水泥窑协同处置有机固废工艺的模拟及优化方法与流程

1.本发明属于固废处理与处置领域，更具体地，涉及一种水泥窑协同处置有机固废工艺的模拟及优化方法。

背景技术：

2.社会活动和工业生产会产生生活垃圾、市政污泥、中药药渣等有机固体废物。目前主流的有机固废处理方法为填埋、焚烧和堆肥等，其中焚烧技术能快速实现有机固废的无害化、减量化。而与单一的有机固废焚烧设备相比，利用现有的水泥窑协同处置有机固废可减少焚烧设备建设投资，同时有机固废焚烧灰渣与水泥生料共同烧制为水泥熟料，免去了危废处理过程，避免了二次污染风险，可实现有机固废的完全资源化。

3.部分水泥企业已经对现有的水泥生产线进行改造，用于协同处置有机固废，但不同的有机固废在含水率、热值及元素组成等性质方面差异巨大，水泥企业多是根据熟料质量及气体监测数据增减有机固废投加量，但这一方法具有较长的时滞性，试运行成本高且探索周期长。因此，使用软件模拟水泥窑实际生产过程，研究水泥窑系统中能量变化和物质变化，是一种有效的方法。aspen plus是一款应用于工业过程中生产装置设计、工艺过程稳态模拟和优化的大型通用流程模拟系统，大多应用于石油化工和煤化工领域，在水泥工业体系，尤其是水泥窑协同处置有机固废领域的应用较少。

4.在2010年的硕士学位论文《基于aspen_plus的水泥预分解窑过程大气污染排放和能源利用分析》中，曹慎雪对水泥窑体系中的悬浮预热器、分解窑和回转窑建立了稳态流程模型，其模型中并未考虑到生料在预热器中的部分分解过程，也并未包括水泥窑协同处置的关键技术旁路放风系统，将整个水泥熟料烧成模型视为绝热环境也与实际生产工况不符。模型主要针对传统水泥生产工艺进行优化，而对水泥窑协同处置有机固废探究不多，用于分析替代燃料的灵敏度分析模块仅能分析固定配比混合燃料，修改配比后需要先手动计算混合燃料的相关参数，再替换原有煤流股，无法实现任意有机固废的灵活配比。在2016年的硕士论文《水泥窑协同处理城市生活垃圾系统研究》中，董桢使用aspen plus建立了垃圾焚烧炉和水泥回转窑共同处置生活垃圾的流程模型，但其工艺本质上为垃圾焚烧和水泥烧制分开进行，同样也存在部分假设前提不合理，仅考虑单一有机固废生活垃圾等问题。在2018年的硕士论文《基于aspen_plus的磷石膏制酸联产水泥的模拟与分析》中，夏诺所建立的模型中，仅将磷石膏作为生料的一部分进行研究，并未涉及到水泥窑协同处置有机固废的相关过程。在期刊论文《基于aspen plus水泥窑炉nox生成仿真与减排优化研究》中，刘定平等人仅针对传统水泥生产工艺中预分解炉和回转窑进行建模，对nox排放过程进行研究，同样未涉及到水泥窑协同处置有机固废相关研究。中国发明专利(公开号cn103400196b)公开了一种水泥熟料烧成过程清洁生产的建模优化方法，所建模型中使用化学反应动力学描述燃料燃烧和生料分解过程，但燃烧过程及其复杂，针对每一类燃烧产物进行化学反应动力学计算大幅提高了计算量，同时模型将燃烧过程与气固换热过程分开计算，忽略了环境温度对燃烧产物存在形态的影响，其模型中涉及水泥窑协同处置有机固废(生活垃圾)的工

艺模块的增添，但多种有机固废混配需要先手动计算混合物性质及能量，然后将混合燃料流股替代原有燃料流股，每次更换混合比例都需要重新手动计算，不利于水泥窑协同处置有机固废的研究。

5.综上所述，目前使用aspen plus针对水泥窑协同处置有机固废的模拟研究较少，且现有模型中仍存在部分假设不合理，忽略环境换热和缺少相关工艺模块等问题。同时，现有模型针对研究对象多是固定性质的单种有机固废，有机固废只能按照固定配比进行混合，且手动计算混合有机固废的元素组成和热值等输入参数，操作较为繁琐。实际生产中，水泥窑协同处置的有机固废在种类、质量、含水率、元素占比、热值等物化性质方面差异巨大，不同种类有机固废在水泥窑中的混烧比例会根据生产需求随时动态调整，现有模型无法探究有机固废性质变化对水泥窑炉温变化或烟气排放规律等核心工艺的影响。因此，现在仍需要一种针对水泥窑协同处置有机固废的模型，能够准确方便地对水泥窑系统协同处置有机固废过程中，核心工艺单元，比如分解炉的温度变化、烟气排放、质量衡算及能量衡算等方面进行仿真计算分析，为水泥窑协同处置工艺优化提供理论数据。

技术实现要素：

6.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种水泥窑协同处置有机固废工艺的模拟及优化方法，其中利用aspen plus软件建立稳态流程模拟模型，并通过对在仿真模型中设置悬浮预热器子系统、分解炉子系统、回转窑子系统、有机固废分解子系统这4个子系统，配合物料流股和热流股，可以对水泥窑系统协同处置有机固废过程中，核心工艺单元，比如分解炉的温度变化、烟气排放、质量衡算及能量衡算等方面进行仿真计算分析；结合改良工艺的实际需求，能够有效预测改良工艺，进而为改良工艺是否满足预期、是否需要调整提供依据，实现工艺优化。本发明方法为有机固废的水泥窑协同处置工艺设计，减少试运行成本，提高工作效率提供一种有效的工具。

7.为实现上述目的，按照本发明，提供了一种水泥窑协同处置有机固废工艺的模拟及优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

8.(s1)利用aspen plus软件，选择软件计算所用的物性方法，同时选择软件计算涉及的常规组分和固相组分，并将预先选定的其它组分作为非常规组分，新建软件计算涉及的非常规组分；

9.(s2)建立稳态流程模拟模型，该稳态流程模拟模型包括若干个子系统，每个子系统包括流股和若干个操作单元；各个子系统之间通过流股相互连接；这些子系统包括：

10.悬浮预热器子系统：用于对应水泥生产中悬浮预热器设备，其中的流股按水泥生产过程中气体、固体流向布置；

11.分解炉子系统：用于对应水泥生产中分解炉设备，包括生料分解对应操作单元和燃烧反应对应操作单元；该分解炉子系统中的流股，按先经过分解炉子系统中的生料分解对应操作单元，再经过分解炉子系统中的燃烧反应对应操作单元进行设置；其中，燃烧反应对应操作单元为吉布斯反应器(rgibbs)操作单元；

12.回转窑子系统：用于对应水泥生产中回转窑设备，包括生料分解对应操作单元和燃烧反应对应操作单元；该回转窑子系统中的流股，按先经过回转窑子系统中的生料分解对应操作单元，再经过回转窑子系统中的燃烧反应对应操作单元进行设置；其中，燃烧反应

对应操作单元为吉布斯反应器操作单元；

13.有机固废分解子系统：用于对应有机固废在水泥生产中分解炉设备及回转窑设备中的分解过程，其中的流股按照依次进行干燥、热解的物化反应过程设置；

14.所述稳态流程模拟模型同时还包括：计算器模块、设计规范模块和灵敏度分析模块，其中：

15.所述计算器模块：用于控制各个操作单元的计算过程；

16.所述设计规范模块：用于控制该稳态流程模拟模型中某个变量，使其为指定值或指定范围；

17.所述灵敏度分析模块：用于配合所述设计规范模块，使某个变量在指定范围按预先设定的步长进行变化；

18.(s3)根据生产过程中的进料参数，将这些进料参数输入至所述步骤(s2)得到的稳态流程模拟模型中的对应流股中进行模拟，通过模型的计算，得到各个子系统的计算结果；

