不完全燃烧热损失ΔQ之间的函数关系，呈单调下降函数。对于目标富氧燃烧水泥回转窑，测定不同辐射强度下，不完全燃烧热损失ΔQ的大小，从而建立水泥回转窑内辐射强度I和不完全燃烧热损失ΔQ的映射关系表。

对于每一水泥回转窑内辐射强度的预定值，调节目标富氧燃烧水泥回转窑的一次风中氧分压P_O2，使得辐射强度达到预定值，计算不完全燃烧热损失ΔQ:

ΔQ＝ΔQ_化学+ΔQ_机械

其中，ΔQ_化学为减少的化学不完全燃烧的热损失，ΔQ_机械为减少的机械不完全燃烧的热损失。

减少的化学不完全燃烧的热损失ΔQ_化学计算方法如下：

ΔQ_化学＝Q_h21-Q_hb

其中，Q_hb为当前一次风中氧分压下的化学不完全燃烧热损失，Q_h21为一次风中氧分压为21％时的化学不完全燃烧热损失。

化学不完全燃烧的热损失计算公式:

$Q_{\mathrm{hb}}=\frac{V_i}{M_{\mathrm{sh}}}\×\frac{{\mathrm{CO}}^f}{100}\×12630$

式中：Q_hb表示每千克熟料化学不完全燃烧热损失，单位为千焦每千克(kJ/kg)；CO^f表示预热器出口废气中CO的体积分数，通过尾气烟气分析仪测定，百分数表示；M_sh每小时熟料产量kg/h,Vi每小时排烟体积m³/h；12630为CO的热值，单位为千焦每标准立方米(kJ/m³)；Q_h21与Q_hb计算方法相同，仅测定条件在一次风中氧分压为21％时测定各参数。

减少的机械不完全燃烧的热损失ΔQ_机械计算方法如下：

ΔQ_机械＝Q_j21-Q_jb

其中，Q_jb为当前一次风中氧分压下的机械不完全燃烧热损失，Q_j21为一次风中氧分压为21％时的机械不完全燃烧热损失。

机械不完全燃烧的热损失计算公式:

$Q_{\mathrm{jb}}=\frac{L_{\mathrm{ah}}}{100}\×33874$

式中：Q_jb表示每千克熟料机械不完全燃烧热损失，单位为千焦每千克(kJ/kg)；L_sh表示熟料的烧失量，以百分数表示(％)；33874表示碳的热值，单位为千焦每千克(kJ/kg)，Q_j21与Q_jb计算方法相同，仅测定条件在一次风中氧分压为21％时测定各参数。

B、根据当前一次风中氧分压及测定的水泥回转窑内辐射强度I，在水泥回转窑内辐射强度I和减少的不完全燃烧热损失ΔQ的映射关系表中，查找对应的减少的不完全燃烧热损失ΔQ，得到减少的不完全燃烧热损失ΔQ。

减少的排烟热损失ΔQ_排烟按照如下方法计算：

ΔQ_排烟＝0.1×(P_O2-21％)×(0.12×7m³×529.5kJ/m³)/21％

其中P_O2为氧分压。

制氧成本ΔM_制氧按照如下方式计算：

ΔM_制氧＝C_o2×V_o2/0.79(1-0.21/P_O2)

其中，C_o2为每标方纯氧制氧电耗成本，考虑寿命的条件下，每标方纯氧制氧电耗约0.4千瓦时，电价按0.5元/千瓦时计算，即约0.2元。P_O2为一次风中氧含量。

1公斤熟料约需要标煤约0.12公斤，完全燃烧的理论空气量约0.84m³,理论氧气量约0.1764m³。

一次风率10％，P_O2为一次风中氧含量，1公斤熟料需要的一次风量氧量为V_o2，取值为0.01764m³。

0.21x+y＝0.01764

(0.21x+y)/(x+y)＝P_O2，计算得到

x＝V_o2/0.79(1/P_O2-1)

y＝V_o2/0.79(1-0.21/P_O2)

富氧条件下，1公斤熟料的M_制氧＝C_o2×y元，即M_制氧＝C_o2×V_o2/0.79(1-0.21/P_O2)

脱氮成本M_脱NOx按照如下方式计算：

M_脱NOx＝C_NOx×V_空气×(P_NOx-400)/(11.76×η×46×10⁶)

其中，C_NOx为20％氨水价格，约0.6元/kg，1公斤20％氨水有效的NH₃含量约11.76摩尔；P_NOx为尾部烟气中NOx浓度，假设P_NOx(单位mg/m³)国家排放标准为400mg/m³；V_空气为单位熟料理论上需要的空气量，生产单位熟料约需要标煤约0.12公斤，完全燃烧的理论空气量约0.84m³；η为氨水还原NOx效率，假设氨水还原NOx效率η为80％。

