熱平衡計(jì)算是一種根據(jù)熱量收入和支出平衡相等為基本依據(jù)，計(jì)算熱工系統(tǒng)中所需熱值的研究方法。立磨在粉磨礦渣原料或者原煤等含水量較高物料時需要引入合適熱風(fēng)，以此烘干物料所含水分。立磨熱平衡計(jì)算就是以粉磨能力為基礎(chǔ)計(jì)算出通入熱風(fēng)風(fēng)量和熱值量，并以此為依據(jù)選擇如沸騰爐和收塵器、主風(fēng)機(jī)等系統(tǒng)主要設(shè)備規(guī)格，確定粉磨系統(tǒng)的工況條件。
本文以某公司年產(chǎn)60萬t礦渣微粉粉磨生產(chǎn)線作為分析案例，計(jì)算該礦粉生產(chǎn)線熱工參數(shù)，分析不同因素變化帶來的不同影響等。該公司所在地方屬于溫帶大陸性氣候，廠區(qū)海拔約1 000m。該生產(chǎn)線主要消化周邊的鋼渣、礦渣等工業(yè)廢渣，生產(chǎn)高性能的砼摻合料。
1 立磨系統(tǒng)工藝流程簡介
一般而言粉磨礦渣和水泥生料時都需要通入熱風(fēng)，而粉磨非金屬礦物料如重鈣、葉蠟石等因其含水量很小不需通入熱風(fēng)，此外值得注意的是在原煤粉磨系統(tǒng)中一般不用循環(huán)風(fēng)。
礦渣粉磨系統(tǒng)的基本流程為單級收塵器循環(huán)流程，以下簡要介紹：經(jīng)過稱重的物料在輸送中被除鐵后進(jìn)入立磨，物料被碾碎粉磨成合格細(xì)粉后被磨內(nèi)高速氣流吹起，之后進(jìn)入收塵器被收集成成品，較大顆粒則落回磨盤繼續(xù)粉磨，直到粒度合格，合格的廢氣被排風(fēng)機(jī)抽出排放，同時將部分廢氣從煙囪引入立磨（利用其余熱以降低熱耗），同來自熱風(fēng)爐的高溫?zé)犸L(fēng)一起入磨烘干物料水分，以此形成完整平衡的烘干粉磨系統(tǒng)。
本礦渣微粉生產(chǎn)線使用了合肥院HRM3700S立式礦渣磨，在粉磨礦渣時此磨機(jī)實(shí)際生產(chǎn)能力為109t/h，其工藝流程圖見圖1。
2 熱平衡計(jì)算
對于礦渣粉磨系統(tǒng)來說其熱平衡范圍就是磨機(jī)進(jìn)料口和進(jìn)風(fēng)口至磨機(jī)出風(fēng)口，其總熱收入等于總熱支出，記作Q總?cè)?Q總出。具體項(xiàng)目見圖2。
2.1 基準(zhǔn)數(shù)據(jù)及設(shè)定條件
基準(zhǔn)數(shù)據(jù)和假設(shè)條件對計(jì)算結(jié)果影響較大，因此首先要確定出準(zhǔn)確合理的原始數(shù)據(jù)及參數(shù)。2012年11月國家建筑材料工業(yè)水泥能效環(huán)保評價(jià)檢驗(yàn)測試中心對太原市廣廈建材年產(chǎn)60萬t礦渣微粉粉磨系統(tǒng)生產(chǎn)線做了技術(shù)鑒定，測試得到了系統(tǒng)基本生產(chǎn)數(shù)據(jù)，具有客觀性和準(zhǔn)確性，本文以此為依據(jù)進(jìn)行熱平衡計(jì)算。
基準(zhǔn)溫度：0℃（絕對溫度273K）；基準(zhǔn)時間：1h；基準(zhǔn)大氣壓：101.325kPa；量和單位參考國標(biāo)GB3102.4-93《熱學(xué)到量和單位》。設(shè)定立磨漏風(fēng)率為出磨風(fēng)量的5%；忽略環(huán)境空氣中帶入的水汽量，根據(jù)實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)設(shè)定循環(huán)風(fēng)使用量為35%；并忽略循環(huán)風(fēng)管及系統(tǒng)其它風(fēng)管的散熱。原始數(shù)據(jù)見表1。
對于表1中的眾多比熱值的確定需要經(jīng)過查表和計(jì)算，我們以入磨熱風(fēng)平均比熱C1為例，討論如何得出準(zhǔn)確的數(shù)值。經(jīng)過現(xiàn)場鑒定測量，礦渣粉磨系統(tǒng)內(nèi)的氣體成分見表2、表3。
