CN104915567A - 基于热平衡分析的水泥熟料烧成热耗、热效率及燃煤热值实时监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于热平衡分析的水泥熟料烧成热耗、热效率及燃煤热值实时监测方法，包括以下步骤：步骤1：采集熟料烧成系统的DCS系统运行参数数据及检化验设备中的生料、熟料化学分析数据；步骤2：判断熟料烧成系统是否处于稳定运行状态，当熟料烧成系统处于稳定运行状态时，执行步骤3；否则，结束计算过程；步骤3：根据熟料烧成系统的燃煤燃烧计算模型及热平衡分析模型，计算燃煤低位热值；步骤4：根据步骤3计算的燃煤低位热值，计算熟料烧成热耗、熟料烧成热效率。本发明克服了燃煤煤质波动给熟料烧成耗热计算带来的不利影响，计算简便，成本低，具有良好的可实施性和可操作性。

Description

基于热平衡分析的水泥熟料烧成热耗、热效率及燃煤热值实时监测方法

技术领域

本发明涉及水泥行业熟料烧成系统烧成热耗、热效率及燃煤热值的实时监测方法，属于软测量领域。

背景技术

水泥熟料烧成系统是新型干法水泥生产的主要部分，其中的能源类型主要为燃煤燃烧释放和熟料生成所消耗的化学能，以及系统各部分耗散的热能，作为一个耗能巨大且复杂的热力学和化学系统，其能耗的高低直接影响和决定整个水泥生产线的能源利用率和经济效益。

目前，熟料烧成系统操作人员主要依靠经验调整回转窑运行工况，当出现燃煤热值波动、生料化学成分波动等情况时，难以及时、准确地调整相关运行参数，导致烧成热耗增加。同时，水泥生产企业对燃煤热值的监测主要是通过定期离线取样化验获得，其与实际进入系统的燃煤之间存在着较大的制样误差及严重的分析时间滞后。

因此，如何在线测算燃煤热值，并在此基础实现熟料烧成热耗、烧成系统热效率的实时监测，指导操作人员及时、准确地调整烧成系统运行工况，保证烧成系统稳定、经济运行，是相关技术人员普遍关心的问题。

中国发明专利201310463399.2提出了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，进而计算煤粉低位热值的估计值，但其所建立的煤粉低位热值变化计算模型(详见说明书中式(13))中，并未考虑三次风量及三次风温的变化，导致计算出的热值变化仅取决于分解炉出口温度变化，计算结果不够准确，且该方法仅能计算出热值变化值，如何获取热值初始值，在该专利中并未提及，故该方法具有一定的局限性。

发明内容

本发明的目的在于提供了基于热平衡分析的水泥熟料烧成热耗、热效率及燃煤热值实时监测方法，该方法利用燃煤燃烧计算及熟料烧成系统热平衡计算，实现了燃煤热值与熟料烧成热耗、热效率的在线监测。

为达成上述目的，本发明的技术方案是：基于热平衡分析的水泥熟料烧成热耗、热效率及燃煤热值实时监测方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：采集熟料烧成系统的DCS系统运行参数数据及检化验设备中的生料、熟料化学分析数据；

步骤2：判断熟料烧成系统是否处于稳定运行状态，当熟料烧成系统处于稳定运行状态时，执行步骤3；否则，结束计算过程；

步骤3：根据熟料烧成系统的燃煤燃烧计算模型及热平衡分析模型，计算燃煤低位热值；

步骤4：根据步骤3计算的燃煤低位热值，计算熟料烧成热耗、熟料烧成热效率。

作为本发明进一步改进的技术方案，上述判断熟料烧成系统处于稳定运行状态判据为：

1)回转窑主电机电流在其历史数据平均值的±30％范围内波动；

2)窑尾气体温度在1050～1200℃之间波动；

同时满足上述两点判据时，认为熟料烧成系统处于稳定运行状态；否则，认为熟料烧成系统处于不稳定状态。

作为本发明进一步改进的技术方案，上述的熟料烧成系统的热平衡分析基准分别为：温度基准：0℃；质量基准：1kg熟料；平衡范围是从回转窑熟料出口到预热器废气出口。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述的熟料烧成系统的燃煤燃烧计算模型包括：理论空气量计算、过量空气系数计算、入窑实际空气量计算、三次空气量计算、系统总漏风量计算以及总烟气量计算。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述的熟料烧成系统的燃煤燃烧计算模型具体为：

1)理论空气量计算子模型

V_lk0＝K₁m_rQ_ar.net/1000   (1)

$m_r=\frac{M_{fr}+M_{yr}}{M_s/m_s}---\left(2\right)$

式中：V_lk0——每千克熟料燃煤燃烧理论空气量，Nm³/kg；

Q_ar,net——燃煤低位热值，kJ/kg煤，待计算；

K₁——由燃煤热值计算理论空气量系数，可依煤种选取，对于烟煤，取0.2620；对于无烟煤，取0.2659；

m_r——每千克熟料燃煤消耗量，kg/kg；

M_fr——分解炉瞬时喂煤量，kg/h；

M_yr——窑瞬时喂煤量，kg/h；

M_s——生料瞬时喂料量，kg/h；

2)过量空气系数计算子模型

$\mathrm{\α}=\frac{21+O_2({\mathrm{\ϵV}}_{{\mathrm{CO}}_2}^s-0.02)}{21-O_2}---\left(3\right)$

$V_{{\mathrm{CO}}_2}^s=\frac{m_s}{1.977}({\mathrm{CaO}}^s\frac{44}{56}+{\mathrm{MgO}}^s\frac{44}{40.3})---\left(4\right)$

