水泥回转窑系统表面热损失测定的技术探讨_周晓东.pdf

本公司年产220万t水泥，水泥成本节约880万元，总节约生产成本1 150万元。试验前 试验后 试验后 试验前 图3熟料岩相图片3结论（1）使用含氟废渣有效消除了氟加工企业的安全与环保隐患，消除含氟废渣对周边居民与生态环境的影响，且没有氟化氢排放超标问题。（2）使用含氟废渣作为矿化剂配料，熟料氟离子控制值为0.2%0.5%时，生料易烧性（K1450）提升30以上，熟料KH可以提升0.02左右，C3S提高2%4%，凝结时间延长2040 min，抗压强度提高24 MPa。（3）使用含氟废渣作为矿化剂配料，熟料热耗约降低21 kJ/kg，NOx排放降低10%20%。参考文献：1付克明，杨林.矿化剂的矿化机理、掺加方法和对水泥熟料产量、质量的影响J.焦作大学学报，2000（2）：43-46.2姚嵘，梅卫东.萤石尾矿代替萤石作矿化剂提高水泥熟料质量J.水泥，2001（8）：11.3马保国，穆松，蹇守卫.磷渣基复合矿化剂对水泥熟料烧成的影响J.武汉理工大学学报，2006（11）：56-59.4史延明.萤石、石膏复合矿化剂对水泥熟料急凝、缓凝的成因及防止J.散装水泥，2005（1）：47.5石珍明，顾快，楼美善.萤石尾矿作矿化剂在水泥熟料煅烧中的应用研究J.水泥，2020（12）：23-24.6林宗寿.水泥工艺学M.武汉：武汉理工大学出版社，2017.7李培铨，刘长发.复合矿化剂低温煅烧硅酸盐水泥熟料技术J.新世纪水泥导报，1998（1）：42-44.8李新.使用矿化剂、晶种煅烧熟料的技术经济效果J.水泥，1998（2）：49-50.（编辑胡如进）0引言水泥窑热平衡测定作为挖掘水泥企业节能降耗潜力的重要手段越来越受到重视。据统计，一般情况下水泥回转窑系统表面散热约占整个烧成系统热耗的6%12%，但不同生产线可能相差50%以上，因此如何准确完成系统表面散热的测定，对准确完成整个系统的热平衡评价是非常重要的。笔者在依据GB/T 262812021水泥回转窑热平衡、热效率、综合能耗计算方法 和GB/T 262822021水泥回转窑热平衡测定方法 标准进行表面散热测定时遇到了表内风速范围太窄的问题，当环境风速过大时，在标准附录上找不到对应系数，无法开展相关计算。本文首先从实际应用角度提供了针对测定的完善办法，同时介绍了国外某水泥集团对表面散热的计算方法，两种方法均可以很好地解决环境风速过大时表面散热的准确计算问题，供从事测试工作的技术人员参考。1表面散热的计算方法1.1查系数法计算表面散热的完善通 常 情 况 下 表 面 散 热 的 测 定 依 据 是GB/T 水泥回转窑系统表面热损失测定的技术探讨周晓东1，杨金彪1，郝利炜1，刘鹏飞1，李将2（1.北京建筑材料科学研究总院有限公司，北京100041；2.中建材凯慧国际工程有限公司，北京100089）摘要：水泥回转窑系统表面热损失的热工测定比较复杂，对细节把控要求较高。本文介绍了表面热损失的测量经验，对现有的测定方法进行了补充，并给出了用公式法来完成测定的详细过程。关键词：回转窑；表面散热损失；热工测定中图分类号：TQ172.624文献标志码：B文章编号：1002-9877（2023）06-0032-04DOI：10.13739/11-1899/tq.2023.06.0082023.No.6-33-周晓东，等：水泥回转窑系统表面热损失测定的技术探讨262822021和GB/T 262812021，即测量表面温度后查GB/T 262822021中附录D，对于转动设备如回转窑筒体，需查表D.1（不同温差与不同风速的散热系数），得到系数后进行计算；对于不转动的设备，则查表D.2，找到对应系数后还需要用空气冲击角的校正系数加以校正。