影響熟料標(biāo)準(zhǔn)煤耗因素的定量分析

隨著國(guó)家“雙碳”戰(zhàn)略實(shí)施，節(jié)能降耗成為水泥行業(yè)更加迫切的需求，現(xiàn)有很多配備5級(jí)雙系列預(yù)熱器的工廠出于成本的考慮，希望在維持預(yù)熱器級(jí)數(shù)不變的情況下，不考慮使用替代燃料和余熱發(fā)電量煤耗折算，僅通過(guò)燒成系統(tǒng)本身的技術(shù)改造來(lái)實(shí)現(xiàn)熟料綜合標(biāo)準(zhǔn)煤耗在100kg/t及以下，即GB16780—2021《水泥單位產(chǎn)品能源消耗限額》規(guī)定的2級(jí)煤耗限額等級(jí)目標(biāo)?？紤]到一般性和代表性，本文以國(guó)內(nèi)主力窯型Φ4.8m×72（74）m、配套5級(jí)雙系列預(yù)熱器、熟料產(chǎn)量6?000t/d、熟料標(biāo)準(zhǔn)煤耗100kg/t為前提，對(duì)影響煤耗的因素進(jìn)行定量分析，以便工廠在制定煤耗指標(biāo)時(shí)有針對(duì)性地進(jìn)行評(píng)估和考慮。

1、窯系統(tǒng)熱平衡計(jì)算為科學(xué)分析評(píng)估煤耗狀況，必須進(jìn)行燒成系統(tǒng)熱平衡計(jì)算，才能準(zhǔn)確找出其主次影響因素及影響程度。表1為根據(jù)以下參數(shù)設(shè)定，以熟料標(biāo)準(zhǔn)煤耗為100kg/t為前提，系統(tǒng)熱平衡計(jì)算結(jié)果（按占比大小順序排列）。參數(shù)設(shè)定結(jié)合常用并參照較先進(jìn)水泥廠運(yùn)行數(shù)據(jù)來(lái)考慮：（1）入窯入爐煤粉空干基發(fā)熱量：22?900kJ/kg（5?500kcal/kg）；（2）入窯入爐煤粉溫度：60℃；（3）入預(yù)熱器生料溫度：50℃；（4）冷卻機(jī)熱回收效率：73%；（5）入預(yù)熱器生料燒失量：35.5%；（6）入預(yù)熱器生料可燃生物質(zhì)：0%；（7）入預(yù)熱器生料水分：0.5%；（8）入預(yù)熱器生料帶入空氣量：0%（按斜槽加收塵器考慮）；（9）出C1氧氣（O2）含量：2.0%；（10）出C1一氧化碳（CO）濃度：0.05%（500ppm）；（11）出C1含塵濃度：80g/Nm3；（12）生料/熟料料耗系數(shù)：1.60；（13）熟料燒失量：0.2%；（14）一次風(fēng)：6%（不包括煤輸送風(fēng)）；（15）系統(tǒng)表面熱損失：250.8kJ/kg（60kcal/kg）；（16）熟料形成熱：1?735kJ/kg（415kcal/kg）；（17）旁路放風(fēng)：無(wú)；（18）入冷卻機(jī)空氣量：1.8Nm3/kg；（19）空氣溫度：20℃；（20）計(jì)算海拔高度：0m；（21）熟料產(chǎn)量：6?000t/d。

