水泥廠煤粉氣力輸送計算與技術方案探討

趙永剛，徐松林

水泥廠煤粉氣力輸送計算與技術方案探討

Calculation and Technical Scheme of Gas Transmission for Pulverized Coal in Cement Plant

Calculation and Technical Scheme of Ga

趙永剛，徐松林

1 概述

我國上世紀80年代中期引進了FK-M泵中低壓連續式氣力粉狀物料輸送技術，1990年開始批量生產系列產品。筆者根據FK泵資料，研究了其計算過程，逐漸掌握了生料、水泥和煤粉FK泵氣力輸送技術的各種計算方法，并在水泥廠實際工作中得到了印證。本文將重點介紹水泥廠常用的窯爐用煤粉氣力輸送技術，供大家參考。

2 FK泵的選型計算要點

2.1 FK-M型泵的基本參數

（1）兩端（滾珠）軸支撐，生料輸送量可達550t/h，輸送量可在0～100%范圍內變化；葉片磨損低；氣源壓力≤200kPa，無脈沖；軸密封采用壓縮空氣進行氣封。

采用FK泵時，風機選型時考慮混合室內噴嘴阻力3Psig，即20.4kPa。

（2）物料細度：100%通過0.297mm篩，75%通過0.149mm篩，60%通過0.074mm篩，45%通過0.044mm篩。

（3）物料溫度：200℃。

（4）輸送距離：＞1 000m或1 372m。

（5）輸送壓力：出口表壓 5～30Psig或 0.034～0.204MPa。

（6）輸送能力：≤500m3/h。

2.2 選型計算條件

（1）要求的輸送能力；

（2）物料品種、容重、細度、水分、粘性等；

（3）喂料方式（壓力喂料、控制喂料）；

（4）輸送距離（水平、垂直），不推薦采用傾斜管道；

（5）彎頭和換向閥門數量：0～4個，0Psig；5～9個，1Psig；≥10個，2Psig。但最好折算每個來考慮計算。彎頭不折算輸送長度；

（6）海拔高度：超過2 000ft（約610m）需校正。

2.3 確定管徑及輸送系統操作壓力

ID=（LPD·TPH·6 713.8/K·C）1/3式中：

ID——管道內徑，in；1in=25.4mm

LPD——最長泵送距離（水平，垂直），ft；

1ft=0.304 8m

TPH——輸送能力，st/h；1st=0.907t

K——壓力常數，隨管路壓力而定

C——物料常數，隨輸送距離而定，≥500ft（152.4m），C=2 200；＜500ft（152.4m），C=2 100

2.3.1 線路壓力選擇（見表1）

2.3.2 煤粉管道要求

（1）煤粉燃燒氣力輸送最大距離700ft（210m），采用定氣固比0.3～0.5的計算方法。

（2）分解爐的分流器前至少保持20ft（約6m）的垂直輸送管，分流器的壓損為3Psig（20.67kPa），在進入燃燒器噴嘴的風速保持5 000～6 000ft/min（25.4～30.5m/s）。

2.3.3 輸送風速選擇圖表（圖1）

2.3.4 氣力輸送管道布置要求（圖2）

2.4 輸送空氣量的確定（英制單位）

SCFM=（FPM）（FT2）（14.7+P2）·530/14.7（460+T3）

式中：

SCFM——標準輸送空氣量（表壓14.7ib/in270°F或101 325Pa，21℃時），ft3/min（1ft3/min=0.0283m3/min）

FPM——起始風速，ft/min（1ft/min=0.304 8m/min）

圖1 輸送風速選擇

圖2 氣力輸送管道布置要求

FT2——管路橫截面積，ft2（1ft2=0.092 9m2）

P2——輸送管路壓力，Psig（1Psig=6.89kPa）

T3——輸送空氣溫度，T3=T2-30，°F

[1℃ =（1°F-32）×5÷9]

T2——滑片機或羅茨風機出口風溫，°F

注：當海拔超過2 000ft（610m）時，上述所得空氣需要量，應乘以相應修正系數。

2.5 FK泵電動機選型BHP=（A·P·K·C·f·V）/（33 000·E）+F MKW=BHP×（1 000/1 160）×0.746/0.860式中：

BHP——軸馬力

MKW——電機功率，1 000r/min

A——面積，ft2

P——管道壓力，Psig

K——管道壓力常數

f——摩擦系數，f=0.14

C——物料常數，容重/100

V——速率，r/min

E——效率

F——回轉螺旋傳遞功率

3 煤粉氣力輸送計算案例

以下為筆者計算（或核算）的兩個水泥廠煤粉計量與輸送案例，供參考。案例一是擬用現有設施的技改項目；案例二是采用了IBAU泵的技改項目。

3.1 案例一：GZH水泥廠技改工程

3.1.1 設計（核算）背景簡介

GZH水泥廠煤粉輸送項目為提產改造項目，重新采購Pfister煤粉秤，其所提送煤風要求：

窯頭風量：6 210m3（標）/h（最大喂煤量15t/h，水平173.1m，垂直12m，彎頭6個）；風壓65kPa；D內（管道內徑）=283mm，D外（管道外徑）=299mm。