式中：α——过量空气系数；

O₂——烟气中的含氧量，％；

——每千克熟料生料分解生成的CO₂体积量，Nm³/kg；

ε——碳酸盐分解率，％，窑尾处可取0.05～0.25，分解炉出口及预热器一级筒出口取为1；

m_s——每千克熟料的生料消耗量，kg/kg，可取统计值；

CaO^s、MgO^s——生料中的CaO、MgO百分含量，％；

3)入窑实际空气量计算子模型

V_yk＝α_ywV_lk0k_yr   (5)

式中：V_yk——每千克熟料实际入窑干空气体积量，Nm³/kg；

α_yw——窑尾处的过量空气系数，由窑尾处的烟气含氧量O_2yw按(3)式计算；

k_yr——入窑燃煤量占总燃煤量的比例；

根据入窑实际干空气量，分别计算入窑一次空气量、二次空气量及漏风量：

V_yk1＝k_yk1V_yk   (6)

V_yk2＝k_yk2V_yk   (7)

V_lok1＝k_lok1V_yk   (8)

式中：V_yk1、V_yk2、V_lok1——分别为每千克熟料实际入窑一次空气体积量、二次空气体积量以及漏风量，Nm³/kg；

k_yk1、k_yk2、k_lok1——分别为入窑一次空气、二次空气及漏风量的风量比，可按设计值或热平衡试验值选取，且应满足k_yk1+k_yk2+k_lok1＝1；

4)三次空气量计算子模型

V_f3k＝V₁+V₂-V₃-V₄   (9)

V₁＝(α_f-1)V_lk0   (10)

V₂＝V_lk0k_fr   (11)

V₃＝(α_yw-1)V_lk0k_yr   (12)

V₄＝k_lok4V_lk0k_fr   (13)

式中：V_f3k——每千克熟料三次空气量，Nm³/kg；

V₁、V₂、V₃、V₄——分别为每千克熟料分解炉出口处的过量空气量，分解炉燃煤燃烧所需空气量，窑尾处的过量空气量以及分解炉及窑尾漏入空气量，Nm³/kg；

α_f——分解炉出口处的过量空气系数，由窑尾处的烟气含氧量O_2f按(3)式计算；

k_fr——入分解炉燃煤量占总燃煤量的比例；

k_lok4——分解炉及窑尾漏风占分解炉燃煤燃烧所需空气量的比例，可按设计值或热平衡试验值选取，一般取为0.02～0.06；

5)系统漏风计算子模型

V_lok＝V_lok1+V_lok2   (14)

V_lok2＝V₄+V₅   (15)

V₅＝k_lok5V_lk0   (16)

式中：V_lok——每千克熟料系统漏风量，Nm³/kg；

V_lok2——每千克熟料窑尾漏入空气量，Nm³/kg；

V₅——每千克熟料预热器漏入空气量，Nm³/kg；

k_lok5——预热器漏风占理论空气量的比例，可按设计值或热平衡试验值选取，一般取为0.05～0.15；

6)预热器出口总烟气量计算

$V_f=V_{gy0}+V_{H_{2}O}^r+V_{wp}^s+V_{wc}^s+V_k+V_{{\mathrm{CO}}_2}^s---\left(17\right)$

V_gy0＝K₂V_lk0                                   (18)

$V_{H_{2}O}^r=1.24(9H_{ar}^r+W_{ar}^r)/100---\left(19\right)$

$V_{wp}^s=\frac{m_s{W}_s}{80.4}---\left(20\right)$

$V_{wc}^s=\frac{0.00353m_s{\mathrm{Al}}_2{O_3}^s}{80.4}---\left(21\right)$

V_k＝(α_y-1)V_lk0   (22)

式中：V_f——每千克熟料预热器出口总烟气量，Nm³/kg；

V_gy0——每千克熟料燃料燃烧生成的理论干烟气量，Nm³/kg；

——每千克熟料燃料燃烧生成的H₂O量，Nm³/kg；

——每千克熟料生料中物理含水释放出的H₂O量，Nm³/kg；

——每千克熟料生料中化学含水释放出的H₂O量，Nm³/kg；

V_k——每千克熟料烟气中的过量空气量，Nm³/kg；

K₂——燃煤燃烧所需的理论干空气量与生成的理论干烟气量之间的折算系数，在0.90～0.98之间取值；

——燃煤收到基H元素含量及水分，％，对于烟煤，可取值为3，按工业分析值选取；

W_s——生料水分，％；

Al₂O₃ ^s——生料中的Al₂O₃百分含量，％；

α_y——预热器出口处的过量空气系数，由预热器出口处的烟气含氧量O_2y按(3)式计算。

作为本发明进一步改进的技术方案，熟料烧成系统收入总热量Q_zs计算如下：

Q_zs＝Q_rR+Q_r+Q_s+Q_yh+Q_y1k+Q_y2k+Q_f3k+Q_lok   (23)

Q_rR＝m_rQ_ar,net   (24)

Q_r＝m_rc_rt_r   (25)

Q_s＝m_sc_st_s   (26)

Q_yh＝m_yhc_yht_yh   (27)

Q_y1k＝V_y1kc_y1kt_y1k   (28)

Q_y1k＝V_y2kc_y2kt_y2k   (29)

Q_f3k＝V_f3kc_f3kt_f3k   (30)

Q_lok＝V_lokc_lokt_lok   (31)

