高溫空氣作為粉磨系統(tǒng)熱源的熱工測試與分析

□□ 劉永明 (山西雙良鼎新水泥有限公司，山西 太原 030000)

引言

近年來，隨著我國能源節(jié)約和環(huán)境治理等相關政策的不斷推進，多數(shù)水泥企業(yè)已經(jīng)開始對其生產(chǎn)工藝和設備進行升級改造，開始大量采用工業(yè)廢渣生產(chǎn)水泥熟料或水泥，或是不斷提升能源的利用效率，逐步降低企業(yè)生產(chǎn)對社會和環(huán)境的影響。基于此，某水泥企業(yè)為了減少燃料燃燒及其對環(huán)境所產(chǎn)生的影響，擬采用水泥熟料冷卻系統(tǒng)排出的高溫廢氣替代熱風爐作為礦粉粉磨系統(tǒng)的熱源，并取消熱風爐，不再單獨設置熱風供給。為此，需對該水泥企業(yè)的礦粉粉磨系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)高溫廢氣利用情況進行現(xiàn)場測試，進一步核實熱量需求和余熱供給情況，為企業(yè)技術改造提供理論依據(jù)。

1 測點確定

根據(jù)測試目的確定此次現(xiàn)場測試的范圍為：進入礦粉粉磨系統(tǒng)的高溫氣體至煙囪排出的氣體，冷卻系統(tǒng)除二次空氣和三次空氣外的其他空氣。

1.1 粉磨系統(tǒng)測點位置

該企業(yè)礦粉制備采用立磨，為了全面掌握該粉磨系統(tǒng)的熱風使用情況，其測點位置如圖1所示。

圖1 立磨系統(tǒng)及測點位置

1.2 冷卻系統(tǒng)余熱測點位置

該企業(yè)冷卻系統(tǒng)的高溫空氣除用于二次空氣和三次空氣之外，還用于煤磨、余熱發(fā)電，剩余空氣經(jīng)窯頭收塵器除塵后由煙囪排出。當煤磨停機時，僅有余熱發(fā)電系統(tǒng)利用冷卻機高溫空氣余熱，剩余空氣經(jīng)收塵器除塵后由煙囪排出。為了掌握冷卻系統(tǒng)排出空氣的余熱分布及利用情況，其測點位置如圖2所示。

圖2 冷卻系統(tǒng)測點位置

2 現(xiàn)場測試及結(jié)果分析

2.1 現(xiàn)場測試情況

結(jié)合圖1和圖2確定的測點位置進行現(xiàn)場測點位置及測試人員操作平臺的查勘，根據(jù)GB/T 26282—2010《水泥回轉(zhuǎn)窯熱平衡測定方法》對粉磨系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)余熱部分進行的現(xiàn)場測試，測試內(nèi)容為各測點的氣體溫度、靜壓、流量以及大氣壓等參數(shù)?，F(xiàn)場測試工況條件如下：

(1)粉磨系統(tǒng)應處于正常運行狀況，以便準確地測量系統(tǒng)運行過程中的氣體流量及氣體顯熱，準確掌握熱風爐在粉磨系統(tǒng)中的熱量供應情況，為系統(tǒng)運行熱量需求提供依據(jù)。

(2)冷卻系統(tǒng)余熱部分現(xiàn)場測試得知，出冷卻機空氣余熱主要用于余熱發(fā)電和煤磨兩個部分。其中余熱發(fā)電高溫段和低溫段是獨立運行的，一般情況下只有一個在運行，不會同時運行。在煤磨運行時，窯頭排出空氣的一部分會進入煤磨，以調(diào)節(jié)入煤磨空氣溫度；當煤磨停機時，除二次空氣、三次空氣、余熱發(fā)電抽取空氣外，其余氣體全部由窯頭排出。同時，在余熱發(fā)電系統(tǒng)正常運行過程中，煤磨用空氣和窯頭排出空氣可用于粉磨系統(tǒng)，但煤磨運行時間較長，停磨時間較短，大部分時間這兩部分空氣不能作為礦粉粉磨系統(tǒng)的熱源。為此，冷卻系統(tǒng)余熱部分測試應選擇煤磨正常運行工況(即最不利的生產(chǎn)條件下)，以余熱發(fā)電用空氣作為礦粉粉磨系統(tǒng)的熱源，該部分空氣相對于煤磨用空氣更為穩(wěn)定。因而測試余熱發(fā)電用的高溫段和低溫段空氣溫度、靜壓、流量及其顯熱，現(xiàn)場測試測點位置如圖3所示。

