回转窑系统热平衡计算

1 热平衡计算基准、范围及原始数据

1.1 热平衡计算基准

物料基准：一般以1kg熟料为基准；

温度基准：一般以0℃为基准；

1.2 热平衡范围

热平衡范围必须根据回转窑系统的设计或热工测定的目的、要求来确定。在回转窑系统设计时，其平衡范围，可以回转窑、回转窑加窑尾预热分解系统、或再加冷却机和煤磨作平衡范围。范围选得大，则进出口物料、气体温度较低，数据易测定或取得，但往往需要的数据较多，计算也烦琐。因此一般选回转窑加窑尾预热分解系统作为平衡范围。

1.3 原始数据

根据确定的计算基准和平衡范围，取得必要的原始数据，这是一项非常重要的工作。计算结果是否符合实际情况，主要取决于所选用的数据是否合理。对新设计窑或改造窑来说，主要是根据同类型窑的生产资料，结合工厂具体条件和我国实际情况、合理地确定各种参数；对于生产窑来说，主要通过热工测定取得实际生产中各种参数。若以窑加窑尾预热系统为平衡范围，一般要取得如下原始数据：生料用量、化学组成、水分、入窑温度；燃料成分、工业分析和入窑温度；一、二次空气的比例和温度；空气过剩系数、漏风系数；废气温度；飞灰量、灰温度及烧失量；收尘器收尘效率；窑体散热损失；熟料形成热等等。熟料形成热可根据熟料形成过程中的各项物理化学热效应求得，也可用经验公式计算或直接选定。

2 物料平衡与热量平衡

计算方法与步骤说明于下：

窑型：悬浮预热器窑

基准：1kg熟料；0℃

平衡范围：窑+预热器系统

根据确定的平衡范围，绘制物料平衡图和热量平衡图，如图1和图2所示。

图1 物料平衡图                          图2 热量平衡图

2.1 物料平衡计算

2.1.1 收入项目

（1）燃料消耗量

mr（kg/kg熟料）

设计新窑或技术改造时，mr是未知量，通过热平衡方程求得，已生产的窑，通过热工测定得到。

（2）入预热器物料量

① 干生料理论消耗量

式中，mgsL—干生料理论消耗量，kg/kg熟料；Aar—燃料收到基灰分含量，%；a—燃料灰分掺入熟料中的量，%；Ls—生料的烧失量，%。

② 入窑回灰量和飞损量

式中，myh—入窑回灰量，kg/kg熟料；mfh—出预热器飞灰量，kg/kg熟料；mFh—出收尘器飞灰损失量，kg/kg熟料；η—收尘器、增湿塔综合收尘效率，%。

