基于不同工藝需求的熱工測量參數(shù)確定

(山西職業(yè)技術(shù)學(xué)院,山西 太原 030006)

引言

近年來，伴隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步，水泥行業(yè)應(yīng)用的測量儀表自動化程度不斷提高。同時，為了提高系統(tǒng)產(chǎn)量、提升能源效率、降低運行成本、減少環(huán)境污染等全面地提升水泥企業(yè)的生產(chǎn)效益和社會效益，企業(yè)技術(shù)人員已結(jié)合系統(tǒng)控制的參數(shù)情況或借助相應(yīng)的測量儀表，對生料制備、熟料燒成、煤粉制備、水泥制成等系統(tǒng)的熱耗、電耗、熱效、能效、用風(fēng)及主機設(shè)備運行狀況等開展測量或綜合評價，以達到不同水泥企業(yè)、不同工藝需求的熱工標定目的。在熱工標定過程中，為了確保數(shù)據(jù)的全面性和可靠性，如實地反映生產(chǎn)狀況，現(xiàn)場測量參數(shù)的確定仍是當(dāng)前生產(chǎn)企業(yè)標定實施的難點之一。

1 系統(tǒng)平衡測量參數(shù)的確定

1.1 燒成系統(tǒng)平衡測量參數(shù)確定

燒成系統(tǒng)的平衡由物料平衡和熱平衡兩部分組成。燒成系統(tǒng)的物料平衡是指該系統(tǒng)收入物料總量與支出物料總量之間的平衡。不管是收入物料還是支出物料，在平衡計算時，物料量均應(yīng)包括氣體的質(zhì)量。燒成系統(tǒng)是以預(yù)熱器、分解爐、回轉(zhuǎn)窯、冷卻機為主機設(shè)備而形成的熟料煅燒系統(tǒng)。在平衡測量時，應(yīng)將其視為整體來分析，則物料平衡范圍為：物料部分是由生料均化庫底生料至冷卻機出口熟料為止，其中應(yīng)計算燒成系統(tǒng)的喂煤；氣體部分是由冷卻機進風(fēng)至預(yù)熱器出口廢氣為止，其中應(yīng)計算冷卻機其他排風(fēng)與余熱用風(fēng)、送煤一次風(fēng)、燒成系統(tǒng)漏風(fēng)等。

根據(jù)平衡范圍來確定燒成系統(tǒng)物料平衡測量參數(shù)，按收入物料和支出物料來劃分，并分別以物料和氣體為主線進行分析，以防漏項。則收入物料量項目為：生料喂料量、回轉(zhuǎn)窯喂煤量、分解爐喂煤量、冷卻機進風(fēng)量、一次風(fēng)量、系統(tǒng)漏風(fēng)量(由計算得出)；支出物料量項目為：出冷卻機熟料量、余熱發(fā)電抽取冷卻機風(fēng)量及其含塵量、煤磨抽取冷卻機風(fēng)量及其含塵量、冷卻機排風(fēng)量及其含塵量、預(yù)熱器出口廢氣量及其含塵量。雖然余熱發(fā)電用風(fēng)、煤磨用風(fēng)、冷卻機排風(fēng)中含塵量較低，仍建議測量，以提高測量結(jié)果的精確度。

燒成系統(tǒng)熱平衡是指該系統(tǒng)收入總熱量與支出總熱量之間的平衡，其平衡計算是在物料平衡的基礎(chǔ)上進行的。熱平衡的測量范圍與物料平衡相同，測量參數(shù)不僅包括物料平衡參數(shù)，還應(yīng)測量所有物料和氣體的溫度、煤粉發(fā)熱量、生料水分、熟料成分、系統(tǒng)表面散熱等。其中物料和氣體溫度是用于計算物料和氣體的熱焓；煤粉發(fā)熱量是用于計算燒成系統(tǒng)的熱耗；生料水分是用于計算生料中水分蒸發(fā)耗熱量；熟料成分是用于計算熟料的形成熱，以計算系統(tǒng)的熱效率；系統(tǒng)表面散熱是用于計算系統(tǒng)表面散熱損失。

