多風道煤粉燃燒器配風羅茨風機的合理選擇

江旭昌

1 前言

當前，幾乎所有應用回轉窯的工業(yè)部門都廣泛地使用三風道或先進的四風道等多風道煤粉燃燒器。為其配風的煤風和凈風的一次風機一律采用羅茨風機供風，這在國內(nèi)外已取得了共識。煤風風機不再采用高壓離心風機、回轉式滑片壓縮機和串聯(lián)羅茨鼓風機，凈風風機也不再采用高壓離心風機供風［1］。但是，大家對單臺羅茨風機主要性能參數(shù)的正確選擇普遍存在一些模糊不清的認識，導致90%以上的生產(chǎn)線或風量選擇過大，或升壓選用過高，或二者兼有造成所配用的電動機功率過大，造成大量電能浪費，煤風羅茨風機尤甚。一般電動機的實際運行電流I還不到其額定電流IH的50%或者50%左右，這就充分證明了羅茨風機選擇過大。羅茨風機選擇過大，不僅增加了基建投資，有的還會浪費水資源，增加了運行費用，加快了燃燒器噴燃管的磨損，縮短了其使用壽命，尤其是限制了燒成系統(tǒng)主要技術經(jīng)濟指標潛力的正常發(fā)揮，嚴重地影響了企業(yè)的經(jīng)濟效益和環(huán)保效益，而且對國家大力提倡的增產(chǎn)降耗和節(jié)能減排非常不利。現(xiàn)在不少企業(yè)對這種損失視而不見或聽之任之，沒有引起足夠的重視。為解決這些問題，現(xiàn)撰此文進行解讀，供有關水泥廠和業(yè)內(nèi)人士參考。

2 羅茨風機風量和升壓簡析

羅茨風機的風量和升壓是最重要的兩個技術參數(shù)，風量和升壓的乘積決定了所配電動機的功率。這三個參數(shù)在任何羅茨風機樣本上都必須給出，供選型之用，見表1［2］。

表1中給出的風量是指在一個標準大氣壓（非工程大氣壓）101.325kPa、溫度為20℃和相對濕度為50%～60%條件下的羅茨風機進口容積流量，單位是m3/min，一般稱為羅茨風機的“風量”。樣本上給出的容積流量并不是在使用時的真實容積流量，因為空氣的體積隨溫度的升高而增大，隨壓力的增大而減小。當空氣經(jīng)過羅茨風機的擠壓和摩擦后，不僅壓力會增大，而且溫度也會有所增高，此時的容積流量也會發(fā)生變化。但從羅茨風機樣本上可以看出，對于同一臺型號相同的風機，其進口容積流量隨升壓的升高而逐漸減小。這是指空氣真正達到樣本上所標明的高升壓值下的容積流量，壓力越高，氣體的體積越小。

羅茨風機的升壓是指具有一個標準大氣壓的空氣被羅茨風機由進口吸入經(jīng)過擠壓后所升高的壓強，也就是羅茨風機出口與進口空氣所具有的壓強之差，單位用kPa表示［3］。這里必須明確兩個問題：一是羅茨風機的壓強是由輸送系統(tǒng)的阻力所決定，二是羅茨風機壓強的作用是用來克服輸送系統(tǒng)阻力的。對于煤粉輸送系統(tǒng)而言，其阻力主要有羅茨風機出口消音器1、各種計量設備2、輸送管路3和燃燒器噴燃管4等，則系統(tǒng)總阻力應為：

對于凈風輸送系統(tǒng)而言，只有羅茨風機出口消音器6、輸送管路（含閥門和彎頭等）5和燃燒器噴燃管4，沒有計量設備，如圖1所示，其系統(tǒng)總阻力應為：

3 羅茨風機風量和壓強的合理選擇

羅茨風機風量和壓強選擇過大，勢必導致羅茨風機型號加大，基建投資浪費，電能消耗增加；選擇過小，則會影響正常生產(chǎn)。

3.1 羅茨風機風量的正確選擇

3.1.1 一次風量的確定

為煤粉燃燒器供風的兩臺或三臺羅茨風機的總風量LZ應與所需要的一次風量L1基本相同。一次風量可按式（3）計算得到：

表1 L系列羅茨鼓風機性能表*

式中：

KH——羅茨風機安裝處的海拔高度系數(shù)，平原地區(qū)取KH=1，海拔較高地區(qū)的KH值可按表2選取。

φ1——一次風率，%。一次風率φ1的大小與燃燒器的性能有關，而燃燒器的性能又與其風道數(shù)量有關。對于正確設計相同風道數(shù)量的煤粉燃燒器，其一次風率φ1與風道數(shù)量n的關系見表3。從回轉窯燃燒器的發(fā)展歷程來看，風道數(shù)量越多性能越好，需要的一次風率也越小。應注意的是，即便風道數(shù)量n相同，燃燒器設計不合理或性能較差的情況下，其一次風率φ1也無法下降。

