煤粉氣力輸送固氣比對燒成系統(tǒng)能耗的影響

陳光華

1 煤粉的氣力輸送技術(shù)

水泥熟料燒成所需的燃料主要是煤，煤粉在氣力輸送至窯爐的過程中，伴隨有大量的冷風(fēng)進(jìn)入，一定程度上增加了燒成系統(tǒng)的熱耗。煤粉氣力輸送的用風(fēng)量取決于輸送的固氣比，高的固氣比可以降低入窯爐冷風(fēng)量，降低系統(tǒng)熱耗，但同時會增加計量設(shè)備和煤粉輸送管道的磨損，增加運行故障率和維護(hù)工作量。因此，為了降低系統(tǒng)熱耗，在保證系統(tǒng)高運轉(zhuǎn)率和低維護(hù)量的前提下，應(yīng)盡可能地提高煤粉氣力輸送固氣比。目前常見的煤粉計量與輸送技術(shù)有兩種：

（1）A類計量與輸送技術(shù)。煤粉由煤粉倉卸料至預(yù)給料單元，而后進(jìn)入計量單元進(jìn)行測量，測量后在秤體外與輸送氣體混合，混合后經(jīng)煤粉輸送管線分別送至窯頭、窯尾燃燒器。此種技術(shù)秤體設(shè)有壓差管，固氣混合在輸送管道起始端完成，其克服輸送反壓的能力強(qiáng)，工作原理如圖1所示。

圖1 A類技術(shù)料氣混合位置

（2）B類計量與輸送技術(shù)。煤粉由煤粉倉卸料至煤粉秤計量后，在秤下腔體內(nèi)與輸送氣體相混合，但在秤下腔體內(nèi)的煤粉料重應(yīng)始終高于輸送氣力，混合后煤粉落入輸送管線分別送至窯頭、窯尾燃燒器。此種技術(shù)固氣混合發(fā)生于秤下腔體內(nèi)，克服輸送反壓能力弱，工作原理如圖2所示。

圖2 B類技術(shù)料氣混合位置

兩種技術(shù)因克服輸送反壓能力不同，在保證系統(tǒng)低磨損、低維護(hù)量、高運轉(zhuǎn)率前提下，二者輸送煤粉的固氣比也不一樣。通常采用A技術(shù)的輸送固氣比會高于B技術(shù)，亦即A技術(shù)單位輸送空氣量小于B技術(shù)，但輸送風(fēng)壓略高于B技術(shù)。在相同的輸送距離和保證煤粉充分分散于輸送氣體的前提下，筆者嘗試分析兩種技術(shù)的輸送固氣比差異對燒成系統(tǒng)煤耗電耗的影響，供業(yè)內(nèi)同仁參考。

2 節(jié)能降耗分析

經(jīng)現(xiàn)場調(diào)研分析，在保證設(shè)備低磨損、低維護(hù)、高運轉(zhuǎn)率的前提下，考慮煤磨位于窯頭一側(cè)，A計量秤技術(shù)允許的固氣比范圍為3.5～6kg煤粉/kg標(biāo)準(zhǔn)空氣，且A技術(shù)氣力輸送至窯頭的固氣比一般為4.5～6，輸送至窯尾固氣比一般為3.5～5；B計量秤技術(shù)允許的固氣比的范圍為2.5～4kg煤粉/kg標(biāo)準(zhǔn)空氣，且窯頭一般為3.5～4，窯尾一般為2～3.5。

假設(shè)A技術(shù)選擇窯頭輸送固氣比為5，窯尾輸送固氣比為4；B技術(shù)選擇窯頭輸送固氣比為4，窯尾輸送固氣比為3，嘗試分析5 000t/d熟料生產(chǎn)線在噸熟料熱耗為100kg標(biāo)準(zhǔn)煤，煤粉熱值（干燥基）為22 990kJ/kg（5 500kcal/kg），輸送風(fēng)機(jī)進(jìn)氣溫度為20℃，窯尾和窯頭煤的用量比為6：4，水泥廠全年運轉(zhuǎn)天數(shù)為330d條件下，兩種技術(shù)對水泥廠節(jié)煤節(jié)電的影響。

