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        煤粉氣力輸送固氣比對燒成系統(tǒng)能耗的影響

        2021-08-15 09:35:46陳光華
        水泥技術(shù) 2021年4期
        關(guān)鍵詞:窯頭氣力輸送熟料

        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,而后進入計量單元進行測量,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,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、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)機進氣溫度為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)機的風(fēng)量。對于A、B兩種技術(shù),煤粉輸送風(fēng)機的額定風(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)機電機功率計算對比

        目前水泥廠輸送風(fēng)機多為羅茨風(fēng)機,已有部分企業(yè)開始選用磁懸浮或空氣懸浮風(fēng)機,不論選用何種風(fēng)機,其電機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)機全壓效率,羅茨風(fēng)機考慮0.8

        η1——風(fēng)機的機械效率,羅茨風(fēng)機考慮0.95當(dāng)選用羅茨風(fēng)機作為輸送風(fēng)機時,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、低維護量、高運轉(zhuǎn)率的前提下進行的,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。

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