如何准确计算立磨热平衡
水泥 合肥水泥研究设计院 2015-04-03
热平衡计算是一种根据热量收入和支出平衡相等为基本依据，计算热工系统中所需热值的研究方法。立磨在粉磨矿渣原料或者原煤等含水量较高物料时需要引入合适热风，以此烘干物料所含水分。立磨热平衡计算就是以粉磨能力为基础计算出通入热风风量和热值量，并以此为依据选择如沸腾炉和收尘器、主风机等系统主要设备规格，确定粉磨系统的工况条件。
本文以某公司年产60万t矿渣微粉粉磨生产线作为分析案例，计算该矿粉生产线热工参数，分析不同因素变化带来的不同影响等。该公司所在地方属于温带大陆性气候，厂区海拔约1 000m。该生产线主要消化周边的钢渣、矿渣等工业废渣，生产高性能的砼掺合料。
1 立磨系统工艺流程简介
一般而言粉磨矿渣和水泥生料时都需要通入热风，而粉磨非金属矿物料如重钙、叶蜡石等因其含水量很小不需通入热风，此外值得注意的是在原煤粉磨系统中一般不用循环风。
矿渣粉磨系统的基本流程为单级收尘器循环流程，以下简要介绍：经过称重的物料在输送中被除铁后进入立磨，物料被碾碎粉磨成合格细粉后被磨内高速气流吹起，之后进入收尘器被收集成成品，较大颗粒则落回磨盘继续粉磨，直到粒度合格，合格的废气被排风机抽出排放，同时将部分废气从烟囱引入立磨（利用其余热以降低热耗），同来自热风炉的高温热风一起入磨烘干物料水分，以此形成完整平衡的烘干粉磨系统。
本矿渣微粉生产线使用了合肥院HRM3700S立式矿渣磨，在粉磨矿渣时此磨机实际生产能力为109t/h，其工艺流程图见图1。
2 热平衡计算
对于矿渣粉磨系统来说其热平衡范围就是磨机进料口和进风口至磨机出风口，其总热收入等于总热支出，记作Q总入=Q总出。具体项目见图2。
2.1 基准数据及设定条件
基准数据和假设条件对计算结果影响较大，因此首先要确定出准确合理的原始数据及参数。2012年11月国家建筑材料工业水泥能效环保评价检验测试中心对太原市广厦建材年产60万t矿渣微粉粉磨系统生产线做了技术鉴定，测试得到了系统基本生产数据，具有客观性和准确性，本文以此为依据进行热平衡计算。
基准温度：0℃（绝对温度273K）；基准时间：1h；基准大气压：101.325kPa；量和单位参考国标GB3102.4-93《热学到量和单位》。设定立磨漏风率为出磨风量的5%；忽略环境空气中带入的水汽量，根据实际使用经验设定循环风使用量为35%；并忽略循环风管及系统其它风管的散热。原始数据见表1。
对于表1中的众多比热值的确定需要经过查表和计算，我们以入磨热风平均比热C1为例，讨论如何得出准确的数值。经过现场鉴定测量，矿渣粉磨系统内的气体成分见表2、表3。
由以上得出C1=0.04×0.4492+0.172×0.3244+0.798×0.3124=0.323kCal/Nm3•℃，即为0.323×4.1868=1.353kJ/Nm3•℃，其它平均比热值均按此法求得。
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2.2 热平衡计算
设L进为入磨风量，L出为出磨风量，L热为入磨热风量，L循为循环风量，L漏为漏风量，L水为入磨水蒸气量（单位均为Nm3/h）。相互关系如下：
即为331 094m3/h。此为烘干原料所需要的出磨风量，而输送物料所需要的最小风量为363 333m3/h，说明立磨出风口风量应为363 333m3/h，这样才既能输送出相应产量的矿粉也能达到烘干要求。因此尾排风机的风量处理量为：363 333×1.1=399 666m3/h，式中1.1是放大系数，一般风机选型时风量要比实际风量放大10%~15%，以保证产量。
即立磨排风机选型要求处理风量为400 000m3/h，压力为7 500Pa；介质温度为90℃；与风机风量相对应，收尘器选型要求处理风量为400 000m3/h，过滤风速≤1m/s。
2.3 分析与应用