由以上得出C1=0.04×0.4492+0.172×0.3244+0.798×0.3124=0.323kCal/Nm3•℃，即為0.323×4.1868=1.353kJ/Nm3•℃，其它平均比熱值均按此法求得。
2.2 熱平衡計(jì)算
設(shè)L進(jìn)為入磨風(fēng)量，L出為出磨風(fēng)量，L熱為入磨熱風(fēng)量，L循為循環(huán)風(fēng)量，L漏為漏風(fēng)量，L水為入磨水蒸氣量（單位均為Nm3/h）。相互關(guān)系如下：
即為331 094m3/h。此為烘干原料所需要的出磨風(fēng)量，而輸送物料所需要的最小風(fēng)量為363 333m3/h，說明立磨出風(fēng)口風(fēng)量應(yīng)為363 333m3/h，這樣才既能輸送出相應(yīng)產(chǎn)量的礦粉也能達(dá)到烘干要求。因此尾排風(fēng)機(jī)的風(fēng)量處理量為：363 333×1.1=399 666m3/h，式中1.1是放大系數(shù)，一般風(fēng)機(jī)選型時風(fēng)量要比實(shí)際風(fēng)量放大10%~15%，以保證產(chǎn)量。
即立磨排風(fēng)機(jī)選型要求處理風(fēng)量為400 000m3/h，壓力為7 500Pa；介質(zhì)溫度為90℃；與風(fēng)機(jī)風(fēng)量相對應(yīng)，收塵器選型要求處理風(fēng)量為400 000m3/h，過濾風(fēng)速≤1m/s。
2.3 分析與應(yīng)用
根據(jù)圖1所示，立磨排風(fēng)機(jī)為整個粉磨系統(tǒng)提供風(fēng)量和風(fēng)壓，負(fù)責(zé)提供輸送立磨粉磨后的礦粉所需的動力，從鎖風(fēng)喂料機(jī)喂料后至尾排風(fēng)機(jī)均為負(fù)壓操作，此外系統(tǒng)采用了循環(huán)風(fēng)，循環(huán)風(fēng)管是從煙囪旁路引出進(jìn)入磨機(jī)的，因此循環(huán)風(fēng)管內(nèi)也是負(fù)壓。被風(fēng)機(jī)排出的廢氣溫度約為70℃～80℃，還含有一定的熱量，如果直接外排至大氣則造成了部分能量的浪費(fèi)，因此通常引出部分廢氣回磨機(jī)以降低熱耗，上文是在35%循環(huán)風(fēng)的情況下進(jìn)行的熱平衡計(jì)算，我們以同樣的計(jì)算系統(tǒng)在沒有循環(huán)風(fēng)的情況下熱平衡計(jì)算，計(jì)算過程省略，得出如下結(jié)果：L熱=143 792.6Nm3/h
熱風(fēng)爐供熱量：Q=L熱×C1×T1=60 310 911.1kJ/h換成kCal：Q=14 405 013.6kCal/h，在無循環(huán)風(fēng)情況下熱風(fēng)爐規(guī)格需按1.6×107kCal/h選擇，現(xiàn)場熱風(fēng)爐型號為GXDF-16，供熱能力為1.6×107kCal/h，可以滿足無循環(huán)風(fēng)的要求，在通入循環(huán)風(fēng)情況下還有所富余，完全可以滿足正常生產(chǎn)的需要。
小時煤耗量：Gm=Q/（Qdw×0.92）=3 131kg/h 熱平衡計(jì)算數(shù)據(jù)匯總對比見表5。
對比發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)在通入35%循環(huán)風(fēng)和無循環(huán)風(fēng)情況下差別顯著：有循環(huán)風(fēng)可以減少入磨熱量23 086.9Nm3/h，相當(dāng)于降低煤耗502kg/h，明顯的降低了立磨系統(tǒng)的煤耗。