L0——回轉窯燃燒器所用燃料完全燃燒時所需的單位理論空氣量，m3（標）/min，可按式（4）計算：

式（4）中，Qnet，ar是煤的收到基低位熱值，舊標準稱為“應用基”或原煤的低位熱值，kJ/kg煤。它比煤的空氣干燥基低位熱值Qnet，ad或煤粉的低位熱值一般小10%左右。在具體計算時，一定要區(qū)別二者，否則會影響計算的準確度。

Gcoh——回轉窯窯頭燃燒器單位時間噴射入窯的煤粉量，kg煤/h。

3.1.2 煤風羅茨風機風量的合理確定

煤風風量一般約為一次風量的1/3左右，其取值在設計時各有不同，有的稍大些，個別有達到一次風量的45%～50%的；也有稍小些，個別有選為一次風量的20%～25%的。煤風風量選擇過大，管路規(guī)格隨之增大，輸送時因風中含有煤粉，管路需要增厚，以延長其使用壽命，使基建費用增加。因此筆者認為，煤風風量按占一次風量的1/3設計比較適宜，即可按式（5）確定：

式中：

Lco——煤風風量，m3/min

圖1 窯頭四風道煤粉燃燒器煤風和凈風輸送系統(tǒng)簡圖

表2 海拔高度系數(shù)KH值

表3 不同風道煤粉燃燒器一次風率與風道數(shù)量n的大致關系

L1——一次風風量，m3/min

3.1.3 凈風羅茨風機風量的合理確定

當煤風風量確定后，凈風羅茨風機風量的合理確定可按式（6）進行計算：

式中：

Lj——凈風風量，m3/min

L1——一次風風量，m3/min

3.2 羅茨風機升壓的正確選擇

在明確了羅茨風機升壓的作用和與輸送系統(tǒng)阻力的關系后，即可選擇羅茨風機的升壓。

3.2.1 煤風羅茨風機升壓的正確選擇

筆者對1400～12000 t/d近兩百條生產(chǎn)線進行了考察。如果煤磨在窯頭，各管路直徑的選定與風量相匹配，那么，不論多大的生產(chǎn)線，其輸送系統(tǒng)的阻力都不會超過49kPa；如果煤磨在窯尾，即便煤粉從窯尾輸送到窯頭需要的管路較長，其輸送系統(tǒng)的阻力增大，但也不會超過58.8kPa。也就是說，如果煤磨在窯頭，煤風羅茨風機的升壓或壓強選為49kPa是比較正確的，不宜選高；如果煤磨在窯尾，煤風羅茨風機的壓強選為58.8kPa是合理的。

3.2.2 凈風羅茨風機升壓的正確選擇

凈風羅茨風機的輸送系統(tǒng)中沒有計量設備，空氣中也沒有顆粒介質(zhì)的煤粉。另外，合理的設計將其置于燃燒器附近，管路較短。因此，凈風輸送系統(tǒng)的阻力比煤風輸送系統(tǒng)的總阻力要小得多。在凈風輸送系統(tǒng)中，如果電動機不采用變頻調(diào)速，或者雖然安裝了變頻調(diào)速，但在使用操作時不減速，則羅茨風機出口消音器和管路的阻力p6和p5是基本不變的。只有煤粉燃燒器噴燃管因設計方案不同，其阻力會有大小之分，任何型式的煤粉燃燒器在操作時阻力都會發(fā)生變化。但無論如何，凈風羅茨風機輸送系統(tǒng)的阻力都不會超過34.3kPa。對于外風噴出速度＜200m/s的煤粉燃燒器，其阻力要小些，因此，凈風羅茨風機的升壓選為29.4kPa是合理的。對于外風噴出速度＞250m/s的煤粉燃燒器，其阻力會大些。因此，凈風羅茨風機的升壓選為34.3kPa是合理的。在風量一定的情況下，羅茨風機的升壓選擇越高，所配用的電動機功率越大。在運轉時實際運行電流I與IH額定電流的比值越小，表明升壓選擇越不合理。當升壓選擇過小，所配用的電動機功率減小，在運轉時會發(fā)生超電流現(xiàn)象。如果電動機有過流保護就會頻繁跳閘，如果沒有保護，發(fā)現(xiàn)不及時則會燒毀電動機。