1.2 冷卻系統(tǒng)平衡測量參數(shù)確定

冷卻系統(tǒng)是以冷卻機為主機設(shè)備、風(fēng)機為輔助設(shè)備，對出窯熟料進行急冷處理的系統(tǒng)。同時承擔(dān)著熱量回收任務(wù)，并將回收的大部分熱量用于燒成系統(tǒng)，如煤粉燃燒助燃的二次風(fēng)、三次風(fēng)，其他熱量用于余熱發(fā)電、煤磨煤粉烘干等。在平衡測量時，冷卻系統(tǒng)物料平衡范圍為：物料部分是由出窯熟料至出冷卻機熟料，其中應(yīng)計算各排出氣體的含塵；氣體部分是由冷卻機進風(fēng)至二次風(fēng)、三次風(fēng)、余熱用風(fēng)、其他排風(fēng)等。

根據(jù)平衡范圍來確定冷卻系統(tǒng)物料平衡測量參數(shù)。收入物料量項目為：出窯熟料量、冷卻機進風(fēng)總量；支出物料量為：出冷卻機熟料量、二次風(fēng)量及含塵量、三次風(fēng)量及含塵量、余熱發(fā)電用風(fēng)量及含塵量、煤磨用風(fēng)量及含塵量、冷卻機排風(fēng)量及含塵量。其中二次風(fēng)量因現(xiàn)場條件限制，由計算得出。因冷卻系統(tǒng)平衡測量數(shù)據(jù)有限，可利用冷卻系統(tǒng)用風(fēng)平衡來計算，再結(jié)合回轉(zhuǎn)窯內(nèi)煤粉燃燒情況來判定計算結(jié)果的準確性。

冷卻系統(tǒng)熱平衡因不涉及煤粉燃燒放熱與化學(xué)反應(yīng)耗熱，其測量參數(shù)較少，除物料平衡參數(shù)外，還應(yīng)測量物料和氣體溫度、冷卻機表面散熱，以用于冷卻系統(tǒng)熱平衡計算。

2 主機設(shè)備運行評價測量參數(shù)的確定

2.1 預(yù)熱器運行評價測量參數(shù)確定

目前常用的預(yù)熱器為旋風(fēng)式，多由4～6個換熱單元組成。換熱單元是以下料管、換熱管道、旋風(fēng)筒等為主要部件。預(yù)熱器的作用是將生料溫度快速升至反應(yīng)溫度，并對回轉(zhuǎn)窯窯尾出口廢氣帶出的熱量進行回收。隨著生料溫度的不斷升高，生料中將發(fā)生自由水蒸發(fā)、黏土質(zhì)原料脫水、部分碳酸鹽分解等變化，這些變化均在預(yù)熱器內(nèi)完成。預(yù)熱器運行評價時，測量范圍為：物料部分由生料均化庫底生料至入回轉(zhuǎn)窯物料為止，不包括分解爐相關(guān)參數(shù)；氣體部分由窯尾出口或分解爐出口氣體至預(yù)熱器出口氣體為止。則測量參數(shù)為：各級下料口物料溫度、預(yù)熱器出口廢氣量與各級旋風(fēng)筒出口氣體(包括窯尾出口、分解爐出口氣體)溫度、壓力、氣體成分。

以某一級換熱單元為例進行分析，進料口和下料口物料溫度之差為物料經(jīng)過該換熱單元的溫升；進口和出口氣體溫度之差為氣體溫降，可用來計算降溫系數(shù)，以反映該換熱單元的熱交換情況；進口和出口氣體壓力之差稱為壓力損失，表示氣體在該換熱單元中所受到阻力的大小，壓力損失越大，窯尾高溫風(fēng)機電耗也就越高；旋風(fēng)筒進口和出口氣體成分則反映了預(yù)熱器的密封情況，氣體成分變化越小，該換熱單元密封越好。