式中：Q_rR——每千克熟料燃煤燃烧热，kJ/kg；

Q_r——每千克熟料燃煤带入显热，kJ/kg；

Q_s——每千克熟料生料带入显热，kJ/kg；

Q_yh——每千克熟料入窑回灰显热，kJ/kg；

Q_y1k——每千克熟料入窑一次空气带入显热，kJ/kg；

Q_y2k——每千克熟料入窑二次空气带入显热，kJ/kg；

Q_f3k——每千克熟料入分解炉三次空气带入显热，kJ/kg；

Q_lok——每千克熟料系统漏风带入显热，kJ/kg；

c_r——燃煤比热，kJ/(kg·℃)，一般取为1.154kJ/(kg·℃)；

c_s——生料比热，kJ/(kg·℃)，一般取为0.878kJ/(kg·℃)；

c_yh——回灰比热，kJ/(kg·℃)，一般取为0.836kJ/(kg·℃)；

t_r——燃煤温度，℃，若无计量，一般取为60℃；

t_s——生料温度，℃，若无计量，一般取为50℃；

t_yh——回灰温度，℃，若无计量，一般取为50℃；

c_y1k、c_y2k、c_f3k、c_lok——分别为一次空气比热、二次空气比热、三次空气比热及漏风比热，kJ/(kg·℃)，一般可分别取为1.298、1.403、1.377及1.298；

t_y1k、t_y2k、t_f3k、t_lok——分别为一次空气温度、二次空气温度、三次空气温度及漏风温度，℃。

作为本发明进一步改进的技术方案，熟料烧成系统支出总热量Q_zs计算如下：

Q_zc＝Q_sh+Q_ss+Q_f+Q_ysh+Q_fh+Q_jb+Q_b   (32)

Q_sh＝17.19Al₂O₃ ^sh+27.10MgO^sh+32.01CaO^sh-21.40SiO₂ ^sh-2.47Fe₂O₃ ^sh

                                         (33)

$Q_{ss}=0.804(V_{wp}^s+V_{wc}^s)q_{qh}---\left(34\right)$

Q_f＝V_fc_ft_py   (35)

Q_ysh＝c_sht_sh   (36)

Q_fh＝m_yhc_fht_py   (37)

$Q_{jb}=\frac{L_{sh}}{100}33874---\left(38\right)$

式中：Q_sh——每千克熟料形成热，kJ/kg；

Q_ss——每千克熟料蒸发生料中的水分耗热量，kJ/kg；

Q_f——每千克熟料废气带走热量，kJ/kg；

Q_ysh——每千克熟料出窑熟料带走热量，kJ/kg；

Q_fh——每千克熟料出预热器飞灰带走热量，kJ/kg；

Q_jb——每千克熟料机械不完全燃烧热损失，kJ/kg；

Q_b——每千克熟料散热损失，kJ/kg，熟料烧成系统稳定运行时，散热损失占总热量的比例基本保持不变，即其中值可根据设计值或试验值选取；

Al₂O₃ ^sh、MgO^sh、CaO^sh、SiO₂ ^sh Fe₂O₃ ^sh——熟料中相应成分的质量百分数，％；

q_qh——水的汽化潜热，一般取值2380kJ/kg；

c_f——预热器出口废气比热，kJ/(kg·℃)，一般取为1.4750kJ/(kg·℃)；

c_sh——出窑熟料比热，kJ/(kg·℃)，一般取为1.078kJ/(kg·℃)；

c_fh——出预热器飞灰比热，kJ/(kg·℃)，一般取为0.895kJ/(kg·℃)；

t_py——预热器出口废气温度，℃；

t_sh——熟料出窑温度，℃；

作为本发明进一步改进的技术方案，所述的熟料烧成系统热平衡分析模型为：

Q_zs＝Q_zc   (39)

式中：Q_zs——烧成系统收入总热量，kJ/kg；

Q_zc——烧成系统支出总热量，kJ/kg；

将烧成系统燃煤燃烧计算模型及各项收入热量与支出热量计算模型(式(1)～(38))带入式(39)，组成关于燃煤热值Q_ar,net的一元一次方程，进而求解出当前状态下的燃煤热值。

作为本发明进一步改进的技术方案，求解出燃煤热值Q_ar,net之后，熟料烧成热耗及熟料烧成热效率计算如下：

Q_rR＝m_rQ_ar,net   (40)

${\mathrm{\η}}_s=\frac{Q_{sh}}{Q_{rR}}\×100\%---\left(41\right)$

式中：Q_rR——单位熟料烧成热耗，kJ/kg；

Q_sh——每千克熟料形成热，kJ/kg；

η_s——烧成系统热效率，％。

作为本发明进一步改进的技术方案，检化验设备包括荧光分析仪。

本发明利用相关数据接口，从水泥熟料烧成系统DCS系统读取运行参数数据，从荧光分析仪等检化验系统获取生料、熟料化学分析数据，借助熟料烧成系统的热平衡分析模型，实时计算燃煤低位热值，并在此基础上，实现熟料烧成热耗、热效率的在线监测。本发明克服了燃煤煤质波动给熟料烧成耗热计算带来的不利影响，计算简便，成本低，具有良好的可实施性和可操作性。

本发明的优点在于：

1、作为一种软测量方法，熟料烧成热耗、热效率及燃煤热值的测算过程中所需的参数均可从DCS(或SIS)系统的实时数据库中直接读取，现场不需要额外增加分析或测量仪表灯昂贵的辅助设备，可集成在已有的DCS(或SIS)系统中，成本低。

