淺論水泥窯高溫氣體分析儀在燒成系統(tǒng)中的節(jié)能作用

  前言

  水泥工業(yè)在我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占據(jù)重要地位，就行業(yè)平均水平而言，生產(chǎn)工藝與裝備雖然已大為改觀，但整體表現(xiàn)仍大而不強(qiáng)。

  大的表現(xiàn)為：產(chǎn)量高（據(jù)美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局2015年1月礦產(chǎn)摘要數(shù)據(jù)顯示，2014年，全球水泥產(chǎn)量為41.8億噸，中國(guó)產(chǎn)量為25億噸，占全球比例59.8%；全球熟料產(chǎn)量為35.7億噸，中國(guó)產(chǎn)量為20億噸，占全球比例56%）；耗能大（年消耗標(biāo)煤占全國(guó)總量約7%）；碳排放多（二氧化碳排放占全國(guó)總量10%以上 ）。

  不強(qiáng)的表現(xiàn)為：管理差、自動(dòng)化水平低、能效低（行業(yè)平均每噸水泥熟料燒成標(biāo)煤耗比國(guó)際先進(jìn)水平高約15%）。

  根據(jù)GB16780-2012《水泥單位產(chǎn)品能源消耗限額規(guī)定》 ：

  （1）現(xiàn)有企業(yè)可比熟料綜合煤耗限定值≤112公斤標(biāo)煤/噸，電耗限定值≤64度/噸；

  （2）新建企業(yè)可比熟料綜合煤耗準(zhǔn)入值≤108公斤標(biāo)煤/噸，電耗準(zhǔn)入值≤60度/噸；

  （3）企業(yè)目標(biāo)可比熟料綜合煤耗先進(jìn)值≤103公斤標(biāo)煤/噸，電耗先進(jìn)值≤56度/噸。

  （4）現(xiàn)有企業(yè)熟料燒成工段煤耗≤115公斤標(biāo)煤/噸，熟料燒成工段電耗≤33度/噸；

  （5）新建企業(yè)熟料燒成工段煤耗≤108公斤標(biāo)煤/噸，熟料燒成工段電耗≤33度/噸；

  （6）企業(yè)目標(biāo)熟料燒成工段煤耗≤105公斤標(biāo)煤/噸，熟料燒成工段電耗≤32度/噸；

  年產(chǎn)200萬噸熟料生產(chǎn)線，按照GB16780-2012新建項(xiàng)目準(zhǔn)入值計(jì)算，一年消耗的標(biāo)煤可達(dá)21.6萬噸/年。實(shí)際生產(chǎn)中，煤耗與煤的熱值和熟料熱耗有關(guān)，當(dāng)煤的熱值為5470kcal/kg，熟料熱耗為710kcal/kg.cl時(shí)，生產(chǎn)一噸水泥的煤耗是129.87.kg.cl/t，年產(chǎn)200萬噸水泥的用煤量是24.89萬噸。

  政府目標(biāo)明確提出，到"十二五"末,全國(guó)水泥生產(chǎn)綜合能耗應(yīng)小于93千克標(biāo)準(zhǔn)煤/噸。即使按企業(yè)目標(biāo)可比熟料綜合煤耗先進(jìn)值≤103公斤標(biāo)煤/噸計(jì)算，還有節(jié)約10公斤標(biāo)煤/噸的潛力，年生產(chǎn)200萬噸水泥的節(jié)煤潛力達(dá)2萬噸，如按一噸煤的市場(chǎng)成本550元計(jì)算，年節(jié)約潛力可達(dá)1100萬元。

  因此，水泥熟料的燒成煤耗是被受關(guān)注的問題，它直接關(guān)系到工廠的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)是否可信、是否先進(jìn)，也關(guān)系到工廠的效益與競(jìng)爭(zhēng)力的大問題。企業(yè)基于自身生存需求及經(jīng)濟(jì)效益需求，必須繼工藝改造（新型干法生產(chǎn)、預(yù)熱發(fā)電）、設(shè)備改造（中高壓變頻、第四代篦冷機(jī)）后，在綜合自動(dòng)化控制系統(tǒng)及先進(jìn)精細(xì)化管理方面尋求支持，探尋降低煤耗的新方案，以達(dá)到節(jié)能減排減員增效目的。