笔者在计算窑筒体表面温度的过程中遇到一个难题：由于表D.1中所给的风速范围太窄，没有给出对应环境风速大于2 m/s时的系数，而实际测量时会遇到一些风速较大的情况，例如正在使用筒体冷却风机进行吹风冷却的部位，其风速会大于10 m/s，此时就找不到对应的系数。在这种情况下，笔者推荐使用热传导系数图（见图1）1，此图来自Holderbank水泥集团（Holcim水泥集团的前身）。在图1中可以查到一些风速v较高时的系数值。同时该图在低风速段所查系数与GB/T 262822021附录所列值基本一致。根据相关技术人员的经验，测试工作应尽可能避免在风速超过10 m/s的环境中或者雨雪天气进行2。仅辐射v=0 m/sv=1 m/sv=2 m/sv=3 m/sv=4 m/sv=5 m/sv=6 m/sv=7 m/sv=8 m/sv=9 m/sv=10 m/sv=11 m/sv=12 m/sv=13 m/s60v=14 m/s504030201006004005003001000200T-T/0 2散热系数/（W/（m）辐射系数=0.9环境温度T =20 0图1辐射和传导散热系数（总和）由于实际测量过程中环境风速可能随时发生变化，为了尽可能减少测量偏差，在实际操作中可采用两组人员在窑头、窑尾两个区域同时开展标定工作，并在尽可能短的时间内完成。完成一次标定后将两组互换做第二次标定，当两组标定结果差异较大时需要讨论原因并重新标定。另外要尽可能多的在壳体表面采点，以减少由于热工设备壳体表面温度差异引起的测量偏差。1.2公式法计算表面散热对表面散热的计算还可以采用公式法，本文中的公式法源于 化工原理 中的传热学部分3，对于具体传热系数的计算方法则来自于拉法基集团水泥工艺工程手册4及拉法基集团热工计算工具中使用的经验计算公式。公式法将表面散热分为辐射散热和对流散热分别进行计算，表面的总热损失是辐射和对流损失的总和：Q总=Q辐射+Q对流。1）辐射散热就辐射散热而言，附件物体的表面会把所测外壳的热辐射反射回外壳，从而减少了热量的传递，辐射热量的减少量取决于所测外壳的大小、形状、发射率和温度。所测壳体的曲面以及壳体大小、形状和距离将影响可视因子，这里所说的可视因子是指可以被所测外壳“看到”的附件物体表面的比例。即使对于相对简单的形状，可视因子的计算也变得相当复杂，因此必须进行假设以简化计算。辐射损失计算公式（斯忒藩玻耳兹曼定律）：Qra=A （Tsh4 Tsu4）（1）式中：Qra辐射热损失，W；可视因子，如果壳体与周围表面距离很远，则可以假定=1；表面的发射率；Stefan-Boltzmann 常数，5.6710-8 W/（m2 K4）或4.8810-8 kCal/（h m2 K4）；A 表面积，m2；Tsh壳体表面温度，K；Tsu 周边温度，K，当周围物体与壳体相距较远时，可假定等于环境温度Tam。测量表面温度一般采用非接触红外高温计，必须注意在测量时需要调整高温计所使用的发射率，发射率是材料及其表面状况的特性，采用不正确的发射率会产生明显的测量误差。有两种方法可以在静态表面上校准发射率，第一个方法是使用接触式高温计测量温度，然后将红外高温计指向同一点并调整发射率，直到温度读数与接触式温度计的读数相同；第二个方法是在被测表面粘上黑胶布，或者涂上黑漆，然后用测得的温度校准红外高温计。常用特定温度下水泥窑系统表面发射率见表1。2）对流散热依据给定的流动类型的不同，计算对流热损失的公式有很多，一般使用牛顿冷却定律3，公式为：Qco=hA（TshTam）（2）式中：Tam环境温度，；h传热系数，W/（m2 ）。-34-2023.No.6表1特定温度下水泥窑系统表面发射率材料温度/发射率氧化铁5000.78亮的镀锌板280.23抛光的铁4250.144钢的致密发亮氧化层250.82氧化钢40/3700.94/0.97抛光的钢7700.52钢管200.8注：窑筒体一般用15CrMo钢板制造，测定时可以参考表中的氧化钢表面的发射率。