生产单位熟料需要氨水约0.84×(P_NOx-400)/(0.8×46×10⁶)摩尔

因此，生产单位熟料的M_脱NOx＝C_NOx×V_空气×(P_NOx-400)/(11.76×η×46×10⁶)元。

本发明提供的富氧燃烧水泥回转窑送风控制装置，如图1所示，包括CCD探测器1、尾气烟气分析仪2、一次风氧浓度分析仪3、一次风开度控制器4、制氧机5以及上位机6；所述CCD探测器1设置在水泥回转窑原有工业电视处，所述尾气烟气分析仪2设置在水泥回转窑窑尾烟气出口处，所述一次风氧浓度分析仪3设置在一次风送风管道出口，所述一次风开度控制器4设置在一次风送风口，所述制氧机5设置在一次风送风管道入口；所述CCD探测器1、尾气烟气分析仪2及一次风氧浓度分析仪3与所述上位机6电信号连接；所述上位机6与一次风开度控制器4及制氧机5电连接。所述制氧机5为变压吸附制氧机5。

所述CCD探测器1，用于获取水泥回转窑内辐射强度；尾气烟气分析仪2，用于检测尾气中各种气体成分含量；所述一次风氧浓度分析仪3，用于检测一次风中氧气浓度；所述上位机6用于存储水泥回转窑内辐射强度I和减少的不完全燃烧热损失ΔQ的映射关系表，获取生产单位熟料的节约成本ΔE；所述制氧机5用于制备纯氧；所述一次风开度控制器4，用于按照上位机6的输出信号控制一次风纯氧开度，从而调节一次风中氧气浓度。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种富氧燃烧水泥回转窑送风控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)调整一次风中氧分压P_O2，从21％开始，逐步提高；

(2)对于每一个一次风中氧分压P_O2值，获取富氧煤燃烧水泥回转窑内辐射强度I和尾气中NOx的含量；

(3)获取生产单位熟料的节约成本ΔE，具体方法如下：

ΔE＝ΔM_煤种+D(ΔQ+ΔQ_排烟)-ΔM_制氧-M_脱NOx

其中ΔM_煤种为使用劣质煤生产单位熟料的节约成本，根据生产单位熟料的用煤量及该煤种的价格确定；D为使用该煤种生产单位热量的成本，ΔM_制氧为富氧燃烧生产单位熟料增加的制氧成本，ΔM_脱NOx为使用劣质煤的脱氮成本,ΔQ为减少的不完全燃烧热损失，ΔQ_排烟为减少的排烟热损失；

(4)当生产单位熟料的节约成本ΔE不再提高时，停止提高一次风中氧分压P_O2。

2.如权利要求1所述的富氧燃烧水泥回转窑送风控制方法，其特征在于，所述减少的不完全燃烧热损失ΔQ按照如下方法获取：

A、建立生产单位孰料时，一次风中氧分压P_O2、水泥回转窑内辐射强度I和减少的不完全燃烧热损失ΔQ的映射关系表；

B、根据当前一次风中氧分压及测定的水泥回转窑内辐射强度I，在水泥回转窑内辐射强度I和减少的不完全燃烧热损失ΔQ的映射关系表中，查找对应的减少的不完全燃烧热损失ΔQ，得到减少的不完全燃烧热损失ΔQ。

3.如权利要求1所述的富氧燃烧水泥回转窑送风控制方法，其特征在于，所述减少的排烟热损失ΔQ_排烟按照如下方法计算：

ΔQ_排烟＝0.1×(P_O2-21％)×(0.12×7m³×529.5kJ/m³)/21％

其中P_O2为氧分压。

4.如权利要求1所述的富氧燃烧水泥回转窑送风控制方法，其特征在于，所述制氧成本ΔM_制氧按照如下方式计算：

ΔM_制氧＝C_o2×V_o2/0.79(1-0.21/P_O2)

其中，C_o2为每标方纯氧制氧电耗成本，P_O2为一次风中氧含量。

5.如权利要求1所述的富氧燃烧水泥回转窑送风控制方法，其特征在于，所述脱氮成本M_脱NOx按照如下方式计算：

M_脱NOx＝C_NOx×V_空气×(P_NOx-400)/(11.76×η×46×10⁶)

其中，C_NOx为20％氨水价格；P_NOx为尾部烟气中NOx浓度；V_空气为单位熟料理论上需要的空气量；η为氨水还原NOx效率。

6.应用如权利要求1至5任意一项所述方法的富氧燃烧水泥回转窑送风控制系统，其特征在于，包括CCD探测器(1)、尾气烟气分析仪(2)、一次风氧浓度分析仪(3)、一次风开度控制器(4)、制氧机(5)以及上位机(6)；所述CCD探测器(1)设置在水泥回转窑原有工业电视处，所述尾气烟气分析仪(2)设置在水泥回转窑窑尾烟气出口处，所述一次风氧浓度分析仪(3)设置在一次风送风管道出口，所述一次风开度控制器(4)设置在一次风送风口，所述制氧机(5)设置在一次风送风管道入口；所述CCD探测器(1)、尾气烟气分析仪(2)及一次风氧浓度分析仪(3)与所述上位机(6)电信号连接；所述上位机(6)与一次风开度控制器(4)及制氧机(5)电连接。

7.如权利要求6所述的富氧燃烧水泥回转窑送风控制系统，其特征在于，所述制氧机(5)为变压吸附制氧机(5)。