  一、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模式

  目前水泥廠回轉(zhuǎn)窯干法生產(chǎn)線從日產(chǎn)1000噸到日產(chǎn)10000噸工藝技術(shù)已非常成熟，在全國(guó)各地已廣泛推廣應(yīng)用。

  為提高水泥廠回轉(zhuǎn)窯干法生產(chǎn)線的生產(chǎn)效益，各種新技術(shù)相繼在不同的生產(chǎn)線上示范應(yīng)用，如富氧燃燒技術(shù)，分解爐分級(jí)燃燒脫氮技術(shù)，燃燒系統(tǒng)的自動(dòng)化控制技術(shù)等都成為行業(yè)謀求減少水泥工業(yè)污染降低企業(yè)生產(chǎn)成本的一個(gè)個(gè)突破口，但都因各自的種種因素限制了節(jié)能效果的進(jìn)一步提高和實(shí)際應(yīng)用的廣泛推廣。

  要實(shí)行回轉(zhuǎn)窯最佳的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模式，必需綜合生產(chǎn)中的多種工作途徑并輔以最佳操作水平，才能煅燒出最好的熟料和實(shí)現(xiàn)最經(jīng)濟(jì)的生產(chǎn)。

  （1）穩(wěn)定的生料率

  （2）穩(wěn)定的煤質(zhì)量

  （3）穩(wěn)定生料喂料量

  （4）穩(wěn)定的系統(tǒng)風(fēng)量

  （5）穩(wěn)定的分解爐出口溫度

  （6）風(fēng)量、煤、料和窯速的合理匹配

  （7）窯頭和窯尾用煤的合理比例

  （8）窯爐協(xié)調(diào)，穩(wěn)定的燒結(jié)溫度和預(yù)熱分解溫度以及窯爐氣氛的控制

  上述各項(xiàng)途徑中最難控制的是第八條窯爐協(xié)調(diào)，達(dá)成穩(wěn)定的燒結(jié)溫度、分解溫度以及窯爐氣氛的最佳控制。

  水泥熟料的正常生產(chǎn)是在氧化氣氛下進(jìn)行的，但是當(dāng)燃料燃燒不充分時(shí)會(huì)產(chǎn)生還原氣氛。正常狀態(tài)下，燃料充分燃燒生成CO₂，燃料所蘊(yùn)含的熱能全部釋放出來，若氧氣不足時(shí)，煤粉就會(huì)不完全燃燒生成CO，產(chǎn)生還原氣氛。事實(shí)上還原氣氛對(duì)熟料燒成產(chǎn)生有嚴(yán)重的影響，燒成中出現(xiàn)黃心料，熟料易磨性差，并嚴(yán)重影響水泥的顏色，嚴(yán)重的還會(huì)造成預(yù)分解系統(tǒng)粘結(jié)堵塞、窯后結(jié)圈結(jié)球。

  水泥廠窯尾高溫氣體分析儀是檢測(cè)窯爐氣氛的關(guān)鍵設(shè)備，通過窯尾高溫氣體分析儀的在線測(cè)量，可以實(shí)時(shí)掌握窯爐氣氛中CO、NO_x、O₂的情況，確保氧化氣氛煅燒狀態(tài)，結(jié)合溫度檢測(cè)，可確保燒成系統(tǒng)設(shè)備的發(fā)熱能力和傳熱能力的平衡穩(wěn)定，在操作中做到前后兼顧、窯爐協(xié)調(diào)，穩(wěn)定的燒結(jié)溫度和分解溫度，不損壞窯皮，不竄黃料，實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低能耗運(yùn)行。

  根據(jù)水泥回轉(zhuǎn)窯干法生產(chǎn)線的工藝，回轉(zhuǎn)窯窯尾煙氣溫度的最佳值為1050℃，分解爐出口溫度為890℃，預(yù)熱器C1出口溫度為320℃。水泥廠有兩處噴煤，一處是在回轉(zhuǎn)窯的窯頭，另一處是在分解爐的底部。從理論上講，回轉(zhuǎn)窯窯頭的噴煤量約占總用煤量的40%，分解爐底部的用煤量約占60%。

