影响熟料标准煤耗因素的定量分析

随着国家“双碳”战略实施，节能降耗成为水泥行业更加迫切的需求，现有很多配备5级双系列预热器的工厂出于成本的考虑，希望在维持预热器级数不变的情况下，不考虑使用替代燃料和余热发电量煤耗折算，仅通过烧成系统本身的技术改造来实现熟料综合标准煤耗在100kg/t及以下，即GB16780—2021《水泥单位产品能源消耗限额》规定的2级煤耗限额等级目标。考虑到一般性和代表性，本文以国内主力窑型Φ4.8m×72（74）m、配套5级双系列预热器、熟料产量6 000t/d、熟料标准煤耗100kg/t为前提，对影响煤耗的因素进行定量分析，以便工厂在制定煤耗指标时有针对性地进行评估和考虑。

1、窑系统热平衡计算为科学分析评估煤耗状况，必须进行烧成系统热平衡计算，才能准确找出其主次影响因素及影响程度。表1为根据以下参数设定，以熟料标准煤耗为100kg/t为前提，系统热平衡计算结果（按占比大小顺序排列）。参数设定结合常用并参照较先进水泥厂运行数据来考虑：（1）入窑入炉煤粉空干基发热量：22 900kJ/kg（5 500kcal/kg）；（2）入窑入炉煤粉温度：60℃；（3）入预热器生料温度：50℃；（4）冷却机热回收效率：73%；（5）入预热器生料烧失量：35.5%；（6）入预热器生料可燃生物质：0%；（7）入预热器生料水分：0.5%；（8）入预热器生料带入空气量：0%（按斜槽加收尘器考虑）；（9）出C1氧气（O2）含量：2.0%；（10）出C1一氧化碳（CO）浓度：0.05%（500ppm）；（11）出C1含尘浓度：80g/Nm3；（12）生料/熟料料耗系数：1.60；（13）熟料烧失量：0.2%；（14）一次风：6%（不包括煤输送风）；（15）系统表面热损失：250.8kJ/kg（60kcal/kg）；（16）熟料形成热：1 735kJ/kg（415kcal/kg）；（17）旁路放风：无；（18）入冷却机空气量：1.8Nm3/kg；（19）空气温度：20℃；（20）计算海拔高度：0m；（21）熟料产量：6 000t/d。

