固废综合 计算:水泥回转窑热量收支计算 [复制链接]

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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。
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一、计算的基本条件
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) `3 Z/ v: e6 q入窑物料温度:850℃,分解率92%;/ ~) L+ y: L# K' G% u2 y; _
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二次风温度:1100℃,一次风温度:50℃,一次风量占比:10%;. g8 Z! a1 n* b$ n
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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%;+ Z9 |" D# [& n! T; V. o6 B/ Q( c

; b7 y7 X3 A* M回转窑表面散热:150 kJ/kg熟料;
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回转窑内过剩空气系数1.1。
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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。
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二、平衡计算
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- i' ^4 D4 B0 m+ _! V8 `, d(1)热量收入+ ~0 p/ O% ]6 B# W+ O  t

# G* F/ N$ `# _5 ]# r$ [( B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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6 M( z) ?+ y4 R5 S9 A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。
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( C: l( l; }: z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%。
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(2)热量支出! V9 U: G6 `  Y$ w! A
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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。! L! X' _, ]) r+ V* x: ?# |7 W
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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。
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三、简单分析+ j9 E8 n9 e5 ?0 ^( T2 `
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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。% ?3 p" e5 ^" L  H9 N2 b

" p& {$ g* d0 ]' v$ i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?! o) o- h. s2 x, M1 _  o

2 |3 n: _2 ]2 I8 R0 l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)
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那么这么大的误差是哪里产生的呢?
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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。
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(1)熟料矿物形成放热288 kJ/kg熟料有点高
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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。) Z& [. o$ W) U5 c7 n' l2 D2 l

; ?  ^7 o9 o' x/ J- @; h+ h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?' e# L. ~4 T, a, Z( r# ~

& x7 |: t' R4 u7 D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。. B+ w  }! D, e& h( B9 x
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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。
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(2)没有考虑硫酸盐蒸发、分解的吸热
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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。
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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!)1 {& L' t2 T* Q! h: \" v
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(3)回转窑内煤粉的燃烬率?
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5 O5 C: q; a" t# e6 x; f: b$ ]2 Y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?" e4 ^" P/ p. e% l. m0 R

# s" b  P6 S" G. f! C, v# G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。
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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%。9 ?1 Z2 R( B3 }- |$ i
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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。/ N% g2 J8 E. c5 N; W+ u1 ?

; |6 k1 `/ C, z$ s$ `2 N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。9 |( p1 w; x) I; F
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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?& ?: q  t! \4 ~  N' \
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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。
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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。
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4 E7 I) d& ~5 D, D( f0 h9 H# d还有其它什么原因呢?$ j! c" R3 r5 n- ^8 g

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