基于不同工艺需求的热工测量参数确定

(山西职业技术学院,山西 太原 030006)

引言

近年来，伴随着科学技术的不断进步，水泥行业应用的测量仪表自动化程度不断提高。同时，为了提高系统产量、提升能源效率、降低运行成本、减少环境污染等全面地提升水泥企业的生产效益和社会效益，企业技术人员已结合系统控制的参数情况或借助相应的测量仪表，对生料制备、熟料烧成、煤粉制备、水泥制成等系统的热耗、电耗、热效、能效、用风及主机设备运行状况等开展测量或综合评价，以达到不同水泥企业、不同工艺需求的热工标定目的。在热工标定过程中，为了确保数据的全面性和可靠性，如实地反映生产状况，现场测量参数的确定仍是当前生产企业标定实施的难点之一。

1 系统平衡测量参数的确定

1.1 烧成系统平衡测量参数确定

烧成系统的平衡由物料平衡和热平衡两部分组成。烧成系统的物料平衡是指该系统收入物料总量与支出物料总量之间的平衡。不管是收入物料还是支出物料，在平衡计算时，物料量均应包括气体的质量。烧成系统是以预热器、分解炉、回转窑、冷却机为主机设备而形成的熟料煅烧系统。在平衡测量时，应将其视为整体来分析，则物料平衡范围为：物料部分是由生料均化库底生料至冷却机出口熟料为止，其中应计算烧成系统的喂煤；气体部分是由冷却机进风至预热器出口废气为止，其中应计算冷却机其他排风与余热用风、送煤一次风、烧成系统漏风等。

根据平衡范围来确定烧成系统物料平衡测量参数，按收入物料和支出物料来划分，并分别以物料和气体为主线进行分析，以防漏项。则收入物料量项目为：生料喂料量、回转窑喂煤量、分解炉喂煤量、冷却机进风量、一次风量、系统漏风量(由计算得出)；支出物料量项目为：出冷却机熟料量、余热发电抽取冷却机风量及其含尘量、煤磨抽取冷却机风量及其含尘量、冷却机排风量及其含尘量、预热器出口废气量及其含尘量。虽然余热发电用风、煤磨用风、冷却机排风中含尘量较低，仍建议测量，以提高测量结果的精确度。

烧成系统热平衡是指该系统收入总热量与支出总热量之间的平衡，其平衡计算是在物料平衡的基础上进行的。热平衡的测量范围与物料平衡相同，测量参数不仅包括物料平衡参数，还应测量所有物料和气体的温度、煤粉发热量、生料水分、熟料成分、系统表面散热等。其中物料和气体温度是用于计算物料和气体的热焓；煤粉发热量是用于计算烧成系统的热耗；生料水分是用于计算生料中水分蒸发耗热量；熟料成分是用于计算熟料的形成热，以计算系统的热效率；系统表面散热是用于计算系统表面散热损失。

1.2 冷却系统平衡测量参数确定

冷却系统是以冷却机为主机设备、风机为辅助设备，对出窑熟料进行急冷处理的系统。同时承担着热量回收任务，并将回收的大部分热量用于烧成系统，如煤粉燃烧助燃的二次风、三次风，其他热量用于余热发电、煤磨煤粉烘干等。在平衡测量时，冷却系统物料平衡范围为：物料部分是由出窑熟料至出冷却机熟料，其中应计算各排出气体的含尘；气体部分是由冷却机进风至二次风、三次风、余热用风、其他排风等。

根据平衡范围来确定冷却系统物料平衡测量参数。收入物料量项目为：出窑熟料量、冷却机进风总量；支出物料量为：出冷却机熟料量、二次风量及含尘量、三次风量及含尘量、余热发电用风量及含尘量、煤磨用风量及含尘量、冷却机排风量及含尘量。其中二次风量因现场条件限制，由计算得出。因冷却系统平衡测量数据有限，可利用冷却系统用风平衡来计算，再结合回转窑内煤粉燃烧情况来判定计算结果的准确性。

冷却系统热平衡因不涉及煤粉燃烧放热与化学反应耗热，其测量参数较少，除物料平衡参数外，还应测量物料和气体温度、冷却机表面散热，以用于冷却系统热平衡计算。

2 主机设备运行评价测量参数的确定

2.1 预热器运行评价测量参数确定

目前常用的预热器为旋风式，多由4～6个换热单元组成。换热单元是以下料管、换热管道、旋风筒等为主要部件。预热器的作用是将生料温度快速升至反应温度，并对回转窑窑尾出口废气带出的热量进行回收。随着生料温度的不断升高，生料中将发生自由水蒸发、黏土质原料脱水、部分碳酸盐分解等变化，这些变化均在预热器内完成。预热器运行评价时，测量范围为：物料部分由生料均化库底生料至入回转窑物料为止，不包括分解炉相关参数；气体部分由窑尾出口或分解炉出口气体至预热器出口气体为止。则测量参数为：各级下料口物料温度、预热器出口废气量与各级旋风筒出口气体(包括窑尾出口、分解炉出口气体)温度、压力、气体成分。

以某一级换热单元为例进行分析，进料口和下料口物料温度之差为物料经过该换热单元的温升；进口和出口气体温度之差为气体温降，可用来计算降温系数，以反映该换热单元的热交换情况；进口和出口气体压力之差称为压力损失，表示气体在该换热单元中所受到阻力的大小，压力损失越大，窑尾高温风机电耗也就越高；旋风筒进口和出口气体成分则反映了预热器的密封情况，气体成分变化越小，该换热单元密封越好。