另外，預(yù)熱器出口廢氣量和廢氣溫度決定著預(yù)熱器出口廢氣熱損失的大小。廢氣量越大、溫度越高，則熱損失越大，反之，熱損失越小。

2.2 分解爐運行評價測量參數(shù)確定

在預(yù)分解窯系統(tǒng)中，分解爐屬于窯尾系統(tǒng)的一部分。在此對窯尾系統(tǒng)的預(yù)熱器、分解爐分別進行分析，主要原因為：一是兩者的功能差別較大；二是在滿足工藝需求的前提下，應(yīng)測量盡可能少的參數(shù)，降低現(xiàn)場測量和數(shù)據(jù)處理的難度。分解爐承擔(dān)著碳酸鹽的大部分分解任務(wù)。碳酸鹽分解為強吸熱反應(yīng)，燒成系統(tǒng)中約60%的燃料燃燒在分解爐中完成，以供給分解反應(yīng)所需熱量。因而分解爐的主要功能為：燃料燃燒放熱、熱量迅速傳遞、碳酸鹽吸熱分解。

分解爐進行運行評價時，結(jié)合其主要功能來確定測量參數(shù)。收入物料量項目為：入爐生料量(包括生料成分與溫度)、分解爐喂煤量(包括煤的工業(yè)分析、熱值與溫度)、三次風(fēng)量(包括溫度)、一次風(fēng)量(包括溫度)、窯尾煙氣量(包括溫度)；支出物料量項目為：出分解爐氣體量(包括溫度、成分)、氣體含塵量(包括物料成分)。收入和支出物料量及其溫度、燃燒熱可進行分解爐的物料平衡和熱平衡計算；物料成分用于計算物料的分解程度，為分解爐主要評價參數(shù)；氣體成分用于判斷分解爐內(nèi)燃料燃燒是否完全、助燃空氣是否充足。另外，也可通過測量最低一級旋風(fēng)筒出口氣體溫度，將其與分解爐出口氣體溫度相比較，根據(jù)是否存在溫度倒掛來判定分解爐內(nèi)燃料燃燒情況。

2.3 回轉(zhuǎn)窯運行評價測量參數(shù)確定

回轉(zhuǎn)窯是水泥熟料燒成系統(tǒng)的核心部分，承擔(dān)著熟料形成過程中的小部分碳酸鹽分解、固相反應(yīng)、熟料燒結(jié)及熟料冷卻的任務(wù)。為了確保熟料燒結(jié)中所需的溫度、液相量、時間等條件，約40%的燃料燃燒在回轉(zhuǎn)窯中完成，同時具有足夠長的燒成帶以滿足反應(yīng)時間的需要。因而回轉(zhuǎn)窯的主要功能為：熟料燒結(jié)反應(yīng)、燃料燃燒放熱。另外，回轉(zhuǎn)窯是熟料燒成系統(tǒng)中不斷旋轉(zhuǎn)的設(shè)備，所以對其密封性要求也較高。

回轉(zhuǎn)窯進行運行評價時，結(jié)合其主要功能及要求來確定測量參數(shù)。收入物料量項目為：入窯生料量(包括溫度、成分)、回轉(zhuǎn)窯喂煤量(包括煤的工業(yè)分析、熱值與溫度)、二次風(fēng)量(計算所得)、二次風(fēng)含塵量(實為三次風(fēng)含塵量)、一次風(fēng)量(包括溫度)；支出物料量項目為：出窯熟料量(計算所得，包括出窯熟料溫度)、窯尾煙氣量(包括溫度、成分、含塵量)。入窯生料量與窯尾煙氣含塵量用于計算入窯生料的真實值；回轉(zhuǎn)窯喂煤量、一次風(fēng)量、二次風(fēng)量用于計算燃料燃燒完全程度，窯尾煙氣成分則用于判定二次風(fēng)的剩余情況；出窯熟料溫度反映了回轉(zhuǎn)窯內(nèi)燒成帶、冷卻帶的長度，所帶走熱量是冷卻機的主要熱源；出窯熟料量等于出冷卻機熟料量加上冷卻機所有排出氣體(二次風(fēng)、三次風(fēng)、余熱發(fā)電用風(fēng)、煤磨用風(fēng)、冷卻機排風(fēng))含塵量，是回轉(zhuǎn)窯平衡計算的主要部分。