循環(huán)風(fēng)量的大小需要根據(jù)物料的水分確定，通常原料水分低，循環(huán)風(fēng)的濕含量也較低，因此可以使用較大的循環(huán)風(fēng)量；否之相反。對于太原市廣廈建材有限公司年產(chǎn)60萬t礦渣粉磨系統(tǒng)來說，因?yàn)槠湓纤?.8%，成品水分0.3%，均較低，循環(huán)風(fēng)量理論上可以提高到50%以上，本文熱平衡計(jì)算采用35%循環(huán)風(fēng)是通常的經(jīng)驗(yàn)值，實(shí)際該廠正常生產(chǎn)時循環(huán)風(fēng)閥開度也達(dá)到了50%左右。根據(jù)計(jì)算得知，若循環(huán)風(fēng)達(dá)到50%，系統(tǒng)節(jié)能降耗效果將更明顯。經(jīng)鑒定生產(chǎn)線實(shí)際喂煤量為2 184kg/h，低于35%循環(huán)風(fēng)時計(jì)算的耗煤量2 629kg/h，原因即此。
立磨熱平衡計(jì)算是根據(jù)系統(tǒng)中各工況參數(shù)條件來計(jì)算所需熱值的過程，以此作為熱風(fēng)爐規(guī)格選型依據(jù)；同時進(jìn)行系統(tǒng)的通風(fēng)量平衡計(jì)算，得出系統(tǒng)各風(fēng)量參數(shù)，以此作為收塵器和排風(fēng)機(jī)規(guī)格大小的選型依據(jù)。本計(jì)算中磨機(jī)含塵濃度為300g/m3為立磨出風(fēng)口位置，由于立磨磨腔截面****，物料濃度最高，滿足此處物料輸送的風(fēng)量為立磨要求的輸送物料風(fēng)量。但是此處的溫度、物料循環(huán)量等參數(shù)難以界定，通常根據(jù)經(jīng)驗(yàn)以立磨出口處的物料濃度來核算立磨的通風(fēng)量。含塵濃度一般為經(jīng)驗(yàn)值，但和粉磨物料的易磨性、密度、容重等物理性能有關(guān)，不同的物料要求的產(chǎn)品細(xì)度不同，滿足輸送要求的出口含塵濃度也不同。立磨粉磨水泥生料含塵濃度為500~700g/m3，粉磨煙煤的含塵濃度為300~450g/m3，粉磨無煙煤的含塵濃度為250~350g/m3，粉磨高爐礦粉時
磨機(jī)出口濃度為250~350g/m3，粉磨重鈣的含塵濃度小于200g/m3。立磨粉磨的產(chǎn)品越好磨、產(chǎn)品細(xì)度越細(xì)、采用外循環(huán)流程的出口含塵濃度越高，反之越低。
熱平衡計(jì)算的關(guān)鍵是核算得出的烘干物料需通入的熱風(fēng)量是否能滿足物料的輸送要求，通過對比兩者數(shù)值大小，取較大的作為磨機(jī)出口通風(fēng)量，以此既可滿足烘干物料也可滿足成品輸送量。此外對于同一種原料，若入磨風(fēng)溫較低，可以提高入磨熱風(fēng)通風(fēng)量，即采取“低風(fēng)溫大風(fēng)量”可滿足烘干要求，若入磨風(fēng)溫較高，則可適當(dāng)減少入磨熱風(fēng)量。在上述實(shí)例中，熱平衡計(jì)算通風(fēng)量高主要由于產(chǎn)量較高及烘干去除的水分較多，值得一提的是對熱值影響****的因素主要是磨機(jī)產(chǎn)量和原料水分，入磨風(fēng)溫影響也較大。深入研究各工況參數(shù)之間的關(guān)系，對熱平衡計(jì)算進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)算及分析，對生產(chǎn)線的節(jié)能降耗，降本增效有顯著的幫助。
3 結(jié)束語
立磨熱平衡計(jì)算作為工藝設(shè)計(jì)前期重要的環(huán)節(jié)對后期設(shè)備選型影響很大。本文以太原市廣廈建材有限公司年產(chǎn)60萬t礦渣粉磨系統(tǒng)為例進(jìn)行熱平衡計(jì)算，核實(shí)了主機(jī)設(shè)備選型的規(guī)格大小，并分析了熱平衡計(jì)算的要點(diǎn)和應(yīng)用。
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