2、影响煤耗的因素分析2.1煤粉发热量主要影响体现在烟气量的变化，发热量低，则出C1废气量大，标准煤耗高（忽略气体量减少导致其温度下降而减少的煤耗），三者变化见表2。表2煤粉发热量对煤耗的影响2.2预热器1）入预热器生料温度生料温度若从50℃提高到60℃，能降低标准煤耗近0.5kg/t。生料温度高、水分少，不但能直接降低煤耗，更重要的是可以减少生料“团聚效应”，使生料更易分散，提高固气换热效率，从而进一步降低煤耗。2）出C1废气温度在出C1氧气（O2）和产量不变的情况下，废气温度提高将导致用煤量以及相应的煤耗增加，计算结果如表3所示。表3出C1废气温度对煤耗的影响3）出C1氧气（O2）含量出C1氧气（O2）含量越低，则废气量和热损失越少，标准煤耗越低，三者关系如表4所示（忽略废气温度和飞灰含量变化）。表4出C1氧气（O2）含量对煤耗的影响出C1氧气（O2）4）出C1一氧化碳（CO）含量CO含量与热损为正比例关系，见表5。表5出C1一氧化碳（CO）含量对煤耗的影响5）出C1粉尘浓度粉尘浓度对煤耗的直接影响很有限，一般1%左右，但它的间接影响不可忽视，主要体现在对回灰量和熟料产量的影响上，如表6所示。表6出C1粉尘浓度对煤耗的影响2.3冷却机1）冷却机热回收效率热回收效率对煤耗影响很大，效率每升降1%，标准煤耗约减增0.5kg/t。需要注意的是，如果用煤量减少，所需二、三次风量也随之减少，这将有可能导致所需热回收率降低，除非风温上升到足以抵消。2）冷却机废气量废气由中间风和尾部风两部分组成，一般占冷却机总支出热量的25%左右，越低对降低煤耗越有利。现以冷却机热回收效率保持不变的前提下，计算几种状态下中间风量变化对风温及煤耗的影响，见表7。表7中间风量对风温及煤耗的影响2.4系统漏风系统漏风，特别是高温区域的漏风，主要后果是漏入的冷空气迅速吸收大量热量，体积急剧膨胀，并导致周围气体温度降低，影响换热效率。若1m3空气从20℃上升到1 100℃，则体积膨胀4.7倍，吸收热量为368×4.18kJ，相当于0.05kg标准煤的发热量。2.5熟料形成热及带走热1）熟料形成热单位熟料形成热通常占热支出55%左右，比例越大，表示烧成系统热利用率越高，其值常用简化公式如下：Q=（4.11Al2O3+6.48MgO+7.65CaO-5.12SiO2-0.59Fe2O3）×4.18（kJ/kg）（1）式（1）中Al2O3、MgO、CaO、SiO2、Fe2O3为熟料中相应成分百分含量。从式（1）可以看出，在不影响烧成和熟料强度的前提下，适当降低饱和比（KH）、硅率（SM）和铝率（IM），有利于减少形成热。这里需要特别注意MgO含量，它对煤耗影响显著，每升降1%，标准煤耗升降0.93kg/t。2）熟料带走热熟料带走热与温度基本呈线性关系，表8涵盖了绝大多数水泥厂熟料温度及带走热状况。2.6系统表面散热表面散热的影响因素很多，如：设备形状、相邻设备相对位置、环境温度、环境风速、测点位置、测点数量等，具体计算也较繁复。这些因素都导致表面散热数值难以确定。根据一些工厂实际标定结果和理论验算，Φ4.8m×72（74）m窑系统（配套双系列5级预热器，隔热板采用普通硅酸钙板，熟料产量约6 000t/d）的表面散热一般在（60~70）×4.18kJ/kg，相当于标准耗煤8.6~10.0kg/t。表8熟料温度及带走热量如果采用高性能纳米隔热板来代替普通硅酸钙板，则可以降低表面散热约10×4.18kJ/kg，即降低标准煤耗约1.5kg/t。另外，若窑内采用高性能隔热砖，在环境温度20℃，风速1.0m/s，窑筒体表面平均温度降低50℃的情况下，表面散热还可以降低约5×4.18kJ/kg，即降低标准煤耗约0.7kg/t。从系统表面散热角度看，熟料产量增加可以降低单位煤耗，也就是，每吨熟料所分摊的表面散热量减少。如产量从6 000t/d提高到6 500t/d，单位表面散热量将从60×4.18kJ/kg（见1.1设定）降到55×4.18kJ/kg，即降低标准煤耗0.7kg/t。但随着产量提高，出C1的废气温度、废气量、含尘量等都将发生变化，对煤耗的影响也难以从理论上预测和估计。这需要工厂自行摸索和优化才能找到合适的产量和相关运行参数。2.7一次风和煤输送风窑头一次风量（不包括煤输送风）一般占比为6%~9%；每降低1%，可直接降低热耗1.33×4.18kJ/kg（二次风温按1 150℃考虑），即降低标准煤耗0.2kg/t。煤输送风对热耗的影响与系统漏风类似，在此不再赘述。2.8SNCR脱硝SNCR脱硝对热耗的影响主要是氨水和压缩空气的喷入；若按氨水3.0kg/t，压缩空气50m3/h计算，增加出C1废气量约0.006Nm3/kg，增加煤耗约0.6×4.18kJ/kg，折标准煤耗0.09kg/t，影响较小。2.9其他其他如熟料中游离钙（f-CaO）、含碳量（C）、硫化物（S2-）、氧化钾（K2O）、氧化钠（Na2O）等，若含量不太高，一般对热耗的直接影响很小，在此不作详述。另外，还有一些因素，如分解炉内煤粉燃尽率、C2~C5分离效率和温降分布等