新型干法水泥窯系統火用平衡研究

馬嬌媚，陶從喜，狄東仁

1 引言

節能降耗是水泥生產永恒的主題之一，水泥窯系統主要消耗的是熱能，熱分析是在熱平衡的基礎上進行的。熱平衡遵循熱力學第一定律——能量守恒定律，反映了窯爐的熱量收支平衡關系。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化和傳遞過程中數量上的平衡，而沒有考慮其在質量上的差異和變化。

為了度量能量的品質及其可利用程度，比較不同狀態下系統的做功能力大小，熱力學提出了?的概念[1]。天津水泥工業設計研究院有限公司節能示范水泥生產線——河南孟電項目，其預熱預分解水泥窯系統目前的能耗水平國內領先，本文基于其熱工標定基本數據，對預熱預分解水泥窯系統各個輸入輸出支項進行了?計算，用熱力學第二定律的基本理論進行了分析研究，旨在進一步探索新型干法水泥工藝技術的節能降耗途徑。

2 ?的定義及種類

2.1 ?的定義

能（Energy）有兩大特點：一方面，能有數量概念，又有質量概念，同樣數量的能，其質量可以不同[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℃的水氣可用于發電。另一方面，能量具有守恒性和貶值性，能在轉移或轉變為另一形式時，其數量可不變，但其品位（質量）會發生變化，如0℃環境中將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換利用的系統，既要分析能量平衡，又要分析能質平衡[4，5]。

?（Exergy）是在熱力學第二和第一定律基礎上導出的一個有條件的狀態函數，是描述能可用性的重要物理量。其概念是：任何熱力學體系，當它所處狀態與周圍環境不平衡時，就有過渡到與環境相平衡的趨勢，該體系對環境就具有一定的做功能力。如果在不可逆條件下過渡，則體系對環境所作的功將達到最大值。我們把理論上能夠最大限度地轉變為技術功的能量稱為?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。不可轉變為技術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?，節能的本質是節?。

2.2 ?的種類

當環境狀態一定時，系統的?量流大小只與其狀態有關，可視為狀態參數。能量系統的?包括各種物理?、化學?、功的?、熱?等，其中物理?和化學?量由系統狀態參數決定。

（1）功的?

功是高品位的能，包括機械功、電功、磁功等，功在轉換過程中能全部轉換，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境溫度的系統與環境傳遞熱量時所能做出的最大有用功。若系統為恒溫，則：

式中：

EXQ——熱量?值，kJ

Q——高溫熱源向外界環境放出的熱量，kJ

T0——環境溫度，K

T——系統溫度，K

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

（3）物理?

物理?是任意狀態的物質與環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?，水泥窯系統的廢氣顯熱、物料顯熱均屬于此類。物理?的表達式為：

式中：

EXph——熱量?值，kJ

H——物質的焓值，kJ/kg

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H0——環境狀態下物質的焓值，kJ/kg

S——物質的熵值，kJ/（kg·K）

S0——環境狀態下物質的熵值，kJ/（kg·K）

m——系統內物質的質量，kg

V——系統相對于地球參照系的速度，m/s

Z——系統相對于地球海平面的高度，m

實際工程設備中，一般為穩流系統，穩流系統物質的物理?表達式為：

可見，當系統與環境達到力、熱平衡時，物質的物理?為零。

（4）化學?

