(山西職業(yè)技術(shù)學(xué)院,山西 太原 030006)

引言

近年來(lái)，伴隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，水泥行業(yè)應(yīng)用的測(cè)量?jī)x表自動(dòng)化程度不斷提高。同時(shí)，為了提高系統(tǒng)產(chǎn)量、提升能源效率、降低運(yùn)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(huì)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(cè)量?jī)x表，對(duì)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(jī)設(shè)備運(yùn)行狀況等開(kāi)展測(cè)量或綜合評(píng)價(jià)，以達(dá)到不同水泥企業(yè)、不同工藝需求的熱工標(biāo)定目的。在熱工標(biāo)定過(guò)程中，為了確保數(shù)據(jù)的全面性和可靠性，如實(shí)地反映生產(chǎn)狀況，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量參數(shù)的確定仍是當(dāng)前生產(chǎn)企業(yè)標(biāo)定實(shí)施的難點(diǎn)之一。

1 系統(tǒng)平衡測(cè)量參數(shù)的確定

1.1 燒成系統(tǒng)平衡測(cè)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(jì)算時(shí)，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(jī)為主機(jī)設(shè)備而形成的熟料煅燒系統(tǒng)。在平衡測(cè)量時(shí)，應(yīng)將其視為整體來(lái)分析，則物料平衡范圍為：物料部分是由生料均化庫(kù)底生料至冷卻機(jī)出口熟料為止，其中應(yīng)計(jì)算燒成系統(tǒng)的喂煤；氣體部分是由冷卻機(jī)進(jìn)風(fēng)至預(yù)熱器出口廢氣為止，其中應(yīng)計(jì)算冷卻機(jī)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(lái)確定燒成系統(tǒng)物料平衡測(cè)量參數(shù)，按收入物料和支出物料來(lái)劃分，并分別以物料和氣體為主線進(jìn)行分析，以防漏項(xiàng)。則收入物料量項(xiàng)目為：生料喂料量、回轉(zhuǎn)窯喂煤量、分解爐喂煤量、冷卻機(jī)進(jìn)風(fēng)量、一次風(fēng)量、系統(tǒng)漏風(fēng)量(由計(jì)算得出)；支出物料量項(xiàng)目為：出冷卻機(jī)熟料量、余熱發(fā)電抽取冷卻機(jī)風(fēng)量及其含塵量、煤磨抽取冷卻機(jī)風(fēng)量及其含塵量、冷卻機(jī)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(jī)排風(fēng)中含塵量較低，仍建議測(cè)量，以提高測(cè)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(jì)算是在物料平衡的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。熱平衡的測(cè)量范圍與物料平衡相同，測(cè)量參數(shù)不僅包括物料平衡參數(shù)，還應(yīng)測(cè)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(jì)算物料和氣體的熱焓；煤粉發(fā)熱量是用于計(jì)算燒成系統(tǒng)的熱耗；生料水分是用于計(jì)算生料中水分蒸發(fā)耗熱量；熟料成分是用于計(jì)算熟料的形成熱，以計(jì)算系統(tǒng)的熱效率；系統(tǒng)表面散熱是用于計(jì)算系統(tǒng)表面散熱損失。

1.2 冷卻系統(tǒng)平衡測(cè)量參數(shù)確定

冷卻系統(tǒng)是以冷卻機(jī)為主機(jī)設(shè)備、風(fēng)機(jī)為輔助設(shè)備，對(duì)出窯熟料進(jìn)行急冷處理的系統(tǒng)。同時(shí)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(cè)量時(shí)，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(jī)熟料，其中應(yīng)計(jì)算各排出氣體的含塵；氣體部分是由冷卻機(jī)進(jìn)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(lái)確定冷卻系統(tǒng)物料平衡測(cè)量參數(shù)。收入物料量項(xiàng)目為：出窯熟料量、冷卻機(jī)進(jìn)風(fēng)總量；支出物料量為：出冷卻機(jī)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(jī)排風(fēng)量及含塵量。其中二次風(fēng)量因現(xiàn)場(chǎng)條件限制，由計(jì)算得出。因冷卻系統(tǒng)平衡測(cè)量數(shù)據(jù)有限，可利用冷卻系統(tǒng)用風(fēng)平衡來(lái)計(jì)算，再結(jié)合回轉(zhuǎn)窯內(nèi)煤粉燃燒情況來(lái)判定計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)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(cè)量參數(shù)較少，除物料平衡參數(shù)外，還應(yīng)測(cè)量物料和氣體溫度、冷卻機(jī)表面散熱，以用于冷卻系統(tǒng)熱平衡計(jì)算。