2.1 A、B技術(shù)節(jié)煤分析

2.1.1 窯頭窯尾煤耗計算熟料熱耗為100kg標(biāo)煤/t=0.1kg標(biāo)煤/kg=0.1×煤粉/kg熟料（記為0.127 3wc/cl，wc/cl為working condition coal/kg clinker的簡寫，即每kg熟料燒成所消耗的水泥廠實際燃燒用煤粉量，例如此計算過程中的22 990kJ/kg（5 500kcal/kg）熱值的煤粉量）。

窯頭耗煤=0.127 3×0.4wc/cl≈0.050 9 wc/cl

窯尾耗煤=0.127 3×0.6wc/cl≈0.076 4 wc/cl

2.1.2 送煤標(biāo)準(zhǔn)耗氣量計算對比對于A計量秤技術(shù)（簡稱A技術(shù)），窯頭煤粉輸送固氣比為5kg煤/kg標(biāo)準(zhǔn)空氣，窯尾煤粉輸送固氣比為4kg煤/kg標(biāo)準(zhǔn)空氣，則每kg熟料對應(yīng)的送煤標(biāo)準(zhǔn)耗氣量為：

窯頭=0.050 9/5/1.293≈0.007 9m3標(biāo)準(zhǔn)空氣

窯尾=0.076 4/4/1.293≈0.014 8m3標(biāo)準(zhǔn)空氣

對于B計量秤技術(shù)（簡稱B技術(shù)），窯頭煤粉輸送固氣比為4kg煤/kg標(biāo)準(zhǔn)空氣，窯尾煤粉輸送固氣比為3kg煤/kg標(biāo)準(zhǔn)空氣，則每kg熟料對應(yīng)的送煤標(biāo)準(zhǔn)耗氣量為：

窯頭=0.050 9/4/1.293≈0.009 8m3標(biāo)準(zhǔn)空氣

窯尾=0.076 4/3/1.293≈0.019 7m3標(biāo)準(zhǔn)空氣

由上可知，對于每kg熟料，B技術(shù)比A技術(shù)送煤風(fēng)量高出：

窯頭：0.009 8-0.007 9=0.001 9m3標(biāo)準(zhǔn)空氣，根據(jù)PV/T=C，折算為20℃風(fēng)量約為0.002 0m3/kg.cl

窯尾：0.019 7-0.014 8=0.004 9m3標(biāo)準(zhǔn)空氣，根據(jù)PV/T=C，折算為20℃風(fēng)量約為0.005 3m3/kg.cl

對應(yīng)的20℃進(jìn)氣量差異引起的熱值差異：

2.1.3 物料平衡及熱平衡分析和計算

實際干空氣量公式：

式中：

Vyk——每kg熟料燒成對應(yīng)的實際干空氣量

α——空氣過剩系數(shù)

V1k——每kg煤燃燒理論干空氣量

mr——每kg熟料燒成的煤消耗量

式中：

Car，Har，Sar，Oar——燃料應(yīng)用基元素組成

由式（1）、（2）可知，從物料平衡角度來看，對于穩(wěn)定運行的生產(chǎn)線，在α、mr一定以及進(jìn)廠燃料穩(wěn)定的情況下，入窯系統(tǒng)實際干空氣量是穩(wěn)定的。干空氣一般由入窯一次風(fēng)（含煤粉輸送風(fēng)、軸流風(fēng)、旋流風(fēng)）、入窯二次風(fēng)、入爐三次風(fēng)、窯尾斜槽喂料空氣以及系統(tǒng)漏風(fēng)組成，因窯尾斜槽喂料空氣以及系統(tǒng)漏風(fēng)趨于穩(wěn)定，入窯入爐煤粉輸送風(fēng)減少，導(dǎo)致相應(yīng)的入窯二次風(fēng)和入爐三次風(fēng)的拉風(fēng)量增加。因此，考慮窯頭送煤風(fēng)減少引起的干空氣量下降由窯頭二次風(fēng)補(bǔ)充，窯尾送煤風(fēng)減少引起的干空氣量下降由窯尾三次風(fēng)補(bǔ)充。

