固废综合 计算：水泥回转窑热量收支计算

前两天在计算烟室温度增加后，出窑熟料温度下降多少的时候，发现按照一般参数来计算的时候，回转窑收入热量要远大于支出热量，今天主要展示下回转窑热量收入与支出的计算过程。
0 W+ r/ d7 \; Z8 a4 T

一、计算的基本条件
3 [% F) i$ A9 Y" m- [! g" K" l
入窑物料温度：850℃，分解率92%；

* N( w/ |# e/ \, p& ]5 I7 O二次风温度：1100℃，一次风温度：50℃，一次风量占比：10%；
: ]+ `/ b) u5 s5 g
, j! J. Y7 h$ ?5 r烟室温度：1100℃，出窑熟料温度：1400℃；
, ~' f& {' \! `8 H9 a# p3 p+ b
煤粉用量：130 kg实物煤/t熟料，煤粉热值：5500 大卡，折合102 kg标煤/t熟料，窑头煤粉用量占比40%，煤的灰分含量20%；

回转窑表面散热：150 kJ/kg熟料；

回转窑内过剩空气系数1.1。
, }# f1 p$ E% n3 b/ H" ]
假设：入窑飞砂料带入热量和烟室入分解炉带走物料两者的热量守恒，均不考虑。
1 c( m  Q0 }8 B: b1 o
; r' X1 E0 d" |1 o6 f二、平衡计算
" z, w& p% o& ]8 Q
（1）热量收入
* S1 o' c( w9 Y3 w: O/ d
9 S1 z3 U( S6 ]' F热量收入主要包括五项。① C5入窑热生料带入热量；② 二次风带入热量；③一次风带入热量；④熟料矿物形成放热量；⑤ 煤粉燃烧放热量。

, g, d, z) f5 [; p其中①、②、③的计算依据均为：物料量或烟气量×物料温度或烟气温度×物料比热或烟气比热。④的计算依据参照建材行业标准JC/T 730-2007 《水泥回转窑热平衡、热效率、综合能耗计算方法》，包括熟料矿物形成放热量（如下图所示）和形成液相吸收热量109 kJ/kg熟料。⑤煤粉燃烧放热量即为0.13*0.4*5500*4.186*0.96=1150 kJ/kg熟料，其中0.98为煤粉燃烬率。
3 J! ~, Y. L  d3 b1 d
+ d6 k1 i, D/ Z4 x- O1 h% R


7 q: t8 b' b. U) M可以看出，关于收入热量的计算还是非常保守的，如考虑了煤粉的燃烬率，二次风温度为1100℃，入窑物料温度为850℃，熟料烧成热耗为102 kg标煤等。热量收入结果如下表所示，总计收入热量2800 kJ/kg熟料。煤粉燃烧占了40%以上，C5入窑物料占了30%，二次风带入热量占了17.5%。



- y9 z  w& m0 z% F/ D: m$ D
（2）热量支出

热量支出主要包括四项，即①出窑熟料带走热量；②窑尾烟气带走热量；③ 回转窑酮体表面散热；④物料中剩余碳酸钙分解吸热。
* Y5 @% |8 |! k, G: ^& {  W* f
! R6 h  o. A& c7 V: Q其中，①出窑熟料带走热量为熟料量、熟料温度、熟料比热容三者的乘积；② 烟气带走热为烟气量、烟气温度、烟气比热容三者的乘积；③酮体表面散热根据在很多企业的检测结果，平均约为150 kJ/kg熟料；④剩余碳酸钙的分解为尚未分解的8%碳酸钙在窑内完全分解吸收的热量，经过计算为167 kJ/kg熟料。计算结果如下图所示。
* i) Y. {: c, k* p* C/ }* e
: K# ^$ N+ \% K9 G: X


+ p* d- f; y: n8 h% y, W( p三、简单分析
1 N2 t) h& n4 L! X2 {$ m4 I
通过计算可知，回转窑输入总热量为2800 kJ/kg熟料，输出总热量为2432 kJ/kg熟料，输出热量比输入热量少了367 kJ/kg熟料，比例达到了13%以上。
4 O" |8 ^2 o, h2 V- o6 |
8 e$ ~, B9 j. p) @6 N/ I! [  g即使对收入热量保守计算，它也比输出热量多了367 kJ/kg熟料。这个值意味着什么呢？

如果其它参数都不变，我通过增加出窑熟料温度来使输出热量与输入热量相同，那么意味着出窑熟料温度要达到1630℃。（这是不可能的）
6 Z& I- }6 R/ I
8 b3 e2 j, S% t1 T9 W  k; p如果其它参数都不变，我通过增加出窑烟气温度（即烟室温度）使输出热量与输入热量相同，那么意味着烟室温度要达到仅1700℃！（这也是不可能的）

% }! R3 G; c% g# ?) m3 i0 _$ d那么这么大的误差是哪里产生的呢？
+ l' o# i& y6 B& y# l
7 Z" i/ }0 y' ^! q之前讲到，通过对水泥回转窑进行热量收支的平衡计算，发现热量收入（即使在保守估算的情况下）比热量支出多了约370 kJ/kg熟料。在此试着解释为何如此。