  水泥廠燒成窯的理想經(jīng)濟(jì)運(yùn)行應(yīng)該是按照燒成窯的最佳運(yùn)行參數(shù)使燃燒工作時(shí)各參數(shù)逼近最佳值，如果用曲線表示，則各參數(shù)曲線應(yīng)接近直線，即所謂壓線運(yùn)行模式。如果燃燒運(yùn)行時(shí)各參數(shù)脫離最佳值，則各參數(shù)的曲線就會(huì)變成一條不規(guī)則曲線，甚至變成上下跳變的曲線，結(jié)果大相徑庭。

  下面展示的是三個(gè)水泥廠在實(shí)際運(yùn)行中不同燃燒模式的區(qū)別與結(jié)果。

  例1：不完全燃燒運(yùn)行模式

  某2500T/D水泥生產(chǎn)線預(yù)熱器出口CO和O2實(shí)時(shí)曲線圖：CO濃度在0.4~ 0.6%之間，O₂ 在0.5%左右，沒有窯尾高溫氣體分析儀檢測(cè)窯尾氣氛狀態(tài)，典型的還原氣氛。

  例2：江蘇宜興金墅水泥廠2500T/D回轉(zhuǎn)窯

  窯尾煙氣出口溫度為1092℃；預(yù)熱器C1出口溫度的實(shí)際值為373℃。預(yù)熱器C1出口處煙氣中CO：0.069%， O₂：10.48%，沒有窯尾高溫氣體分析儀檢測(cè)窯尾氣氛狀態(tài)，典型的空氣過量狀態(tài)。

  宜興金墅水泥廠2500T/D的總煤耗量為17.9t/h，合計(jì)煤耗：17900*24/2500=171.83kg/噸

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  例3：四川白川水泥1000t/h回轉(zhuǎn)窯

  安裝了窯尾高溫氣體分析儀，窯尾煙氣溫度的實(shí)際值為1062℃；窯尾煙氣中CO濃度實(shí)際值0.00%，O₂濃度值為3.57%，控制在最佳溫度和氣氛狀態(tài)。

  白川水泥廠1000t/h回轉(zhuǎn)窯的總煤耗量?jī)H為3.75t/h，折算到噸煤耗為：3750*24/1000=90kg/噸（達(dá)到國(guó)家最新標(biāo)準(zhǔn)93千克標(biāo)準(zhǔn)煤/噸）

  二、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模式的節(jié)能效果

  概念：過?？諝庀禂?shù)α

  過?？諝庀禂?shù)α（又稱爐膛過?？諝庀禂?shù)），通常以實(shí)際燃燒空氣量與理論燃燒空氣量之比來衡量過剩空氣量的多少，它選擇合理與否，直接影響鍋爐的熱損失，影響鍋爐的熱效率。

  鍋爐燃料在燃燒過程中，需要充足的空氣以完成猛烈的氧化反應(yīng)，過剩空氣系數(shù)α對(duì)鍋爐燃燒工況及熱效率有著重要的影響，過?？諝庀禂?shù)α偏小，爐膛中空氣供應(yīng)不足，燃燒不良，將使鍋爐的機(jī)械不完全燃燒熱損失和化學(xué)不完全熱損失增大，會(huì)降低鍋爐的熱效率。過?？諝庀禂?shù)α過大，會(huì)使鍋爐排出的煙氣量增多，將使鍋爐排煙熱損失增大，引風(fēng)機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)電能耗量增加，也會(huì)降低鍋爐的熱效率。因此過?？諝庀禂?shù)α選擇合理否，取決于鍋爐型式、燃燒種類、燃燒方式等因素，過?？諝庀禂?shù)α選擇合理，會(huì)使能量損失減少，獲取較高的鍋爐熱效率，并使鍋爐安全運(yùn)行。