19.所述进料参数同时包括进料流股种类和进料流股参数；其中，进料流股种类包括：水泥窑投加的不同原料、不同燃料和空气；进料流股参数包括：质量流量、温度及化学组分；

20.所述计算结果同时包括：温度、流量和组分；

21.(s4)将所述步骤(s3)得到的计算结果，与生产过程中的实测值进行对比，若相对误差超过预先选定的接受限制值，则修改所述步骤(s2)中稳态流程模拟模型中的操作单元参数，并重复步骤(s3)和步骤(s4)，直至相对误差不超过预先选定的接受限制值；

22.(s5)基于预先选定的改良工艺，将改良工艺所对应的进料参数，输入至稳态流程模拟模型中，通过模型的计算，得到各个子系统的计算结果；基于计算结果，判断是否对改良工艺进行调整，从而实现工艺优化。

23.作为本发明的进一步优选，所述步骤(s5)具体包括以下子步骤：

24.(s5-1)建立交互界面，使稳态流程模拟模型中的流股以及灵敏度分析模块分别与该交互界面建立链接；

25.(s5-2)基于预先选定的改良工艺，将改良工艺所对应的进料参数，通过所述交互界面输入至稳态流程模拟模型中进行模拟，通过模型的计算，得到各个子系统的计算结果；基于计算结果，判断是否对改良工艺进行调整，从而实现工艺优化。

26.作为本发明的进一步优选，所述步骤(s2)中，所述悬浮预热器子系统按自上而下分为c1-c5五级，水泥生产中悬浮预热器设备中发生的气固混合换热、碳酸盐分解、表面散热、气固分离四个过程，它们分别由混合器(mixer)操作单元、化学计量反应器(rstoic)操作单元、换热器(heater)操作单元、ssplit操作单元实现；其中，c1级包括依次以物料流股连接的混合器操作单元、换热器操作单元、ssplit操作单元；c2-c4级每一级均包括依次以物料流股连接的混合器操作单元、化学计量器反应器操作单元、换热器操作单元、ssplit操作单元；c5级包括依次以物料流股连接的换热器操作单元、ssplit操作单元；

27.并且，对于任意一个化学计量反应器(rstoic)操作单元，它们均用于定义碳酸钙和碳酸镁的分解反应，分解率预先设置为1.5％-3％；

28.对于任意一个换热器(heater)操作单元，它们的热负荷均预先设置为-1.0

×

107至-3.0

×

106kj/h；

29.ssplit操作单元用于分流，每一个ssplit操作单元均包括2个出口，记由其中位于

操作单元上方的出口分流出的流股为上物流流股，记由其中位于操作单元下方的出口分流出的流股为下物流流股；对于任意一个ssplit操作单元，它们的气体流向均预先设置为：93％-95％进入上物流流股中，它们的固体流向均预先设置为：87％-96％进入下物流流股中；其中c1级中ssplit操作单元的上物流流股不连接任何操作单元，c2-c5级中的ssplit操作单元中的上物流流股进入上一级悬浮预热器的混合器操作单元中；c1-c3级中的ssplit操作单元的下物流流股进入下一级悬浮预热器的混合器操作单元中，c4级中的ssplit操作单元的下物流流股进入所述分解炉子系统中的吉布斯反应器操作单元中，c5级中的ssplit操作单元的下物流流股进入所述的回转窑子系统中的吉布斯反应器操作单元中；

30.所述悬浮预热器子系统中所有进料流股连接至c1级中的混合器操作单元中，进料流股同时包括水泥生料流股、生料携带空气流股；所述悬浮预热器子系统中出口流股同时包括c1级中ssplit操作单元的上物流流股、c5级中的ssplit操作单元的下物流流股。

31.作为本发明的进一步优选，所述步骤(s2)中，所述分解炉子系统用于模拟煤粉分解、燃烧反应、碳酸盐分解和表面散热过程，它们分别由产率反应器(ryield)操作单元、吉布斯反应器(rgibbs)操作单元、化学计量反应器操作单元和化学计量反应器操作单元连接的热流股实现；其中，产率反应器操作单元、吉布斯反应器操作单元和化学计量反应器操作单元依次连接；

32.产率反应器操作单元由所述计算器模块控制；

33.化学计量反应器操作单元，用于定义碳酸钙和碳酸镁的分解反应，分解率预先设置为80％-82％；

34.热流股中热负荷预先设置为-2.5

×

107至-1.3

×

107kj/h；

35.所述分解炉子系统中进料流股连接至产率反应器操作单元，进料流股为分解炉煤的物料流股；所述分解炉子系统中出口流股连接至所述悬浮预热器子系统中c5级的换热器操作单元，出口流股为化学计量反应器操作单元的出口物料流股。

36.作为本发明的进一步优选，所述步骤(s2)中，所述回转窑子系统用于模拟煤粉分解、燃烧反应、碳酸盐分解、表面散热、气固分离和旁路放风过程，包括依次连接的产率反应器操作单元、混合器操作单元、吉布斯反应器操作单元、化学计量反应器操作单元、换热器操作单元、ssplit操作单元和fsplit操作单元；其中，模拟煤粉分解、燃烧反应、碳酸盐分解、表面散热过程分别使用产率反应器操作单元、吉布斯反应器操作单元、化学计量反应器操作单元和换热器操作单元实现；模拟气固分离和旁路放风过程分别使用ssplit操作单元和fsplit操作单元实现；

37.其中，产率反应器操作单元由所述计算器模块控制；

38.化学计量反应器操作单元，用于定义碳酸钙和碳酸镁的分解反应，分解率预先设置为100％；

39.换热器操作单元的热负荷预先设置为-7.0

×

107至-5.0

×

107kj/h；

40.ssplit操作单元中气固分离效率预先设置为100％；

41.fsplit操作单元中分离一条流股模拟旁路放风系统损失的风，记为旁路放风流股，该旁路放风流股分离比例预先设置为3％-5％；

42.所述回转窑子系统中进料流股共4条，具体包括回转窑煤、入窑净风、一次风和二次风；其中，回转窑煤流股连接至产率反应器操作模块；入窑净风、一次风和二次风三条流

股由混合器操作单元合并为单条流股，该单条流股随后连接至吉布斯反应器操作模块；出口流股共3条，分别为：ssplit操作单元中下物料流股作为水泥熟料出口流股，不连接任何操作单元；fsplit操作单元中旁路放风流股，不连接任何操作单元；fsplit操作单元中除旁路放风流股外其他流股，连接至所述有机固废分解子系统中的混合器操作单元。

43.作为本发明的进一步优选，所述步骤(s2)中，所述有机固废分解子系统，包括依次连接的混合器操作单元、化学计量反应器操作单元、sep操作单元、产率反应器操作单元、混合器操作单元和fsplit操作单元；该有机固废分解子系统用于模拟有机固废干化、分解过程，它们分别由化学计量反应器操作单元、产率反应器操作单元实现；其中，

44.化学计量反应器操作单元和产率反应器操作单元由所述计算器模块控制；

45.有机固废流股经过化学计量反应器操作单元后使用sep操作单元进行分流，确保每一类有机固废单独在产率反应器操作单元中分解，分解产物和分解所需热量由混合器单元分别合并为一条物料流股和一条热流股，2条流股分别使用fsplit操作单元进行分流，分流比例都预先设置为95:5，预先设置95％进入分解炉子系统中，剩下5％进入回转窑子系统中；