在回轉(zhuǎn)窯平衡計算或運行評價時，還應(yīng)計算窯筒體表面溫度和散熱損失，以衡量回轉(zhuǎn)窯的保溫效果。因各企業(yè)均有窯筒體表面溫度監(jiān)控設(shè)備，同時冷卻機與冷卻系統(tǒng)測量參數(shù)相近，在此均不再討論。

3 系統(tǒng)運行評價參數(shù)的計算

3.1 回轉(zhuǎn)窯單位容積產(chǎn)量

在對回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)能力分析時，常采用單位容積產(chǎn)量來對比?；剞D(zhuǎn)窯單位容積產(chǎn)量是在現(xiàn)有生產(chǎn)條件下回轉(zhuǎn)窯單位容積的熟料產(chǎn)量，由單位時間(1 h或1 d)的熟料產(chǎn)量除以回轉(zhuǎn)窯的有效容積得出。以該參數(shù)為基礎(chǔ)，與國內(nèi)先進的生產(chǎn)線相比較，多數(shù)企業(yè)的生產(chǎn)能力仍存在較大的提升空間。

3.2 燒成系統(tǒng)熱耗

當(dāng)前常用熱耗參數(shù)有熟料實物煤耗、熟料標準煤耗、熟料單位熱耗等。熟料實物煤耗是企業(yè)生產(chǎn)1 kg熟料所消耗的煤粉質(zhì)量，由燒成系統(tǒng)單位時間的喂煤量除以相應(yīng)時間內(nèi)的熟料產(chǎn)量得出。由于各企業(yè)所采用煤粉質(zhì)量存在差異，熟料實物煤耗不能直接用于企業(yè)之間的熱耗比較，應(yīng)將其換算為熟料標準煤耗或熟料單位熱耗。熟料標準煤耗是企業(yè)生產(chǎn)1 kg熟料所消耗標準煤的質(zhì)量，由熟料實物煤耗乘以收到基低位發(fā)熱量除以29 300得出。熟料單位熱耗是企業(yè)生產(chǎn)1 kg熟料所消耗的熱量，由熟料實物煤耗乘以其收到基低位發(fā)熱量得出。

3.3 燒成系統(tǒng)熱效率

燒成系統(tǒng)熱效率是指熟料形成熱占燒成系統(tǒng)耗熱總量(單位熟料的生料中可燃成分和煤粉燃燒產(chǎn)生的熱量之和)的比例。由熟料形成熱除以熟料單位熱耗得出。

3.4 冷卻系統(tǒng)熱效率

冷卻系統(tǒng)熱效率(冷卻機熱效率)是指從出窯熟料中回收并用于燒成系統(tǒng)的熱量占出窯熟料帶入冷卻系統(tǒng)熱量的比例。因二次風(fēng)、三次風(fēng)直接用作燒成系統(tǒng)煤粉燃燒助燃空氣，其所帶入熱量可提高煤粉的燃燒溫度。因此，冷卻系統(tǒng)熱效率由二次風(fēng)和三次風(fēng)所帶出熱量之和除以出窯熟料帶入冷卻系統(tǒng)熱量得來。

4 結(jié)語

基于不同企業(yè)的不同工藝需求，結(jié)合燒成系統(tǒng)平衡、冷卻系統(tǒng)平衡分析了系統(tǒng)測量參數(shù)，針對預(yù)熱器、分解爐、回轉(zhuǎn)窯等設(shè)備分析了運行評價測量參數(shù)，并對回轉(zhuǎn)窯容積產(chǎn)量、燒成系統(tǒng)熱耗和熱效率、冷卻系統(tǒng)熱效率等參數(shù)的計算進行分析。企業(yè)不同，其工藝需求也存在較大差異，標定工作的開展僅對燒成系統(tǒng)、燒成設(shè)備進行測量與評價是不夠的，如粉磨系統(tǒng)、系統(tǒng)漏風(fēng)情況等相關(guān)標定，應(yīng)在滿足工藝需求的前提下，選擇合理的測量范圍和測量參數(shù)，測量盡可能少的參數(shù)，降低現(xiàn)場測量和數(shù)據(jù)處理的難度，為企業(yè)生產(chǎn)線的提產(chǎn)、降耗、技術(shù)改造等方面提供相應(yīng)的依據(jù)與參考。