  鍋爐的熱平衡和過?？諝庀禂?shù)α對(duì)燃燒的各種影響

  鍋爐的熱平衡是指輸入鍋爐的熱量與鍋爐輸出熱量之間的平衡。

  鍋爐輸入的熱量：主要來源于燃料燃燒放出的熱量。

  鍋爐輸出的熱量：有效利用熱（用于生產(chǎn)蒸汽或熱水）、損失（生產(chǎn)過程中的各項(xiàng)熱量損失）

  研究鍋爐熱平衡的目的可以獲得計(jì)算鍋爐的效率，分析引起熱量損失和影響鍋爐效率的因素，探尋提高鍋爐效率的途徑。

  熱平衡方程式

  Q_f = Q₁+ Q₂ + Q₃ + Q₄ + Q₅ + Q₆          kJ/kg

  –Q_f——1kg燃料帶入爐內(nèi)的熱量，kJ/kg

  –Q₁——鍋爐有效利用熱量，kJ/kg

  –Q₂——排煙熱損失，kJ/kg

  –Q₃——化學(xué)未完全燃燒熱損失，kJ/kg

  –Q₄——機(jī)械未完全燃燒熱損失，kJ/kg

  –Q₅——散熱損失，kJ/kg

  –Q₆——其它熱損失， kJ/kg

  或者，100 = q₁ + q₂ + q₃ + q₄ + q₅ +q₆

  1、α對(duì)化學(xué)不完全燃燒熱損失q₃的影響

  化學(xué)不完全燃燒熱損失q₃：燃料中的可燃物質(zhì)，沒有與氧充分反映，而在排出的煙氣中含有CO，H₂，CH₄等可燃?xì)怏w所引起的熱損失。

  （1）當(dāng)燃料完全燃燒時(shí)，過?？諝庀禂?shù)“氧”的計(jì)算式為：α=21/21-O₂       公式-1

  （2）當(dāng)燃料不完全燃燒時(shí)，過剩空氣系數(shù)“氧”的計(jì)算式為：

  α=21/21-（O₂-2CH₄-0.5CO-0.5H₂）                           公式-2

  可見，過量空氣系數(shù)α過大，主要作用化學(xué)不完全燃燒熱損失q₃減少，次要作用，爐膛溫度降低，化學(xué)不完全燃燒熱損失q₃增加。

  減少化學(xué)不完全燃燒熱損失有三種途徑：爐膛內(nèi)的燃料得到充分混合；提高爐膛內(nèi)燃燒溫度；加強(qiáng)司爐工操作水平。

  2、α對(duì)機(jī)械不完全燃燒熱損失q₄的影響

  機(jī)械不完全燃燒熱損失q₄：又稱固體不完全燃燒熱損失，是由于進(jìn)入爐膛的燃料中有一部分沒有參與燃燒而被排出爐外，因而引起的熱損失。它由三部分組成：（1） 灰渣損失：未參與燃燒或未燃盡的碳粒與灰渣一同落入灰斗所造成的損失。（2）漏煤損失：部分燃料經(jīng)爐排落入灰坑造成的損失。（3）飛灰損失：未燃盡的碳粒隨煙氣帶走所造成的損失。

  機(jī)械未完全燃燒熱損失是燃煤鍋爐主要的熱損失之一，通常僅次于排煙熱損q₂。煤粉爐的q₄范圍：0.5%~5%。

  若過?？諝庀禂?shù)α過小，機(jī)械不完全燃燒熱損失q₄會(huì)增加，過?？諝庀禂?shù)α增大，則機(jī)械不完全燃燒熱損失q₄會(huì)降低。在燃用氣體燃料時(shí)，不需測(cè)定機(jī)械不完全燃燒熱損失q₄。

  減少機(jī)械不完全燃燒熱損失有二種途徑：一是對(duì)于層燃鍋爐，合理布置前后拱，進(jìn)行分?jǐn)嗨惋L(fēng)。對(duì)于無煙煤，前拱響應(yīng)大，后拱也不應(yīng)小。對(duì)于煙煤，前拱相應(yīng)小，后拱根據(jù)煤塊粒而定。二是通過計(jì)算，引入二次風(fēng)，形成擾動(dòng)旋渦，使燃料充分燃燒，可減少機(jī)械不完全燃燒熱損失q₄（二次風(fēng)：在層燃爐中，習(xí)慣上從爐排下送入的空氣稱為“一次風(fēng)”，從爐膛處噴入的空氣稱為“二次風(fēng)”，水泥廠分解爐噴入的空氣稱為“三次風(fēng)”）。