. @4 a5 N" x' t* @7 i$ K- N（1）熟料矿物形成放热288 kJ/kg熟料有点高

在之前计算熟料矿物形成热的时候按照的是JC/T 730-2007 《水泥回转窑热平衡、热效率、综合能耗计算方法》进行计算的，其中四大矿物形成放热为397 kJ/kg熟料，形成液相吸热109 kJ/kg熟料，两者相减为288 kJ/kg熟料。

# Z( B* n4 r; {' u7 `! e# w, p: K: m2 W在这里有个疑问。一般来说，固相反应，即C2S的形成是放热的，但是C3S的形成应该是微吸热的，但是C3S形成热也是正值？难道是C2S形成热610与C2S+CaO→C3S形成热-145之和？

除此，在部分文献上关于熟料矿物形成热计算并没有采用此计算方法，如“大幅提高新型干法窑产量 的新方法探讨”（新世纪水泥导报，2000年第1期）采用的熟料矿物反应吸热153.1 kJ/kg熟料；在《水泥工业热工设备》一书中，认为C2S形成放热为420 kJ/kgC2S，C3S形成（C2S+CaO→C3S）吸热86 kJ/kgC3S，C3A形成吸热105 kJ/kgC3A， C4AF形成吸热105 kJ/kgC4AF（没有额外考虑液相形成吸热），由此计算熟料矿物形成吸热20 kJ/kg熟料。
& W& H8 g7 j. J% j2 |
总之，关于熟料矿物形成反应热量肯定是每个企业都不相同，但是标准所言熟料形成放热量感觉还是有点偏高。大家可以充分探讨。
, t6 @% o6 _; k. U
（2）没有考虑硫酸盐蒸发、分解的吸热
5 B) n5 Y$ f/ J1 T: ^$ B' ]# j
7 Z0 W8 Q. {6 z1 E硫酸盐（优先为硫酸钠、硫酸钾和硫酸钙）通常在回转窑内发生分解，尤其是硫酸钙，分解比例非常高，而分解过程本身是需要吸收热量的，就像碳酸钙的分解一样。这在之前的计算中并没有考虑。

那么这部分具体的热量有多少呢？不考虑硫酸碱，以硫酸钙为例。假设入窑SO3含量为2%，熟料SO3含量为0.6%。那么意味着1.4%的SO3在回转窑内发生了蒸发与分解。对于1kg熟料，其对应的硫酸钙摩尔数约为0.1mol。硫酸钙分解吸热为117.8kcal/mol，折算后为50.8 kJ/kg熟料。（除此，还会不会在回转窑内发生固体硫酸盐熔化、蒸发为气体硫酸盐，然后再分解，而熔化和蒸发过程也要吸热！）
! g2 y$ a- I! m% E
; O- ~' V& U4 x+ Z5 j( z% m9 S（3）回转窑内煤粉的燃烬率？

4 \7 q. \+ V" N. f: W0 R& w, r8 V在之前的计算中假定煤粉燃烬率为98%，那么实际上燃烬率有这么高吗？
: E6 E( b& L$ Y
3 b* k+ F! z* V没有燃烬的煤粉主要体现在两个方面，一是熟料烧失量，一般认为是固定碳；二是气体中的CO，CO含量越高表明燃烬率越低。
) c/ k: c" f# {9 R- R3 P+ T$ Y
+ q6 u3 d) S4 L6 ?6 |6 B% Y: @假定熟料烧失量为0.25%，烟气中CO含量为1000 ppmm。那么对应的煤粉燃烬率大概是多少呢？熟料烧失量0.25%意味着1kg熟料中2.5g的碳，如果煤粉中碳含量为50%，那么对应的没有燃的煤粉量占比约为3.85%。
1 T. Z& l( n) Y- M8 g$ g
假设C与O2反应生成CO的热量，与CO氧化生成CO2的热量大致相同，那么烟气中1000 ppm的CO对应的未燃尽的煤粉约占总煤粉的0.15%，看来可以忽略不计了。

但是两者之和意味着煤粉的燃烬率只有96%，而不是98%，由此收入热量会减少约24 kJ/kg熟料。当然，影响煤粉燃烬率最大的因素是熟料烧失量，如果烧失量小基本上意味着煤粉燃烬率高。

, U- x  {! c: B( w（4）窑尾飞灰带走的热量与篦冷机飞沙进入窑内的热量孰大孰小？
& U6 C! }8 H. K% ~9 C
在之前的计算中，假定两者相等，均没有给予考虑。而实际上两者孰大孰小呢？一般来说，从窑内被带入的分解炉的飞灰量可高达喂料量的10%以上（与窑尾斜坡结构、形状关系很大）；每个企业飞砂料所占比例也相差很大，据报到有飞砂料大于10%的企业。
9 C9 O# p+ r7 x1 n. `1 ~. q6 C
' K8 Y) b' ]" l) x0 M总之，当飞砂料所占比例超过飞灰量是，这两部分引起的热量收入要大于支出，反之，热量收入要小于支出。
; C' S8 _5 ~9 I
还有其它什么原因呢？