2、本方法无需参考煤质成分之间的关联关系，只需满足烧成系统的热平衡关系，可对不同煤质的燃煤热值进行测算，适用性广。

附图说明

图1是水泥熟料烧成系统热平衡原理图；

图2是基于热平衡分析的水泥熟料烧成热耗、热效率及燃煤热值实时监测方法流程图；

图3是实施本发明提供方法的系统结构图。

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。应强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

具体实施方式

实施例1

本发明以水泥熟料烧成系统热平衡原理为理论基础。图1是熟料烧成系统热平衡原理图，如图1所示，熟料烧成系统的收入总热量应当等于支出总热量。

图2是基于热平衡分析的水泥熟料烧成热耗、热效率及燃煤热值实时监测方法流程图。

图3是实施本发明提供方法的系统结构图。如图3所示，在实时本发明之前，先要搭建硬件系统。配置一台安全隔离网关，用于采集熟料烧成DCS系统数据，并与DCS系统进行安全隔离；一台IO服务器用于数据采集及实时数据库；一台应用服务器用于运行计算程序；一台WEB服务器用户向企业内网发布计算展示画面及报表；一台工作站用于实时监视。

参见图1、图2和图3，本基于热平衡分析的水泥熟料烧成热耗、热效率及燃煤热值实时监测方法，包括以下步骤：

步骤1：采集熟料烧成系统的DCS系统运行参数数据及检化验设备中的生料、熟料化学分析数据；

步骤2：判断熟料烧成系统是否处于稳定运行状态，当熟料烧成系统处于稳定运行状态时，执行步骤3；否则，结束计算过程；

步骤3：根据熟料烧成系统的燃煤燃烧计算模型及热平衡分析模型，计算燃煤低位热值；

步骤4：根据步骤3计算的燃煤低位热值，计算熟料烧成热耗、熟料烧成热效率。

作为优选方案，上述判断熟料烧成系统处于稳定运行状态判据为：

1)回转窑主电机电流在其历史数据平均值的±30％范围内波动；

2)窑尾气体温度在1050～1200℃之间波动；

同时满足上述两点判据时，认为熟料烧成系统处于稳定运行状态；否则，认为熟料烧成系统处于不稳定状态。

上述的熟料烧成系统的热平衡分析基准分别为：温度基准：0℃；质量基准：1kg熟料；平衡范围是从回转窑熟料出口到预热器废气出口。所述的熟料烧成系统的燃煤燃烧计算模型包括：理论空气量计算、过量空气系数计算、入窑实际空气量计算、三次空气量计算、系统总漏风量计算以及总烟气量计算。10.根据权利要求1所述的基于热平衡分析的水泥熟料烧成热耗、热效率及燃煤热值实时监测方法，其特征在于：检化验设备包括荧光分析仪。

所述的熟料烧成系统的燃煤燃烧计算模型具体为：

1)理论空气量计算子模型

V_lk0＝K₁m_rQ_ar.net/1000   (1)

$m_r=\frac{M_{fr}+M_{yr}}{M_s/m_s}---\left(2\right)$

式中：V_lk0——每千克熟料燃煤燃烧理论空气量，Nm³/kg；

Q_ar,net——燃煤低位热值，kJ/kg煤，待计算；

K₁——由燃煤热值计算理论空气量系数，可依煤种选取，对于烟煤，取0.2620；对于无烟煤，取0.2659；

m_r——每千克熟料燃煤消耗量，kg/kg；

M_fr——分解炉瞬时喂煤量，kg/h；

M_yr——窑瞬时喂煤量，kg/h；

M_s——生料瞬时喂料量，kg/h；

2)过量空气系数计算子模型

$\mathrm{\α}=\frac{21+O_2({\mathrm{\ϵV}}_{{\mathrm{CO}}_2}^s-0.02)}{21-O_2}---\left(3\right)$

$V_{{\mathrm{CO}}_2}^s=\frac{m_s}{1.977}({\mathrm{CaO}}^s\frac{44}{56}+{\mathrm{MgO}}^s\frac{44}{40.3})---\left(4\right)$

式中：α——过量空气系数；

O₂——烟气中的含氧量，％；

——每千克熟料生料分解生成的CO₂体积量，Nm³/kg；

ε——碳酸盐分解率，％，窑尾处可取0.05～0.25，分解炉出口及预

热器一级筒出口取为1；

m_s——每千克熟料的生料消耗量，kg/kg，可取统计值；

CaO^s、MgO^s——生料中的CaO、MgO百分含量，％；

3)入窑实际空气量计算子模型

V_yk＝α_ywV_lk0k_yr   (5)

式中：V_yk——每千克熟料实际入窑干空气体积量，Nm³/kg；

α_yw——窑尾处的过量空气系数，由窑尾处的烟气含氧量O_2yw按(3)式计算；

k_yr——入窑燃煤量占总燃煤量的比例；

根据入窑实际干空气量，分别计算入窑一次空气量、二次空气量及漏风量：

V_yk1＝k_yk1V_yk   (6)

V_yk2＝k_yk2V_yk   (7)

V_lok1＝k_lok1V_yk   (8)

式中：V_yk1、V_yk2、V_lok1——分别为每千克熟料实际入窑一次空气体积量、二次空气体积量以及漏风量，Nm³/kg；

k_yk1、k_yk2、k_lok1——分别为入窑一次空气、二次空气及漏风量的风量比，可按设计值或热平衡试验值选取，且应满足k_yk1+k_yk2+k_lok1＝1；

4)三次空气量计算子模型

V_f3k＝V₁+V₂-V₃-V₄   (9)

V₁＝(α_f-1)V_lk0   (10)