HDB技術中心專家認為：根據Pfister公司的計算，窯頭風量風壓太大，HDB計算認為窯頭風量3 500 m3（標）/h、風壓60kPa足夠，可以使用目前窯頭用的風管（D內=207mm）和羅茨風機（4 140m3/h、70kPa）；并與Pfister公司專家溝通討論，雙方基本達成一致，但需GZH水泥廠確保操作壓力（表壓）≤40kPa，這是Pfister煤粉秤喂煤穩定的前提條件。因此，GZH水泥廠希望天津院核算確認（僅窯頭核算）。

3.1.2 計算條件和依據

（1）回轉窯熟料產量：5 000t/d（208.34t/h），最大5 400t/d（225.0t/h）。

（2）熟料熱耗：3 103kJ/kg。

（3）煤的干燥基低位熱值：21 744kJ/kg。

（4）煤粉細度：80μm篩篩余6%。

（5）煤粉水分：1.5%。

（6）分解爐用煤：窯頭用煤=60%：40%。

（7）燃燒器阻力：4 000～5 000Pa（廠方提供：目前生產值）。

（8）螺旋泵出口阻力：即管道總阻力30kPa（廠方提供：目前生產值）。

根據以上條件計算煤粉用量為：

225×3 103/21 744=32.11t/h（干燥）

32.11/（1-0.015）=32.60t/h（含1.5%水分）。

其中分解爐用煤：32.60×60%=19.56t/h（廠方要求：最大25t/h）。

其中窯頭用煤：32.60×40%=13.04t/h（廠方要求：最大15t/h）。

3.1.3 計算過程及結果（1）驗算料氣比窯頭：

按煤粉用量范圍G=15.0t/h（G為窯頭最大煤粉用量）；羅茨風機風量Q=4 140m3/h，則料氣比A為：

A=G×1 000/Q（Q為窯頭送煤羅茨風機風量）

=15×1 000/4 140=3.6kg/m3（對于 Pfister秤來說，理論上可行，但實際偏高）

（2）驗算管道風速

依據業主提供的現有羅茨風機風量和燃燒器阻力及管道阻力、管徑，計算煤粉輸送管道起始風速和入燃燒器風速（m/s）。

窯頭燃燒器入口風速：

Q入（窯頭燃燒器入口工況點風量）=4 140×（273+50）×101 325/（273+20）×（102 900+50 000）=4 286.0m3/h

管道截面積：（0.207/2）2×3.141 59=0.033 653 5m2

風速：4 286.0/3 600×0.033 653 5=35.4m/s（偏高）

管道起始風速：

Q入=4 140×（273+70）×101 325/（273+20）×（102 900+40 000）=3 436.5m3/h（50kPa 時 為3 212m3/h）。

風速（40kPa時）：3 436.5/3 600×0.033 653 5=28.36m/s，50kPa時26.5m/s，均偏高。

（3）驗算管道系統阻力

最大喂煤量：15t/h

輸送距離：水平173.1m，垂直12m，即607.3ft

彎頭個數：6個

輸送氣體量：Q=4 140m3/h

管徑：D內=207mm，或8.15in

根據：D內=（L·W·6 713.8/K·C）1/3，喂煤量最大值15t/h；K=L·W·6 713.8/（C×D內3）=607.3×15×1.102 3×6 713.8/（2 200×8.153）；K=56.61或相當于6.45Psig（見表1）；或管道阻力為43.8kPa；彎頭阻力：100×1.36×6/（9×20）=4.5kPa；即秤出口管道阻力：燃燒器阻力+管道阻力+彎頭阻力=5+43.8+4.5=53.3kPa；＞40kPa。若按正常喂煤量 12.5t/h；K=47.18或相當于5.57Psig；或管道阻力為37.8kPa。

