多風(fēng)道煤粉燃燒器配風(fēng)羅茨風(fēng)機(jī)的合理選擇

江旭昌

1 前言

當(dāng)前，幾乎所有應(yīng)用回轉(zhuǎn)窯的工業(yè)部門都廣泛地使用三風(fēng)道或先進(jìn)的四風(fēng)道等多風(fēng)道煤粉燃燒器。為其配風(fēng)的煤風(fēng)和凈風(fēng)的一次風(fēng)機(jī)一律采用羅茨風(fēng)機(jī)供風(fēng)，這在國內(nèi)外已取得了共識(shí)。煤風(fēng)風(fēng)機(jī)不再采用高壓離心風(fēng)機(jī)、回轉(zhuǎn)式滑片壓縮機(jī)和串聯(lián)羅茨鼓風(fēng)機(jī)，凈風(fēng)風(fēng)機(jī)也不再采用高壓離心風(fēng)機(jī)供風(fēng)［1］。但是，大家對(duì)單臺(tái)羅茨風(fēng)機(jī)主要性能參數(shù)的正確選擇普遍存在一些模糊不清的認(rèn)識(shí)，導(dǎo)致90%以上的生產(chǎn)線或風(fēng)量選擇過大，或升壓選用過高，或二者兼有造成所配用的電動(dòng)機(jī)功率過大，造成大量電能浪費(fèi)，煤風(fēng)羅茨風(fēng)機(jī)尤甚。一般電動(dòng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行電流I還不到其額定電流IH的50%或者50%左右，這就充分證明了羅茨風(fēng)機(jī)選擇過大。羅茨風(fēng)機(jī)選擇過大，不僅增加了基建投資，有的還會(huì)浪費(fèi)水資源，增加了運(yùn)行費(fèi)用，加快了燃燒器噴燃管的磨損，縮短了其使用壽命，尤其是限制了燒成系統(tǒng)主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)潛力的正常發(fā)揮，嚴(yán)重地影響了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益，而且對(duì)國家大力提倡的增產(chǎn)降耗和節(jié)能減排非常不利。現(xiàn)在不少企業(yè)對(duì)這種損失視而不見或聽之任之，沒有引起足夠的重視。為解決這些問題，現(xiàn)撰此文進(jìn)行解讀，供有關(guān)水泥廠和業(yè)內(nèi)人士參考。

2 羅茨風(fēng)機(jī)風(fēng)量和升壓簡析

羅茨風(fēng)機(jī)的風(fēng)量和升壓是最重要的兩個(gè)技術(shù)參數(shù)，風(fēng)量和升壓的乘積決定了所配電動(dòng)機(jī)的功率。這三個(gè)參數(shù)在任何羅茨風(fēng)機(jī)樣本上都必須給出，供選型之用，見表1［2］。

表1中給出的風(fēng)量是指在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（非工程大氣壓）101.325kPa、溫度為20℃和相對(duì)濕度為50%～60%條件下的羅茨風(fēng)機(jī)進(jìn)口容積流量，單位是m3/min，一般稱為羅茨風(fēng)機(jī)的“風(fēng)量”。樣本上給出的容積流量并不是在使用時(shí)的真實(shí)容積流量，因?yàn)榭諝獾捏w積隨溫度的升高而增大，隨壓力的增大而減小。當(dāng)空氣經(jīng)過羅茨風(fēng)機(jī)的擠壓和摩擦后，不僅壓力會(huì)增大，而且溫度也會(huì)有所增高，此時(shí)的容積流量也會(huì)發(fā)生變化。但從羅茨風(fēng)機(jī)樣本上可以看出，對(duì)于同一臺(tái)型號(hào)相同的風(fēng)機(jī)，其進(jìn)口容積流量隨升壓的升高而逐漸減小。這是指空氣真正達(dá)到樣本上所標(biāo)明的高升壓值下的容積流量，壓力越高，氣體的體積越小。