对流损失受以下因素影响：（1）空气在表面周围的运动。风速、窑速、风机等因素使对流损失由自然对流变为强制对流，并且由层流运动变为紊流运动。（2）表面的方向和形式。表面形式如方形管道或圆形管道，表面部位是垂直或水平。目前工程上使用的计算表面传热系数的各种公式，主要是通过试验研究获得的。国外某水泥集团在热工计算工具中使用的传热系数计算公式4如下：h=hnat （1+0.57 v）e（3）式中：hnat自然传热系数；v表面周围空气的速度，m/s；e环境风速影响的指数。hnat取决于表面方向和流动类型（层流或湍流），其计算需要考虑表面的特征尺寸，如管道考虑直径；垂直平面壳体考虑其高度；水平壳体则考虑其长度。简化自然传热系数公式见表2。表2简化自然传热系数公式系统几何形状流体类型简化公式垂直平面外壳（高度=H）LAhnat=1.26（TshTam）/H）0.25TUhnat=1.19（TshTam）0.33水平放置平面外壳（长度=L）热面向上传导LAhnat=1.18（TshTam）/L）0.25TUhnat=1.38（TshTam）0.33热面向下传导LAhnat=1.18（TshTam）/L）0.25TUhnat=1.13（TshTam）0.33水平放置圆柱外壳（直径=D）LAhnat=1.18（TshTam）/D）0.25TUhnat=1.13（TshTam）0.33垂直放置圆柱外壳（直径=D）LAhnat=1.26（TshTam）/D）0.25TUhnat=1.19（TshTam）0.33注：LA为层流；TU为湍流。例如，对于水平管道和层流运动hnat=1.18（TshTam）/D）0.25。e从0.5到0.8不等，当风速3 m/s时，e=0.5；当3 m/s风速5 m/s时，e=0.6；当5 m/s风速8 m/s时，e=0.8。1.3分部位计算表面散热的具体公式各部位辐射热损失均采用公式（1）计算，对流热损失均采用公式（2）、（3）计算。由于组成回转窑系统的各个设备具有不同的几何特征，所以需要针对每个设备分别计算表面热损失。1）窑筒体计算辐射热损失时，取1，参考辐射系数取0.95。计算对流热损失时，hnat=1.13（TshTam）0.33，对于回转窑，需要把筒体转动产生的表面线速度视为环境风速的一部分，加到总的风速里。以直径为4.8 m，转速为4.2 r/min的回转窑为例，其表面线速度为3.144.84.2/60=1.06（m/s）。对于正在使用筒体冷却风机的部位，风速的取值需要考虑对应筒体环状表面面积的1/4采用筒体冷却风机风速，其余3/4表面面积采用环境风速。2）分解炉计算辐射热损失时，取1，参考辐射系数取0.83。计算对流热损失时，当无明显环境风速时hnat=1.26（TshTam）/D）0.25，当有环境风速时hnat=1.19（TshTam）0.33。3）旋风筒的柱体、锥体、上升烟道及下料管计算辐射热损失时，取1，参考辐射系数取0.83。计算对流热损失时，hnat计算方法同分解炉部分。4）旋风筒的顶盖计算辐射热损失时，取1，参考辐射系数取0.83。计算对流热损失时，当无明显环境风速时hnat=1.18（TshTam）/D）0.25，当有环境风速时hnat=1.38（TshTam）0.33。5）三次风管及废气管道计算辐射热损失时，取1，三次风管参考辐射系数取0.83；废气管道（外包镀锌板）参考辐射系数取0.63。计算对流热损失时，当无明显环境风速时hnat=1.18（TshTam）/D）0.25，当有环境风速时hnat=1.13（TshTam）0.33。6）窑头罩及冷却机表面计算辐射热损失时，取1，参考辐射系数取0.83。计算对流热损失时，hnat计算方法同分解炉部分。