<<返回首页 登录   注册
风语者     [加关注]
 访问:664529   阿利特币:644  评论:2  关注:0  粉丝:2
 
 
2018年04月17日 10:46:13
先进科学技术在水泥工业的应用与研究(上)

 

(天津水泥工业设计研究院有限公司,天津 300400)

1 前 述
1.1 我国水泥技术的进步
    波特兰水泥是一种具有工业标准的基础原材料,自1824年英国人取得专利权后已有190年的历史。1889年我国第一个水泥厂“唐山士敏土厂”投产,经过60年的技术引进和创新的发展历程,我国水泥工业从“克隆”到“创新”,取得了巨大技术进步,产能快速增长,为我国经济、社会可持续发展做出了巨大贡献,行业整体已“由弱变强”。2013年水泥产量24.2亿吨,连续30年世界第一。迄今已开发了1 0 0 0 t / d ~10 000t/d高质量生产线系列,承揽海外水泥工程约占40%的份额,现有1 700多条新型干法水泥生产线,其中9条为世界最大级万吨生产线。具有世界最长的43km石灰石输送机和最大的 7.2m×6.2m×69m回转窑,每年可采用消纳全国50%以上的工业废渣。在处理有毒、有害废物和污染土、江河垃圾等方面,水泥窑炉已被视为重要的环保设施,取得了很大成绩,中国水泥工业现在正向着高层次的节能减排与环保功能领域发展。
    现代水泥工业在我国已经成为成熟的产业,但由于水泥生产中的碳酸盐分解是工业类最大的非燃烧二氧化碳排放源,煅烧工艺也要产生一定的二氧化碳,在能源、资源以及环境约束日益严峻的今天,水泥工业的可持续发展也日益受到严峻的挑战。此外,近年来我国水泥出现了严重产能过剩情况,主要是低水平的水泥产品数量仍占有市场的相当份额,高质量产品和功能水泥的产量较少,所以虽然典型的水泥工艺技术指标已达世界先进水平,但整体能耗与污染物排放指标仍然落后于国际先进水平,水泥企业利润降低,协同处置废物发展缓慢。
    鉴于此,我国当前水泥工业发展目标仍然是提高节能减排水平、加速向绿色功能产业发展。一个具有高效节能减排、协同处置废弃物、高效防治污染并具有低碳技术的现代水泥工业,不单要为国民经济建设提供高质量的基础原材料,而且要成为许多产业发展循环经济的协同点,逐步发展成为不可或缺的绿色产业。
1.2 先进的现代水泥工业涵义
   现代水泥生产流程见图1。

  
   现代水泥生产技术在我国被称为新型干法水泥技术,现在已经进入了低碳技术、绿色发展的新阶段。其定义是:以悬浮预热和预分解技术为核心,利用现代流体力学、燃烧动力学、热工学、计算流体力学、粉体工学等现代科学理论和技术,采用计算机及其网络化信息技术进行水泥工业生产的综合技术。其主要产品为能不断满足经济建设各种功能要求的胶凝材料(水泥及水泥基材料)。具有高效节能减排、“协同处置”废弃物(城市与社会环保功能)、充分利用余热、高效防治污染、低碳技术等功能,其产业将逐步发展成新型环保产业的一员并具有发展循环经济的优势和特点。
    先进的现代水泥技术内涵是以生态环保为主线的绿色发展,具有城市和社会环保功能的生态文明水泥制造方法,同时具有明显的国际化特征。
    先进的现代水泥生产技术要实现如下目标:
  (1)突破硅酸盐理论热耗的或具有特殊功能的新品种水泥;
  (2)具有特别环保功能的“协同处置”废弃物技术和装备;
  (3)具有深层次非常规的节能减排技术和装备;
  (4)高效防治污染、低碳技术和新能源技术。
1.3 先进科学技术的重要作用
    科学技术是利用“有关研究客观事物存在及其相关规律的学说”为自己所用的知识,科学与技术是辩证统一体,技术提出课题,科学完成课题,科学是发现,是技术的理论指导;技术是科学的实际运用。其先进性表现为能源资源的高效利用、环境友好和可持续发展。现代科技理论一直在指导着水泥加工设备研究、水泥的改性以及功能水泥的开发,现代科学技术成果在水泥工业的应用,使水泥工业的技术进步受益匪浅。
    先进水泥技术的关键点之一是要提高我国自主创新能力和水平,为此必需加强应用基础研究。所谓水泥工业的应用基础研究,是指为了实现水泥生产技术某一特定的、或具体的应用目的或目标而获取应用原理、规律的新知识所进行的独创性研究。
    所以说应用基础研究是指研究成果有可能转化为实际生产应用的研究,对于致力于工程技术开发的人员来说,具有重要的指导意义。
   然而应用基础研究相对于技术开发而言,风险大、失败率高,因为一些应用基础研究是对未知领域的探索,本身是一项创造性、探索性很强的活动,是较高层面的科研工作。