2 主機(jī)設(shè)備運(yùn)行評(píng)價(jià)測(cè)量參數(shù)的確定

2.1 預(yù)熱器運(yùn)行評(píng)價(jià)測(cè)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(gè)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(duì)回轉(zhuǎn)窯窯尾出口廢氣帶出的熱量進(jìn)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(yùn)行評(píng)價(jià)時(shí)，測(cè)量范圍為：物料部分由生料均化庫(kù)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(cè)量參數(shù)為：各級(jí)下料口物料溫度、預(yù)熱器出口廢氣量與各級(jí)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(jí)換熱單元為例進(jìn)行分析，進(jìn)料口和下料口物料溫度之差為物料經(jīng)過(guò)該換熱單元的溫升；進(jìn)口和出口氣體溫度之差為氣體溫降，可用來(lái)計(jì)算降溫系數(shù)，以反映該換熱單元的熱交換情況；進(jìn)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(jī)電耗也就越高；旋風(fēng)筒進(jìn)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(yùn)行評(píng)價(jià)測(cè)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(duì)窯尾系統(tǒng)的預(yù)熱器、分解爐分別進(jìn)行分析，主要原因?yàn)椋阂皇莾烧叩墓δ懿顒e較大；二是在滿足工藝需求的前提下，應(yīng)測(cè)量盡可能少的參數(shù)，降低現(xiàn)場(chǎng)測(cè)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(qiáng)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(jìn)行運(yùn)行評(píng)價(jià)時(shí)，結(jié)合其主要功能來(lái)確定測(cè)量參數(shù)。收入物料量項(xiàng)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(xiàng)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(jìn)行分解爐的物料平衡和熱平衡計(jì)算；物料成分用于計(jì)算物料的分解程度，為分解爐主要評(píng)價(jià)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(guò)測(cè)量最低一級(jí)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(lái)判定分解爐內(nèi)燃料燃燒情況。

2.3 回轉(zhuǎn)窯運(yùn)行評(píng)價(jià)測(cè)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(guò)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(shí)間等條件，約40%的燃料燃燒在回轉(zhuǎn)窯中完成，同時(shí)具有足夠長(zhǎng)的燒成帶以滿足反應(yīng)時(shí)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(duì)其密封性要求也較高。

回轉(zhuǎn)窯進(jìn)行運(yùn)行評(píng)價(jià)時(shí)，結(jié)合其主要功能及要求來(lái)確定測(cè)量參數(shù)。收入物料量項(xiàng)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(jì)算所得)、二次風(fēng)含塵量(實(shí)為三次風(fēng)含塵量)、一次風(fēng)量(包括溫度)；支出物料量項(xiàng)目為：出窯熟料量(計(jì)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(jì)算入窯生料的真實(shí)值；回轉(zhuǎn)窯喂煤量、一次風(fēng)量、二次風(fēng)量用于計(jì)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(zhǎng)度，所帶走熱量是冷卻機(jī)的主要熱源；出窯熟料量等于出冷卻機(jī)熟料量加上冷卻機(jī)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(jī)排風(fēng))含塵量，是回轉(zhuǎn)窯平衡計(jì)算的主要部分。

在回轉(zhuǎn)窯平衡計(jì)算或運(yùn)行評(píng)價(jià)時(shí)，還應(yīng)計(jì)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(shí)冷卻機(jī)與冷卻系統(tǒng)測(cè)量參數(shù)相近，在此均不再討論。

3 系統(tǒng)運(yùn)行評(píng)價(jià)參數(shù)的計(jì)算

3.1 回轉(zhuǎn)窯單位容積產(chǎn)量

在對(duì)回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)能力分析時(shí)，常采用單位容積產(chǎn)量來(lái)對(duì)比。回轉(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(shí)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(guó)內(nèi)先進(jìn)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(shí)物煤耗、熟料標(biāo)準(zhǔn)煤耗、熟料單位熱耗等。熟料實(shí)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(shí)間的喂煤量除以相應(yīng)時(shí)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(shí)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(biāo)準(zhǔn)煤耗或熟料單位熱耗。熟料標(biāo)準(zhǔn)煤耗是企業(yè)生產(chǎn)1 kg熟料所消耗標(biāo)準(zhǔn)煤的質(zhì)量，由熟料實(shí)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(shí)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(jī)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(lái)。

4 結(jié)語(yǔ)

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(cè)量參數(shù)，針對(duì)預(yù)熱器、分解爐、回轉(zhuǎn)窯等設(shè)備分析了運(yùn)行評(píng)價(jià)測(cè)量參數(shù)，并對(duì)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(jì)算進(jìn)行分析。企業(yè)不同，其工藝需求也存在較大差異，標(biāo)定工作的開(kāi)展僅對(duì)燒成系統(tǒng)、燒成設(shè)備進(jìn)行測(cè)量與評(píng)價(jià)是不夠的，如粉磨系統(tǒng)、系統(tǒng)漏風(fēng)情況等相關(guān)標(biāo)定，應(yīng)在滿足工藝需求的前提下，選擇合理的測(cè)量范圍和測(cè)量參數(shù)，測(cè)量盡可能少的參數(shù)，降低現(xiàn)場(chǎng)測(cè)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。