摘要：煤粉計量與輸送是水泥廠燒成系統的關鍵環節。目前，國內外新型干法水泥生產線燒成燃煤計量主要采用轉子秤和科里奧利秤。下面僅就這兩種計量設備在國外某 5000t/d 生產線的選型實例，淺析煤粉計量秤對熟料燒成能耗以及生產工藝方案的影響。
煤粉計量與輸送是水泥廠燒成系統的關鍵環節。煤粉計量設備連續穩定的運行， 是穩定水泥燒成熱工制度，提高熟料產質量，降低煤耗，保證系統安全和連續穩定運轉的關鍵因素。目前，國內、外新型干法水泥生產線燒成燃煤計量主要采用轉子秤和科里奧利秤。下面僅就這兩種計量設備在國外某 5000t/d 生產線的選型實例，淺析煤粉計量秤對熟料燒成能耗以及生產工藝方案的影響 。
1 工藝及設備參數
該5 000t/d 生產線設計熟料熱耗指標為3032kJ/kg，燒成燃煤煤質波動較大，其熱值19011~28304kJ/kg之間，工藝設計值為23000kJ/kg。另外，業主要求煤粉制備采用窯尾廢氣烘干，由于地形影響，總圖布置中煤粉制備車間與窯頭車間距離較遠，煤粉倉至窯頭燃燒器輸送距離為：水平170m，高度16m，彎頭10個;煤粉倉至窯尾燃燒器輸送距離：水平70m，高度35m，彎頭6個。據此計算煤粉計量秤的主要選型參數見表 1 。
2 方案比較
2.1 煤粉輸送穩定性
雖然對于5000t/d生產線，窯頭用煤量很少用到16t/h，但設計考慮了最差煤質工況狀態及某些自身的情況。對于窯頭煤粉秤，如果輸送距離不超過150m，轉子秤廠家承諾可滿足工藝要求，對應工藝方案如圖1 所示。
圖 1 至窯頭輸送距離 <150m 時轉子秤工藝流程喂煤穩定性決定著回轉窯和分解爐的運行及熟料質量，當喂料量波動過大時，會造成分解爐堵塞，窯內結圈，跑生料的現象，嚴重影響生產的正常運行。因此，本生產線工藝布置中，當窯頭煤粉輸送能力超過16t/h 時，轉子秤會發生輸送不穩定的現象，此時需在窯頭車間增加煤粉倉，將用于窯頭的煤粉秤移到此倉下，并需增加螺旋泵將煤粉從煤磨車間送至此倉， 這樣方可保證穩定的喂煤，工藝方案如圖 2 所示 。
圖 2 這種方案的變化以及設備的增加，意味著設計的變更及工程成本的增加，這是在總包項目中最難以接受的。而如果使用科里奧利秤就不存在此問題，科里奧利秤不需要工藝方案做任何改變即可滿足煤粉輸送的穩定要求， 其工藝方案如圖 3 所示 。
2.2 輸送煤粉至窯頭用羅茨風機
根據兩個廠家提供的輸送煤粉至窯頭的送煤風量及風壓，羅茨風機選型結果見2。 按照窯系統年運轉率 90%計算，采用科里奧利秤每年可節省用電82.78 萬kWh。
2.3 輸送煤粉至窯尾用羅茨風機
根據兩個公司提供的輸送煤粉至窯尾的送煤風量及風壓，羅茨風機選型結果見表3。按照窯系統年運轉率90%計算，采用科里奧利秤每年可節省用電50.46萬kWh。
2.4 窯頭燃燒器用一次風機
按天津院《煤粉燃燒器系統設計規程》， 窯頭一次空氣量按窯頭燃燒空氣量的 10%計算， 其中窯頭燃燒器送煤風與凈風比例可定為 3.75∶6.25。窯頭凈風由羅茨風機提供，壓力取 25 kPa， 其選型結果見表4。按照窯系統年運轉率 90%計算，采用科里奧利秤一年可節省用電 49.98 萬 kWh。|
2.5 壓縮空氣
本項目設計窯頭與窯尾共用一個煤粉倉。轉子秤配置大致如下：煤粉倉錐體配有一個攪拌器，每臺秤帶有一個 Pre-hopper(校驗小倉)，每個檢驗小倉配置一個攪拌器。 攪拌器需壓縮空氣輔助攪拌，使煤粉均勻并穩定地卸料，每個攪拌器消耗壓縮空氣 100m3/h;最后每臺轉子秤噴吹轉子中的煤粉需要 12m3/h。 如果不計入氣動閘板閥的耗氣量，轉子秤共需壓縮空氣324m3/h(標態)。 科里奧利秤采用壓縮空氣來保證軸承周圍的微正壓，防止水、煤粉進入軸承而影響計量精度以及軸承壽命，如果不計入氣動閘板閥的耗氣量， 共需壓縮空氣 65m3/h(標態)。根據經驗，0.7MPa的壓縮空氣 1m3(標態)消耗功率 0.086 7kW，得出壓縮空氣相關參數見表 5。 按照窯系統年運轉率 90%計算，采用科里奧利秤時，每年節約用電 17.70 萬 kWh。
2.6 熟料燒成熱耗
