Рассчитываются реакции, которые проходят в газовой, твердой и жидкой фазах в теплообменнике, включая очистку отработанного газа, во вращающейся печи, клинкерном холодильнике и на выходе клинкера. Данные модели сравниваются с измеренными или расчетными параметрами цементного завода с полным технологическим циклом. Это завод с производительностью 2000 т клинкера в день с использованием как традиционного, так и альтернативного вида топлива. Химическая модель согласовывается с реальными данными, особенно по химии материалов в различных фазах процесса и по составу клинкера. Примененный новый метод определения состава топлива показал себя простым и надежным. В будущем работа над улучшением модели продолжится, и будут внесены новые элементы в термодинамическую базу данных. 1 Введение Процесс производства цемента включает в себя множество химических, физических и минералогических реакций (рис. 1). Типичный процесс производства цемента начинается с разработки сырья и заканчивается отгрузкой готового цемента потребителю. Было предпринято несколько попыток смоделировать химические реакции, сопровождающие процесс производства цемента. Химические модели в основном строились на основе заданных реакций [1–3] или равновесного расчета с минимизацией общей энергии Гиббса [4–10] (рис. 2). В данной модели используется последний подход. Настоящая модель создана в рамках продолжения работы над моделью, разработанной Кяянтее и другими в 2004 г. [7]. 2 Химическая модель Химическая модель служит инструментом для получения информации. О химических процессах, происходящих в газовой твердой и жидкой фазах в процессе производства цемента. Поэтому ограничения модели устанавливались таким образом, чтобы в модель были включены теплообменник с очисткой отработанного воздуха, вращающаяся печь и клинкерный холодильник. 2.1 База вычислений Инструментом разработки в основном послужила комбинация программных продуктов AspenPlus [11] и ChemApp [12]. AspenPlus – это коммерческий инструмент моделирования в химической промышленности. В данной модели он использовался для построения технологических карт, проведения итераций и т. д. Программа ChemApp использовалась в случаях, когда было необходимо рассчитать химическое равновесие. В программе применяется подход, использующий свободную энергию Гиббса для расчета равновесных количеств и энергетических балансов. Для вычислений брали термодинамические данные, относящиеся к процессу производства цемента. Технологическая схема производства цемента показана на рис. 3. Программа СhemApp в модели делит вращающуюся печь на три блока: зону загрузки, зону кальцинации и зону горения. Расчеты инициируются определением входных параметров для сырьевой муки, топлива, воздуха горения, подсоса воздуха, температуры и давления в различных точках реального процесса. Для потоков, включаемых в итерационные циклы, необходимо оценить начальные значения потока, температуры и давления. Расчетные значения обеспечивают моделирование с локальным равновесием, что вполне уместно для вычислений. Необходимо установить уровень допуска для итерационных шагов. Если итерация завершена и прошла успешно, это означает, что в модели энергия и масса сбалансированы между различными точками процесса. Завод с полным технологическим циклом, для которого создается модель, состоит из башни четырехступенчатого циклонного теплообменника с двумя рабочими нитками и двумя циклонами на верхней ступени. Отработанные газы очищаются рукавными фильтрами. Клинкерный холодильник — сателлитного типа. Производительность — приблизительно 2000 т клинкера в сутки. Параметры процесса, используемые в модели близки к реальным параметрам и значениям, которые характеризуют стандартные стабильные условия процесса. Были использованы следующие значения диаметров циклонов: циклон 1—3,6 м; циклон 2–5 м; циклоны 3 и 4–5,25 м. Уровень эффективности циклонов принимался как высокий или средний. Для коррекции температуры в модели принималось, что энергетические потери происходят в трех различных точках вдоль вращающейся печи. 
1 Схема типичного процесса производства цемента 
2 Различные подходы для расчета продуктов химических реакций 
3 Схема процесса в соответствии с моделью Aspen Plus В качестве базовых данных для моделирования использовались параметры сырьевой муки и топлива (табл. 1, 2). Отбитая на руднике порода перерабатывается в сырьевую муку, состоящую в основном из известняка и плотного мергеля, в которую примешивается пыль, собранная на рукавных фильтрах. После очистки отработанных газов. Интенсивность загрузки сырьевой муки принята равной 140100 кг/час. Параметры подачи топлива, на главную горелку следующие: уголь – 3240 кг/час; нефтяной кокс — 3960 кг/час; MBM (мясная и костная мука) — 1520 кг/час и 2500 кг/час — AC (легкое гидрокарбонатное жидкое топливо). Распределение частиц топлива по размерам также учтены в модели. 2.2 Термодинамическая база данных. Для равновесного расчета каждого компонента, используемого в модели, необходимы такие термодинамические данные, как энтальпия образования, энергия Гиббса, теплоемкость, молярная масса, стехиометрические коэффициенты и т. д. Состав компонентов, используемых в модели, был взят из различных источников высокой надежности и для включения в модель был произведен их тщательный отбор. Всего в модель вошли 11 системных компонентов или элементов (табл. 3). Термодинамическая база данных состоит из 100 фаз (табл. 4). Одна фаза — это смешанная газовая фаза с 59 элементами и 99 стехиометрических конденсированных фаз, включающих 22 жидких и 77 твердых.
| 