③ 考虑飞损后干生料实际消耗量

式中，mgs—考虑飞损后干生料实际消耗量，kg/kg熟料；Lfh—飞灰烧失量，%。

④ 考虑飞损后生料实际消耗量

式中，ms—考虑飞损后生料实际消耗量，kg/kg熟料；Ws—生料中水分含量，%。

⑤ 入预热器物料量

（kg/kg熟料）

（3）入窑系统空气量

① 燃料燃烧理论空气量

式中，—燃料燃烧理论干空气量，Nm3/kg煤；—燃料燃烧理论干空气量，kg/kg煤；Car、Har、Sar、Oar—燃料应用基元素分析组成，%。

② 入窑实际干空气量

式中，Vyk—入窑实际干空气量，Nm3/kg熟料；myk—入窑实际干空气量，kg/kg熟料；αy—窑尾空气过剩系数。

③ 漏入空气量（包括生料送风量）

式中，VLok—窑尾系统漏风量，Nm3/kg熟料；mLok—窑尾系统漏风量，kg/kg熟料；αf—预热器出口过剩空气系数。

漏入空气量也可用漏风系数求得。

2.1.2 支出项目

（1）熟料量

msh＝1kg

（2）废气量

① 生料中物理水

式中，0.804—为水蒸气密度，kg/Nm3；mws—生料中物理水量，kg/kg熟料；Vws—生料中物理水量，Nm3/kg熟料。

② 生料中化学水

式中，mhs—生料中化学水量，kg/kg熟料；Vhs—生料中化学水量，Nm3/kg熟料；—干生料中三氧化铝含量，%。

③ 生料分出CO2气体量

式中，—生料中分解出CO2气体量，kg/kg熟料；—生料中分解出CO2气体量，Nm3/kg熟料；CO2—干生料中CO2含量，%。

式中，CaOs、MgOs—分别为干生料中CaO和MgO的含量，%；MCO2、MCaO、MMgO—分别为CO2、CaO、MgO分子的相对质量；1.977—CO2密度，kg/Nm3。