管道系統總阻力為47.3kPa，＞40kPa

根據公式 SCFM=（FPM）（FT2）（14.7+P2）·530/14.7（460+T3）

4 140/（0.028 316 8×60）=（26.5×60/0.304 8）×0.362 2×（14.7+P2）×530/[14.7×（460+158）]14.7+P2=2 436.7×14.7×618/（1 889.4×530）=22.11

P2=7.41Psig或管道阻力為50.4kPa；＞40kPa。

因此，在利用現有管道和羅茨風機的情形下，管道系統總阻力均遠超過Pfister煤粉秤（出口表壓）≤40kPa要求。

3.1.4 按利用羅茨風機原則改管道計算

（1）按Pfister煤粉秤（出口表壓）≤40kPa要求和不變徑管道考慮。

管道阻力控制在40-5-4.5=30.5kPa；即4.485Psig。

D內=（L·W·6 713.8/K·C）1/3=（607.3×15×1.102 3×6 713.8/2 200×37.96）1/3=9.311in，即236.5mm；選D內=255mm，壁厚9mm。

K=L·W·6 713.8/（C×D內3）=607.3×15×1.102 3×6 713.8/（2 200×10.043=1011.85）

K=30.28，或相當于3.71Psig；或管道阻力為25.2kPa；

管道系統總阻力為34.7kPa；＜40kPa；滿足Pfister要求。

此時窯頭燃燒器入口風速：管道截面積：（0.255/2）2×3.141 59=0.051 07m2風速：4 286.0/3 600×0.051 07=23.3m/s（偏低，一般要求25～30m/s）

管道起始風速：

起始風速：3 436.5/3 600×0.051 07=18.7m/s（40kPa時），偏低。

（2）按Pfister煤粉秤（出口表壓）≤40kPa要求和變徑管道考慮。

即煤粉秤出口仍按D內=207mm考慮，另一段則按D內=255mm考慮。為保證煤粉秤（出口表壓）≤40kPa，則D內=207mm，長度為30m（98.42ft）。

D內=255mm，長度為155.1m（508.86ft）試算。

K1=L·W·6 713.8/（C×D內3）=98.42×15×1.102 3×6 713.8/（2 200×8.153=541.34）=9.18，或相當于1.219Psig。

K2=L·W·6713.8/（C×D內3）=508.86×15×1.102 3×6 713.8/（2 200×10.043=1 011.85）=25.376，或相當于3.23Psig。

（3）按Pfister煤粉秤（出口表壓）≤45kPa和不變徑管道考慮。

管道阻力控制在45（秤出口控制表壓）-5（燃燒器阻力）-4.5（管路彎頭阻力）=35.5kPa；即5.22Psig。

D內=（L·W·6713.8/K·C）1/3=（607.3×15×1.102 3×6 713.8/2 200×44.234）1/3=8.848in，即224.7mm；選D內=229mm，壁厚8mm。

K=L·W·6 713.8/（C×D內3）=607.3×15×1.102 3×6 713.8/（2 200×9.0163=732.83）

K=41.81或相當于4.934Psig；或管道阻力為33.5kPa；管道系統總阻力為43.0kPa。

此時窯頭燃燒器入口風速：

Q入=4 140×（273+50）×101 325/（273+20）×（102 900+5 000）=4 286.0m3/h

管道截面積：0.2292×3.141 59/4=0.041 19m2

風速：4 286.0/3 600×0.041 19=28.9m/s（合適）

管道起始風速：

Q入=4 140×（273+70）×101 325/（273+20）×（102 900+43 000）=3 365.8m3/h

管道截面積：（0.229/2）2×3.141 59=0.041 19m2

起始風速（43kPa時）：3 365.8/3 600×0.041 19=22.7m/s

（4）按Pfister煤粉秤（出口表壓）≤40kPa、不變徑管道，窯頭煤粉14t/h（業主）考慮。

管道阻力控制在40-5-4.5=30.5kPa；即4.485Psig。

D內=（L·W·6 713.8/K·C）1/3=（607.3×14×1.102 3×6 713.8/2 200×37.96）1/3=9.099in，即231.1mm；選 D內=231mm，壁厚7mm，這樣 D外=245mm（業主要求）。

3.1.5 計算結論

根據工廠提供的數據和合同條件，經詳細計算，結論如下：

（1）按窯頭喂煤量的最大值15t/h，使用目前的D內=207mm風管（窯頭），羅茨風機風量4 140m3/h，70kPa；計算管道系統阻力＞50kPa；遠高于Pfister煤粉秤＜40 kPa要求。而且，燃燒器入口風速和管道風速均偏高。