46.并且，在该有机固废分解子系统中，产率反应器操作单元的数量为5-15个，fsplit操作单元数量为2个；

47.所述有机固废分解子系统中进料流股共4条，具体包括有机固废、一次风、a列三次风、b列三次风；其中，有机固废流股连接至化学计量反应器操作单元；一次风、a列三次风、b列三次风经过混合器操作单元混合后连接至产率反应器操作单元；出口流股共4条，具体包括2个fsplit操作单元分流出来的2条物流流股和2条热流股，其中1条分流比例95％的物流流股和1条分流比例95％的热流股进入分解炉子系统中的吉布斯反应器操作单元，1条分流比例5％的物流流股和1条分流比例5％的热流股进入回转窑子系统中的吉布斯反应器操作单元。

48.作为本发明的进一步优选，所述步骤(s1)中，所述物性方法具体是选择pr-bm方法；

49.所述化学组分预先划分为三类，即：常规组分、固相组分以及非常规组分；其中，常规组分、固相组分是通过在软件数据库中选择得到，所述非常规组分通过新建得到；

50.所述常规组分包括h2o、n2、o2、no2、no、s、so2、so3、h2、cl2、hcl、co以及co2；

51.所述固相组分包括c、caco3、cao、mgco3、mgo以及caso4；

52.所述非常规组分包括各类有机固废、煤以及两者中不可燃的灰分，同时还包括惰性成分，该惰性成分用于代表水泥生料中包括sio2、al2o3、fe2o3、k2o、na2o、so3在内的、除碳酸盐以外的成分。

53.作为本发明的进一步优选，所述步骤(s5-1)中，所述交互界面是通过excel软件、matlab软件、python语言编写的软件或能够实现activex技术连接的软件实现的；

54.优选的，所述交互界面至少包含两个界面，其中一个界面用于输入进料参数的值或变化区间范围，另一个界面用于输入煤和有机固废的性质；所述煤和有机固废的性质同时包括工业分析数据、元素分析数据、干基低位热值：其中，所述工业分析数据同时包括应用基水分含量、干基灰分含量、干基挥发分含量、干基固定炭含量；元素分析数据同时包括c含量、h含量、o含量、n含量、s含量、cl含量；

55.更优选的，当所述步骤(s5-2)中的所述进料参数为定值时，是通过所述交互界面输入至稳态流程模拟模型的对应流股中；当所述步骤(s5-2)中的所述进料参数为区间范围时，是通过所述交互界面输入至稳态流程模拟模型的灵敏度分析模块中。

56.作为本发明的进一步优选，所述步骤(s5)中，所述基于计算结果，判断是否对改良工艺进行调整，具体是基于水泥窑设备温度计算结果、烟气排放体积计算结果、烟气组分浓度计算结果、煤消耗量计算结果或有机固废掺烧比例计算结果，判断是否对改良工艺进行调整。

57.作为本发明的进一步优选，所述步骤(s4)中，所述预先选定的接受限制值的绝对值预先选定为4％-6％。

58.通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：

59.(1)本发明中的模拟及优化方法，利用aspen plus软件建立稳态流程模拟模型，并通过对在仿真模型中设置悬浮预热器子系统、分解炉子系统、回转窑子系统、有机固废分解子系统这4个子系统，配合物料流股和热流股，可以对水泥窑系统协同处置有机固废过程中，核心工艺单元，比如分解炉的温度变化、烟气排放、质量衡算及能量衡算等方面进行仿真计算分析。

60.(2)本发明中稳态流程模拟模型的建立、操作单元的参数选择，适用于国内绝大多数水泥企业所采用的水泥窑协同处置有机固废工艺。本发明尤其可单独设置有机固废分解、旁路放风相关子系统，在热量计算方面可优选摒弃绝热条件的假设，考虑了设备散热导致的热量损失，具有较高的可信度。

61.(3)本发明优选选用特定的操作单元，例如，使用化学计量反应器单元模拟水泥生料分解过程，使用吉布斯反应器单元模拟燃烧反应过程，在保证模拟准确性的条件下减少了模型计算量，同时合理调整操作单元设置顺序，将水泥生料分解过程设置在燃烧反应之前，使燃烧反应对应的吉布斯反应器单元中，温度计算更加接近实际生产。

62.(4)本发明优选将每类有机固废单独计算干化和分解过程，添加或改变有机固废的种类、质量、配比、性质等无需手动计算混合物参数，模型可自动计算并输入混合物相关参数。

63.(5)本发明模型针对水泥窑协同处置有机固废工艺建立，可以以量化的方法，预测水泥窑协同处置有机固废过程中，单种或多种有机固废种类、进料量、物化性质等变化对水泥窑炉温、烟气排放、煤消耗量或其他生产指标的影响，为水泥企业进行协同处置工艺优化提供辅助数据。

64.(6)此外，本发明可优选设置交互界面，对模型进行操作和调用，除调试人员外，操作人员不需要了解aspen plus的建模方法或操作原理，降低了学习成本，提高了本发明的普适性。

65.(7)本发明对水泥烧成系统进行全流程模拟，突破了主流水泥工艺模拟研究中只针对水泥烧成系统局部工艺进行模拟的局限；另外，本发明使用化工模拟软件对水泥窑协同处置工艺进行建模模拟，突破了主流水泥工艺模拟研究中，应用计算流体力学计算量大、耗时长的问题；本发明目的侧重预测水泥厂建成运行后，生产原料的改变对生产工艺及生产参数的影响，也区别于主流水泥工艺模拟研究中侧重水泥生产设备的尺寸规模设计。

附图说明

66.图1为水泥窑协同处置工艺中气固流向图。

67.图2为本发明中使用aspen plus软件建立的水泥窑协同处置有机固废稳态流程模拟模型。

68.图3为图2所示稳态流程模拟模型中使用的操作单元图例。

69.图4为本发明实施例1中模型输出结果图。

70.图5为本发明实施例2中污泥含水率对烟气中污染物浓度影响的输出结果图(对应的污泥进料量固定为20t/h，详见下文的实施例2)；其中，图5中的(a)对应so2浓度，图5中的(b)对应co浓度，图5中的(c)对应no浓度，图5中的(d)对应co2浓度。

71.图6为本发明实施例3中污泥进料量及含水率对温度影响的输出结果图；其中，图6中的(a)对应出口烟气温度，图6中的(b)对应分解炉炉温。

72.图7为本发明实施例所对应的流程示意图。

具体实施方式

73.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。

74.本发明中水泥窑协同处置有机固废工艺的模拟及优化方法，可包括以下步骤：(1)打开aspen plus软件，在物性库中选择物性方法，选择或建立化学组分；(2)从软件的模型库中选择并添加操作单元、流股组成子系统，子系统添加模块并相互连接形成稳态流程模拟模型；(3)将生产过程中水泥窑进料参数输入稳态流程模拟模型计算，得到各子系统中的温度、流量和组分等计算数据；(4)将计算数据与对应生产环节的生产数据对比，若相对误差超过接受限制值，修改稳态流程模拟模型中操作单元参数，重复步骤(3)-(4)至相对误差在接受限制值内(相对误差＝(|仿真值-实测值|)

÷

实测值)；(5)建立交互界面，将模型进料参数与交互界面建立链接；(6)确定预期的改良工艺，将改良工艺中水泥窑进料参数输入到稳态流程模拟模型中；(7)运行模拟，经过稳态流程模拟模型计算，得到各子系统中的温度、流量和组分等计算数据，分析计算数据并对预期的改良工艺进行调整，完成工艺优化过程。