由此可見，合理選擇煤風和凈風羅茨風機的風量及其升壓是相當重要的。當羅茨風機運轉后，其實際運行電流I與其額定電流IH的比值應在0.90～0.95之間，則表明兩臺羅茨風機的選擇合理。當前，大多生產(chǎn)線為燃燒器配風的兩臺羅茨風機選擇都不合理，尤其是煤風羅茨風機更甚，主要是風量選用過大，升壓選用過高，導致電動機功率過大，其實際運行電流I尚不足其額定電流IH的50%，見表4。

4 正確選擇羅茨風機的實例

假設設計能力為5000 t/d熟料的?4.8m×72m NSP窯水泥生產(chǎn)線，廠區(qū)海拔高度H=500m，采用性能優(yōu)良的四風道煤粉燃燒器，一次風率φ1=12%（包括煤風），原煤水分Mar=9%，入窯煤粉水分控制在Mad=1%，喂煤系統(tǒng)采用菲斯特秤，原煤收到基的低位熱值Qnet，ar=5200×4.18kJ/kg煤，煤磨設在窯頭，窯頭噴煤量Gcoh=12t/h=12000kg/h，由此對煤風和凈風羅茨風機進行計算和選擇。

（1）由表2可查得海拔高度系數(shù)KH=1.028。

（2）由式（4）可計算出煤粉完全燃燒時所需的單位理論空氣量為：

（3）根據(jù)原煤水分Mar=9%，煤粉水分Mad=1%，通過表5的換算系數(shù)可將原煤收到基的低位熱值Qnet，ar=5200×4.18kJ/kg煤換算為煤粉空氣干燥基的低位熱值，即：

表4 部分生產(chǎn)線煤風和凈風羅茨風機的選擇和運行參數(shù)

表5 煤不同基互相換算系數(shù)表

將上述已知值代入式（3）中計算可得一次風量L1：

（4）煤風風量的計算

由式（5）可計算出煤風風量為：

（5）凈風風量的計算

由式（6）計算可得凈風風量為：

（6）羅茨風機的具體選型

羅茨風機的生產(chǎn)廠家一般都不會在選型樣本上標明與計算值一致的規(guī)格型號，因此應按與計算值相近的型號選用羅茨風機。在具體選型時有兩點需要注意：其一，在風量選擇時，應偏大計算值選用。如果煤風比計算值稍小，那么在選擇凈風時就要予以補償，選擇大一些的風機；其二，如果樣本上大型號和小型號兩臺羅茨風機的風量和升壓相同或相近時，應選用較小型號的羅茨風機。因為選用較大型號的羅茨風機，不僅自身重量增大，購買費用高，而且配用的電動機功率有時也會增大，自耗增大，所以應選用較小型號的羅茨風機。

由于煤磨在窯頭，煤風羅茨風機的升壓選為49kPa，凈風羅茨風機在外風噴出速度＞250m/s的先進四風道煤粉燃燒器附近，其升壓選為34.3kPa。按照天津市鼓風機總廠的羅茨風機樣本的選型見表6。