化學?是構成系統的物質由于化學結構、組成以及聚集狀態同環境物質的差異而具有的對相應的外界做出最大有用功的能力。任意與環境狀態處于約束性平衡的物質的化學?計算式為：

元素和很多化合物的標準化學?可從相關文獻和標準中查閱到；部分化合物的化學?無法查到，可運用穩定單質生成化合物的生成反應的?平衡方程式計算求出；穩定單質的化學?可以通過現有元素的化學?數據表查到。由元素或穩定單質A、B、C生成的化合物，標準狀態下單位摩爾數該化合物的化學?計算公式為：

式中：

kJ/mol

3 水泥窯系統?分析研究

3.1 熟料形成熱?的計算

水泥生產中除了燃料的燃燒、生料的加熱等過程外，還進行著一系列復雜的化學反應，化學反應過程耗?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下燒成，物理化學反應復雜，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，一類是基于反應步驟的分步計算法[6，7]，一類是直接用生成物減去反應物的?計算[8]。我們通過綜合分析，找到了與水泥熟料相關的各種物質的化合焓、?的值，采用第二種方法進行了計算。

表1中原料成分來自于河南孟電生產線標定數據。首先計算出熟料的組成和生成物的組成，再根據化學?的計算公式，得出熟料形成?。

3.2 系統?平衡計算

我們以具有典型代表性的孟電項目燒成系統作為分析對象，溫度、壓力、風量、料流量等數據來自孟電窯系統標定報告，窯系統的熱工標定和熱平衡計算依據為GB/T 26281-2010《水泥回轉窯熱平衡、熱效率、綜合能耗計算方法》、GB/T 26282-2010《水泥回轉窯熱平衡測定方法》，熱平衡計算結果見表2。根據熱工標定的數據，對系統的?平衡按照上文中的方法進行計算，結果見表3。

對比表2和表3可以發現，系統的目的?效率遠低于系統的熱效率。?平衡中，?損失分為固有?損失和技術?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?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換為火無，這些轉換為火無的項目在熱平衡中并不存在，只有通過?分析才能體現出來。表3中除了熟料形成熱?，技術?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，是由系統的不可逆過程造成的。

表1 生產1kg熟料消耗的原料組分以及熟料中的礦物組分

表2 水泥窯系統熱量平衡表

3.3 基于?分析的節能措施

熱力學分析方法中，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，還能通過單體設備的?損失與熱效率或?效率判斷它們的熱力學完善程度和節能潛力，便于制定正確有效的節能措施。對于只利用熱能為主的場合，如對供暖、工業用加熱爐、熔解爐的熱力學分析，可以只用熱量衡算進行評價；對于熱過程中存在能量轉化的場合，如蒸汽輪機、鍋爐、熱泵、制冷機、換熱過程、化學反應過程、分離過程等的熱力學分析，應該以?（或熵）分析為主，以能量衡算為輔。

表3 水泥窯系統?量平衡表

設計工作要對新的能量系統進行分析，一般是先做能量衡算，再進行?分析。當然，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化目標函數，這是毫無疑義的。無論如何，經?分析確定的最優參數比單純能量衡算確定的最優參數要合理得多，窯爐熱工過程火用分析是評價生產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行過分解爐系統的?平衡計算[9]，我們以孟電一線的燒成系統為例[10]，進行了實測和計算，得到了該窯的熱平衡表和?平衡表，并找出了節能的途徑。由計算結果可看出，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?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。因為燃燒產物的?值比燃燒前燃料的?值低（由于燃燒發生劇烈的化學反應引起?損失），并且實際燃燒產物的溫度總是低于理論燃燒溫度。減少這部分損失可采取：（1）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盡可能低；（3）盡量提高燃料和助燃空氣的預熱溫度；（4）能量不可逆損失中占相當比重的是傳熱過程，如火焰空間內的傳熱過程、窯內的傳熱過程等。當燃燒產物向物料（或空氣）傳熱時，燃燒產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（或預熱）溫度時?值的增加。這兩個?之差即為不可逆損失。

4 結語

（1）以孟電節能示范線為代表的窯系統仍然有大量的熱量?可回收利用。

（2）窯系統存在氣固換熱、燃燒不可逆過程，導致大量的固有?損失存在。

（3）回轉窯不是節能的重點，節能的重點仍然是預熱器、冷卻機。

（4）研發應以提高預熱器的換熱效率、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等進行低品質熱能的回收利用。