75.具体的，可包括以下步骤：

76.(1)打开aspen plus软件，在物性菜单中，选择软件计算所用的物性方法，选择或建立软件计算涉及的化学组分；

77.(2)在模拟菜单中，从软件的模型库中选择并添加操作单元、流股，将操作单元和流股连接组成不同子系统，各子系统通过流股相互连接形成组合系统，在组合系统中添加“计算器”、“设计规范”和“灵敏度分析”模块，最终形成稳态流程模拟模型；

78.(3)将生产过程中水泥窑投加的原料、燃料和空气的质量流量、温度及化学组分等进料参数输入步骤2所述的子系统中对应流股中并运行模拟，经过步骤2所述的稳态流程模拟模型计算，得到各子系统中的温度、流量和组分等计算数据；

79.(4)将步骤3得到的计算数据与对应生产环节的生产数据对比，若相对误差超过接

受限制值，修改步骤2所述的操作单元参数，重复步骤3和步骤4至相对误差在接受限制值内；

80.(5)在office软件，matlab软件，python语言编写的软件或能够实现activex技术连接的软件中建立交互界面，将步骤2所述的流股、灵敏度分析模块与交互界面建立链接；

81.(6)确定预期的改良工艺，将改良工艺中水泥窑拟投加的原料、燃料和空气的质量流量、温度及化学组分等进料参数，使用步骤5所述的交互界面输入到步骤2所述的子系统中对应流股或灵敏度分析模块中；

82.(7)运行模拟，经过步骤2所述的稳态流程模拟模型计算，得到各子系统中的温度、流量和组分等计算数据，分析计算数据并对预期的改良工艺进行调整，完成工艺优化过程。

83.其中，步骤1所述的物性方法可以选用pr-bm方法。

84.其中，步骤1所述的化学组分可以包括：常规组分，固相组分，非常规组分三类，常规组分和固相组分从软件自带的数据库选择，非常股组分需要用户新建。选择的常规组分有h2o、n2、o2、no2、no、s、so2、so3、h2、cl2、hcl、co、co2；选择的固相组分有c、caco3、cao、mgco3、mgo、caso4；本发明将水泥生料成分分为caco3、mgco3和惰性组分，惰性组分替代sio2、al2o3、fe2o3、k2o、na2o、so3等除碳酸盐以外的成分。新建的非常规组分有：各类有机固废、煤以及两者中不可燃的灰分，水泥生料中惰性组分。

85.其中，步骤2所述的子系统可以包括悬浮预热器、分解炉、回转窑、有机固废分解四个子系统，可分别对应水泥生产中悬浮预热器、分解炉、回转窑三个设备及有机固废在分解炉或回转窑中的分解过程。

86.悬浮预热器子系统自上而下可以分为五级，预热器中发生的气固混合换热、碳酸盐分解、表面散热、气固分离四个过程，可分别由混合器(mixer)、化学计量反应器(rstoic)、换热器(heater)、ssplit单元实现，每级预热器可包含部分或全部四种操作单元。化学计量反应器单元中定义了碳酸钙和碳酸镁的分解反应，分解率可设为1.5％-3％。换热器中热负荷可设为-1.0

×

107至-3.0

×

106kj/h。ssplit单元中，气体流向可以为：93％-95％进入上一级预热器；固体流向可以为：87％-96％进入下一级预热器。

87.分解炉子系统模拟煤粉分解、燃烧反应、碳酸盐分解和表面散热过程，可以分别由产率反应器单元(ryield)、吉布斯反应器(rgibbs)、化学计量反应器单元和化学计量反应器单元连接的热流股实现。其中，产率反应器单元由步骤2所述的计算器模块控制，化学计量反应器单元中定义了碳酸钙和碳酸镁两种碳酸盐的分解反应，分解率可设为80％-82％，热流股中热负荷可以为-2.5

×

107至-1.3

×

107kj/h。

88.回转窑子系统模拟煤粉分解、燃烧反应、碳酸盐分解、表面散热、气固分离和旁路放风过程，前四项过程可以分别使用产率反应器单元、吉布斯反应器、化学计量反应器和换热器单元实现。气固分离和旁路放风过程可以分别由ssplit和fsplit单元实现。其中，产率反应器单元由步骤2所述的计算器模块控制，化学计量反应器单元中定义了碳酸钙和碳酸镁两种碳酸盐的分解反应，碳酸盐的分解率可设为100％，换热器单元中热负荷可设为-7.0

×

107至-5.0

×

107kj/h，ssplit单元中气固分离效率可设为100％，fsplit单元中分离一条流股模拟旁路放风系统损失的风，流股分离比例可设为3％-5％。

89.有机固废分解子系统模拟有机固废干化、分解过程，分别由化学计量反应器、产率反应器实现。化学计量反应器、产率反应器单元由步骤2所述的计算器模块控制，有机固废

流股干化后使用sep模块进行分流，确保每一类有机固废单独在产率反应器单元中分解，所有有机固废组分分解产物和分解所需热量由混合器单元合并后，使用fsplit单元进行分流，可预先设置95％进入分解炉子系统中的吉布斯反应器操作单元，剩下5％进入回转窑子系统中的吉布斯反应器操作单元。此子系统中产率反应器操作单元数量可以为5-15个。

90.其中，步骤2所述的各子系统内流股可按不同原则设置：悬浮预热器子系统按水泥生产过程中气体、固体流向布置，如图1所示；分解炉子系统和回转窑子系统在实际生产工艺的基础上修改部分工艺顺序，流股先经过生料分解对应操作单元，再经过燃烧反应对应操作单元；有机固废分解子系统按照干燥、热解的物化反应过程设置。

91.其中，步骤2所述的计算器模块用于控制步骤2所述的操作单元，步骤2所述的设计规范模块用于控制步骤2所述的稳态流程模拟模型中某个变量为指定值或指定范围，步骤2所述的灵敏度分析模块，可结合设计规范模块，调整步骤3所述的进料参数在指定范围内以指定步长变化。步骤2所述的稳态流程模拟模型中可使用aspen plus软件自带的“传输”模块等用于辅助计算，但不是必须的。

92.其中，步骤2所述的稳态流程模拟模型组合后如图2所示。

93.其中，步骤4所述的接受限制值可以为4％-6％。

94.其中，步骤5中交互界面可设为至少包含两个界面，一个界面用于输入进料温度、流量值或变化范围，另一个界面用于输入煤和有机固废原料性质，例如工业分析数据、元素分析数据、干基低位热值等。

95.其中，若步骤6所述的进料参数为定值，则通过步骤5所述的交互界面输入到步骤2所述的稳态流程模拟模型的对应流股中；若步骤6所述的进料参数为范围值，则通过步骤5所述的交互界面输入到步骤2所述的稳态流程模拟模型中灵敏度分析模块中。

96.其中，步骤7所述的计算数据可为水泥窑设备温度、烟气排放体积、烟气组分浓度、煤消耗量或其他生产指标。

97.以下为具体实施例：

98.实施例1：

99.本实施例的目的为，探究分解炉炉温保持890℃条件下，已知性质的垃圾衍生燃料(refuse derived fuel，简称rdf)，其进料量在80-100t/h范围内变化对分解炉煤耗量和三次风流量的影响。此目的通过以下技术方案实现：

100.一种基于aspen plus的水泥窑协同处置有机固废模拟及优化方法，包括以下步骤：

101.(1)打开aspen plus软件，在物性菜单中，选择pr-bm方法作为软件计算所用的物性方法，软件数据库中自带常规组分、固相组分，另外，对于未包含在常规组分库和固相组分库中的其他组分，可以通过软件中的非常规组分的入口来新建，组分的具体性质可以自行输入。从软件数据库中选择并添加常规组分，固相组分。选择的常规组分有h2o、n2、o2、no2、no、s、so2、so3、h2、cl2、hcl、co、co2；选择的固相组分有c、caco3、cao、mgco3、mgo、caso4；非常股组分由用户新建，新建的非常股组分有rdf、煤以及两者中不可燃的灰分，水泥生料中惰性组分，惰性组分替代水泥生料中sio2、al2o3、fe2o3、k2o、na2o、so3等除碳酸盐以外的成分。

