新型干法水泥窯系統(tǒng)火用平衡研究

馬嬌媚，陶從喜，狄東仁

1 引言

節(jié)能降耗是水泥生產(chǎn)永恒的主題之一，水泥窯系統(tǒng)主要消耗的是熱能，熱分析是在熱平衡的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。熱平衡遵循熱力學(xué)第一定律——能量守恒定律，反映了窯爐的熱量收支平衡關(guān)系。長期以來，熱平衡和熱分析已為大家熟悉和掌握，但它只分析了能量在轉(zhuǎn)化和傳遞過程中數(shù)量上的平衡，而沒有考慮其在質(zhì)量上的差異和變化。

為了度量能量的品質(zhì)及其可利用程度，比較不同狀態(tài)下系統(tǒng)的做功能力大小，熱力學(xué)提出了?的概念[1]。天津水泥工業(yè)設(shè)計研究院有限公司節(jié)能示范水泥生產(chǎn)線——河南孟電項目，其預(yù)熱預(yù)分解水泥窯系統(tǒng)目前的能耗水平國內(nèi)領(lǐng)先，本文基于其熱工標(biāo)定基本數(shù)據(jù)，對預(yù)熱預(yù)分解水泥窯系統(tǒng)各個輸入輸出支項進(jìn)行了?計算，用熱力學(xué)第二定律的基本理論進(jìn)行了分析研究，旨在進(jìn)一步探索新型干法水泥工藝技術(shù)的節(jié)能降耗途徑。

2 ?的定義及種類

2.1 ?的定義

能（Energy）有兩大特點：一方面，能有數(shù)量概念，又有質(zhì)量概念，同樣數(shù)量的能，其質(zhì)量可以不同[2，3]。例如，同樣含有41 840kJ熱量的水或水氣，在20℃、100℃、1 000℃下價值不同。20℃水的能量沒有太大價值，100℃的熱水能供日常生活用，1 000℃的水氣可用于發(fā)電。另一方面，能量具有守恒性和貶值性，能在轉(zhuǎn)移或轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪恍问綍r，其數(shù)量可不變，但其品位（質(zhì)量）會發(fā)生變化，如0℃環(huán)境中將1kg80℃水和1kg0℃水混合，可得2kg40℃水，按守恒定律，它完全沒有能量損失，但若不加任何能量，只用2kg40℃水要得到1kg80℃水是絕對不可能的，這是一個不可逆過程，它損失了（混合時）可用功。熱平衡分析法不能全面反映能量利用的程度，所以，玻璃窯、余熱鍋爐、水泥窯等所有涉及熱能轉(zhuǎn)換利用的系統(tǒng)，既要分析能量平衡，又要分析能質(zhì)平衡[4，5]。

?（Exergy）是在熱力學(xué)第二和第一定律基礎(chǔ)上導(dǎo)出的一個有條件的狀態(tài)函數(shù)，是描述能可用性的重要物理量。其概念是：任何熱力學(xué)體系，當(dāng)它所處狀態(tài)與周圍環(huán)境不平衡時，就有過渡到與環(huán)境相平衡的趨勢，該體系對環(huán)境就具有一定的做功能力。如果在不可逆條件下過渡，則體系對環(huán)境所作的功將達(dá)到最大值。我們把理論上能夠最大限度地轉(zhuǎn)變?yōu)榧夹g(shù)功的能量稱為?或者火用（也可叫“有效能”、“可用能”、“可用功”），?的單位是 kJ。?值按作功大小定。不可轉(zhuǎn)變?yōu)榧夹g(shù)功的能量稱為火無或者火無（Anergy，也可叫“無效能”、“無用能”）。使用能源實際上是使用?，節(jié)能的本質(zhì)是節(jié)?。

2.2 ?的種類

當(dāng)環(huán)境狀態(tài)一定時，系統(tǒng)的?量流大小只與其狀態(tài)有關(guān)，可視為狀態(tài)參數(shù)。能量系統(tǒng)的?包括各種物理?、化學(xué)?、功的?、熱?等，其中物理?和化學(xué)?量由系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)決定。

（1）功的?

功是高品位的能，包括機械功、電功、磁功等，功在轉(zhuǎn)換過程中能全部轉(zhuǎn)換，因此，功的?量就等于功。即：

式中：

EXW——功的?值，kJ

W——以功的形式傳遞的機械能、電能等，kJ

（2）熱量的?

熱量?是指高于或者低于環(huán)境溫度的系統(tǒng)與環(huán)境傳遞熱量時所能做出的最大有用功。若系統(tǒng)為恒溫，則：

式中：

EXQ——熱量?值，kJ

Q——高溫?zé)嵩聪蛲饨绛h(huán)境放出的熱量，kJ

T0——環(huán)境溫度，K

T——系統(tǒng)溫度，K

若系統(tǒng)溫度低于環(huán)境溫度時，低溫物體則吸收熱量Q，吸熱量Q的?被稱為冷量?，此時系統(tǒng)吸收熱量，環(huán)境放出熱量，則冷量?的計算公式為：

（3）物理?