（2）按利用羅茨風機原則改管道、Pfister煤粉秤（出口表壓）≤40kPa要求、不變徑管道考慮。計算結果：管道D內=255mm（厚度為9mm），此時管道系統總阻力為34.7kPa；滿足＜40kPa要求，且有一定的余度。但燃燒器入口風速偏低，建議全部加3mm內襯。

（3）按利用羅茨風機原則改管道、Pfister煤粉秤（出口表壓）≤40kPa要求、變徑管道考慮。計算結果：D內=207mm長度為30m（煤粉秤出口段）；D內=255mm長度為155.1m。，此時管道系統總阻力為39.76kPa；滿足＜40kPa要求，但基本無余度。更換燃燒器時需格外注意結構形式，其阻力應≤5kPa，可能的話，建議減少彎頭，不建議加內襯。

（4）選D內=229mm，壁厚8mm時，其管道系統總阻力為43.0kPa，則要求Pfister煤粉秤放寬條件，即秤（出口表壓）＜45kPa。

（5）如果選D外=245mm，則壁厚選7mm，D內=231mm，窯頭最大喂煤量為14t/h，此時其管道系統總阻力為40.0kPa，剛好滿足Pfister煤粉秤廠家要求。但窯頭最大喂煤量為14t/h，在滿足最大窯產量5 400t/d時，操作調節范圍極窄。

案例一是典型的技改項目，業主要求利用現有設備和管道。從案例一各種計（驗）算方法可看出：

（1）Pfister公司專家提出GZH水泥廠確保煤粉輸送管路系統操作壓力（表壓）≤40kPa，這是Pfis?ter煤粉秤喂煤穩定的前提條件。這與2000年SY廠調試限定≤45kPa相比又提高了標準，說明輸送濃度又要降低，需加大輸送空氣量和增加窯熱耗。

（2）富樂方面認為：煤粉燃燒氣力輸送最大距離700ft（210m），指的是在無FK泵情形下的煤粉氣力輸送。本計算管道長度為173+12=185m，而且是在采用Pfister轉子秤的情況下，說明在新設計的大規模水泥工程（5 000t/d或10 000t/d），不一定要將煤粉倉單獨設在窯頭或窯尾，以免增加工程投資或使流程復雜化。

（3）本計算采用了分段管道計算的方法，這是基于壓力降的原理，一般在高濃度和中高壓長距離氣力輸送中常常被采用，這樣可以充分利用現有管道，節省成本。在采用FK泵氣力輸送中當輸送距離＞1000ft（300m）時可以考慮分段計算，兩分段和三分段均可采用，原則是每段的管道阻力降基本相等。

（4）技改項目的煤磨車間往往不能設置在合適的位置，輸送距離較遠或利用現有的設備和管道時，應當先計算選用何種型式的秤。由于申克秤（Schenker）采用了壓差管，使其輸送管路壓力可更高些。

3.2 案列二：SWCC石油焦磨技改項目，石油焦粉（IBAU泵）氣力輸送計算

3.2.1 計算（核算）背景簡介

SWCC石油焦磨調試期間，氣力輸送IBAU泵運行狀況不佳，輥磨產量合同要求是22t/h，磨機喂料量17.5～19t/h時，已多次出現IBAU泵上游可逆絞刀頂溢料現象。IBAU泵廠家技術服務人員赴現場解決螺旋泵輸送能力問題期間，在現場所做的調整工作如下：將泵體軸承密封由原來使用壓縮空氣改為使用羅茨風機出口風量，把羅茨風機輸送風泵噴嘴孔徑擴大，但效果甚微。