從熱平衡角度來看，二次風(fēng)和三次風(fēng)為高溫氣體，可攜帶更多的熱量進(jìn)入系統(tǒng)，因此，通過調(diào)節(jié)煤粉燃燒可保持系統(tǒng)熱平衡，從而減少用煤。

綜合以上分析，二次風(fēng)溫按照1 100℃考慮，三次風(fēng)溫按照950℃考慮。A、B技術(shù)替補(bǔ)二次風(fēng)和三次風(fēng)帶入熱量差異計算如下：

因二次風(fēng)、三次風(fēng)代替了20℃輸送煤粉冷風(fēng)，A、B技術(shù)燒成系統(tǒng)凈熱量增加差異：

二次風(fēng)代冷風(fēng)：Q2net=Q2-Q20.k=0.747 3-0.012 4=0.734 9kcal//kg.cl

三次風(fēng)代冷風(fēng)：Q3net=Q3-Q20.c=1.688 8-0.032 8=1.656 0kcal//kg.cl

綜上所述，對比A、B技術(shù)，因二次風(fēng)和三次風(fēng)替代了送煤冷風(fēng)，A技術(shù)相對B技術(shù)5 000t/d熟料生產(chǎn)線全年（按照330d）可減少用煤量：

二次風(fēng)代冷風(fēng)：C2net.a=0.734 9×1 000×5 000×330/5 500/1 000≈220.5t

三次風(fēng)代冷風(fēng)：C3net.a=1.656 0×1 000×5 000×330/5 500/1 000≈496.8t

2.1.4 煤耗對比計算

原煤含水率按照10%考慮，則A技術(shù)相對于B技術(shù)，窯頭窯尾全年可節(jié)約原煤合計=（220.5+496.8）/（1-10%）≈797t。

考慮各地原煤價格不盡相同，此處煤粉成本價格暫按730元/t計，則A技術(shù)相對于B技術(shù)，全年可節(jié)煤費用=797×730≈581 810元。

按照標(biāo)煤耗計算，噸熟料熱耗節(jié)約煤量≈（0.734 9+1.656 0）×1 000/7 000≈0.34kg標(biāo)煤。

2.2 A、B技術(shù)節(jié)電分析

輸送固氣比對節(jié)電的影響，主要體現(xiàn)在固氣比的提高和輸送風(fēng)機(jī)的風(fēng)量。對于A、B兩種技術(shù)，煤粉輸送風(fēng)機(jī)的額定風(fēng)壓多位于60～70kPa之間，正常工況時，現(xiàn)場實際運行輸送風(fēng)壓為30～35kPa。為保持煤粉輸送管道各點的風(fēng)速基本不變，固氣比高時，會將輸送氣體壓力適當(dāng)調(diào)高，因此，A技術(shù)輸送壓力略高于B技術(shù)。本文中，A技術(shù)按照33kPa考慮，B技術(shù)按照30kPa考慮，所需輸送風(fēng)量計算過程如下。

2.2.1 送煤耗氣量計算及對比

由本文2.1節(jié)可知，對于A技術(shù)，窯頭煤粉輸送固氣比為5kg煤/kg標(biāo)準(zhǔn)空氣，窯尾煤粉輸送固氣比為4kg煤/kg標(biāo)準(zhǔn)空氣，則每kg熟料對應(yīng)的送煤耗氣量為：