羅茨風(fēng)機(jī)的升壓是指具有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的空氣被羅茨風(fēng)機(jī)由進(jìn)口吸入經(jīng)過擠壓后所升高的壓強(qiáng)，也就是羅茨風(fēng)機(jī)出口與進(jìn)口空氣所具有的壓強(qiáng)之差，單位用kPa表示［3］。這里必須明確兩個(gè)問題：一是羅茨風(fēng)機(jī)的壓強(qiáng)是由輸送系統(tǒng)的阻力所決定，二是羅茨風(fēng)機(jī)壓強(qiáng)的作用是用來克服輸送系統(tǒng)阻力的。對(duì)于煤粉輸送系統(tǒng)而言，其阻力主要有羅茨風(fēng)機(jī)出口消音器1、各種計(jì)量設(shè)備2、輸送管路3和燃燒器噴燃管4等，則系統(tǒng)總阻力應(yīng)為：

對(duì)于凈風(fēng)輸送系統(tǒng)而言，只有羅茨風(fēng)機(jī)出口消音器6、輸送管路（含閥門和彎頭等）5和燃燒器噴燃管4，沒有計(jì)量設(shè)備，如圖1所示，其系統(tǒng)總阻力應(yīng)為：

3 羅茨風(fēng)機(jī)風(fēng)量和壓強(qiáng)的合理選擇

羅茨風(fēng)機(jī)風(fēng)量和壓強(qiáng)選擇過大，勢(shì)必導(dǎo)致羅茨風(fēng)機(jī)型號(hào)加大，基建投資浪費(fèi)，電能消耗增加；選擇過小，則會(huì)影響正常生產(chǎn)。

3.1 羅茨風(fēng)機(jī)風(fēng)量的正確選擇

3.1.1 一次風(fēng)量的確定

為煤粉燃燒器供風(fēng)的兩臺(tái)或三臺(tái)羅茨風(fēng)機(jī)的總風(fēng)量LZ應(yīng)與所需要的一次風(fēng)量L1基本相同。一次風(fēng)量可按式（3）計(jì)算得到：

表1 L系列羅茨鼓風(fēng)機(jī)性能表*

式中：

KH——羅茨風(fēng)機(jī)安裝處的海拔高度系數(shù)，平原地區(qū)取KH=1，海拔較高地區(qū)的KH值可按表2選取。

φ1——一次風(fēng)率，%。一次風(fēng)率φ1的大小與燃燒器的性能有關(guān)，而燃燒器的性能又與其風(fēng)道數(shù)量有關(guān)。對(duì)于正確設(shè)計(jì)相同風(fēng)道數(shù)量的煤粉燃燒器，其一次風(fēng)率φ1與風(fēng)道數(shù)量n的關(guān)系見表3。從回轉(zhuǎn)窯燃燒器的發(fā)展歷程來看，風(fēng)道數(shù)量越多性能越好，需要的一次風(fēng)率也越小。應(yīng)注意的是，即便風(fēng)道數(shù)量n相同，燃燒器設(shè)計(jì)不合理或性能較差的情況下，其一次風(fēng)率φ1也無法下降。

L0——回轉(zhuǎn)窯燃燒器所用燃料完全燃燒時(shí)所需的單位理論空氣量，m3（標(biāo)）/min，可按式（4）計(jì)算：

式（4）中，Qnet，ar是煤的收到基低位熱值，舊標(biāo)準(zhǔn)稱為“應(yīng)用基”或原煤的低位熱值，kJ/kg煤。它比煤的空氣干燥基低位熱值Qnet，ad或煤粉的低位熱值一般小10%左右。在具體計(jì)算時(shí)，一定要區(qū)別二者，否則會(huì)影響計(jì)算的準(zhǔn)確度。

Gcoh——回轉(zhuǎn)窯窯頭燃燒器單位時(shí)間噴射入窯的煤粉量，kg煤/h。

3.1.2 煤風(fēng)羅茨風(fēng)機(jī)風(fēng)量的合理確定

煤風(fēng)風(fēng)量一般約為一次風(fēng)量的1/3左右，其取值在設(shè)計(jì)時(shí)各有不同，有的稍大些，個(gè)別有達(dá)到一次風(fēng)量的45%～50%的；也有稍小些，個(gè)別有選為一次風(fēng)量的20%～25%的。煤風(fēng)風(fēng)量選擇過大，管路規(guī)格隨之增大，輸送時(shí)因風(fēng)中含有煤粉，管路需要增厚，以延長其使用壽命，使基建費(fèi)用增加。因此筆者認(rèn)為，煤風(fēng)風(fēng)量按占一次風(fēng)量的1/3設(shè)計(jì)比較適宜，即可按式（5）確定：