物理?是任意狀態(tài)的物質(zhì)與環(huán)境僅存在熱不平衡和力不平衡時具有的?，物理?包括溫度?和壓力?、宏觀動能?及宏觀勢能?，水泥窯系統(tǒng)的廢氣顯熱、物料顯熱均屬于此類。物理?的表達(dá)式為：

式中：

EXph——熱量?值，kJ

H——物質(zhì)的焓值，kJ/kg

程瀚喜歡名表，經(jīng)常戴著價格不菲的名表出席各種場合?！安慌骂I(lǐng)導(dǎo)講原則，只怕領(lǐng)導(dǎo)沒愛好”，一些有所圖的老板就投其所好，給程瀚送玉石、名表，美其名曰“玩玩”“欣賞欣賞”，其實這些老板都心知肚明，程瀚不還，他們是不會要的。

H0——環(huán)境狀態(tài)下物質(zhì)的焓值，kJ/kg

S——物質(zhì)的熵值，kJ/（kg·K）

S0——環(huán)境狀態(tài)下物質(zhì)的熵值，kJ/（kg·K）

m——系統(tǒng)內(nèi)物質(zhì)的質(zhì)量，kg

V——系統(tǒng)相對于地球參照系的速度，m/s

Z——系統(tǒng)相對于地球海平面的高度，m

實際工程設(shè)備中，一般為穩(wěn)流系統(tǒng)，穩(wěn)流系統(tǒng)物質(zhì)的物理?表達(dá)式為：

可見，當(dāng)系統(tǒng)與環(huán)境達(dá)到力、熱平衡時，物質(zhì)的物理?為零。

（4）化學(xué)?

化學(xué)?是構(gòu)成系統(tǒng)的物質(zhì)由于化學(xué)結(jié)構(gòu)、組成以及聚集狀態(tài)同環(huán)境物質(zhì)的差異而具有的對相應(yīng)的外界做出最大有用功的能力。任意與環(huán)境狀態(tài)處于約束性平衡的物質(zhì)的化學(xué)?計算式為：

元素和很多化合物的標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)?可從相關(guān)文獻(xiàn)和標(biāo)準(zhǔn)中查閱到；部分化合物的化學(xué)?無法查到，可運用穩(wěn)定單質(zhì)生成化合物的生成反應(yīng)的?平衡方程式計算求出；穩(wěn)定單質(zhì)的化學(xué)?可以通過現(xiàn)有元素的化學(xué)?數(shù)據(jù)表查到。由元素或穩(wěn)定單質(zhì)A、B、C生成的化合物，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下單位摩爾數(shù)該化合物的化學(xué)?計算公式為：

式中：

kJ/mol

3 水泥窯系統(tǒng)?分析研究

3.1 熟料形成熱?的計算

水泥生產(chǎn)中除了燃料的燃燒、生料的加熱等過程外，還進(jìn)行著一系列復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，化學(xué)反應(yīng)過程耗?的求算一直是?分析計算中的一個難點，特別是水泥熟料系高溫狀態(tài)下燒成，物理化學(xué)反應(yīng)復(fù)雜，使計算更為困難。我們查閱了大量的計算熟料形成?的方法，基本上分為兩類，一類是基于反應(yīng)步驟的分步計算法[6，7]，一類是直接用生成物減去反應(yīng)物的?計算[8]。我們通過綜合分析，找到了與水泥熟料相關(guān)的各種物質(zhì)的化合焓、?的值，采用第二種方法進(jìn)行了計算。

表1中原料成分來自于河南孟電生產(chǎn)線標(biāo)定數(shù)據(jù)。首先計算出熟料的組成和生成物的組成，再根據(jù)化學(xué)?的計算公式，得出熟料形成?。

3.2 系統(tǒng)?平衡計算

我們以具有典型代表性的孟電項目燒成系統(tǒng)作為分析對象，溫度、壓力、風(fēng)量、料流量等數(shù)據(jù)來自孟電窯系統(tǒng)標(biāo)定報告，窯系統(tǒng)的熱工標(biāo)定和熱平衡計算依據(jù)為GB/T 26281-2010《水泥回轉(zhuǎn)窯熱平衡、熱效率、綜合能耗計算方法》、GB/T 26282-2010《水泥回轉(zhuǎn)窯熱平衡測定方法》，熱平衡計算結(jié)果見表2。根據(jù)熱工標(biāo)定的數(shù)據(jù)，對系統(tǒng)的?平衡按照上文中的方法進(jìn)行計算，結(jié)果見表3。