2 先进科学技术在水泥工业的应用与研究
2.1 颗粒流体理论在热工工程的应用与研究
    目前颗粒学研究中探讨了颗粒流体系统的复杂性,其观点对于水泥颗粒流体系统的研究可能具有指导意义,因为固气二相流是水泥工艺中常见到的颗粒流体系统,如水泥生料的悬浮预热、流态化均化、流态化烧成与烘干、以及气力输送等现象主要表现为非均匀的多尺度结构、状态多值性及突变等,传统的平均方法无法实现这类系统的量化,多尺度方法和单颗粒跟踪可能是有效的方法,但多尺度方法会遇到极值判断难以确定和动态变化很难表达的问题,探索用简单方法描述复杂的现象是当前最重要的二相流研究课题。
    颗粒流体系统具有复杂性,颗粒流体系统中的所有现象都是流体和颗粒这两种独立介质相互作用的结果,两介质必然各有其独立的运动趋势,直接用统一的规律来描述两种不同的趋势是很难的,另一方面,耗散结构中存在多尺度相互作用和多种过程的耦合,用平均参数也难以反映系统的内在机理。可行的途径是先分析各过程和某一尺度的独立变化规律,然后综合考虑不同过程之间的耦合和不同尺度之间的关联,构成对系统的总的认识。
    概括起来,研究颗粒流体系统主要有三种方法:简单平均、多尺度分析、单颗粒跟踪。
   简单平均是最常用的方法,处理非均匀结构,控制体积越小精度越高。但是水泥粉体现象使用的平均体积都很大,平均后结构信息易丢失,这是规格放大效应的原因。多尺度分析考虑了结构属性,是真实系统的一个简单又有一定精度的方法,但极值判断是一个困难问题。单颗粒跟踪是最理想的方法,但目前由于计算和测量技术的限制,实行起来也有一定难度。
   根据上述理论,探讨水泥悬浮预热器的气—固、固—固两相流中“三传一反”过程及其交互影响关系,并结合具体的工艺过程,建立起其产生交互影响的条件和判断依据。“三传一反”概括了热工过程的全部特征,“三传”为动量传递、热量传递和质量传递,“一反”为化学反应过程。现在已开始对以往的简单考虑方法进行深入的探讨,例如以往惯用的忽视非均匀多尺度结构和界面存在的平均方法,可能是造成预测偏差和调控、放大困难的主要原因,因此必须关注结构、界面和多尺度问题,研究多尺度结构、界面的量化预测理论和优化调控方法,建立多尺度结构、界面与“三传一反”的关系模型,与当代先进的计算方法、计算流体力学和计算机模拟相结合,这样有望解决水泥化工过程与设备的优化调控与放大的难题,成为热工工程发展的新里程。
    另一方面,“三传一反”的热量传递是不可逆过程,“能”也分为不同的能级,不管水泥产品在制造过程中消耗了多少能量,单纯的只用“量”的概念去评价能的使用价值是不够准确的,必须用一个既包括能的质量又能反映能的数量的数学参数去表达,例如可用exergy(有效能)和anergy(无效能)来表达,从而研究提高热效率的方法。
   以下是水泥烧成系统的几个热点问题。
  (1)悬浮预热器
    充分利用窑尾排出废气中大量热能将生料粉末预热后送入窑内煅烧,以降低烧成系统的热耗是预热器的作用,因此最大限度的换热、最小的流动阻力和安全稳定的运转是对预热器的基本要求,但对最上一级预热器来说,最好的分离效果是更主要的,因为在此处废气要与物料分离以进入收尘系统,或排入大气或对废气进行余热利用。
   但是,旋风筒之间的连接管路是更重要的换热地区,物料与具有热能的气体同流或逆流接触,进行了传热工作。
   预热器中气固系统的浓度一般在0.2kg/m3~1.0kg/m3气体,因此固体所占体积百分比很小,仅0.01%~0.04%,属稀相悬浮。在生产条件下,影响气固换热的最敏感因素是换热面积,平均粒径为30μm的生料,在气流中若能充分分散,其换热速度很快,大约只需0.01s~0.02s。
   目前浓相的换热研究在国内一些单位也在进行之中,但由于水泥生产是“规模化生产”,在规模加大之后,会产生结构设计的复杂性以及难于处理的“粉体故障”和“非均匀传热”问题。