式中：

Lco——煤風(fēng)風(fēng)量，m3/min

圖1 窯頭四風(fēng)道煤粉燃燒器煤風(fēng)和凈風(fēng)輸送系統(tǒng)簡圖

表2 海拔高度系數(shù)KH值

表3 不同風(fēng)道煤粉燃燒器一次風(fēng)率與風(fēng)道數(shù)量n的大致關(guān)系

L1——一次風(fēng)風(fēng)量，m3/min

3.1.3 凈風(fēng)羅茨風(fēng)機(jī)風(fēng)量的合理確定

當(dāng)煤風(fēng)風(fēng)量確定后，凈風(fēng)羅茨風(fēng)機(jī)風(fēng)量的合理確定可按式（6）進(jìn)行計(jì)算：

式中：

Lj——凈風(fēng)風(fēng)量，m3/min

L1——一次風(fēng)風(fēng)量，m3/min

3.2 羅茨風(fēng)機(jī)升壓的正確選擇

在明確了羅茨風(fēng)機(jī)升壓的作用和與輸送系統(tǒng)阻力的關(guān)系后，即可選擇羅茨風(fēng)機(jī)的升壓。

3.2.1 煤風(fēng)羅茨風(fēng)機(jī)升壓的正確選擇

筆者對(duì)1400～12000 t/d近兩百條生產(chǎn)線進(jìn)行了考察。如果煤磨在窯頭，各管路直徑的選定與風(fēng)量相匹配，那么，不論多大的生產(chǎn)線，其輸送系統(tǒng)的阻力都不會(huì)超過49kPa；如果煤磨在窯尾，即便煤粉從窯尾輸送到窯頭需要的管路較長，其輸送系統(tǒng)的阻力增大，但也不會(huì)超過58.8kPa。也就是說，如果煤磨在窯頭，煤風(fēng)羅茨風(fēng)機(jī)的升壓或壓強(qiáng)選為49kPa是比較正確的，不宜選高；如果煤磨在窯尾，煤風(fēng)羅茨風(fēng)機(jī)的壓強(qiáng)選為58.8kPa是合理的。

3.2.2 凈風(fēng)羅茨風(fēng)機(jī)升壓的正確選擇

凈風(fēng)羅茨風(fēng)機(jī)的輸送系統(tǒng)中沒有計(jì)量設(shè)備，空氣中也沒有顆粒介質(zhì)的煤粉。另外，合理的設(shè)計(jì)將其置于燃燒器附近，管路較短。因此，凈風(fēng)輸送系統(tǒng)的阻力比煤風(fēng)輸送系統(tǒng)的總阻力要小得多。在凈風(fēng)輸送系統(tǒng)中，如果電動(dòng)機(jī)不采用變頻調(diào)速，或者雖然安裝了變頻調(diào)速，但在使用操作時(shí)不減速，則羅茨風(fēng)機(jī)出口消音器和管路的阻力p6和p5是基本不變的。只有煤粉燃燒器噴燃管因設(shè)計(jì)方案不同，其阻力會(huì)有大小之分，任何型式的煤粉燃燒器在操作時(shí)阻力都會(huì)發(fā)生變化。但無論如何，凈風(fēng)羅茨風(fēng)機(jī)輸送系統(tǒng)的阻力都不會(huì)超過34.3kPa。對(duì)于外風(fēng)噴出速度＜200m/s的煤粉燃燒器，其阻力要小些，因此，凈風(fēng)羅茨風(fēng)機(jī)的升壓選為29.4kPa是合理的。對(duì)于外風(fēng)噴出速度＞250m/s的煤粉燃燒器，其阻力會(huì)大些。因此，凈風(fēng)羅茨風(fēng)機(jī)的升壓選為34.3kPa是合理的。在風(fēng)量一定的情況下，羅茨風(fēng)機(jī)的升壓選擇越高，所配用的電動(dòng)機(jī)功率越大。在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)實(shí)際運(yùn)行電流I與IH額定電流的比值越小，表明升壓選擇越不合理。當(dāng)升壓選擇過小，所配用的電動(dòng)機(jī)功率減小，在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)發(fā)生超電流現(xiàn)象。如果電動(dòng)機(jī)有過流保護(hù)就會(huì)頻繁跳閘，如果沒有保護(hù)，發(fā)現(xiàn)不及時(shí)則會(huì)燒毀電動(dòng)機(jī)。