④ 燃料燃烧生成烟气量

（Nm3/kg煤）

（Nm3/kg煤）

（Nm3/kg煤）

（Nm3/kg煤）

（Nm3/kg煤）

（Nm3/kg煤）

式中，VfL—燃料燃烧实际烟气量，Nm3/kg煤；mfL—燃料燃烧实际烟气量，kg/kg煤。

⑤ 漏入空气量

VLok（Nm3/kg熟料）；

mLok （Nm3/kg熟料）；

总废气量

（Nm3/kg熟料）

（kg/kg熟料）

（3）出预热器飞灰量

mfh（kg/kg熟料）

2.2 热量平衡计算

2.2.1 收入项目

（1）燃料燃烧生成热

（kJ/kg熟料）

式中，Qnet,ar—燃料收到基低位发热量，kJ/kg煤；

（2）燃料带入显热

Qr＝mrCrtr（kJ/kg熟料）

式中，Cr—燃料的比热，kJ/kg·℃；tr—燃料入窑温度，℃。

（3）生料带入显热

Qs＝(mgsCs十mwsCw)ts（kJ/kg熟料）

式中，Cs、Cw—分别为生料、水的比热，kJ/kg·℃；ts—生料入窑温度，℃。

（4）回灰带入热量

Qyh＝myhCyhtyh（kJ/kg熟料）

式中，Cyh—回灰的比热，kJ/kg·℃；tyh—回灰入窑的温度，℃。

（5）空气带入热量

① 一次空气带入热量

Qylk＝K1VyklCylktylk（kJ/kg熟料）

式中，K1—一次空气占总入窑空气量的比例，%；Cy1k—一次空气在0℃～ty1k温度的平均比热，kJ/Nm3·℃；ty1k—一次空气入窑温度，℃。

② 二次空气带入热量

Qy2k＝(1—K1)VykCy2kty2k（kJ/kg熟料）

式中，Cy2k—二次空气在0℃～ty2k间的平均比热，kJ/Nm3·℃；ty2k—二次空气入窑温度，℃。

③ 漏入空气带入热量

QLOK＝VLOKCLOKtLOK（kJ/kg熟料）

式中，CLOK—漏入空气在0℃～tLOK间的平均比热，kJNm3·℃；tLOK—漏入空气温度，℃。

总收入热量Qzs

Qzs＝QrR + Qr + Qs + Qyh + Qylk + Qy2k + QLOK

2.2.2 支出项目

（1）熟料形成热

（kJ/kg熟料）

式中，—分别为熟料中各成分百分含量。

（2）蒸发生料中水分耗热

Qss＝(mws+mhs)qqh（kJ/kg熟料）

式中，qqh—入窑生料温度时水的汽化热，kJ/kg水。

（3）废气带走热量

Qf＝VfCftf（kJ/kg熟料）

式中，Cf—混合气体的平均比热，kJ/Nm3·℃；tf—废气温度，℃

式中，、、、—分别为CO2、O2、H2O、N2在tf温度时的平均比热，kJ/Nm3·℃；、、、—分别为废气中CO2、O2、H2O、N2的量；Nm3/kg熟料。

（4）出窑熟料带走热

Qysh＝1×Cyshtysh（kJ/kg熟料）

式中，Cysh—熟料在0℃～tysh间的平均比热；kJ/kg·℃；tysh——出窑熟料温度，℃。

（5）出预热器飞灰带走热

Qfh=mfhCfhtfh（kJ/kg熟料）

式中，Cfh—0℃～tfh间飞灰平均比热，J/kg·℃；tfh—飞灰温度，℃。

（6）系统表面散热损失

QB（kJ/kg熟料）

总支出热量Qzc

Qzc＝Qsh＋Qss＋Qf＋Qysh＋Qfh＋QB

收支热量平衡式：Qzs＝Qzc

上述热平衡方程式，为含有一个未知数mr的一元一次方程式。求解上述方程，即可求得单位熟料的燃料消耗量mr。

熟料烧成热耗的计算 

QrR＝mrQnet,ar（kJ/kg熟料）

在所有的热量支出中，只有熟料形成热量是真正消耗于熟料形成的热量，因此回转窑的热效率应为熟料形成热与入窑总热量之比值

但入窑总热量Qzs随热平衡范围不同而变化，因此窑的热效率也可用熟料形成热与燃料燃烧热之ηs比表示，ηs也称窑的烧成热效率。

根据单位熟料的燃料消耗量，回转窑的规格尺寸、燃烧带长度等，还可计算一些窑的主要热工技术参数，如窑的发热量、燃烧带容积热负荷、燃烧带衬砖断面热负荷及表面热负荷等。

以上热平衡计算中，将入窑空气量看成入窑一、二次空气量之和，实际入窑空气量应是入窑一、二次空气量及少量窑头漏风量组成。设计计算时，也可确定窑头漏风系数，计算窑漏风量。另外，计算中还忽略了空气中带入的水分、飞损飞灰脱水及CO2分解耗热两项，此两项数量极小，对热平衡计算结果无影响。