V₂＝V_lk0k_fr   (11)

V₃＝(α_yw-1)V_lk0k_yr   (12)

V₄＝k_lok4V_lk0k_fr(13)

式中：V_f3k——每千克熟料三次空气量，Nm³/kg；

V₁、V₂、V₃、V₄——分别为每千克熟料分解炉出口处的过量空气量，分解炉燃煤燃烧所需空气量，窑尾处的过量空气量以及分解炉及窑尾漏入空气量，Nm³/kg；

α_f——分解炉出口处的过量空气系数，由窑尾处的烟气含氧量O_2f按(3)式计算；

k_fr——入分解炉燃煤量占总燃煤量的比例；

k_lok4——分解炉及窑尾漏风占分解炉燃煤燃烧所需空气量的比例，可按设计值或热平衡试验值选取，一般取为0.02～0.06；

5)系统漏风计算子模型

V_lok＝V_lok1+V_lok2   (14)

V_lok2＝V₄+V₅   (15)

V₅＝k_lok5V_lk0   (16)

式中：V_lok——每千克熟料系统漏风量，Nm³/kg；

V_lok2——每千克熟料窑尾漏入空气量，Nm³/kg；

V₅——每千克熟料预热器漏入空气量，Nm³/kg；

k_lok5——预热器漏风占理论空气量的比例，可按设计值或热平衡试验值选取，一般取为0.05～0.15；

6)预热器出口总烟气量计算

$V_f=V_{gy0}+V_{H_{2}O}^r+V_{wp}^s+V_{wc}^s+V_k+V_{{\mathrm{CO}}_2}^s---\left(17\right)$

V_gy0＝K₂V_lk0   (18)

$V_{H_{2}O}^r=1.24(9H_{ar}^r+W_{ar}^r)/100---\left(19\right)$

$V_{wp}^s=\frac{m_s{W}_s}{80.4}---\left(20\right)$

$V_{wc}^s=\frac{0.00353m_s{\mathrm{Al}}_2{O_3}^s}{80.4}---\left(21\right)$

V_k＝(α_y-1)V_lk0   (22)

式中：V_f——每千克熟料预热器出口总烟气量，Nm³/kg；

V_gy0——每千克熟料燃料燃烧生成的理论干烟气量，Nm³/kg；

——每千克熟料燃料燃烧生成的H₂O量，Nm³/kg；

——每千克熟料生料中物理含水释放出的H₂O量，Nm³/kg；

——每千克熟料生料中化学含水释放出的H₂O量，Nm³/kg；

V_k——每千克熟料烟气中的过量空气量，Nm³/kg；

K₂——燃煤燃烧所需的理论干空气量与生成的理论干烟气量之间的折算系数，在0.90～0.98之间取值；

——燃煤收到基H元素含量及水分，％，对于烟煤，可取值为3，按工业分析值选取；

W_s——生料水分，％；

Al₂O₃ ^s——生料中的Al₂O₃百分含量，％；

α_y——预热器出口处的过量空气系数，由预热器出口处的烟气含氧量O_2y按(3)式计算。

熟料烧成系统收入总热量Q_zs计算如下：

Q_zs＝Q_rR+Q_r+Q_s+Q_yh+Q_y1k+Q_y2k+Q_f3k+Q_lok   (23)

Q_rR＝m_rQ_ar,net   (24)

Q_r＝m_rc_rt_r   (25)

Q_s＝m_sc_st_s   (26)

Q_yh＝m_yhc_yht_yh   (27)

Q_y1k＝V_y1kc_y1kt_y1k   (28)

Q_y1k＝V_y2kc_y2kt_y2k   (29)

Q_f3k＝V_f3kc_f3kt_f3k   (30)

Q_lok＝V_lokc_lokt_lok   (31)

式中：Q_rR——每千克熟料燃煤燃烧热，kJ/kg；

Q_r——每千克熟料燃煤带入显热，kJ/kg；

Q_s——每千克熟料生料带入显热，kJ/kg；

Q_yh——每千克熟料入窑回灰显热，kJ/kg；

Q_y1k——每千克熟料入窑一次空气带入显热，kJ/kg；

Q_y2k——每千克熟料入窑二次空气带入显热，kJ/kg；

Q_f3k——每千克熟料入分解炉三次空气带入显热，kJ/kg；

Q_lok——每千克熟料系统漏风带入显热，kJ/kg；

c_r——燃煤比热，kJ/(kg·℃)，一般取为1.154kJ/(kg·℃)；

c_s——生料比热，kJ/(kg·℃)，一般取为0.878kJ/(kg·℃)；

c_yh——回灰比热，kJ/(kg·℃)，一般取为0.836kJ/(kg·℃)；

t_r——燃煤温度，℃，若无计量，一般取为60℃；

t_s——生料温度，℃，若无计量，一般取为50℃；

t_yh——回灰温度，℃，若无计量，一般取为50℃；

c_y1k、c_y2k、c_f3k、c_lok——分别为一次空气比热、二次空气比热、三次空气比热及漏风比热，kJ/(kg·℃)，一般可分别取为1.298、1.403、1.377及1.298；

t_y1k、t_y2k、t_f3k、t_lok——分别为一次空气温度、二次空气温度、三次空气温度及漏风温度，℃。

熟料烧成系统支出总热量Q_zs计算如下：

Q_zc＝Q_sh+Q_ss+Q_f+Q_ysh+Q_fh+Q_jb+Q_b   (32)