102.(2)从aspen plus软件的模型库中选择并添加操作单元、流股，将操作单元和流股

连接组成悬浮预热器、分解炉、回转窑和有机固废分解4个子系统，各子系统中操作单元的设置如下：

103.悬浮预热器子系统中，自上而下共分为c1-c5五级，c1级包括气固混合换热、表面散热、气固分离3个过程，c5级包括表面散热、气固分离2个过程。c2-c4级每级包括气固混合换热、碳酸盐分解、表面散热、气固分离4个过程。

104.气固混合换热、碳酸盐分解、表面散热、气固分离4个过程分别由混合器、化学计量反应器、换热器、ssplit单元实现。化学计量反应器单元中定义了caco3和mgco3的分解反应，c2-c4级化学计量反应器单元中分解率分别为1.5％、2.0％和2.5％。c1-c5级换热器中热负荷分别为-6841783、-4719676、-6206905、-7391566、-8451027kj/h。c1-c5级ssplit单元中，气体流向：95％进入上一级，其余进入下一级；固体流向：c1-c5级分别96％、90％、87％、87％、90％进入下一级，其余进入上一级。

105.分解炉子系统模拟煤粉分解、煤粉燃烧、碳酸盐分解和表面散热过程，使用fortran编写的计算器模块控制产率反应器单元将煤按元素组成分解为c、h2、n2、cl2、s、o2、h2o和惰性灰分ash，煤的分解产物和分解所需热量在吉布斯反应器单元中与其他流股混合后发生燃烧反应，碳酸盐分解由化学计量反应器单元实现，化学计量反应器单元中定义了caco3和mgco3的分解反应，反应率均为80％，化学计量器反应器连接热流股，热流股中热负荷为-17879312kj/h。

106.回转窑子系统模拟煤粉分解、煤粉燃烧、碳酸盐分解、表面散热、气固分离和旁路放风过程，使用fortran编写的计算器模块控制产率反应器单元将煤按元素组成分解为c、h2、n2、cl2、s、o2、h2o和惰性灰分ash，煤的分解产物和分解所需热量在吉布斯反应器单元中与其他流股混合后发生燃烧反应，碳酸盐分解由化学计量反应器单元实现，化学计量反应器单元中定义了caco3和mgco3的分解反应，反应率均为100％。换热器单元热负荷为-60941283kj/h，气固分离和旁路放风过程分别由ssplit和fsplit单元实现。ssplit单元中气固分离效率为100％，fsplit单元中分离一条流股模拟旁路放风系统损失的风，流股分离比例为3％。

107.有机固废分解子系统中，此子系统模拟有机固废干化、分解过程，分别由化学计量反应器、产率反应器实现，其中化学计量反应器、产率反应器单元由fortran编写的计算器模块控制，有机固废流股干化后使用sep模块进行分流，确保每一类有机固废单独在产率反应器单元中分解为c、h2、n2、cl2、s、o2、h2o和惰性灰分ash，分解产物和分解所需热量的95％进入分解炉子系统中的吉布斯反应器单元，5％进入回转窑子系统中的吉布斯反应器单元。

108.各子系统内流股按不同原则设置：悬浮预热器子系统按水泥生产过程中气体、固体流向布置；分解炉子系统和回转窑子系统在实际生产工艺的基础上修改部分工艺顺序，流股先经过生料分解对应操作单元，再经过燃烧反应对应操作单元；有机固废分解子系统按照干燥、热解的物化反应过程设置。各个子系统通过流股相互连接，最终连接形成的稳态流程模拟模型如图2所示。

109.稳态流程模拟模型中设置1个传输模块，2个设计规范模块和1个灵敏度分析模块，本实施例中分解炉采用双列三次风一起供风，分为a、b列。传输模块将分解炉供风中a列三次风流股体积流量复制给b列三次风流股，保证a、b列三次风体积流量相同。设计规范模块1规定预热器出口烟气流股中o2摩尔分率为0.025，允许误差0.001，操纵变量为分解炉a列三

次风，变化范围10-5-106nm3/h；设计规范模块2规定分解炉子系统中吉布斯反应器出口流股温度(模拟分解炉温度)为890℃，允许误差为0.1℃，操纵变量为分解炉煤流股质量流量。灵敏度分析模块设置操纵变量为有机固废流股中rdf质量流量，输出变量为分解炉子系统中a列三次风流股标准状况下体积流量，分解炉煤质量流量。

110.(3)将进料参数输入到子系统中的对应流股，进料参数包括固体进料参数和供风参数，固体进料参数包括水泥生料、煤粉、rdf，水泥生料流股(raw-mate)成分分解成caco3、mgco3和惰性非常股组分(raw-m)，其中raw-m替代生料中sio2、al2o3、fe2o3、k2o、na2o、so3等除碳酸盐以外的成分。煤粉的进料位置包括两处，分别为分解炉预燃室和回转窑窑头，rdf作为组分归入有机固废流股依次进行干化、分解和燃烧过程。各固体流股的参数设置如表1所示，煤、rdf的元素分析和工业分析结果如表2所示。

111.表1固体物料输入参数

[0112][0113]

表2煤、rdf元素分析及工业分析结果

[0114][0115]

*mar：此处及后文均指代收到基水分；

[0116]

*fd：此处及后文均指代干基固定碳；

[0117]

*vd：此处及后文均指代干基挥发分；

[0118]

*ad：此处及后文均指代干基灰分。

[0119]

供风参数包括分解炉供风、回转窑供风及物料携带空气三类，其中分解炉供风包括一次风和双列三次风(ab双列)，回转窑供风包括一次风和二次风，而水泥生料进入预热器，也会携带空气，各空气流股参数设置如表3所示。

[0120]

表3供风输入参数

[0121]

[0122]

*

标准状况：此处及后文标准状况均指代1atm气压，0℃条件，简称为标况。

[0123]

运行模拟，使用稳态流程模拟模型计算各子系统中的温度、流量和组分等计算数据。

[0124]

(4)将悬浮预热器子系统中温度数据、烟气排放数据与工厂实测数据对比，对比结果如表4、表5所示。模拟温度与工厂测量数据相对误差在5％以内，可以认为此模型符合生产实际。

[0125]

表4温度模拟结果与测量结果对比

[0126][0127][0128]

表5出口烟气模拟结果与测量结果对比

[0129][0130]

(5)打开微软的电子表格(excel软件)，在电子表格中建立用户交互界面，交互界面共包括2个工作表(sheet)，sheet 1用于修改流股参数，sheet 2用于修改原料性质。使用aspen软件自带的模拟工作簿插件将稳态流程模拟模型中流股参数及灵敏度分析模块参数链接至excel表格中。

[0131]

(6)在步骤5所述的sheet 1输入流股初始参数(如下表表6所示)，sheet 2输入原料性质(如下表表7所示)，在sheet 1灵敏度分析模块对应单元格输入rdf进料量下限为80t/h，进料量上限为100t/h，变化步长为1t/h，分解炉维持温度为890℃，如表6所示。

[0132]

表6实施例1中电子表格中的流股参数表

[0133][0134][0135]

表7实施例1中电子表格中的原料参数表

[0136][0137]

(7)点击“重置模拟”按钮再点击“运行模拟”按钮。在aspen plus软件中灵敏度模块的“结果”选项卡中得到输出结果，对输出结果进行分析处理，由分析结果可定量分析在维持分解炉炉温为890℃，出口烟气中o2体积分数为2.5％条件下，rdf进料量在80-100t/h范围内变化对分解炉三次风体积流量及煤耗量影响。将分析结果以点线图形式展示，则如图4所示。