1)在用煤量不變的情況下，無論一次風量如何變化，燒成系統所需總風量是不變的。一次風量的增加必然造成二次、 三次風量的減少， 燒成系統從冷卻機回收熱量減少，而這部分減少的熱量需要由一次燃料( 煤) 來補充， 即單位熟料燒成熱耗必然增大。窯頭選用轉子秤時一次風量 VY1K 為 16 853m3/h( 標態，下同)，選科里奧利秤時一 次風 量 VY1K為10 043m3/h，轉子秤多出 6 810m3/h， 即入回轉窯二次風量 VY2K 減少 6 810m3/h。 使用不同秤時， 熟料燒成熱耗的變化計算如下( 忽略飛灰的顯熱差值)：
因此窯頭使用轉子秤比使用科里奧利秤熱耗增加 QY2K-QY1K=9.15 ×106kJ/h， 即單位熟料熱耗增加43.90kJ/kg。
2)按《煤粉燃燒器系統設計規程》， 窯尾燃燒器送煤風與凈風比例可定為 3.5∶4.5。窯尾選用轉子秤時入分解爐一次風量VF1K為10 844m3/h，選科里奧利秤時參數 風量( 標態 )入分解爐一次風量 VF1K 為8 073m3/h ，轉子秤多出2 771m3/h，即入分解爐三次風量 VF3K 減少2 771m3/h 。
當三次風溫度為 950℃時，空氣的平均恒壓比熱值為1.407kJ/(m3· ℃)，計算得：
按照窯系統年運轉率 90%、煤熱值23 000kJ/kg計算，選用轉子秤時，燒成系統每年多耗煤4254t，燒成系統熱耗增加 61.15kJ/kg。
2.7 燃燒器對送煤風的要求
本項目設計采用燃燒器相關參數見表 7.
從表 7 可看出，轉子秤窯頭煤粉秤的送煤風量遠大于燃燒器的要求。為保證獲得強有力的窄火焰，轉子秤公司需加大燃燒器的管道直徑， 加大后的燃燒器對燒成系統將有一定的影響，火焰較難控制，對窯操作人員的要求很高，不利于熟料的質量控制，同時也增加了燃燒器的成本。
3 方案選擇及結論
綜上所述， 對于本工程這樣一個典型的5 000t/d生產線，煤粉計量控制環節使用轉子秤與科里奧利秤的能耗比較見表8。
故科里奧利秤在節能降耗方面具有很大的優勢，有利于保證項目的熱耗和電耗指標，對于投資方來說可更好地保證熟料質量， 降低后期的生產成本。
由于轉子秤采用其特有的前饋控制技術， 具有計量精度高、喂料穩定的特點而被廣泛應用，目前國內已有 300 余家新型干法水泥生產線采用了該產品。 科里奧利秤研發問世后，因其在節能降耗方面的優勢而被諸多設計院認可，目前被國內2 500~6 000t/d、12 000t/d 等約 200 家水泥生產線所采用 。鑒于上述分析， 我們推薦采用科里奧利秤 ，然而業主卻堅持采用轉子秤作為本項目的煤粉計量設備。為了不增加工程的投資成本，又能保證轉子秤的正常使用， 總包方只有修改煤粉輸送管道的布置， 改變以往煤粉輸送管道利用窯中構筑物布置的方式， 用最少的彎頭數量、 最短的輸送距離將煤粉送至窯頭 并在熱耗及電耗指標上向業主提出了浮動的要求。
另外， 對于燃燒器的設計也應考慮煤粉濃度： 3～6kg/m3( 標態)， 實際考慮 4.0kg/m3; 實際使用時考慮煤質變化的波動，最小煤粉濃度應>3.5kg/m3; 如果設備廠家沒有提供此參數，可以用煤粉的輸送能力和所用風量相除計算此值， 或對其提供的參數予以驗算 。
在選擇煤粉計量設備時， 一定要綜合考慮各方面的影響因素，如果業主堅持按其偏好選擇設備，而煤粉輸送濃度不能滿足上述要求時，我們應以書面形式明確告之：系統運行后的熱耗指標將會提高，或設計方案需按圖2變更才能保證熱耗指標。
轉子秤和科里奧利秤都具有先進的系統設計、流暢的倉卸料系統以及優異的喂料設備。 但是由于測量原理的差異，使得科里奧利秤做的精巧細致， 轉子秤則顯得厚重穩定。正是由于精巧細致，科里奧利秤的秤體軸承需嚴禁水和煤粉的進入，否則會很快磨損而難以繼續工作，測量精度難以保證，這時需停窯維修，給水泥廠造成較大的經濟損失，因此科里奧利秤在操作管理上對操作人員具有很高的要求。 轉子秤在操作管理上則沒這么嚴格。總之，轉子秤和科里奧利秤互有利弊，而從節能減排方面考慮，宜選擇科里奧利秤作為煤粉計量及輸送設備。
參考文獻 ：
[1] 王君偉，李祖尚. 水泥生產工藝計算手冊[M]. 北京：中國建材工業出版社，2001.
[2] 天津水泥工業設計研究院有限公司 .煤粉燃燒器系統設計規程( 內部資料)， 2007