高温空气作为粉磨系统热源的热工测试与分析
时间：2023-02-22 09:45:06 来源：千叶帆 本文已影响人
□□ 刘永明 (山西双良鼎新水泥有限公司，山西 太原 030000)
近年来，随着我国能源节约和环境治理等相关政策的不断推进，多数水泥企业已经开始对其生产工艺和设备进行升级改造，开始大量采用工业废渣生产水泥熟料或水泥，或是不断提升能源的利用效率，逐步降低企业生产对社会和环境的影响。基于此，某水泥企业为了减少燃料燃烧及其对环境所产生的影响，拟采用水泥熟料冷却系统排出的高温废气替代热风炉作为矿粉粉磨系统的热源，并取消热风炉，不再单独设置热风供给。为此，需对该水泥企业的矿粉粉磨系统和冷却系统高温废气利用情况进行现场测试，进一步核实热量需求和余热供给情况，为企业技术改造提供理论依据。
根据测试目的确定此次现场测试的范围为：进入矿粉粉磨系统的高温气体至烟囱排出的气体，冷却系统除二次空气和三次空气外的其他空气。
1.1 粉磨系统测点位置
该企业矿粉制备采用立磨，为了全面掌握该粉磨系统的热风使用情况，其测点位置如图1所示。
图1 立磨系统及测点位置
1.2 冷却系统余热测点位置
该企业冷却系统的高温空气除用于二次空气和三次空气之外，还用于煤磨、余热发电，剩余空气经窑头收尘器除尘后由烟囱排出。当煤磨停机时，仅有余热发电系统利用冷却机高温空气余热，剩余空气经收尘器除尘后由烟囱排出。为了掌握冷却系统排出空气的余热分布及利用情况，其测点位置如图2所示。
图2 冷却系统测点位置
2.1 现场测试情况
结合图1和图2确定的测点位置进行现场测点位置及测试人员操作平台的查勘，根据GB/T 26282—2010《水泥回转窑热平衡测定方法》对粉磨系统和冷却系统余热部分进行的现场测试，测试内容为各测点的气体温度、静压、流量以及大气压等参数。现场测试工况条件如下：
(1)粉磨系统应处于正常运行状况，以便准确地测量系统运行过程中的气体流量及气体显热，准确掌握热风炉在粉磨系统中的热量供应情况，为系统运行热量需求提供依据。
(2)冷却系统余热部分现场测试得知，出冷却机空气余热主要用于余热发电和煤磨两个部分。其中余热发电高温段和低温段是独立运行的，一般情况下只有一个在运行，不会同时运行。在煤磨运行时，窑头排出空气的一部分会进入煤磨，以调节入煤磨空气温度；
当煤磨停机时，除二次空气、三次空气、余热发电抽取空气外，其余气体全部由窑头排出。同时，在余热发电系统正常运行过程中，煤磨用空气和窑头排出空气可用于粉磨系统，但煤磨运行时间较长，停磨时间较短，大部分时间这两部分空气不能作为矿粉粉磨系统的热源。为此，冷却系统余热部分测试应选择煤磨正常运行工况(即最不利的生产条件下)，以余热发电用空气作为矿粉粉磨系统的热源，该部分空气相对于煤磨用空气更为稳定。因而测试余热发电用的高温段和低温段空气温度、静压、流量及其显热，现场测试测点位置如图3所示。
图3 冷却系统调整后测点位置
2.2 现场测试结果
根据GB 26281—2010《水泥回转窑热平衡、热效率、综合能耗计算方法》对各测点数据进行处理，则测试结果见表1。
表1 各测点测试结果
2.3 测试结果分析
2.3.1磨机运行热量需求分析
热风炉运行过程对热风需求主要体现在两个工况：
(1)磨机正常运行时热量需求分析。在磨机运行过程中，热风炉的供风需求是与循环风一起进入磨机，满足磨机配合料烘干所需热量。若利用余热发电用风代替热风炉作为粉磨系统的热源，则热风炉的热量供给量应小于余热发电用冷却系统高温空气显热。由表1数据对比可知，在煤磨正常运行情况下，余热发电抽取冷却系统的空气显热，不论是高温段还是低温段，均大于热风炉的供热量，满足立磨正常运行状况下的热量需求。