窯頭=0.050 9/5/1.293≈0.007 9m3標(biāo)準(zhǔn)空氣

窯尾=0.076 4/4/1.293≈0.014 8m3標(biāo)準(zhǔn)空氣

則每小時標(biāo)準(zhǔn)空氣耗氣量：

對于B技術(shù)，窯頭煤粉輸送固氣比為4kg煤/kg標(biāo)準(zhǔn)空氣，窯尾煤粉輸送固氣比為3kg煤/kg標(biāo)準(zhǔn)空氣，則每kg熟料對應(yīng)的送煤耗氣量為：

窯頭=0.050 9/4/1.293≈0.009 8m3標(biāo)準(zhǔn)空氣

窯尾=0.076 4/3/1.293≈0.019 7m3標(biāo)準(zhǔn)空氣

則每小時標(biāo)準(zhǔn)空氣耗氣量：

綜上，A技術(shù)正常工況運行參數(shù)為：

窯頭：風(fēng)壓33kPa，風(fēng)量1 646Nm3/h

窯尾：風(fēng)壓33kPa，風(fēng)量3 083Nm3/h

B技術(shù)正常工況運行參數(shù)為：

窯頭：風(fēng)壓30kPa，風(fēng)量2 042Nm3/h

窯尾：風(fēng)壓30kPa，風(fēng)量4 104Nm3/h

2.2.2 輸送風(fēng)機(jī)電機(jī)功率計算對比

目前水泥廠輸送風(fēng)機(jī)多為羅茨風(fēng)機(jī)，已有部分企業(yè)開始選用磁懸浮或空氣懸浮風(fēng)機(jī)，不論選用何種風(fēng)機(jī)，其電機(jī)功率的計算公式基本一致，即：

式中：

Q——風(fēng)量，m3/hP——壓力，Pa

η0——風(fēng)機(jī)全壓效率，羅茨風(fēng)機(jī)考慮0.8

η1——風(fēng)機(jī)的機(jī)械效率，羅茨風(fēng)機(jī)考慮0.95當(dāng)選用羅茨風(fēng)機(jī)作為輸送風(fēng)機(jī)時，A技術(shù)正常工況輸送功率為：

窯頭：Pd=1 646×33 000/（3 600×1 000×0.8×0.95）≈20kW

窯尾：Pd=3 083×33 000/（3 600×1 000×0.8×0.95）≈37kW

B技術(shù)正常工況輸送功率為：

窯頭：Pd=2 042×30 000/（3 600×1 000×0.8×0.95）≈22kW

窯尾：Pd=4 104×30 000/（3 600×1 000×0.8×0.95）≈45kW

則B技術(shù)比A技術(shù)功率高出：（22+45）-（20+37）=10kW

2.2.3 電耗計算對比

由本文2.2.2節(jié)計算可知，B技術(shù)比A技術(shù)全年電耗增加：330×24×10=792 00kW·h

電費按照0.66元/kW·h考慮，B技術(shù)比A技術(shù)全年電費增加：0.66×79 200=52 272元

上述分析探討是基于A、B兩種技術(shù)中計量設(shè)備在保證低磨損、低維護(hù)量、高運轉(zhuǎn)率的前提下進(jìn)行的，若水泥企業(yè)和水泥工程總承包商只追求高輸送固氣比以達(dá)到節(jié)能降耗的目的，依然可以考慮采用B技術(shù)的高固氣比進(jìn)行輸送，畢竟固氣比只是氣力輸送的參數(shù)之一。

3 結(jié)語

綜上所述，在輸送距離相同，煤粉充分分散于輸送氣體，計量設(shè)備低磨損、低維護(hù)量、高運轉(zhuǎn)率前提下，A技術(shù)氣力輸送固氣比普遍高于B技術(shù)固氣比。以一條原煤熱值為22 990kJ/kg，噸熟料熱耗為100kg標(biāo)煤的5 000t/d水泥熟料生產(chǎn)線為例，A技術(shù)因高固氣比輸送，全年可以節(jié)省原煤約797t，節(jié)煤費用約58.18萬元，節(jié)電約79 200kW·h，節(jié)電費用約5.2萬元，合計可節(jié)約費用63.38萬元/年。