Q_sh＝17.19Al₂O₃ ^sh+27.10MgO^sh+32.01CaO^sh-21.40SiO₂ ^sh-2.47Fe₂O₃ ^sh

                                     (33)

$Q_{ss}=0.804(V_{wp}^s+V_{wc}^s)q_{qh}---\left(34\right)$

Q_f＝V_fc_ft_py   (35)

Q_ysh＝c_sht_sh   (36)

Q_fh＝m_yhc_fht_py   (37)

$Q_{jb}=\frac{L_{sh}}{100}33874---\left(38\right)$

式中：Q_sh——每千克熟料形成热，kJ/kg；

Q_ss——每千克熟料蒸发生料中的水分耗热量，kJ/kg；

Q_f——每千克熟料废气带走热量，kJ/kg；

Q_ysh——每千克熟料出窑熟料带走热量，kJ/kg；

Q_fh——每千克熟料出预热器飞灰带走热量，kJ/kg；

Q_jb——每千克熟料机械不完全燃烧热损失，kJ/kg；

Q_b——每千克熟料散热损失，kJ/kg，熟料烧成系统稳定运行时，散热损失占总热量的比例基本保持不变，即其中值可根据设计值或试验值选取；

Al₂O₃ ^sh、MgO^sh、CaO^sh、SiO₂ ^sh Fe₂O₃ ^sh——熟料中相应成分的质量百分数，％；

q_qh——水的汽化潜热，一般取值2380kJ/kg；

c_f——预热器出口废气比热，kJ/(kg·℃)，一般取为1.4750kJ/(kg·℃)；

c_sh——出窑熟料比热，kJ/(kg·℃)，一般取为1.078kJ/(kg·℃)；

c_fh——出预热器飞灰比热，kJ/(kg·℃)，一般取为0.895kJ/(kg·℃)；

t_py——预热器出口废气温度，℃；

t_sh——熟料出窑温度，℃；

L_sh——熟料烧失量，％。

所述的熟料烧成系统热平衡分析模型为：

Q_zs＝Q_zc   (39)

式中：Q_zs——烧成系统收入总热量，kJ/kg；

Q_zc——烧成系统支出总热量，kJ/kg；

将烧成系统燃煤燃烧计算模型及各项收入热量与支出热量计算模型(式(1)～(38))带入式(39)，组成关于燃煤热值Q_ar,net的一元一次方程，进而求解出当前状态下的燃煤热值。

求解出燃煤热值Q_ar,net之后，熟料烧成热耗及熟料烧成热效率计算如下：

Q_rR＝m_rQ_ar,net   (40)

${\mathrm{\η}}_s=\frac{Q_{sh}}{Q_{rR}}\×100\%---\left(41\right)$

式中：Q_rR——单位熟料烧成热耗，kJ/kg；

Q_sh——每千克熟料形成热，kJ/kg；

η_s——烧成系统热效率，％。

Claims (10)

1.基于热平衡分析的水泥熟料烧成热耗、热效率及燃煤热值实时监测方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：采集熟料烧成系统的DCS系统运行参数数据及检化验设备中的生料、熟料化学分析数据；

步骤2：判断熟料烧成系统是否处于稳定运行状态，当熟料烧成系统处于稳定运行状态时，执行步骤3；否则，结束计算过程；

步骤3：根据熟料烧成系统的燃煤燃烧计算模型及热平衡分析模型，计算燃煤低位热值；

步骤4：根据步骤3计算的燃煤低位热值，计算熟料烧成热耗、熟料烧成热效率。

2.根据权利要求1所述的基于热平衡分析的水泥熟料烧成热耗、热效率及燃煤热值实时监测方法，其特征在于上述判断熟料烧成系统处于稳定运行状态判据为：

1)回转窑主电机电流在其历史数据平均值的±30％范围内波动；

2)窑尾气体温度在1050～1200℃之间波动；

同时满足上述两点判据时，认为熟料烧成系统处于稳定运行状态；否则，认为熟料烧成系统处于不稳定状态。

3.根据权利要求1所述的基于热平衡分析的水泥熟料烧成热耗、热效率及燃煤热值实时监测方法，其特征在于上述的熟料烧成系统的热平衡分析基准分别为：温度基准：0℃；质量基准：1kg熟料；平衡范围是从回转窑熟料出口到预热器废气出口。

4.根据权利要求1所述的基于热平衡分析的水泥熟料烧成热耗、热效率及燃煤热值实时监测方法，其特征在于所述的熟料烧成系统的燃煤燃烧计算模型包括：理论空气量计算、过量空气系数计算、入窑实际空气量计算、三次空气量计算、系统总漏风量计算以及总烟气量计算。

5.根据权利要求1所述的基于热平衡分析的水泥熟料烧成热耗、热效率及燃煤热值实时监测方法，其特征在于所述的熟料烧成系统的燃煤燃烧计算模型具体为：

1)理论空气量计算子模型

V_lk0＝K₁m_rQ_ar.net/1000           (1)

$m_r=\frac{M_{fr}+M_{yr}}{M_s/m_s}---\left(2\right)$

式中：V_lk0——每千克熟料燃煤燃烧理论空气量，Nm³/kg；

Q_ar,net——燃煤低位热值，kJ/kg煤，待计算；

K₁——由燃煤热值计算理论空气量系数，可依煤种选取，对于烟煤，取0.2620；对于无烟煤，取0.2659；

m_r——每千克熟料燃煤消耗量，kg/kg；

M_fr——分解炉瞬时喂煤量，kg/h；

M_yr——窑瞬时喂煤量，kg/h；

M_s——生料瞬时喂料量，kg/h；

2)过量空气系数计算子模型

$\mathrm{\α}=\frac{21+O_2({\mathrm{\ϵV}}_{{\mathrm{CO}}_2}^s-0.02)}{21-O_2}---\left(3\right)$