圖3 冷卻系統(tǒng)調(diào)整后測點位置

2.2 現(xiàn)場測試結(jié)果

根據(jù)GB 26281—2010《水泥回轉(zhuǎn)窯熱平衡、熱效率、綜合能耗計算方法》對各測點數(shù)據(jù)進行處理，則測試結(jié)果見表1。

表1 各測點測試結(jié)果

2.3 測試結(jié)果分析

2.3.1磨機運行熱量需求分析

熱風爐運行過程對熱風需求主要體現(xiàn)在兩個工況：

(1)磨機正常運行時熱量需求分析。在磨機運行過程中，熱風爐的供風需求是與循環(huán)風一起進入磨機，滿足磨機配合料烘干所需熱量。若利用余熱發(fā)電用風代替熱風爐作為粉磨系統(tǒng)的熱源，則熱風爐的熱量供給量應小于余熱發(fā)電用冷卻系統(tǒng)高溫空氣顯熱。由表1數(shù)據(jù)對比可知，在煤磨正常運行情況下，余熱發(fā)電抽取冷卻系統(tǒng)的空氣顯熱，不論是高溫段還是低溫段，均大于熱風爐的供熱量，滿足立磨正常運行狀況下的熱量需求。

(2)磨機啟動過程中熱量需求分析。在磨機長時間停機之后，重新啟動磨機時，因缺少循環(huán)風部分的熱量，則熱風爐作為該磨機的唯一熱源，其熱量供給應滿足粉磨系統(tǒng)啟動至穩(wěn)定運行過程中所有的熱量需求。在磨機啟動至穩(wěn)定運行過程中，磨機的喂料量在不斷增加，可利用的循環(huán)風量、風溫及其顯熱也在不斷增加。以最不利因素進行考慮，熱風爐的供熱量應為正常運行情況下熱風爐供熱量與循環(huán)風顯熱之和，即在立磨正常運行狀況下，進入磨機的所有熱風顯熱?，F(xiàn)場測試時，因循環(huán)風管測點位置的影響，導致循環(huán)風管風量、風溫及其顯熱測量結(jié)果不能用于計算，故采用進入磨機的所有熱風顯熱與余熱發(fā)電抽取空氣顯熱進行對比。由表1數(shù)據(jù)對比可知，在煤磨正常運行情況下，余熱發(fā)電抽取冷卻系統(tǒng)的空氣顯熱，不論是高溫段還是低溫段，均大于粉磨系統(tǒng)正常運行時的熱量總需求，滿足立磨啟動至穩(wěn)定運行狀況下的熱量需求。

2.3.2磨機內(nèi)水汽化熱需求分析

在粉磨系統(tǒng)運行過程中，入磨風主要任務為烘干、選粉、輸送。物料烘干主要與風的溫度及其顯熱有關，選粉主要與風速、風量有關。在此先結(jié)合磨機內(nèi)部水分來分析水汽化熱需求情況。磨機內(nèi)部水分由物料水分和磨機運行過程噴水兩部分組成。其中，物料水分約為4.1%，出磨礦粉水分為0.6%，磨機運行過程噴水量為5～7 t·h-1，磨機喂料量約為101 t·h-1，則磨機內(nèi)汽化水量和汽化熱計算見式(1)和式(2)：

ms=101×(4.1-0.6)%+7=

10.535 t·h-1=10 535 kg·h-1

(1)

Qs=ms×q0=10 535×2 497.5=

26 311 162.5 kJ·h-1

(2)