由此可見，合理選擇煤風(fēng)和凈風(fēng)羅茨風(fēng)機(jī)的風(fēng)量及其升壓是相當(dāng)重要的。當(dāng)羅茨風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)后，其實(shí)際運(yùn)行電流I與其額定電流IH的比值應(yīng)在0.90～0.95之間，則表明兩臺(tái)羅茨風(fēng)機(jī)的選擇合理。當(dāng)前，大多生產(chǎn)線為燃燒器配風(fēng)的兩臺(tái)羅茨風(fēng)機(jī)選擇都不合理，尤其是煤風(fēng)羅茨風(fēng)機(jī)更甚，主要是風(fēng)量選用過大，升壓選用過高，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)功率過大，其實(shí)際運(yùn)行電流I尚不足其額定電流IH的50%，見表4。

4 正確選擇羅茨風(fēng)機(jī)的實(shí)例

假設(shè)設(shè)計(jì)能力為5000 t/d熟料的?4.8m×72m NSP窯水泥生產(chǎn)線，廠區(qū)海拔高度H=500m，采用性能優(yōu)良的四風(fēng)道煤粉燃燒器，一次風(fēng)率φ1=12%（包括煤風(fēng)），原煤水分Mar=9%，入窯煤粉水分控制在Mad=1%，喂煤系統(tǒng)采用菲斯特秤，原煤收到基的低位熱值Qnet，ar=5200×4.18kJ/kg煤，煤磨設(shè)在窯頭，窯頭噴煤量Gcoh=12t/h=12000kg/h，由此對(duì)煤風(fēng)和凈風(fēng)羅茨風(fēng)機(jī)進(jìn)行計(jì)算和選擇。

（1）由表2可查得海拔高度系數(shù)KH=1.028。

（2）由式（4）可計(jì)算出煤粉完全燃燒時(shí)所需的單位理論空氣量為：

（3）根據(jù)原煤水分Mar=9%，煤粉水分Mad=1%，通過表5的換算系數(shù)可將原煤收到基的低位熱值Qnet，ar=5200×4.18kJ/kg煤換算為煤粉空氣干燥基的低位熱值，即：

表4 部分生產(chǎn)線煤風(fēng)和凈風(fēng)羅茨風(fēng)機(jī)的選擇和運(yùn)行參數(shù)

表5 煤不同基互相換算系數(shù)表

將上述已知值代入式（3）中計(jì)算可得一次風(fēng)量L1：

（4）煤風(fēng)風(fēng)量的計(jì)算

由式（5）可計(jì)算出煤風(fēng)風(fēng)量為：

（5）凈風(fēng)風(fēng)量的計(jì)算

由式（6）計(jì)算可得凈風(fēng)風(fēng)量為：

（6）羅茨風(fēng)機(jī)的具體選型

羅茨風(fēng)機(jī)的生產(chǎn)廠家一般都不會(huì)在選型樣本上標(biāo)明與計(jì)算值一致的規(guī)格型號(hào)，因此應(yīng)按與計(jì)算值相近的型號(hào)選用羅茨風(fēng)機(jī)。在具體選型時(shí)有兩點(diǎn)需要注意：其一，在風(fēng)量選擇時(shí)，應(yīng)偏大計(jì)算值選用。如果煤風(fēng)比計(jì)算值稍小，那么在選擇凈風(fēng)時(shí)就要予以補(bǔ)償，選擇大一些的風(fēng)機(jī)；其二，如果樣本上大型號(hào)和小型號(hào)兩臺(tái)羅茨風(fēng)機(jī)的風(fēng)量和升壓相同或相近時(shí)，應(yīng)選用較小型號(hào)的羅茨風(fēng)機(jī)。因?yàn)檫x用較大型號(hào)的羅茨風(fēng)機(jī)，不僅自身重量增大，購買費(fèi)用高，而且配用的電動(dòng)機(jī)功率有時(shí)也會(huì)增大，自耗增大，所以應(yīng)選用較小型號(hào)的羅茨風(fēng)機(jī)。