根据图1所示，立磨排风机为整个粉磨系统提供风量和风压，负责提供输送立磨粉磨后的矿粉所需的动力，从锁风喂料机喂料后至尾排风机均为负压操作，此外系统采用了循环风，循环风管是从烟囱旁路引出进入磨机的，因此循环风管内也是负压。被风机排出的废气温度约为70℃～80℃，还含有一定的热量，如果直接外排至大气则造成了部分能量的浪费，因此通常引出部分废气回磨机以降低热耗，上文是在35%循环风的情况下进行的热平衡计算，我们以同样的计算系统在没有循环风的情况下热平衡计算，计算过程省略，得出如下结果：L热=143 792.6Nm3/h
热风炉供热量：Q=L热×C1×T1=60 310 911.1kJ/h换成kCal：Q=14 405 013.6kCal/h，在无循环风情况下热风炉规格需按1.6×107kCal/h选择，现场热风炉型号为GXDF-16，供热能力为1.6×107kCal/h，可以满足无循环风的要求，在通入循环风情况下还有所富余，完全可以满足正常生产的需要。
小时煤耗量：Gm=Q/（Qdw×0.92）=3 131kg/h 热平衡计算数据汇总对比见表5。
对比发现系统在通入35%循环风和无循环风情况下差别显著：有循环风可以减少入磨热量23 086.9Nm3/h，相当于降低煤耗502kg/h，明显的降低了立磨系统的煤耗。
循环风量的大小需要根据物料的水分确定，通常原料水分低，循环风的湿含量也较低，因此可以使用较大的循环风量；否之相反。对于太原市广厦建材有限公司年产60万t矿渣粉磨系统来说，因为其原料水分7.8%，成品水分0.3%，均较低，循环风量理论上可以提高到50%以上，本文热平衡计算采用35%循环风是通常的经验值，实际该厂正常生产时循环风阀开度也达到了50%左右。根据计算得知，若循环风达到50%，系统节能降耗效果将更明显。经鉴定生产线实际喂煤量为2 184kg/h，低于35%循环风时计算的耗煤量2 629kg/h，原因即此。
立磨热平衡计算是根据系统中各工况参数条件来计算所需热值的过程，以此作为热风炉规格选型依据；同时进行系统的通风量平衡计算，得出系统各风量参数，以此作为收尘器和排风机规格大小的选型依据。本计算中磨机含尘浓度为300g/m3为立磨出风口位置，由于立磨磨腔截面最大，物料浓度最高，满足此处物料输送的风量为立磨要求的输送物料风量。但是此处的温度、物料循环量等参数难以界定，通常根据经验以立磨出口处的物料浓度来核算立磨的通风量。含尘浓度一般为经验值，但和粉磨物料的易磨性、密度、容重等物理性能有关，不同的物料要求的产品细度不同，满足输送要求的出口含尘浓度也不同。立磨粉磨水泥生料含尘浓度为500~700g/m3，粉磨烟煤的含尘浓度为300~450g/m3，粉磨无烟煤的含尘浓度为250~350g/m3，粉磨高炉矿粉时
磨机出口浓度为250~350g/m3，粉磨重钙的含尘浓度小于200g/m3。立磨粉磨的产品越好磨、产品细度越细、采用外循环流程的出口含尘浓度越高，反之越低。
热平衡计算的关键是核算得出的烘干物料需通入的热风量是否能满足物料的输送要求，通过对比两者数值大小，取较大的作为磨机出口通风量，以此既可满足烘干物料也可满足成品输送量。此外对于同一种原料，若入磨风温较低，可以提高入磨热风通风量，即采取“低风温大风量”可满足烘干要求，若入磨风温较高，则可适当减少入磨热风量。在上述实例中，热平衡计算通风量高主要由于产量较高及烘干去除的水分较多，值得一提的是对热值影响最大的因素主要是磨机产量和原料水分，入磨风温影响也较大。深入研究各工况参数之间的关系，对热平衡计算进行准确的计算及分析，对生产线的节能降耗，降本增效有显著的帮助。
3 结束语
立磨热平衡计算作为工艺设计前期重要的环节对后期设备选型影响很大。本文以太原市广厦建材有限公司年产60万t矿渣粉磨系统为例进行热平衡计算，核实了主机设备选型的规格大小，并分析了热平衡计算的要点和应用。
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