(2)磨机启动过程中热量需求分析。在磨机长时间停机之后，重新启动磨机时，因缺少循环风部分的热量，则热风炉作为该磨机的唯一热源，其热量供给应满足粉磨系统启动至稳定运行过程中所有的热量需求。在磨机启动至稳定运行过程中，磨机的喂料量在不断增加，可利用的循环风量、风温及其显热也在不断增加。以最不利因素进行考虑，热风炉的供热量应为正常运行情况下热风炉供热量与循环风显热之和，即在立磨正常运行状况下，进入磨机的所有热风显热。现场测试时，因循环风管测点位置的影响，导致循环风管风量、风温及其显热测量结果不能用于计算，故采用进入磨机的所有热风显热与余热发电抽取空气显热进行对比。由表1数据对比可知，在煤磨正常运行情况下，余热发电抽取冷却系统的空气显热，不论是高温段还是低温段，均大于粉磨系统正常运行时的热量总需求，满足立磨启动至稳定运行状况下的热量需求。
2.3.2磨机内水汽化热需求分析
在粉磨系统运行过程中，入磨风主要任务为烘干、选粉、输送。物料烘干主要与风的温度及其显热有关，选粉主要与风速、风量有关。在此先结合磨机内部水分来分析水汽化热需求情况。磨机内部水分由物料水分和磨机运行过程喷水两部分组成。其中，物料水分约为4.1%，出磨矿粉水分为0.6%，磨机运行过程喷水量为5～7 t·h-1，磨机喂料量约为101 t·h-1，则磨机内汽化水量和汽化热计算见式(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)
式中以室外温度为0 ℃的最不利条件进行计算，结果表明，水汽化所需热量均小于煤磨正常运行情况下的余热发电抽取冷却系统空气显热。
2.3.3风量分析
采用余热发电抽气冷却系统空气替代热风炉用于立磨运行在热量供给上可满足要求，但入磨风的任务不仅包括烘干，还承担着物料的选粉和输送任务，为此需分析物料选粉和输送的风量需求。结合表1可知，进入磨机标况风量约为134 060.96 m3·h-1，平均温度为295 ℃，在煤磨正常运行时，余热发电抽取冷却机的空气温度，不论是高温段还是低温段，均满足立磨正常运行状况下的风温需求；
风量略显不足，但运行过程中可利用循环风作为补充，既能调整风温，又能满足粉磨系统风量要求。
因余热发电空气温度较高，应适当引入一定比例的循环风来调节入磨风温。以进入立磨风的平均温度295 ℃为基准来计算，当抽取余热发电高温段空气时，空气温度为526 ℃，磨机收尘器出口气体温度为94 ℃，则抽取余热发电高温段空气比例约为47%，其余为循环风；
当抽取余热发电低温段空气时，空气温度为493 ℃，磨机收尘器出口气体温度为94 ℃，则抽取余热发电高温段空气比例约为51%，其余为循环风。
2.4 高温空气作为热源的优势
经对该公司矿粉粉磨系统及冷却系统余热情况进行测试，结合测试数据及结果分析可知：
(1)采用余热发电抽取冷却机高温空气作为立磨系统的热源是可以满足生产热量需求的。在不考虑气体输送过程中温降的话，按现场测试气体温度计算，余热发电高温段47%或低温段51%的空气即可满足入磨风热量需求，且可达到287～290 ℃。
(2)采用余热发电抽取冷却机高温段47%或低温段51%的空气作为入磨风风量明显不足，仍需要和循环风配合使用才能完成粉磨系统中的物料选粉和输送。循环风一是可以调节入磨风温；
二是可以增加物料选粉和输送所需风量。
(3)采用干燥的高温空气作为入磨风，相比于热风炉热风烘干效果好。采用热风炉热风时，需加入大量的循环风，循环风中水汽含量较高，现场测试时，手感循环风极度潮湿，虽然水汽温度也在100 ℃以上，但仍不利于磨内物料烘干，而冷却系统的高温空气较为干燥，烘干过程必然加快，烘干效果更好。
取消热风炉，采用余热发电抽取冷却系统的部分高温空气作为矿粉粉磨热源，其有利之处在于：一是不需单独设置热风炉，可减少燃料消耗，降低企业对周边环境的污染；
采用干燥的高温空气作为入磨风，相比于热风炉热风，其烘干过程必然加快，烘干效果更好。同时，因现场测试未对粉磨系统用风进行成分分析，在风量及显热计算过程中均按空气处理，结果存在一定的偏差，尤其是对余热发电抽取冷却系统空气的比例及对余热发电系统发电量的影响，在现有数据的基础上，还不能具体分析，如需更加具体地分析，还需进一步测量烟气成分。