由于煤磨在窯頭，煤風(fēng)羅茨風(fēng)機(jī)的升壓選為49kPa，凈風(fēng)羅茨風(fēng)機(jī)在外風(fēng)噴出速度＞250m/s的先進(jìn)四風(fēng)道煤粉燃燒器附近，其升壓選為34.3kPa。按照天津市鼓風(fēng)機(jī)總廠的羅茨風(fēng)機(jī)樣本的選型見表6。

5 一次風(fēng)量選擇過大的原因

綜上所述，煤風(fēng)和凈風(fēng)羅茨風(fēng)機(jī)的選擇是否合理，關(guān)鍵在于一次風(fēng)量的確定是否合理。由式（1）可以看出，廠區(qū)的海拔高度確定，海拔高度系數(shù)KH即可確定。溫度系數(shù)Kt為定值，當(dāng)煤質(zhì)選定后，燃料或煤粉完全燃燒時(shí)所需的單位理論風(fēng)量L0也為定值。只有一次風(fēng)率φ1和單位時(shí)間噴射入窯的煤粉量Gcoh對(duì)一次風(fēng)量L1的影響較大。在理論上，一次風(fēng)率φ1應(yīng)該很小，但在實(shí)際選用羅茨風(fēng)機(jī)時(shí)卻很大，大部分選為φ1=15%～25%，個(gè)別取φ1=30%。許多設(shè)計(jì)者將Gcoh值定得大大脫離實(shí)際。如以一條設(shè)計(jì)能力5000t/d熟料?4.8m×72m NSP窯水泥生產(chǎn)線為例，其所用煤粉的低位熱值為5400×4.18kJ/kg煤，熟料單位熱耗為710×4.18kJ/kg熟料，窯頭的喂煤比例為40%。即使實(shí)際熟料產(chǎn)量達(dá)到6000t/d，窯頭噴煤量也只有13t/h左右?？稍O(shè)計(jì)部門一般都將窯頭的正常噴煤量設(shè)計(jì)為12t/h，最大為20t/h。眾所周知，窯頭煤風(fēng)的風(fēng)量由計(jì)量秤生產(chǎn)廠家按設(shè)計(jì)部門提供的最大噴煤量20t/h和他們所確定的“固氣比”或“料氣比”計(jì)算所得。生產(chǎn)廠家對(duì)各種計(jì)量設(shè)備所確定的料氣比ρ值不同，粉研秤和菲斯特秤按ρ=3kg煤/m3計(jì)算，申克秤按ρ=4.0～4.5kg煤/m3計(jì)算?，F(xiàn)按噴煤量20t/h=20000kg/h、料氣比ρ=4kg煤/m3進(jìn)行計(jì)算，則煤風(fēng)風(fēng)量為；料氣比按ρ=3kg煤/m3計(jì)算，煤風(fēng)風(fēng)量為但按實(shí)際噴煤量12t/h=12000kg/h計(jì)算，則煤風(fēng)風(fēng)量應(yīng)分別為Lco=50m3/min和Lco=66.67m3/min。由于輸送系統(tǒng)阻力的計(jì)算較麻煩，所以設(shè)計(jì)者一般不進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算，而是憑經(jīng)驗(yàn)粗估，同時(shí)認(rèn)為輸送系統(tǒng)阻力越大越安全，即使煤磨在窯頭，煤風(fēng)羅茨風(fēng)機(jī)的升壓也選為58.8kPa、68.8kPa、78.4kPa，有個(gè)別甚至選為88.2kPa。由于風(fēng)量和壓力選擇過大，導(dǎo)致所配的電動(dòng)機(jī)功率過大。實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)后，其實(shí)際運(yùn)行電流I尚不足額定電流的50%，個(gè)別僅為30%左右，浪費(fèi)了大量電能。這種現(xiàn)象在煤風(fēng)羅茨風(fēng)機(jī)的選型尤為突出（見表4）。