热平衡计算举例

1、原始资料：

（1）窑型；Φ4.0×60 m带RSP型预分解窑；

（2）生产品种：普通硅酸盐水泥熟料；

（3）物料化学成分，见表1；

（4）燃料组成，工业分析见表2及表3。

表1 物料化学成分

表4 温度（℃）

（7）燃料比(%)回转窑(Ky) :分解护(KF)＝40:60；

（8）出预热器飞灰量：0.1 kg/kg熟料；

（9）出预热器飞灰烧失量：35.20％；

（10）各处过剩空气系数：窑尾αy＝l.05；分解炉混合室出口αL＝1.15；预热器出口αf＝1.40；

其中：预热器漏风量占理论空气量的比例K4＝0.16；

气力提升泵喂料带入空气量占理论空气量的比例K5＝0.09，折合料风比为19.8 kg/Nm3

（11）分解炉及窑尾漏风(包括分解炉一次空气量)占分解护用燃料理论空气量的比例K6＝0.05；

（12）收尘器和增湿塔综合收尘效率为99.6％；

（13）熟料形成热：1736.9 kJ/kg熟料；

（14）系统表面散热损失：460 kJ/kg熟料；

（15）生料水分：0.2％；

（16）窑的产量2000t/日(或83.3t/h)。

2.1 物料平衡计算

2.1.1 收入项目

（1）燃料消耗量

mr（kg/kg熟料）

其中，窑头燃料量：

Myr=Kymr（kg/kg熟料）

分解炉燃料量：

mFr=KFmr（kg/kg熟料）

（2）生料消耗量、入预热器物料量

① 干生料理论消耗量

==1.560-0.401mr（kg/kg熟料）

式中，a—燃料灰分掺入熟料中的量，取100%。

② 出收尘器飞损量及入窑回灰量

=0.1×(1-0.996)=0.0004（kg/kg熟料）

=0.1×0.996≈0.10（kg/kg熟料）

③ 考虑飞损后干生料实际消耗量

（kg/kg熟料）

④ 考虑飞损后生料实际消耗量

（kg/kg熟料）

⑤ 入预热器物料量

（kg/kg熟料）

（3）入窑系统空气量

① 燃料燃烧理论空气量

   （kg/kg煤）

（kg/kg煤）

② 入窑实际干空气量

（Nm3/kg熟料）

（kg/kg熟料）

其中，入窑一次空气量、二次空气量及漏风量：

（Nm3/kg熟料）

（Nm3/kg熟料）

（Nm3/kg熟料）

③ 分解炉从冷却机抽空气量

a．出分解炉过剩空气量

（Nm3/kg熟料）

b．分解炉燃料燃烧空气量

（Nm3/kg熟料）

c．窑尾过剩空气量

（Nm3/kg熟料）

d．分解炉及窑尾漏入空气量

（Nm3/kg熟料）

e．分解炉从冷却机抽空气量

（Nm3/kg熟料）

（kg/kg熟料）

④ 气力提升泵喂料带入空气量

（Nm3/kg熟料）

（kg/kg熟料）

⑤ 漏入空气量

a．预热器漏入空气量

（Nm3/kg熟料）

b．窑尾系统漏入空气总量

（Nm3/kg熟料）

c．全系统漏入空气量

（Nm3/kg熟料）

（kg/kg熟料）

2.1.2 支出项目

（1）熟料量

msh＝1kg

（2）出预热器废气量

① 生料中物理水

（kg/kg熟料）

（Nm3/kg熟料）

② 生料中化学水

（kg/kg熟料）

（Nm3/kg熟料）

③ 生料分出CO2气体量

（kg/kg熟料）

（Nm3/kg熟料）

④ 燃料燃烧生成烟气量

（Nm3/kg熟料）

（Nm3/kg熟料）

（Nm3/kg熟料）

（Nm3/kg熟料）

（Nm3/kg熟料）

（Nm3/kg熟料）

⑤ 烟气中过剩烟气量

（Nm3/kg熟料）

（kg/kg熟料）

其中，

（Nm3/kg熟料）

（kg/kg熟料）

（Nm3/kg熟料）

（kg/kg熟料）

⑥ 总废气量

＝(0.281-0.072mr+1.122mr)+(4.872mr +1.946mr)+(0.004-0.001mr +0.021

-0.005mr +0.456mr)+0.517mr+0.002mr

      ＝0.572+11.729mr（kg/kg熟料）

（3）出预热器飞灰量

（kg/kg熟料）

2.2 热量平衡计算

2.2.1 收入项目

（1）燃料燃烧生成热

（kJ/kg熟料）

（2）燃料带入显热

Qr = mrCrtr=mr×1.154×60=69.240mr（kJ/kg熟料）

（0~60℃时，熟料平均比热Cr=1.154 kJ/kg·℃）

（3）生料带入显热

Qs = (mgsCs十mwsCw)ts

= [(1.560-0.401mr)×0.878+(0.003-0.001mr)×4.182]×50 = 69.111-17.813mr（kJ/kg熟料）

    （0~50℃时，水的平均比热Cw =4.182 kJ/kg·℃；干生料水平均比热Cs =0.878 kJ/kg·℃）

