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计算:水泥回转窑热量收支计算 [复制链接]

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约20分46秒
京东
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。+ T; e$ k  u; g5 J

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一、计算的基本条件
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入窑物料温度:850℃,分解率92%;
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+ o. x2 l1 `! w& U$ `2 U二次风温度:1100℃,一次风温度:50℃,一次风量占比:10%;
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烟室温度:1100℃,出窑熟料温度:1400℃;
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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%;; O& o& M; \1 f9 V8 v

# G7 F; E7 B1 O9 Q9 Q4 F* X7 P, o4 ^回转窑表面散热:150 kJ/kg熟料;* k5 P: K) [; y; h# K6 m# n- i. S

* W9 J5 |$ i' i* k  D回转窑内过剩空气系数1.1。6 E* e+ L) ]  s/ m2 E/ c% K1 _' A
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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。; R) ^5 n; W- i: g" ~

2 V) G/ `* G9 z* j二、平衡计算
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(1)热量收入
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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。
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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。: l: K, a  t  C: @+ U
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4 g6 \. O" e0 n& c: _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%。3 F) Z6 y& o9 p, }
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(2)热量支出
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' A0 H. a) k( B6 N4 p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。
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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。) O4 _8 W+ K+ ^! S' }
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三、简单分析
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4 K( Q. i: B$ H. m2 m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。
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- i/ R# j/ T- c5 }9 d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?
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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)
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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)6 t1 M) P9 f% X- U' ?: |
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那么这么大的误差是哪里产生的呢?9 N4 \/ c  |0 g

) T- e1 d/ S* i: I. j5 T' R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。/ M# t1 v' c, v- b
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(1)熟料矿物形成放热288 kJ/kg熟料有点高3 D4 O' ]. Z+ q' p5 p+ W
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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。
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1 ~$ H1 J8 Z5 ^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?
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: G9 c, A3 k2 m. `& }& `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。: n/ b5 |8 E# }6 X( f7 U

' V0 M8 W9 I2 C6 X  S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。% {# p2 C- F# O1 z( [$ r

% J4 g. M) U3 k5 ~(2)没有考虑硫酸盐蒸发、分解的吸热
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) {; u4 F3 h- |2 o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。$ a; E7 z# u0 _
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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!)
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/ j' n* I2 A( ?& B# K; V(3)回转窑内煤粉的燃烬率?- A$ d: n- S  N0 B
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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?4 A7 m) q8 ~" q% A
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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。& r) c- d# J) X4 S
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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%。
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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。! z3 U. @( x$ u: h0 u9 p
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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。/ ]* y7 Z0 g) D
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(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?
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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。+ c; X+ j0 }4 }5 ^) t9 N' p/ T8 `6 }

9 S5 U3 v3 N5 j" D' w1 d' x# H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。1 ~) `! i1 G8 p$ [
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还有其它什么原因呢?
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