5 一次風量選擇過大的原因

綜上所述，煤風和凈風羅茨風機的選擇是否合理，關鍵在于一次風量的確定是否合理。由式（1）可以看出，廠區(qū)的海拔高度確定，海拔高度系數(shù)KH即可確定。溫度系數(shù)Kt為定值，當煤質(zhì)選定后，燃料或煤粉完全燃燒時所需的單位理論風量L0也為定值。只有一次風率φ1和單位時間噴射入窯的煤粉量Gcoh對一次風量L1的影響較大。在理論上，一次風率φ1應該很小，但在實際選用羅茨風機時卻很大，大部分選為φ1=15%～25%，個別取φ1=30%。許多設計者將Gcoh值定得大大脫離實際。如以一條設計能力5000t/d熟料?4.8m×72m NSP窯水泥生產(chǎn)線為例，其所用煤粉的低位熱值為5400×4.18kJ/kg煤，熟料單位熱耗為710×4.18kJ/kg熟料，窯頭的喂煤比例為40%。即使實際熟料產(chǎn)量達到6000t/d，窯頭噴煤量也只有13t/h左右。可設計部門一般都將窯頭的正常噴煤量設計為12t/h，最大為20t/h。眾所周知，窯頭煤風的風量由計量秤生產(chǎn)廠家按設計部門提供的最大噴煤量20t/h和他們所確定的“固氣比”或“料氣比”計算所得。生產(chǎn)廠家對各種計量設備所確定的料氣比ρ值不同，粉研秤和菲斯特秤按ρ=3kg煤/m3計算，申克秤按ρ=4.0～4.5kg煤/m3計算。現(xiàn)按噴煤量20t/h=20000kg/h、料氣比ρ=4kg煤/m3進行計算，則煤風風量為；料氣比按ρ=3kg煤/m3計算，煤風風量為但按實際噴煤量12t/h=12000kg/h計算，則煤風風量應分別為Lco=50m3/min和Lco=66.67m3/min。由于輸送系統(tǒng)阻力的計算較麻煩，所以設計者一般不進行詳細計算，而是憑經(jīng)驗粗估，同時認為輸送系統(tǒng)阻力越大越安全，即使煤磨在窯頭，煤風羅茨風機的升壓也選為58.8kPa、68.8kPa、78.4kPa，有個別甚至選為88.2kPa。由于風量和壓力選擇過大，導致所配的電動機功率過大。實際運轉后，其實際運行電流I尚不足額定電流的50%，個別僅為30%左右，浪費了大量電能。這種現(xiàn)象在煤風羅茨風機的選型尤為突出（見表4）。

6 結論

（1）我國絕大多數(shù)水泥生產(chǎn)線，為回轉窯煤粉燃燒器配風的羅茨風機的選擇都不合理，有的風量大，有的升壓高，大多數(shù)二者兼而有之，造成電能的大量浪費。現(xiàn)在全國已有1600多條新型干法水泥生產(chǎn)線，4000t/d熟料以上能力的約占80%。現(xiàn)平均按4000t/d熟料、運轉率85%，羅茨風機選擇不合理使電動機功率增大80kW計，每條4000t/d生產(chǎn)線每年將浪費595680kWh的電能，全國每年將浪費9.53億kWh的電能。如果電價按0.6元/kWh計，則每年損失約5.72億元。但現(xiàn)在許多企業(yè)對因此而造成的損失卻沒有引起足夠的重視。

（2）一次風量（包括煤風）過大，不僅僅浪費電能，更重要的是嚴重影響了整個燒成系統(tǒng)的主要七大技術經(jīng)濟指標（熟料產(chǎn)量、質(zhì)量、熱耗、煤耗、電耗、火磚壽命、運轉率和有害氣體NOx排放等）。

（3）一次風煤風風量過大的主要原因與設計者和計量設備供貨廠家有直接關系。按設計規(guī)程規(guī)定，其噴煤的富余量應控制在30%以內(nèi)，然而較多設計者都未按設計規(guī)程規(guī)定進行最大噴煤量的設計。而計量設備供貨廠家為了免責，往往按最大的噴煤量和自己設備的料氣比給設計者提供所需風量。設計者在選擇羅茨風機時又考慮“寧大勿小”原則，這就使用戶最終采購的煤風羅茨風機風量尤為大。

（4）一次風機升壓選型過大，主要是由于對煤風和凈風兩臺羅茨風機的輸送系統(tǒng)阻力計算不準確所致。如果風量選擇合理，輸送管路規(guī)格應與羅茨風機風量相匹配，管內(nèi)風速不宜過大。由于系統(tǒng)局部阻力和管路的摩擦阻力均與風速的平方成正比，所以煤風風速在20℃時應控制在21～22m/s，如此，煤粉則不會在管內(nèi)沉積。凈風的合理風速應控制在15～20m/s以內(nèi)。

（5）本文討論的都是為回轉窯煤粉燃燒器或窯頭煤粉燃燒器配風羅茨風機的合理選擇問題，現(xiàn)在為窯尾分解爐燃燒器配風羅茨風機的選擇有的也存在同樣問題，甚至更為嚴重，亦應引起足夠的重視。

[1]江旭昌.回轉窯多風道煤粉燃燒器培訓教材[M].中國磷肥工業(yè)協(xié)會、中國硫酸工業(yè)協(xié)會，1999.

[2]天津市鼓風機總廠羅茨風機樣本[G].

[3]閻金鐸,李椿,王殖東.普通物理學講義[M].北京：中央廣播電視大學出版社，1984.