  3、α對(duì)排煙熱損失q₂的影響

  煙氣熱損失q₂：煙氣離開鍋爐排入大氣時(shí)，由于煙氣溫度比冷空氣溫度要高很多，排煙所帶走的熱量損失稱為排煙熱損失。熱損失q₂是鍋爐熱損失中最大的一項(xiàng)，大中型鍋爐正常運(yùn)行時(shí)的q₂約為4～8%。

  影響排煙熱損失的主要因素是排煙溫度和排煙容積。如過?？諝庀禂?shù)α大，爐墻及煙道漏風(fēng)嚴(yán)重，燃料水分高，則排煙容積就大，排煙損失q₂就增加。為減少排煙損失，必須盡力設(shè)法減少煙道各處的漏風(fēng)，在鍋爐安裝時(shí)，應(yīng)重視爐墻、煙道等砌筑的嚴(yán)密性。減小過?？諝庀禂?shù)α，排煙損失可以降低，但q₃，q₄會(huì)增加?？梢娺^?？諝庀禂?shù)α的大小，不僅與排煙損失q₂有關(guān)，還與化學(xué)不完全燃燒熱損失q₃、機(jī)械不完全燃燒熱損失q₄有關(guān)，所以合理的過?？諝庀禂?shù)α值應(yīng)使q₂，q₃，q₄三項(xiàng)熱損失的總和最小。

  策略：合理選擇空氣系數(shù)α，使q₂，q₃，q₄達(dá)到最佳值

  最佳過?？諝庀禂?shù)：一般指的是爐膛出口處的最佳過量空氣系數(shù)。它可以通過實(shí)驗(yàn)的方法進(jìn)行測(cè)定，根據(jù)不同燃料及不同燃燒方式，選擇合理的過量空氣系數(shù)，化學(xué)不完全燃燒熱損失和機(jī)械不完全燃燒熱損失將達(dá)到最佳值。

  過?？諝庀禂?shù)是燃料燃燒時(shí)實(shí)際空氣需要量與理論空氣需要量之比值，用“α”表示。

  計(jì)算公式：α＝20.9%/(20.9%-O₂實(shí)測(cè)值)

  其中：20.9%為O₂在環(huán)境空氣中的含量，O₂實(shí)測(cè)值為儀器測(cè)量煙道中的O₂值

  舉例：鍋爐測(cè)試時(shí)O₂實(shí)測(cè)值為13%，

  過?？諝庀禂?shù)α＝20.9%/(20.9%-13%)＝2.6

  國(guó)標(biāo)規(guī)定：燃煤鍋爐過?？諝庀禂?shù)α＝1.8；（對(duì)應(yīng)煙氣中O₂=9.29%）

  燃油燃?xì)忮仩t過剩空氣系數(shù)α＝1.2；（對(duì)應(yīng)煙氣中O₂=3.48%）

  實(shí)例比較：

  四川白川水泥廠回轉(zhuǎn)窯的過?？諝庀禂?shù)：α＝20.9%/(20.9%-3.57%)＝1.2

  宜興金墅水泥廠（按C1出口處的煙氣含氧量計(jì)算）過?？諝庀禂?shù)：

  α＝20.9%/(20.9%-10.48%)＝2.0

  實(shí)踐表明，過剩空氣系數(shù)每降低0.1，燃煤爐的熱效率可提高1.3%。在工業(yè)中，一般情況下，燃料燃燒的最佳過?？諝庀禂?shù)為1.1~1.3。

  如宜興金墅水泥廠通過改進(jìn)采用節(jié)能燃燒模式，預(yù)計(jì)能提高的節(jié)能效率為：

  （2.0-1.2）/0.1*1.3%=10.4%。

  換算成經(jīng)濟(jì)效益(按年運(yùn)行300天, 煤成本550元/噸計(jì))，年新增效益：

  17.9*24*300*10.4%*550/10000=737.2萬元。

  綜上所述，水泥廠窯尾高溫氣體分析儀對(duì)水泥回轉(zhuǎn)窯燃燒過程的優(yōu)化控制、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和高效節(jié)能有明顯的效果，是水泥廠燒成系統(tǒng)投資成本低、實(shí)施簡(jiǎn)單、效果最好的節(jié)能技術(shù)方案。