2查系数法与公式法表面散热测定结果对比以测定某厂窑系统表面散热为例，该厂回转窑规格为4.8 m52 m（KHD超短窑），在窑头端2023.No.6-35-周晓东，等：水泥回转窑系统表面热损失测定的技术探讨212 m区域每间隔1 m布置了一台筒体冷却风机，共10台，风机出口风速在12 m/s左右，窑转速为4.5 r/min。熟料产量156.67 t/h。用红外测温枪测得筒体表面平均温度见图2。50403020100450400350300250200150100500测量位置/m筒体表面温度/图2窑筒体表面平均温度笔者采用两种方法对同一套标定数据（相同的表面温度和表面积）进行了表面散热量的计算，结果对比见表3。表3两种方法表面散热量的计算结果对比测定项目散热量/（kCal/h）差异/%查系数法公式法预热器1 844 1891 896 0112.81分解炉1 301 8301 026 764-21.13三次风管1 471 865985 413-33.05窑头罩337 288279 024-17.27回转窑4 737 8505 183 6339.41篦冷机582 785448 987-22.96废气管423 561281 618-33.51合计10 699 36810 101 450-5.59注：现场测定时环境风速为0 m/s，按照国标规范使用查系数法测定时没有考虑筒体冷却风机；当使用公式法时，视窑转动所产生的表面线速度为环境风速。从表3可知，对于回转窑筒体的表面散热，公式法比查系数法高出9.41%，经试算这其中约5%是由于公式法考虑了筒体冷却风机的影响导致的。其他测定项目基本上都是公式法的计算结果较低，产生这一结果的一个重要原因是公式法在计算辐射热损失时引入了热辐射系数对不同材质的散热表面进行校正，对于具有相同表面温度的散热表面，由于其材质的不同导致的辐射散热量必然是不同的，因此引入散热系数来进行校正是必要且合理的。本文公式法计算时对于窑筒体和窑头罩取的热辐射系数是0.95；由于废气管道外表面包裹了镀锌板，所以辐射系数取0.63；其他测定项目取0.83。经试算，如果废气管道热辐射系数取1，则公式法比查系数法得到的废气管道总散热量低8.5%。鉴于公式法考虑了更多的技术细节，如散热系数的校正，我们认为公式法计算表面散热量的结果更准确。3结束语本文首先从实际应用角度提供了测定的完善办法，并同时介绍了国外某水泥集团对表面散热的计算方法，实践表明虽然在初次使用时公式法会比较麻烦，但其适用的环境风速范围更广，应用场景更广。一般情况下，对于窑系统而言，表面辐射换热大于传导换热，且随着表面温度的升高而差距加大。因此，可以从两个方面来减少散热，一方面可以加强保温，降低表面温度来减少散热；另一方面，对于不转动设备，选用黑度小的表面材料也可以显著减少散热，例如对废气管道、篦冷机表面等处采用镀锌板为蒙皮材料等，这种减小黑度的方法简单、经济且收效明显。目前国内有智能化水泥厂使用无人机携带热成像扫描仪来实时监测窑系统表面温度的案例。这种方法不仅可以随时探测到耐火材料的磨损情况，优化工厂检修时的耐火材料更换计划，也可以用来测定表面散热和定期收集热工数据。参考文献：1Holderbank CTC.Heat balances of Kiln and Coolers and Related Topics，Cement seminar-Process TechnologyG.1999.2袁秀霞.水泥回转窑热工测量准确性的影响因素分析J.水泥工程，2014，158（2）：65-68.3夏清，陈常贵.化工原理M.天津：天津大学出版社，2005.4Lafarge SA.Cement Process Engineering Vade-MecumG.2010，9.（编辑张迪）著 作 权 许 可 声 明我刊已与中国知网、万方数据、重庆维普等网站以数字化方式复制、汇编、发行、信息网络传播本刊全文，相关著作权使用费及本刊稿酬已一并支付。作者向本刊提交文章发表的行为即视为同意上述声明。本刊文章未经许可，不得转载使用。