2、影響煤耗的因素分析2.1煤粉發(fā)熱量主要影響體現(xiàn)在煙氣量的變化，發(fā)熱量低，則出C1廢氣量大，標(biāo)準(zhǔn)煤耗高（忽略氣體量減少導(dǎo)致其溫度下降而減少的煤耗），三者變化見(jiàn)表2。表2煤粉發(fā)熱量對(duì)煤耗的影響2.2預(yù)熱器1）入預(yù)熱器生料溫度生料溫度若從50℃提高到60℃，能降低標(biāo)準(zhǔn)煤耗近0.5kg/t。生料溫度高、水分少，不但能直接降低煤耗，更重要的是可以減少生料“團(tuán)聚效應(yīng)”，使生料更易分散，提高固氣換熱效率，從而進(jìn)一步降低煤耗。2）出C1廢氣溫度在出C1氧氣（O2）和產(chǎn)量不變的情況下，廢氣溫度提高將導(dǎo)致用煤量以及相應(yīng)的煤耗增加，計(jì)算結(jié)果如表3所示。表3出C1廢氣溫度對(duì)煤耗的影響3）出C1氧氣（O2）含量出C1氧氣（O2）含量越低，則廢氣量和熱損失越少，標(biāo)準(zhǔn)煤耗越低，三者關(guān)系如表4所示（忽略廢氣溫度和飛灰含量變化）。表4出C1氧氣（O2）含量對(duì)煤耗的影響出C1氧氣（O2）4）出C1一氧化碳（CO）含量CO含量與熱損為正比例關(guān)系，見(jiàn)表5。表5出C1一氧化碳（CO）含量對(duì)煤耗的影響5）出C1粉塵濃度粉塵濃度對(duì)煤耗的直接影響很有限，一般1%左右，但它的間接影響不可忽視，主要體現(xiàn)在對(duì)回灰量和熟料產(chǎn)量的影響上，如表6所示。表6出C1粉塵濃度對(duì)煤耗的影響2.3冷卻機(jī)1）冷卻機(jī)熱回收效率熱回收效率對(duì)煤耗影響很大，效率每升降1%，標(biāo)準(zhǔn)煤耗約減增0.5kg/t。需要注意的是，如果用煤量減少，所需二、三次風(fēng)量也隨之減少，這將有可能導(dǎo)致所需熱回收率降低，除非風(fēng)溫上升到足以抵消。2）冷卻機(jī)廢氣量廢氣由中間風(fēng)和尾部風(fēng)兩部分組成，一般占冷卻機(jī)總支出熱量的25%左右，越低對(duì)降低煤耗越有利?，F(xiàn)以冷卻機(jī)熱回收效率保持不變的前提下，計(jì)算幾種狀態(tài)下中間風(fēng)量變化對(duì)風(fēng)溫及煤耗的影響，見(jiàn)表7。表7中間風(fēng)量對(duì)風(fēng)溫及煤耗的影響2.4系統(tǒng)漏風(fēng)系統(tǒng)漏風(fēng)，特別是高溫區(qū)域的漏風(fēng)，主要后果是漏入的冷空氣迅速吸收大量熱量，體積急劇膨脹，并導(dǎo)致周圍氣體溫度降低，影響換熱效率。若1m3空氣從20℃上升到1?100℃，則體積膨脹4.7倍，吸收熱量為368×4.18kJ，相當(dāng)于0.05kg標(biāo)準(zhǔn)煤的發(fā)熱量。2.5熟料形成熱及帶走熱1）熟料形成熱單位熟料形成熱通常占熱支出55%左右，比例越大，表示燒成系統(tǒng)熱利用率越高，其值常用簡(jiǎn)化公式如下：Q=（4.11Al2O3+6.48MgO+7.65CaO-5.12SiO2-0.59Fe2O3）×4.18（kJ/kg）（1）式（1）中Al2O3、MgO、CaO、SiO2、Fe2O3為熟料中相應(yīng)成分百分含量。從式（1）可以看出，在不影響燒成和熟料強(qiáng)度的前提下，適當(dāng)降低飽和比（KH）、硅率（SM）和鋁率（IM），有利于減少形成熱。這里需要特別注意MgO含量，它對(duì)煤耗影響顯著，每升降1%，標(biāo)準(zhǔn)煤耗升降0.93kg/t。2）熟料帶走熱熟料帶走熱與溫度基本呈線性關(guān)系，表8涵蓋了絕大多數(shù)水泥廠熟料溫度及帶走熱狀況。2.6系統(tǒng)表面散熱表面散熱的影響因素很多，如：設(shè)備形狀、相鄰設(shè)備相對(duì)位置、環(huán)境溫度、環(huán)境風(fēng)速、測(cè)點(diǎn)位置、測(cè)點(diǎn)數(shù)量等，具體計(jì)算也較繁復(fù)。這些因素都導(dǎo)致表面散熱數(shù)值難以確定。根據(jù)一些工廠實(shí)際標(biāo)定結(jié)果和理論驗(yàn)算，Φ4.8m×72（74）m窯系統(tǒng)（配套雙系列5級(jí)預(yù)熱器，隔熱板采用普通硅酸鈣板，熟料產(chǎn)量約6?000t/d）的表面散熱一般在（60~70）×4.18kJ/kg，相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)耗煤8.6~10.0kg/t。表8熟料溫度及帶走熱量如果采用高性能納米隔熱板來(lái)代替普通硅酸鈣板，則可以降低表面散熱約10×4.18kJ/kg，即降低標(biāo)準(zhǔn)煤耗約1.5kg/t。另外，若窯內(nèi)采用高性能隔熱磚，在環(huán)境溫度20℃，風(fēng)速1.0m/s，窯筒體表面平均溫度降低50℃的情況下，表面散熱還可以降低約5×4.18kJ/kg，即降低標(biāo)準(zhǔn)煤耗約0.7kg/t。從系統(tǒng)表面散熱角度看，熟料產(chǎn)量增加可以降低單位煤耗，也就是，每噸熟料所分?jǐn)偟谋砻嫔崃繙p少。如產(chǎn)量從6?000t/d提高到6?500t/d，單位表面散熱量將從60×4.18kJ/kg（見(jiàn)1.1設(shè)定）降到55×4.18kJ/kg，即降低標(biāo)準(zhǔn)煤耗0.7kg/t。但隨著產(chǎn)量提高，出C1的廢氣溫度、廢氣量、含塵量等都將發(fā)生變化，對(duì)煤耗的影響也難以從理論上預(yù)測(cè)和估計(jì)。這需要工廠自行摸索和優(yōu)化才能找到合適的產(chǎn)量和相關(guān)運(yùn)行參數(shù)。2.7一次風(fēng)和煤輸送風(fēng)窯頭一次風(fēng)量（不包括煤輸送風(fēng)）一般占比為6%~9%；每降低1%，可直接降低熱耗1.33×4.18kJ/kg（二次風(fēng)溫按1?150℃考慮），即降低標(biāo)準(zhǔn)煤耗0.2kg/t。煤輸送風(fēng)對(duì)熱耗的影響與系統(tǒng)漏風(fēng)類似，在此不再贅述。2.8SNCR脫硝SNCR脫硝對(duì)熱耗的影響主要是氨水和壓縮空氣的噴入；若按氨水3.0kg/t，壓縮空氣50m3/h計(jì)算，增加出C1廢氣量約0.006Nm3/kg，增加煤耗約0.6×4.18kJ/kg，折標(biāo)準(zhǔn)煤耗0.09kg/t，影響較小。2.9其他其他如熟料中游離鈣（f-CaO）、含碳量（C）、硫化物（S2-）、氧化鉀（K2O）、氧化鈉（Na2O）等，若含量不太高，一般對(duì)熱耗的直接影響很小，在此不作詳述。另外，還有一些因素，如分解爐內(nèi)煤粉燃盡率、C2~C5分離效率和溫降分布等