另外，预热器出口废气量和废气温度决定着预热器出口废气热损失的大小。废气量越大、温度越高，则热损失越大，反之，热损失越小。

2.2 分解炉运行评价测量参数确定

在预分解窑系统中，分解炉属于窑尾系统的一部分。在此对窑尾系统的预热器、分解炉分别进行分析，主要原因为：一是两者的功能差别较大；二是在满足工艺需求的前提下，应测量尽可能少的参数，降低现场测量和数据处理的难度。分解炉承担着碳酸盐的大部分分解任务。碳酸盐分解为强吸热反应，烧成系统中约60%的燃料燃烧在分解炉中完成，以供给分解反应所需热量。因而分解炉的主要功能为：燃料燃烧放热、热量迅速传递、碳酸盐吸热分解。

分解炉进行运行评价时，结合其主要功能来确定测量参数。收入物料量项目为：入炉生料量(包括生料成分与温度)、分解炉喂煤量(包括煤的工业分析、热值与温度)、三次风量(包括温度)、一次风量(包括温度)、窑尾烟气量(包括温度)；支出物料量项目为：出分解炉气体量(包括温度、成分)、气体含尘量(包括物料成分)。收入和支出物料量及其温度、燃烧热可进行分解炉的物料平衡和热平衡计算；物料成分用于计算物料的分解程度，为分解炉主要评价参数；气体成分用于判断分解炉内燃料燃烧是否完全、助燃空气是否充足。另外，也可通过测量最低一级旋风筒出口气体温度，将其与分解炉出口气体温度相比较，根据是否存在温度倒挂来判定分解炉内燃料燃烧情况。

2.3 回转窑运行评价测量参数确定

回转窑是水泥熟料烧成系统的核心部分，承担着熟料形成过程中的小部分碳酸盐分解、固相反应、熟料烧结及熟料冷却的任务。为了确保熟料烧结中所需的温度、液相量、时间等条件，约40%的燃料燃烧在回转窑中完成，同时具有足够长的烧成带以满足反应时间的需要。因而回转窑的主要功能为：熟料烧结反应、燃料燃烧放热。另外，回转窑是熟料烧成系统中不断旋转的设备，所以对其密封性要求也较高。

回转窑进行运行评价时，结合其主要功能及要求来确定测量参数。收入物料量项目为：入窑生料量(包括温度、成分)、回转窑喂煤量(包括煤的工业分析、热值与温度)、二次风量(计算所得)、二次风含尘量(实为三次风含尘量)、一次风量(包括温度)；支出物料量项目为：出窑熟料量(计算所得，包括出窑熟料温度)、窑尾烟气量(包括温度、成分、含尘量)。入窑生料量与窑尾烟气含尘量用于计算入窑生料的真实值；回转窑喂煤量、一次风量、二次风量用于计算燃料燃烧完全程度，窑尾烟气成分则用于判定二次风的剩余情况；出窑熟料温度反映了回转窑内烧成带、冷却带的长度，所带走热量是冷却机的主要热源；出窑熟料量等于出冷却机熟料量加上冷却机所有排出气体(二次风、三次风、余热发电用风、煤磨用风、冷却机排风)含尘量，是回转窑平衡计算的主要部分。

在回转窑平衡计算或运行评价时，还应计算窑筒体表面温度和散热损失，以衡量回转窑的保温效果。因各企业均有窑筒体表面温度监控设备，同时冷却机与冷却系统测量参数相近，在此均不再讨论。

3 系统运行评价参数的计算

3.1 回转窑单位容积产量

在对回转窑生产能力分析时，常采用单位容积产量来对比。回转窑单位容积产量是在现有生产条件下回转窑单位容积的熟料产量，由单位时间(1 h或1 d)的熟料产量除以回转窑的有效容积得出。以该参数为基础，与国内先进的生产线相比较，多数企业的生产能力仍存在较大的提升空间。

3.2 烧成系统热耗

当前常用热耗参数有熟料实物煤耗、熟料标准煤耗、熟料单位热耗等。熟料实物煤耗是企业生产1 kg熟料所消耗的煤粉质量，由烧成系统单位时间的喂煤量除以相应时间内的熟料产量得出。由于各企业所采用煤粉质量存在差异，熟料实物煤耗不能直接用于企业之间的热耗比较，应将其换算为熟料标准煤耗或熟料单位热耗。熟料标准煤耗是企业生产1 kg熟料所消耗标准煤的质量，由熟料实物煤耗乘以收到基低位发热量除以29 300得出。熟料单位热耗是企业生产1 kg熟料所消耗的热量，由熟料实物煤耗乘以其收到基低位发热量得出。

3.3 烧成系统热效率

烧成系统热效率是指熟料形成热占烧成系统耗热总量(单位熟料的生料中可燃成分和煤粉燃烧产生的热量之和)的比例。由熟料形成热除以熟料单位热耗得出。

3.4 冷却系统热效率

冷却系统热效率(冷却机热效率)是指从出窑熟料中回收并用于烧成系统的热量占出窑熟料带入冷却系统热量的比例。因二次风、三次风直接用作烧成系统煤粉燃烧助燃空气，其所带入热量可提高煤粉的燃烧温度。因此，冷却系统热效率由二次风和三次风所带出热量之和除以出窑熟料带入冷却系统热量得来。

4 结语

基于不同企业的不同工艺需求，结合烧成系统平衡、冷却系统平衡分析了系统测量参数，针对预热器、分解炉、回转窑等设备分析了运行评价测量参数，并对回转窑容积产量、烧成系统热耗和热效率、冷却系统热效率等参数的计算进行分析。企业不同，其工艺需求也存在较大差异，标定工作的开展仅对烧成系统、烧成设备进行测量与评价是不够的，如粉磨系统、系统漏风情况等相关标定，应在满足工艺需求的前提下，选择合理的测量范围和测量参数，测量尽可能少的参数，降低现场测量和数据处理的难度，为企业生产线的提产、降耗、技术改造等方面提供相应的依据与参考。