[0138]

实施例2：

[0139]

本实施例的目的为，在水泥窑中水泥生料、煤粉、rdf三种固体进料量不变情况下，额外加入脱水污泥进行协同处置，污泥进料量为20t/h条件下，探究污泥含水率在10％-90％范围内变化对烟气污染物浓度的影响。此目的通过以下技术方案实现：

[0140]

一种基于aspen plus的水泥窑协同处置有机固废模拟及优化方法，包括以下步骤：

[0141]

(1)打开aspen plus软件，在物性菜单中，选择pr-bm方法作为软件计算所用的物性方法，软件数据库中自带常规组分、固相组分，另外，对于未包含在常规组分库和固相组分库中的其他组分，可以通过软件中的非常规组分的入口来新建，组分的具体性质可以自行输入。从软件数据库中选择并添加常规组分，固相组分。选择的常规组分有h2o、n2、o2、no2、no、s、so2、so3、h2、cl2、hcl、co、co2；选择的固相组分有c、caco3、cao、mgco3、mgo、caso4；非常股组分由用户新建，新建的非常股组分有rdf、污泥、煤以及三者中不可燃的灰分，水泥生料中惰性组分，惰性组分替代水泥生料中sio2、al2o3、fe2o3、k2o、na2o、so3等除碳酸盐以外的成分。

[0142]

(2)从aspen plus软件的模型库中选择并添加操作单元、流股，将操作单元和流股连接组成悬浮预热器、分解炉、回转窑和有机固废分解4个子系统，各子系统使用流股连接形成稳态流程模拟模型。

[0143]

稳态流程模拟模型建立过程与实施例1中步骤2所述过程基本相同，区别在于，稳态流程模拟模型中设置了1个设计规范模块和1个灵敏度分析模块，设计规范模块1规定预热器出口烟气流股中o2摩尔分率为0.02，允许误差0.0005，操纵变量为分解炉一次风流股的体积流量，变化范围10-5-106nm3/h；灵敏度分析模块设置操纵变量为有机固废流股中污泥含水率，输出变量为悬浮预热器子系统中出口烟气流股中so2、co、no和co2的质量流量和出口烟气流股标况下体积流量。

[0144]

(3)将进料参数输入到子系统中的对应流股，进料参数包括固体进料参数和供风参数，固体进料参数包括水泥生料、煤粉、rdf和污泥，水泥生料涉及的反应只有碳酸盐分解，其他成分不参与任何反应而只参与物理换热过程，因此将水泥生料流股(raw-mate)成分分解成caco3、mgco3和惰性非常股组分(raw-m)，其中raw-m替代生料中sio2、al2o3、fe2o3、k2o、na2o、so3等除碳酸盐以外的成分。煤粉的进料位置包括两处，分别为分解炉预燃室和回转窑窑头，rdf和污泥作为组分归入有机固废流股依次进行干化、分解和燃烧过程。各固体流股的参数设置如表8所示，煤、rdf和污泥的元素分析和工业分析结果如表9所示。

[0145]

表8固体物料输入参数

[0146][0147]

表9煤、rdf元素分析及工业分析结果

[0148]

[0149]

供风参数设置与实施例1中步骤3所述的供风参数设置相同。

[0150]

工厂测试测量数据中，并未投加污泥，因此将污泥组分质量流量设置为0，运行模拟，使用稳态流程模拟模型计算各子系统中的温度、流量和组分等计算数据。

[0151]

(4)将悬浮预热器子系统中温度数据、烟气排放数据与工厂数据对比，验证结果与实施例1中步骤4相同。

[0152]

(5)打开电子表格，在电子表格中建立用户交互界面，交互界面共包括2个工作表(sheet)，sheet 1用于修改流股参数，sheet 2用于修改原料性质。使用aspen软件自带的模拟工作簿插件将稳态流程模拟模型中流股参数及灵敏度分析模块参数链接至电子表格表格中。

[0153]

(6)在步骤5所述的sheet 1输入流股初始参数(如表10所示)，sheet 2输入原料性质(如表11所示)，在sheet 1灵敏度分析模块对应单元格输入污泥含水率下限为10％，上限为90％，变化步长为5％，如表10所示。

[0154]

表10实施例2流股参数表

[0155][0156]

表11实施例2原料参数表(下文中的实施例3也继续延用该表)

[0157][0158]

(7)点击“重置模拟”按钮再点击“运行模拟”按钮。在aspen plus软件中灵敏度模块的“结果”选项卡中得到输出结果，在aspen plus软件中灵敏度模块的“结果”选项卡中得到输出结果，对输出结果进行分析处理，由分析结果可知在水泥窑中水泥生料、煤粉、rdf三种固体进料量不变情况下，额外加入脱水污泥进行协同处置，污泥进料量为20t/h条件下污泥含水率在10-90％范围内变化对烟气污染物浓度的影响，如图5所示。

[0159]

实施例3：

[0160]

本实施例的目的为，探究在水泥窑中水泥生料、煤粉、rdf三种固体进料量不变情况下，额外加入脱水污泥进行协同处置的条件下，若想保持分解炉温度在880-905℃之间，出口烟气温度在360℃以下，污泥进料量、含水率允许范围。此目的通过以下技术方案实现：

[0161]

一种基于aspen plus的水泥窑协同处置有机固废模拟及优化方法，包括以下步骤：

[0162]

(1)打开aspen plus软件，在物性菜单中，选择pr-bm方法作为软件计算所用的物性方法，软件数据库中自带常规组分、固相组分，另外，对于未包含在常规组分库和固相组分库中的其他组分，可以通过软件中的非常规组分的入口来新建，组分的具体性质可以自行输入。从软件数据库中选择并添加常规组分，固相组分。选择的常规组分有h2o、n2、o2、no2、no、s、so2、so3、h2、cl2、hcl、co、co2；选择的固相组分有c、caco3、cao、mgco3、mgo、caso4；非常股组分由用户新建，新建的非常股组分有rdf、污泥、煤以及三者中不可燃的灰分，水泥生料中惰性组分，惰性组分替代水泥生料中sio2、al2o3、fe2o3、k2o、na2o、so3等除碳酸盐以外的成分。

[0163]

(2)从aspen plus软件的模型库中选择并添加操作单元、流股，将操作单元和流股连接组成悬浮预热器、分解炉、回转窑和有机固废分解4个子系统，各子系统使用流股连接形成稳态流程模拟模型。

[0164]

稳态流程模拟模型建立过程与实施例1中步骤2所述过程基本相同，区别在于，稳态流程模拟模型中设置了1个设计规范模块和1个灵敏度分析模块，设计规范模块1规定预热器出口烟气流股中o2摩尔分率为0.02，允许误差0.0005，操纵变量为分解炉一次风体积流量，变化范围10-5-106nm3/h；灵敏度分析模块设置操纵变量为有机固废流股中污泥进料量和含水率，输出变量为分解炉子系统中吉布斯反应器出口流股温度(模拟分解炉温度)和悬浮预热器子系统中的出口烟气流股温度。

[0165]

(3)将进料参数输入到子系统中的对应流股，进料参数设置与实施例2中步骤3所述的进料参数设置相同。

[0166]

(4)将悬浮预热器子系统中温度数据、烟气排放数据与工厂数据对比，验证结果与实施例2中步骤4相同。

[0167]