6 結(jié)論

（1）我國絕大多數(shù)水泥生產(chǎn)線，為回轉(zhuǎn)窯煤粉燃燒器配風(fēng)的羅茨風(fēng)機(jī)的選擇都不合理，有的風(fēng)量大，有的升壓高，大多數(shù)二者兼而有之，造成電能的大量浪費(fèi)?，F(xiàn)在全國已有1600多條新型干法水泥生產(chǎn)線，4000t/d熟料以上能力的約占80%?，F(xiàn)平均按4000t/d熟料、運(yùn)轉(zhuǎn)率85%，羅茨風(fēng)機(jī)選擇不合理使電動(dòng)機(jī)功率增大80kW計(jì)，每條4000t/d生產(chǎn)線每年將浪費(fèi)595680kWh的電能，全國每年將浪費(fèi)9.53億kWh的電能。如果電價(jià)按0.6元/kWh計(jì)，則每年損失約5.72億元。但現(xiàn)在許多企業(yè)對(duì)因此而造成的損失卻沒有引起足夠的重視。

（2）一次風(fēng)量（包括煤風(fēng)）過大，不僅僅浪費(fèi)電能，更重要的是嚴(yán)重影響了整個(gè)燒成系統(tǒng)的主要七大技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)（熟料產(chǎn)量、質(zhì)量、熱耗、煤耗、電耗、火磚壽命、運(yùn)轉(zhuǎn)率和有害氣體NOx排放等）。

（3）一次風(fēng)煤風(fēng)風(fēng)量過大的主要原因與設(shè)計(jì)者和計(jì)量設(shè)備供貨廠家有直接關(guān)系。按設(shè)計(jì)規(guī)程規(guī)定，其噴煤的富余量應(yīng)控制在30%以內(nèi)，然而較多設(shè)計(jì)者都未按設(shè)計(jì)規(guī)程規(guī)定進(jìn)行最大噴煤量的設(shè)計(jì)。而計(jì)量設(shè)備供貨廠家為了免責(zé)，往往按最大的噴煤量和自己設(shè)備的料氣比給設(shè)計(jì)者提供所需風(fēng)量。設(shè)計(jì)者在選擇羅茨風(fēng)機(jī)時(shí)又考慮“寧大勿小”原則，這就使用戶最終采購的煤風(fēng)羅茨風(fēng)機(jī)風(fēng)量尤為大。

（4）一次風(fēng)機(jī)升壓選型過大，主要是由于對(duì)煤風(fēng)和凈風(fēng)兩臺(tái)羅茨風(fēng)機(jī)的輸送系統(tǒng)阻力計(jì)算不準(zhǔn)確所致。如果風(fēng)量選擇合理，輸送管路規(guī)格應(yīng)與羅茨風(fēng)機(jī)風(fēng)量相匹配，管內(nèi)風(fēng)速不宜過大。由于系統(tǒng)局部阻力和管路的摩擦阻力均與風(fēng)速的平方成正比，所以煤風(fēng)風(fēng)速在20℃時(shí)應(yīng)控制在21～22m/s，如此，煤粉則不會(huì)在管內(nèi)沉積。凈風(fēng)的合理風(fēng)速應(yīng)控制在15～20m/s以內(nèi)。

（5）本文討論的都是為回轉(zhuǎn)窯煤粉燃燒器或窯頭煤粉燃燒器配風(fēng)羅茨風(fēng)機(jī)的合理選擇問題，現(xiàn)在為窯尾分解爐燃燒器配風(fēng)羅茨風(fēng)機(jī)的選擇有的也存在同樣問題，甚至更為嚴(yán)重，亦應(yīng)引起足夠的重視。

[1]江旭昌.回轉(zhuǎn)窯多風(fēng)道煤粉燃燒器培訓(xùn)教材[M].中國磷肥工業(yè)協(xié)會(huì)、中國硫酸工業(yè)協(xié)會(huì)，1999.

[2]天津市鼓風(fēng)機(jī)總廠羅茨風(fēng)機(jī)樣本[G].

[3]閻金鐸,李椿,王殖東.普通物理學(xué)講義[M].北京：中央廣播電視大學(xué)出版社，1984.