$V_{{\mathrm{CO}}_2}^s=\frac{m_s}{1.977}({\mathrm{CaO}}^s\frac{44}{56}+{\mathrm{MgO}}^s\frac{44}{40.3})---\left(4\right)$

式中：α——过量空气系数；

O₂——烟气中的含氧量，％；

——每千克熟料生料分解生成的CO₂体积量，Nm³/kg；

ε——碳酸盐分解率，％，窑尾处可取0.05～0.25，分解炉出口及预热器一级筒出口取为1；

m_s——每千克熟料的生料消耗量，kg/kg，可取统计值；

CaO^s、MgO^s——生料中的CaO、MgO百分含量，％；

3)入窑实际空气量计算子模型

V_yk＝α_ywV_lk0k_yr            (5)

式中：V_yk——每千克熟料实际入窑干空气体积量，Nm³/kg；

α_yw——窑尾处的过量空气系数，由窑尾处的烟气含氧量O_2yw按(3)式计算；

k_yr——入窑燃煤量占总燃煤量的比例；

根据入窑实际干空气量，分别计算入窑一次空气量、二次空气量及漏风量：

V_yk1＝k_yk1V_yk             (6)

V_yk2＝k_yk2V_yk             (7)

V_lok1＝k_lok1V_yk           (8)

式中：V_yk1、V_yk2、V_lok1——分别为每千克熟料实际入窑一次空气体积量、二次空气体积量以及漏风量，Nm³/kg；

k_yk1、k_yk2、k_lok1——分别为入窑一次空气、二次空气及漏风量的风量比，可按设计值或热平衡试验值选取，且应满足k_yk1+k_yk2+k_lok1＝1；

4)三次空气量计算子模型

V_f3k＝V₁+V₂-V₃-V₄             (9)

V₁＝(α_f-1)V_lk0               (10)

V₂＝V_lk0k_fr                   (11)

V₃＝(α_yw-1)V_lk0k_yr           (12)

V₄＝k_lok4V_lk0k_fr              (13)

式中：V_f3k——每千克熟料三次空气量，Nm³/kg；

V₁、V₂、V₃、V₄——分别为每千克熟料分解炉出口处的过量空气量，分解炉燃煤燃烧所需空气量，窑尾处的过量空气量以及分解炉及窑尾漏入空气量，Nm³/kg；

α_f——分解炉出口处的过量空气系数，由窑尾处的烟气含氧量O_2f按(3)式计算；

k_fr——入分解炉燃煤量占总燃煤量的比例；

k_lok4——分解炉及窑尾漏风占分解炉燃煤燃烧所需空气量的比例，可按设计值或热平衡试验值选取，一般取为0.02～0.06；

5)系统漏风计算子模型

V_lok＝V_lok1+V_lok2           (14)

V_lok2＝V₄+V₅             (15)

V₅＝k_lok5V_lk0            (16)

式中：V_lok——每千克熟料系统漏风量，Nm³/kg；

V_lok2——每千克熟料窑尾漏入空气量，Nm³/kg；

V₅——每千克熟料预热器漏入空气量，Nm³/kg；

k_lok5——预热器漏风占理论空气量的比例，可按设计值或热平衡试验值选取，一般取为0.05～0.15；

6)预热器出口总烟气量计算

$V_f=V_{gy0}+V_{H_{2}O}^r+V_{wp}^s+V_{wc}^s+V_k+V_{{\mathrm{CO}}_2}^s---\left(17\right)$

V_gy0＝K₂V_lk0            (18)

$V_{H_{2}O}^r=1.24(9H_{ar}^r+W_{ar}^r)/100---\left(19\right)$

$V_{wp}^s=\frac{m_s{W}_s}{80.4}---\left(20\right)$

$V_{wc}^s=\frac{0.00353m_{s}A{l}_2{O_3}^s}{80.4}---\left(21\right)$

V_k＝(α_y-1)V_lk0             (22)

式中：V_f——每千克熟料预热器出口总烟气量，Nm³/kg；

V_gy0——每千克熟料燃料燃烧生成的理论干烟气量，Nm³/kg；

——每千克熟料燃料燃烧生成的H₂O量，Nm³/kg；

——每千克熟料生料中物理含水释放出的H₂O量，Nm³/kg；

——每千克熟料生料中化学含水释放出的H₂O量，Nm³/kg；

V_k——每千克熟料烟气中的过量空气量，Nm³/kg；

K₂——燃煤燃烧所需的理论干空气量与生成的理论干烟气量之间的折算系数，在0.90～0.98之间取值；

——燃煤收到基H元素含量及水分，％，对于烟煤，可取值为3，按工业分析值选取；

W_s——生料水分，％；

Al₂O₃ ^s——生料中的Al₂O₃百分含量，％；

α_y——预热器出口处的过量空气系数，由预热器出口处的烟气含氧量O_2y按(3)式计算。

6.根据权利要求1所述的基于热平衡分析的水泥熟料烧成热耗、热效率及燃煤热值实时监测方法，其特征在于熟料烧成系统收入总热量Q_zs计算如下：

Q_zs＝Q_rR+Q_r+Q_s+Q_yh+Q_y1k+Q_y2k+Q_f3k+Q_lok      (23)

Q_rR＝m_rQ_ar,net                             (24)

Q_r＝m_rc_rt_r                                (25)