    要充分利用窑尾废气余热,必须进行多级预热器串联,每个预热单元必须具备气固混合、换热、分离三个功能,以上这些观点是以往开发与改进预热器的指导思想。国内在此方面进行了较多的研究,开发了优化组合的低阻高效预热器系统,在旋风预热系统中,最上一级通常采用长柱长锥内筒形,以保证较高的分离效果,最末一级旋风筒也注重分离效率,而中间级则偏重于一定的分离效率,同时能较大地降低压损。
   (2)分解炉
   目前世界各国使用的各类分解炉达30种以上,虽各具特色,但功能是相同的,即分解炉是高温气固多相反应器,主要作用是使生料的碳酸钙分解。在分解炉内气固分散的要求是充分、迅速、均匀,依据流体力学方法,利用旋流效应、喷腾效应、流态化效应,湍流效应等理论指导。有的观点认为喷一旋或湍(流)旋叠加的流动方式效果较好。
   煤粉在炉内燃烧是个复杂的化学反应,一般情况下,其反应速率比CaCO3分解反应慢,因此是控制因素,分解炉内所能达到的分解率首先取决于炉温,在850℃左右,生料在炉内约需停留3s~5s。国内为适应燃料煤的低品位化及使用无烟煤,而对分解炉进行了深入研究,如增加预燃室,前置离线炉或炉后加延管道等方法。现在“协同处置”废弃物技术得到了重视,因此某些适合在分解炉内使用的代用燃料,也正在探讨中。
   中材国际三大设计院开发的高效分解炉,已广泛用在国内外现代化大型水泥生产线上。
  (3)热工系统的数学模型与仿真技术
   随着科学技术的发展,水泥领域中已有了利用数学模型来全面描述过程实质的可能,通过改变变量求解的方法进行数学模拟试验以取代实物模型试验。悬浮预热器、分解炉、回转窑和冷却机作为全系统建立半经验半理论模型,以系统热效率为目标函数,利用数学模型进行若干工况条件为变量的计算机模拟试验。
   以窑尾预热器、管道和分解炉子系统为研究对象,利用物料平衡和热平衡及各种辅助关联式建立子系统之间的组合矩阵,以易求和易得参数为已知量,组成系数矩阵和常数矩阵,求解子系统各相应点处的难测参数。
   对水泥窑系统来说,系统数学模型是建立在现代化工理论(传递工程、反应工程、化工热力学和工业反应动力学)的指导下,水泥工业窑炉系统还未建立起完备的能实际应用的理论模型,大多还需要辅以实物模型实验或给出若干约束性条件来推导出半理论数学模型。目前天津水泥工业设计研究院的仿真研究成果除了用于热工系统外,已推广到粉体设备的研究中。
  (4)高固气比水泥悬浮预热预分解系统
    高固气比预热器系统是利用双序列旋风预热器的交叉气流与串行料流结合,使离开旋风筒的气体均等地通过平行双系列预热器,串行料流交叉进入两股平行气流中,100%的物料与50%的气流交换热量,旋风预热器内的固气比可以提高到1倍以上,从而提高了系统的热效率。
    因此从理论上说,与传统旋风预热预分解系统相比,悬浮态高固气比预热分解系统可高效利用水泥熟料煅烧过程中的能量,热效率高,热耗低,废气温度低,废气、有害气体排放量少。但是该系统生产工艺与结构布置复杂,可能增加了生产控制的稳定性。
   该项技术研究由西安建筑科技大学粉体工程研究所进行,2011年完成,据说已在3 000t/d规模以下的多条水泥生产线上使用,与同规格回转窑的普通新型干法生产线相比,废气中的SO2排放降低70%,NOx排放降低50%以上。
   (5)新型烧成法的研究和开发