(5)打开电子表格，在电子表格中建立用户交互界面，交互界面共包括2个工作表(sheet)，sheet 1用于修改流股参数，sheet 2用于修改原料性质。使用aspen软件自带的模拟工作簿插件将稳态流程模拟模型中流股参数及灵敏度分析模块参数链接至excel表格中。

[0168]

(6)在步骤5所述的sheet 1中输入流股初始参数(如表12所示)，sheet 2输入原料性质(如上表表11所示)，在sheet 1灵敏度分析模块对应单元格输入污泥含水率下限值为10％，上限值为90％，变化步长为5％；污泥进料量下限值为1t/h，上限值为20t/h，变化步长为2t/h，如表12所示。

[0169]

表12实施例3中电子表格中的流股参数表

[0170][0171][0172]

(7)点击“重置模拟”按钮再点击“运行模拟”按钮。在aspen plus软件中灵敏度模块的“结果”选项卡中得到输出结果，将结果复制至excel输出结果表中，对数据进行分析处理，分析结果如图6所示。由图6中的(a)可知预热器出口烟气温度与污泥含水率呈负相关关系，污泥含水率越高，出口烟气温度越低，随着污泥进料量的增加，出口烟气温度随污泥含水率变化而变化的速率逐渐增大，当污泥进料量为5t/h，污泥含水率由10％提升至90％时，出口烟气温度由371.0℃降低至357.6℃；而当污泥进料量为15t/h，污泥含水率由10％提升至90％时，出口烟气温度由391.5℃降低至351.9℃。从图6中的(b)可以看出，分解炉温度与污泥含水率同样呈负相关关系，且分解炉温度变化规律与预热器出口烟气温度变化规律类

似，当污泥进料量为5t/h，污泥含水率由10％提升至90％时，出口烟气温度由922.9℃降低至893.8℃；而当污泥进料量为15t/h，污泥含水率由10％提升至90％时，出口烟气温度由949.3℃降低至864.5℃。相比于污泥含水率变化对预热器出口烟气温度的影响，污泥含水率对分解炉温度影响更加剧烈。

[0173]

在水泥窑中水泥生料、煤粉、rdf三种固体进料量不变情况下，若想维持分解炉温度在880-905℃之间，出口烟气温度在360℃以下，污泥进料量为7.2t/h时，污泥含水率允许的范围可达到最大：55％-90％；污泥进料量为20t/h时，污泥含水率需要限制在很窄的范围：67％-69％。

[0174]

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。技术特征：

1.一种水泥窑协同处置有机固废工艺的模拟及优化方法，其特征在于，包括以下步骤：(s1)利用aspen plus软件，选择软件计算所用的物性方法，同时选择软件计算涉及的常规组分和固相组分，并将预先选定的其它组分作为非常规组分，新建软件计算涉及的非常规组分；(s2)建立稳态流程模拟模型，该稳态流程模拟模型包括若干个子系统，每个子系统包括流股和若干个操作单元；各个子系统之间通过流股相互连接；这些子系统包括：悬浮预热器子系统：用于对应水泥生产中悬浮预热器设备，其中的流股按水泥生产过程中气体、固体流向布置；分解炉子系统：用于对应水泥生产中分解炉设备，包括生料分解对应操作单元和燃烧反应对应操作单元；该分解炉子系统中的流股，按先经过分解炉子系统中的生料分解对应操作单元，再经过分解炉子系统中的燃烧反应对应操作单元进行设置；其中，燃烧反应对应操作单元为吉布斯反应器(rgibbs)操作单元；回转窑子系统：用于对应水泥生产中回转窑设备，包括生料分解对应操作单元和燃烧反应对应操作单元；该回转窑子系统中的流股，按先经过回转窑子系统中的生料分解对应操作单元，再经过回转窑子系统中的燃烧反应对应操作单元进行设置；其中，燃烧反应对应操作单元为吉布斯反应器操作单元；有机固废分解子系统：用于对应有机固废在水泥生产中分解炉设备及回转窑设备中的分解过程，其中的流股按照依次进行干燥、热解的物化反应过程设置；所述稳态流程模拟模型同时还包括：计算器模块、设计规范模块和灵敏度分析模块，其中：所述计算器模块：用于控制各个操作单元的计算过程；所述设计规范模块：用于控制该稳态流程模拟模型中某个变量，使其为指定值或指定范围；所述灵敏度分析模块：用于配合所述设计规范模块，使某个变量在指定范围按预先设定的步长进行变化；(s3)根据生产过程中的进料参数，将这些进料参数输入至所述步骤(s2)得到的稳态流程模拟模型中的对应流股中进行模拟，通过模型的计算，得到各个子系统的计算结果；所述进料参数同时包括进料流股种类和进料流股参数；其中，进料流股种类包括：水泥窑投加的不同原料、不同燃料和空气；进料流股参数包括：质量流量、温度及化学组分；所述计算结果同时包括：温度、流量和组分；(s4)将所述步骤(s3)得到的计算结果，与生产过程中的实测值进行对比，若相对误差超过预先选定的接受限制值，则修改所述步骤(s2)中稳态流程模拟模型中的操作单元参数，并重复步骤(s3)和步骤(s4)，直至相对误差不超过预先选定的接受限制值；(s5)基于预先选定的改良工艺，将改良工艺所对应的进料参数，输入至稳态流程模拟模型中，通过模型的计算，得到各个子系统的计算结果；基于计算结果，判断是否对改良工艺进行调整，从而实现工艺优化。2.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤(s5)具体包括以下子步骤：(s5-1)建立交互界面，使稳态流程模拟模型中的流股以及灵敏度分析模块分别与该交互界面建立链接；

(s5-2)基于预先选定的改良工艺，将改良工艺所对应的进料参数，通过所述交互界面输入至稳态流程模拟模型中进行模拟，通过模型的计算，得到各个子系统的计算结果；基于计算结果，判断是否对改良工艺进行调整，从而实现工艺优化。3.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤(s2)中，所述悬浮预热器子系统按自上而下分为c1-c5五级，水泥生产中悬浮预热器设备中发生的气固混合换热、碳酸盐分解、表面散热、气固分离四个过程，它们分别由混合器(mixer)操作单元、化学计量反应器(rstoic)操作单元、换热器(heater)操作单元、ssplit操作单元实现；其中，c1级包括依次以物料流股连接的混合器操作单元、换热器操作单元、ssplit操作单元；c2-c4级每一级均包括依次以物料流股连接的混合器操作单元、化学计量器反应器操作单元、换热器操作单元、ssplit操作单元；c5级包括依次以物料流股连接的换热器操作单元、ssplit操作单元；并且，对于任意一个化学计量反应器(rstoic)操作单元，它们均用于定义碳酸钙和碳酸镁的分解反应，分解率预先设置为1.5％-3％；对于任意一个换热器(heater)操作单元，它们的热负荷均预先设置为-1.0

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107至-3.0

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106kj/h；ssplit操作单元用于分流，每一个ssplit操作单元均包括2个出口，记由其中位于操作单元上方的出口分流出的流股为上物流流股，记由其中位于操作单元下方的出口分流出的流股为下物流流股；对于任意一个ssplit操作单元，它们的气体流向均预先设置为：93％-95％进入上物流流股中，它们的固体流向均预先设置为：87％-96％进入下物流流股中；其中c1级中ssplit操作单元的上物流流股不连接任何操作单元，c2-c5级中的ssplit操作单元中的上物流流股进入上一级悬浮预热器的混合器操作单元中；c1-c3级中的ssplit操作单元的下物流流股进入下一级悬浮预热器的混合器操作单元中，c4级中的ssplit操作单元的下物流流股进入所述分解炉子系统中的吉布斯反应器操作单元中，c5级中的ssplit操作单元的下物流流股进入所述的回转窑子系统中的吉布斯反应器操作单元中；所述悬浮预热器子系统中所有进料流股连接至c1级中的混合器操作单元中，进料流股同时包括水泥生料流股、生料携带空气流股；所述悬浮预热器子系统中出口流股同时包括c1级中ssplit操作单元的上物流流股、c5级中的ssplit操作单元的下物流流股。4.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤(s2)中，所述分解炉子系统用于模拟煤粉分解、燃烧反应、碳酸盐分解和表面散热过程，它们分别由产率反应器(ryield)操作单元、吉布斯反应器(rgibbs)操作单元、化学计量反应器操作单元和化学计量反应器操作单元连接的热流股实现；其中，产率反应器操作单元、吉布斯反应器操作单元和化学计量反应器操作单元依次连接；产率反应器操作单元由所述计算器模块控制；化学计量反应器操作单元，用于定义碳酸钙和碳酸镁的分解反应，分解率预先设置为80％-82％；热流股中热负荷预先设置为-2.5