對比表2和表3可以發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)的目的?效率遠(yuǎn)低于系統(tǒng)的熱效率。?平衡中，?損失分為固有?損失和技術(shù)?損失。固有?損失是指由于過程中的不可逆性引起的?損失，包括燃燒?損失、傳熱?損失等；技術(shù)?損失是指目的?支出和固有?損失以外的各種?消耗，如物料或氣體帶出?、表面散熱?等。其中，固有?損失在實際過程中已轉(zhuǎn)換為火無，這些轉(zhuǎn)換為火無的項目在熱平衡中并不存在，只有通過?分析才能體現(xiàn)出來。表3中除了熟料形成熱?，技術(shù)?損耗從大到小依次為窯尾廢氣?、窯頭廢氣?、熟料帶走?、表面散熱?。然而最大的是固有?損失，是由系統(tǒng)的不可逆過程造成的。

表1 生產(chǎn)1kg熟料消耗的原料組分以及熟料中的礦物組分

表2 水泥窯系統(tǒng)熱量平衡表

3.3 基于?分析的節(jié)能措施

熱力學(xué)分析方法中，能量衡算法最簡單，熵分析次之，?分析法計算工作量最大[1]，其中熵分析和?分析結(jié)果一致。能量衡算只能求出能量的排除損失，不能得到由不可逆因素引起的?損失的信息。熵或?分析可求出過程?損失的大小、原因和它的分布情況，還能通過單體設(shè)備的?損失與熱效率或?效率判斷它們的熱力學(xué)完善程度和節(jié)能潛力，便于制定正確有效的節(jié)能措施。對于只利用熱能為主的場合，如對供暖、工業(yè)用加熱爐、熔解爐的熱力學(xué)分析，可以只用熱量衡算進(jìn)行評價；對于熱過程中存在能量轉(zhuǎn)化的場合，如蒸汽輪機、鍋爐、熱泵、制冷機、換熱過程、化學(xué)反應(yīng)過程、分離過程等的熱力學(xué)分析，應(yīng)該以?（或熵）分析為主，以能量衡算為輔。

表3 水泥窯系統(tǒng)?量平衡表

設(shè)計工作要對新的能量系統(tǒng)進(jìn)行分析，一般是先做能量衡算，再進(jìn)行?分析。當(dāng)然，最佳工藝流程與工藝條件的確定要考慮許多因素，但目前由于能源價格急劇上漲，減少?損失，提高?的利用率成為一項重要的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，這是毫無疑義的。無論如何，經(jīng)?分析確定的最優(yōu)參數(shù)比單純能量衡算確定的最優(yōu)參數(shù)要合理得多，窯爐熱工過程火用分析是評價生產(chǎn)裝置能量利用合理程度、探索降低能耗方法的有力工具。早在多年前，天津院有限公司就進(jìn)行過分解爐系統(tǒng)的?平衡計算[9]，我們以孟電一線的燒成系統(tǒng)為例[10]，進(jìn)行了實測和計算，得到了該窯的熱平衡表和?平衡表，并找出了節(jié)能的途徑。由計算結(jié)果可看出，水泥窯的?效率低于熱效率，能的有效利用程度并非如熱效率反映的那樣高。根據(jù)?平衡表，可作如下的?分析。

能量不可逆損失中占比最大的是燃燒和氣固換熱過程。因為燃燒產(chǎn)物的?值比燃燒前燃料的?值低（由于燃燒發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)引起?損失），并且實際燃燒產(chǎn)物的溫度總是低于理論燃燒溫度。減少這部分損失可采?。海?）盡可能燃燒完全；（2）在燃燒完全的條件下采用的空氣過剩系數(shù)盡可能低；（3）盡量提高燃料和助燃空氣的預(yù)熱溫度；（4）能量不可逆損失中占相當(dāng)比重的是傳熱過程，如火焰空間內(nèi)的傳熱過程、窯內(nèi)的傳熱過程等。當(dāng)燃燒產(chǎn)物向物料（或空氣）傳熱時，燃燒產(chǎn)物從理論燃燒溫度下降到排煙溫度時，?值的減少大于物料（或空氣）從入窯溫度上升到熔融（或預(yù)熱）溫度時?值的增加。這兩個?之差即為不可逆損失。

4 結(jié)語

（1）以孟電節(jié)能示范線為代表的窯系統(tǒng)仍然有大量的熱量?可回收利用。

（2）窯系統(tǒng)存在氣固換熱、燃燒不可逆過程，導(dǎo)致大量的固有?損失存在。

（3）回轉(zhuǎn)窯不是節(jié)能的重點，節(jié)能的重點仍然是預(yù)熱器、冷卻機。

（4）研發(fā)應(yīng)以提高預(yù)熱器的換熱效率、提高冷卻機的換熱效率和熱回收效率為主。

（5）提高過程的可逆程度才能有效提高?效率，冷卻機的溫度梯度最大，不可逆程度最大。

（6）對于廢氣，可以考慮采用熱泵技術(shù)等進(jìn)行低品質(zhì)熱能的回收利用。