    流化床水泥烧成法在国内外已有40多年的研究史,美国、日本和我国都作过许多研究工作,但由于操作不易稳定和工业化的困难而进展缓慢,20世纪80年代某高校曾在湖北进行过半工业实验。另一方面,日本开发的技术和设备,已在试验生产线上获得进展,我国发改委与日本川崎重工在山东淄博合作建设的国内第一条1 000t/d熟料流态化煅烧生产线,已有一些实验数据,但现在空置在那里,据说单位熟料热耗可达3 093kJ~3 135kJ(740kcal~750kcal),热效率比回转窑提高20%,生产出的熟料质地均匀,粒径为2mm~3mm,在各龄期强度方面都优越于回转窑水泥熟料,NOx、SO2排放量比回转窑排放量大大减少。
    流化床至今尚未能投入大规模连续性工业生产,这是因为流态化技术还有另一方面特点,即操作敏感性高,状态控制要求高,因此对化学反应复杂,操作条件要求苛刻的工艺,应用起来难度较大。流化床烧成除固相反应外,还有相当数量的液相生成。而其熔点和液相量往往受许多不确定因素的影响,在流化床操作时,容易形成粘结、堵塞,破坏沸腾状态,这也是其无法长期运转的主要原因,而且规模越大,问题越严重。笔者曾经做过凝聚颗粒对流态化的影响试验,初步领略了流态化稳定性的重要性。流化床烧成法从机理上、烧成效率上及产品质量上都是非常好的方法,但要在操作稳定和在工业规模上取得令人满意的成绩后才能取得成功。
    此外,人类长期以来不断的探索和研究新的水泥烧成法和流态化热交换法,例如立式熟料冷却机的开发,矿渣流态化烘干机的开发等,然而许多成果不能实现工业生产的要求,但可启发科技人员的发明创新思路,使相关领域的科学研究取得进展,因此仍具有很重要的实际意义。
2.2 节能粉碎理论在粉磨工程的应用
    单颗粒粉碎是粉碎技术的基础,1920年Geliffith提出了强度理论,现代物理学的发展突破了Griffith理论,实验发现物料的实际强度小于它的理论强度,而破碎所需的能量要比理论预测的高得多,因而出现了能量平衡理论,促进了单颗粒粉碎理论研究的发展,球磨机和管磨机在结构上和工艺上都有很大进步,在水泥工业上做出了很大贡献。
   经过很多实验研究,人们发现在一物料破碎过程中如果只施加纯粹的压力,所产生的应变五倍于剪切力产生的应变,这启发了人们开发新设备的设想。为了实现多碎少磨和以碎代磨,自20世纪80年代以后出现了以料床粉碎理论为基础的预粉碎或预粉磨设备,如辊压机和立式辊磨。
   料层(料床)粉碎区别于单颗粒粉碎,单颗粒粉碎系指粉碎事件是颗粒各自独立进行的,不存在颗粒间的作用,而料层粉碎是指大量颗粒相互聚集形成的粒子群发生的粉碎现象。近年来人们发现在现代工业中众多的粉碎实践都含有料层粉碎的因素,此一理论由德国Claustal学院Schonert教授最早提出,如颚式破碎机、辊压机、立式辊磨、冲击磨机、振动磨等。单颗粒的粉碎概率可以达到100%,而料层粉碎存在一个极限粉碎概率,由于现代粉碎手段的限制,至今人们还无法获得绝对极限粒度的产品,得到1μm~0.1μm已很不错,所以关于料层粉碎机理的研究还有很多内容。
    加深研究料层粉碎机理,对于改造旧有的粉碎设备和粉碎工艺、设计新型节能粉碎机械具有很大的意义,一般来说目前对辊压机的料层粉碎研究较多,实践证明,在能够实现2μm~3μm粒度分级的条件下、在多次挤压料层粉碎条件下,生产微细产品的能耗远远低于通常的粉磨工艺。现在立式辊磨、辊压机等在水泥工业的应用取得了很大进展,如生料辊磨在世界范围内的采用率已达90%以上,水泥终粉磨的辊磨约达30%以上。

作者:韩仲琦  出处:水泥商情网  
阅读(199)  
    七嘴八舌 重要提示:警惕虚假中奖信息 [有话要说]
 
    有话要说    
登录后,在发表你的评论!
 
商情网简介联系我们┊Copyright @ Snsqw.com Corporation, All Rights Reserved┊水泥商情网 版权所有
信息产业部ICP备案号:川B2-20040141 经营许可证编号:川B2-20090148┊法律顾问:四川智见成律师事务所
客户服务中心:028-82002818