Q_s＝m_sc_st_s                                (26)

Q_yh＝m_yhc_yht_yh                            (27)

Q_y1k＝V_y1kc_y1kt_y1k                        (28)

Q_y1k＝V_y2kc_y2kt_y2k                        (29)

Q_f3k＝V_f3kc_f3kt_f3k                        (30)

Q_lok＝V_lokc_lokt_lok                        (31)

式中：Q_rR——每千克熟料燃煤燃烧热，kJ/kg；

Q_r——每千克熟料燃煤带入显热，kJ/kg；

Q_s——每千克熟料生料带入显热，kJ/kg；

Q_yh——每千克熟料入窑回灰显热，kJ/kg；

Q_y1k——每千克熟料入窑一次空气带入显热，kJ/kg；

Q_y2k——每千克熟料入窑二次空气带入显热，kJ/kg；

Q_f3k——每千克熟料入分解炉三次空气带入显热，kJ/kg；

Q_lok——每千克熟料系统漏风带入显热，kJ/kg；

c_r——燃煤比热，kJ/(kg·℃)，一般取为1.154kJ/(kg·℃)；

c_s——生料比热，kJ/(kg·℃)，一般取为0.878kJ/(kg·℃)；

c_yh——回灰比热，kJ/(kg·℃)，一般取为0.836kJ/(kg·℃)；

t_r——燃煤温度，℃，若无计量，一般取为60℃；

t_s——生料温度，℃，若无计量，一般取为50℃；

t_yh——回灰温度，℃，若无计量，一般取为50℃；

c_y1k、c_y2k、c_f3k、c_lok——分别为一次空气比热、二次空气比热、三次空气比热及漏风比热，kJ/(kg·℃)，一般可分别取为1.298、1.403、1.377及1.298；

t_y1k、t_y2k、t_f3k、t_lok——分别为一次空气温度、二次空气温度、三次空气温度及漏风温度，℃。

7.根据权利要求1所述的基于热平衡分析的水泥熟料烧成热耗、热效率及燃煤热值实时监测方法，其特征在于熟料烧成系统支出总热量Q_zs计算如下：

Q_zc＝Q_sh+Q_ss+Q_f+Q_ysh+Q_fh+Q_jb+Q_b           (32)

Q_sh＝17.19Al₂O₃ ^sh+27.10MgO^sh+32.01CaO^sh-21.40SiO₂ ^sh-2.47Fe₂O₃ ^sh

(33)

$Q_{ss}=0.804(V_{wp}^s+V_{wc}^s)q_{qh}---\left(34\right)$

Q_f＝V_fc_ft_py            (35)

Q_ysh＝c_sht_sh           (36)

Q_fh＝m_yhc_fht_py         (37)

$Q_{jb}=\frac{L_{sh}}{100}33874---\left(38\right)$

式中：Q_sh——每千克熟料形成热，kJ/kg；

Q_ss——每千克熟料蒸发生料中的水分耗热量，kJ/kg；

Q_f——每千克熟料废气带走热量，kJ/kg；

Q_ysh——每千克熟料出窑熟料带走热量，kJ/kg；

Q_fh——每千克熟料出预热器飞灰带走热量，kJ/kg；

Q_jb——每千克熟料机械不完全燃烧热损失，kJ/kg；

Q_b——每千克熟料散热损失，kJ/kg，熟料烧成系统稳定运行时，散热损失占总热量的比例基本保持不变，即其中值可根据设计值或试验值选取；

Al₂O₃ ^sh、MgO^sh、CaO^sh、SiO₂ ^sh Fe₂O₃ ^sh——熟料中相应成分的质量百分数，％；

q_qh——水的汽化潜热，一般取值2380kJ/kg；

c_f——预热器出口废气比热，kJ/(kg·℃)，一般取为1.4750kJ/(kg·℃)；

c_sh——出窑熟料比热，kJ/(kg·℃)，一般取为1.078kJ/(kg·℃)；

c_fh——出预热器飞灰比热，kJ/(kg·℃)，一般取为0.895kJ/(kg·℃)；

t_py——预热器出口废气温度，℃；

t_sh——熟料出窑温度，℃；

L_sh——熟料烧失量，％。

8.根据权利要求1所述的基于热平衡分析的水泥熟料烧成热耗、热效率及燃煤热值实时监测方法，其特征在于所述的熟料烧成系统热平衡分析模型为：

Q_zs＝Q_zc            (39)

式中：Q_zs——烧成系统收入总热量，kJ/kg；

Q_zc——烧成系统支出总热量，kJ/kg；

将烧成系统燃煤燃烧计算模型及各项收入热量与支出热量计算模型(式(1)～(38))带入式(39)，组成关于燃煤热值Q_ar,net的一元一次方程，进而求解出当前状态下的燃煤热值。

9.根据权利要求1所述的基于热平衡分析的水泥熟料烧成热耗、热效率及燃煤热值实时监测方法，其特征在于，求解出燃煤热值Q_ar,net之后，熟料烧成热耗及熟料烧成热效率计算如下：

Q_rR＝m_rQ_ar,net            (40)

${\mathrm{\η}}_s=\frac{Q_{sh}}{Q_{rR}}\×100\%---\left(41\right)$

式中：Q_rR——单位熟料烧成热耗，kJ/kg；

Q_sh——每千克熟料形成热，kJ/kg；

η_s——烧成系统热效率，％。

10.根据权利要求1所述的基于热平衡分析的水泥熟料烧成热耗、热效率及燃煤热值实时监测方法，其特征在于：检化验设备包括荧光分析仪。