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107至-1.3

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107kj/h；所述分解炉子系统中进料流股连接至产率反应器操作单元，进料流股为分解炉煤的物料流股；所述分解炉子系统中出口流股连接至所述悬浮预热器子系统中c5级的换热器操作单元，出口流股为化学计量反应器操作单元的出口物料流股。5.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤(s2)中，所述回转窑子系统用于模拟

煤粉分解、燃烧反应、碳酸盐分解、表面散热、气固分离和旁路放风过程，包括依次连接的产率反应器操作单元、混合器操作单元、吉布斯反应器操作单元、化学计量反应器操作单元、换热器操作单元、ssplit操作单元和fsplit操作单元；其中，模拟煤粉分解、燃烧反应、碳酸盐分解、表面散热过程分别使用产率反应器操作单元、吉布斯反应器操作单元、化学计量反应器操作单元和换热器操作单元实现；模拟气固分离和旁路放风过程分别使用ssplit操作单元和fsplit操作单元实现；其中，产率反应器操作单元由所述计算器模块控制；化学计量反应器操作单元，用于定义碳酸钙和碳酸镁的分解反应，分解率预先设置为100％；换热器操作单元的热负荷预先设置为-7.0

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107至-5.0

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107kj/h；ssplit操作单元中气固分离效率预先设置为100％；fsplit操作单元中分离一条流股模拟旁路放风系统损失的风，记为旁路放风流股，该旁路放风流股分离比例预先设置为3％-5％；所述回转窑子系统中进料流股共4条，具体包括回转窑煤、入窑净风、一次风和二次风；其中，回转窑煤流股连接至产率反应器操作模块；入窑净风、一次风和二次风三条流股由混合器操作单元合并为单条流股，该单条流股随后连接至吉布斯反应器操作模块；出口流股共3条，分别为：ssplit操作单元中下物料流股作为水泥熟料出口流股，不连接任何操作单元；fsplit操作单元中旁路放风流股，不连接任何操作单元；fsplit操作单元中除旁路放风流股外其他流股，连接至所述有机固废分解子系统中的混合器操作单元。6.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤(s2)中，所述有机固废分解子系统，包括依次连接的混合器操作单元、化学计量反应器操作单元、sep操作单元、产率反应器操作单元、混合器操作单元和fsplit操作单元；该有机固废分解子系统用于模拟有机固废干化、分解过程，它们分别由化学计量反应器操作单元、产率反应器操作单元实现；其中，化学计量反应器操作单元和产率反应器操作单元由所述计算器模块控制；有机固废流股经过化学计量反应器操作单元后使用sep操作单元进行分流，确保每一类有机固废单独在产率反应器操作单元中分解，分解产物和分解所需热量由混合器单元分别合并为一条物料流股和一条热流股，2条流股分别使用fsplit操作单元进行分流，分流比例都预先设置为95:5，预先设置95％进入分解炉子系统中，剩下5％进入回转窑子系统中；并且，在该有机固废分解子系统中，产率反应器操作单元的数量为5-15个，fsplit操作单元数量为2个；所述有机固废分解子系统中进料流股共4条，具体包括有机固废、一次风、a列三次风、b列三次风；其中，有机固废流股连接至化学计量反应器操作单元；一次风、a列三次风、b列三次风经过混合器操作单元混合后连接至产率反应器操作单元；出口流股共4条，具体包括2个fsplit操作单元分流出来的2条物流流股和2条热流股，其中1条分流比例95％的物流流股和1条分流比例95％的热流股进入分解炉子系统中的吉布斯反应器操作单元，1条分流比例5％的物流流股和1条分流比例5％的热流股进入回转窑子系统中的吉布斯反应器操作单元。7.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤(s1)中，所述物性方法具体是选择pr-bm方法；

所述化学组分预先划分为三类，即：常规组分、固相组分以及非常规组分；其中，常规组分、固相组分是通过在软件数据库中选择得到，所述非常规组分通过新建得到；所述常规组分包括h2o、n2、o2、no2、no、s、so2、so3、h2、cl2、hcl、co以及co2；所述固相组分包括c、caco3、cao、mgco3、mgo以及caso4；所述非常规组分包括各类有机固废、煤以及两者中不可燃的灰分，同时还包括惰性成分，该惰性成分用于代表水泥生料中包括sio2、al2o3、fe2o3、k2o、na2o、so3在内的、除碳酸盐以外的成分。8.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤(s5-1)中，所述交互界面是通过excel软件、matlab软件、python语言编写的软件或能够实现activex技术连接的软件实现的；优选的，所述交互界面至少包含两个界面，其中一个界面用于输入进料参数的值或变化区间范围，另一个界面用于输入煤和有机固废的性质；所述煤和有机固废的性质同时包括工业分析数据、元素分析数据、干基低位热值：其中，所述工业分析数据同时包括应用基水分含量、干基灰分含量、干基挥发分含量、干基固定炭含量；元素分析数据同时包括c含量、h含量、o含量、n含量、s含量、cl含量；更优选的，当所述步骤(s5-2)中的所述进料参数为定值时，是通过所述交互界面输入至稳态流程模拟模型的对应流股中；当所述步骤(s5-2)中的所述进料参数为区间范围时，是通过所述交互界面输入至稳态流程模拟模型的灵敏度分析模块中。9.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤(s5)中，所述基于计算结果，判断是否对改良工艺进行调整，具体是基于水泥窑设备温度计算结果、烟气排放体积计算结果、烟气组分浓度计算结果、煤消耗量计算结果或有机固废掺烧比例计算结果，判断是否对改良工艺进行调整。10.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤(s4)中，所述预先选定的接受限制值的绝对值预先选定为4％-6％。

技术总结

本发明属于固废处理与处置领域，公开了一种水泥窑协同处置有机固废工艺的模拟及优化方法，包括以下步骤：S1利用Aspen Plus软件，选择物性方法、化学组分；S2建立稳态流程模拟模型；S3根据生产过程中的进料参数，输入模型得到计算结果；S4将计算结果与生产过程中的实测值进行对比，若不满足接受限制值要求，则调整稳态流程模拟模型中的操作单元参数；S5将改良工艺所对应的进料参数，输入模型得到计算结果，进而判断是否对改良工艺进行调整，从而实现工艺优化。本发明利用特定的子系统及流股设计的稳态流程模拟模型，为有机固废的水泥窑协同处置工艺设计，减少试运行成本，提高工作效率提供一种有效的工具。率提供一种有效的工具。率提供一种有效的工具。

技术研发人员：杨家宽 李星吾 李叶青 王加军 梁莎 虞文波 王忠义 黄亮 肖可可 胡敬平 侯慧杰

受保护的技术使用者：华新水泥股份有限公司

技术研发日：2022.08.26

技术公布日：2022/12/12