式中以室外溫度為0 ℃的最不利條件進行計算，結(jié)果表明，水汽化所需熱量均小于煤磨正常運行情況下的余熱發(fā)電抽取冷卻系統(tǒng)空氣顯熱。

2.3.3風量分析

采用余熱發(fā)電抽氣冷卻系統(tǒng)空氣替代熱風爐用于立磨運行在熱量供給上可滿足要求，但入磨風的任務不僅包括烘干，還承擔著物料的選粉和輸送任務，為此需分析物料選粉和輸送的風量需求。結(jié)合表1可知，進入磨機標況風量約為134 060.96 m3·h-1，平均溫度為295 ℃，在煤磨正常運行時，余熱發(fā)電抽取冷卻機的空氣溫度，不論是高溫段還是低溫段，均滿足立磨正常運行狀況下的風溫需求；風量略顯不足，但運行過程中可利用循環(huán)風作為補充，既能調(diào)整風溫，又能滿足粉磨系統(tǒng)風量要求。

因余熱發(fā)電空氣溫度較高，應適當引入一定比例的循環(huán)風來調(diào)節(jié)入磨風溫。以進入立磨風的平均溫度295 ℃為基準來計算，當抽取余熱發(fā)電高溫段空氣時，空氣溫度為526 ℃，磨機收塵器出口氣體溫度為94 ℃，則抽取余熱發(fā)電高溫段空氣比例約為47%，其余為循環(huán)風；當抽取余熱發(fā)電低溫段空氣時，空氣溫度為493 ℃，磨機收塵器出口氣體溫度為94 ℃，則抽取余熱發(fā)電高溫段空氣比例約為51%，其余為循環(huán)風。

2.4 高溫空氣作為熱源的優(yōu)勢

經(jīng)對該公司礦粉粉磨系統(tǒng)及冷卻系統(tǒng)余熱情況進行測試，結(jié)合測試數(shù)據(jù)及結(jié)果分析可知：

(1)采用余熱發(fā)電抽取冷卻機高溫空氣作為立磨系統(tǒng)的熱源是可以滿足生產(chǎn)熱量需求的。在不考慮氣體輸送過程中溫降的話，按現(xiàn)場測試氣體溫度計算，余熱發(fā)電高溫段47%或低溫段51%的空氣即可滿足入磨風熱量需求，且可達到287～290 ℃。

(2)采用余熱發(fā)電抽取冷卻機高溫段47%或低溫段51%的空氣作為入磨風風量明顯不足，仍需要和循環(huán)風配合使用才能完成粉磨系統(tǒng)中的物料選粉和輸送。循環(huán)風一是可以調(diào)節(jié)入磨風溫；二是可以增加物料選粉和輸送所需風量。

(3)采用干燥的高溫空氣作為入磨風，相比于熱風爐熱風烘干效果好。采用熱風爐熱風時，需加入大量的循環(huán)風，循環(huán)風中水汽含量較高，現(xiàn)場測試時，手感循環(huán)風極度潮濕，雖然水汽溫度也在100 ℃以上，但仍不利于磨內(nèi)物料烘干，而冷卻系統(tǒng)的高溫空氣較為干燥，烘干過程必然加快，烘干效果更好。

3 結(jié)語

取消熱風爐，采用余熱發(fā)電抽取冷卻系統(tǒng)的部分高溫空氣作為礦粉粉磨熱源，其有利之處在于：一是不需單獨設置熱風爐，可減少燃料消耗，降低企業(yè)對周邊環(huán)境的污染；采用干燥的高溫空氣作為入磨風，相比于熱風爐熱風，其烘干過程必然加快，烘干效果更好。同時，因現(xiàn)場測試未對粉磨系統(tǒng)用風進行成分分析，在風量及顯熱計算過程中均按空氣處理，結(jié)果存在一定的偏差，尤其是對余熱發(fā)電抽取冷卻系統(tǒng)空氣的比例及對余熱發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量的影響，在現(xiàn)有數(shù)據(jù)的基礎上，還不能具體分析，如需更加具體地分析，還需進一步測量煙氣成分。