（4）入窑回灰带入热量

Qyh = myhCyhtyh = 0.100×0.836×50 = 4.180（kJ/kg熟料）

（0~50℃时，回灰平均比热Cyh =0.836 kJ/kg·℃）

（5）空气带入热量

① 一次空气带入热量

Qylk＝Vy1kCylktylk= 0.15×2.586mr×1.298×30 = 15.105mr（kJ/kg熟料）

（0~30℃时，空气平均比热Cy1k =1.298 kJ/Nm3·℃）

② 入窑二次空气带入热量

Qy2k = Vy2kCy2kty2k = 0.80×2.586mr×1.403×950 = 2757.4mr（kJ/kg熟料）

（0~95℃时，空气平均比热Cy2k =1.403 kJ/Nm3·℃）

③ 入分解炉三次空气带入热量

QF3k = VF3kCF3ktF3k= 4.310mr×1.377×740 = 4391.8mr（kJ/kg熟料）

（0~740℃时，空气平均比热CF3k =1.377kJ/Nm3·℃）

④ 气力提升泵喂料空气带入热量

Qsk = VskCsktsk = 0.554 mr×1.299×50 = 35.983mr（kJ/kg熟料）

（0~50℃时，空气平均比热Csk =1.299 kJ/Nm3·℃）

⑤ 系统漏风带入热量

QLOK = VLOKCLOKtLOK = 1.299mr×1.298×30 = 50.595（kJ/kg熟料）

（0~30℃时，空气平均比热CLOK =1.298 kJ/Nm3·℃）

总收入热量Qzs

Qzs = QrR + Qr + Qs + Qyh + Qylk + Qy2k + QF3k+ Qsk+ QLOK

    = 23614mr+69.240mr+(69.111-17.813mr)+4.180+15.105mr+2757.4mr+4391.8mr

     +335.983mr+50.595mr

   = 73.291+30916mr（kJ/kg熟料）

2.2.2 支出项目

（1）熟料形成热

= 32.01×66.83+17.19×5.54+27.10×0.59-21.40×22.48-2.47×3.79

= 1760（kJ/kg熟料）

（2）蒸发生料中水分耗热

Qss = (mws+mhs)qqh = (0.003-0.001mr+0.017-0.004mr) ×2380 = 47.60-11.9mr（kJ/kg熟料）

（50℃时，水的汽化热qqh = 2380 kJ/kg水）

（3）废气带走热量

   = [(0.281+1.050mr)×1.921+6.818mr×1.319+(0.025+0.450mr)×1.550

+0.517mr×1.370+0.002mr×1.965]×370

=214.06+4595.3mr（kJ/kg熟料）

（0~370℃时，各气体平均比热=1.921 kJ/Nm3·℃；=1.319 kJ/Nm3·℃；=1.550 kJ/Nm3·℃；=1.370 kJ/Nm3·℃；=1.965kJ/Nm3·℃）

（4）出窑熟料带走热量

Qysh＝1×Cyshtysh = 1×1.078×1360 = 1466.1（kJ/kg熟料）

（0~1360℃时，熟料平均比热Cysh=1.078 kJ/kg·℃）

（5）出预热器飞灰带走热量

Qfh=mfhCfhtfh = 0.100×0.5×340 = 30.43（kJ/kg熟料）

（0~340℃时，飞灰平均比热Cfh=0.5J/kg·℃）

（6）系统表面散热损失

QB = 460（kJ/kg熟料）

总支出热量Qzc

Qzc = Qsh＋Qss＋Qf＋Qysh＋Qfh＋QB

   = 1760+(47.60-11.9mr)+(214.06+4595.3mr)+1466.1+30.43+460

   = 3978.2+4583.4mr（kJ/kg熟料）

收支热量平衡式

Qzs＝Qzc

73.291+30916mr = 3978.2+4583.4mr

求得：mr = 0.1483（kJ/kg熟料）

即烧成1 kg熟料需要消耗0.1483 kg燃料。求得燃料消耗后，即可列出物料平衡表（表5）和热量平衡表（表6），并计算一些主要热工技术参数。

熟料单位烧成热耗

QrR＝mrQnet,ar = 23614×0.1483 = 3502.0（kJ/kg）

熟料烧成热效率

= 50.56%

窑的发热能力

Qyr=MyrQnet,ar = KymrGQnet,ar = 0.4×0.1483×83.3×103×23614 = 11.67×107（kJ/h）

燃烧带衬砖断面热负荷

＝11.47×106（kJ/m2·h）

表5 物料平衡表（kg/kg熟料）