3.2.2 計算條件和依據

（1）石油焦磨機產量22t/h（90μm篩篩余≤2%，水分≤1%）。

（2）輸送泵能力30t/h，石油焦粉容重0.46t/m3。

（3）輸送距離：水平15m，垂直25m，彎頭3個，SK閥1個。

（4）石油焦水分：8%～10%。

（5）石油焦粉細度：90μm篩篩余≤2%。

（6）石油焦倉頂設袋收塵器，設計5 096m3/h（85m3/min），阻力1.7kPa。

（7）海拔：143m。

3.2.3 計算（核算）過程及結果

（1）泵選型：按FK泵技術方法

泵設計產量為30t/h，換算成ft3/h；

（30÷0.6）×35.314 7=1 765.7ft3/h

根據能力轉換系數1.3則1 765.7ft3/h×1.3=2 295.5ft3/h

選M200-190×120泵，2 400ft3/h；＞2 295.5ft3/h

現場實測石油焦容重為0.46時，（30÷0.46）×35.314 7=2 303.1ft3/h，2 303.1×1.3=2 994.0ft3/h

選M250-140×90泵，3 300ft3/h；＞2 994.0ft3/h

現場實測石油焦容重為0.46，選IBAU泵IB-D200其最大能力應可以達到24t/h。

（2）求輸送管徑和管道壓力

依據ID=（LPD·TPH·6 713.8/K·C）1/3，輸送長度LPD=（15+25）/0.304 8=131.2ft

已知：

彎頭和閥門 4個，則（4/5）×1=0.8Psig，或5.44kPa

泵混合式阻力： 3Psig或20.40kPa

冷卻器阻力： 1Psig或6.80kPa（結構不詳）

倉頂收塵器： 1.70kPa

按IBAU泵選型結果考慮總操作壓力100kPa則管道壓力65.66kPa，則相當于9.656Psig，查表1算得K=93.43。

ID=｛131.2×30×1.102 3×6 713.8/（93.43×2 100）｝1/3

=5.29in，或D內=134mm（3）空氣量

考慮輸送管道末端風速為25m/s，其管道截面積為A=3.14×（0.134/2）2=0.014 1m2

Qm=QX×（273+50）×101 325/（273+20）×（101 325+1 700）=1.084QX，m3/h

QX=3 600×25×0.014 1/1.084=1 170.7m3/h，或19.5m3/min

表2 IBAU公司和南京艾爾康威公司計算結果

（4）FK泵傳動電機功率

依據BHP=（A·P·K·C·f·V）/（33 000·E）+F；MKW=BHP×（1 000/1 160）×0.746/0.860

BHP=（1 150×13.75×0.34×0.55×0.14×603）/

（33 000×0.23）+8=40.89HP

電機功率：選M200-190×120泵

MKW=40.89×（1 000/1 160）×0.746/0.860=30.6 kW，選37kW

電機功率：選M250-140×90泵

BHP=（2 139×13.75×0.34×0.55×0.14×383）/

(33 000×0.29）+15=45.82HP

MKW=45.82×（1 000/1 160）×0.746/0.860=34.3kW，選37kW

IBAU公司和南京艾爾康威公司的計算結果見表2。

案例二計算（核算）結論：

（1）選規格M200-190×120型泵欠合理，其選用了該規格的最大螺距，因物料細度和容重均小，如果螺旋泵物料擠壓不足以克服輸送壓力，氣壓反穿透則會造成給料系統的溢料。

（2）羅茨風機選型壓力100kPa，需采用雙級羅茨風機；如果管道規格考慮大一些，管道阻力控制在50kPa以內，或許可選擇單級羅茨風機。

（3）倉頂采用正壓式袋除塵器，不知是否是ATEX規范要求，如果采用負壓式收塵對螺旋泵氣力輸送會減小“脈動”現象。

（4）關于物料容重是0.6還是046，對于螺旋泵規格的選型是關鍵參數，盡管該參數由業主提供，但最終還是由總承包商負責處理和承擔費用。一般物料細度越細容重越小，氣料未分離時物料容重也小。

（5）關于羅茨風機的選型壓力，IBAU公司未考慮備用系數，南京艾爾康威公司考慮了20%左右的余度。

（6）關于輸送風量和管徑選型問題，IBAU公司風量21.9m3/min，算得管道末端風速為28.9m/s（偏高），管徑基本準確，但壁厚考慮在無內襯的情形下δ=6應更好。

總之，IBAU公司對于此石油焦項目的計算選型不理想，尤其是IBAU泵的選型規格包括螺距（未查到）選型均欠合理，羅茨風機的風量偏大，操作壓力偏小。當然，該結論是從富樂公司的技術角度分析得出，IBAU技術和富樂技術包括經驗參數選取可能有差別。■

天津水泥院有限公司簽納米比亞一攬子EPC總承包合同

8月25日，天津水泥院有限公司與亞非企業管理（西安）有限公司簽訂了納米比亞2 500t/d熟料線及配套4.5MW純低溫余熱發電、600t/h骨料生產線一攬子EPC總承包合同。

該項目熟料生產線合同范圍為從石灰石破碎至熟料散裝發運的一條完整2 500t/d熟料生產線，同時配套1.5MW純低溫余熱發電系統；骨料生產線合同范圍為從原料入廠至成品散裝倉出廠。骨料生產線與熟料生產線共用石灰石破碎系統，實現了兩種產品同時生產，既能有效減少投資，還可根據市場靈活調整產品，從而增加企業的盈利能力。

亞非公司與天津院有限公司已經簽訂及執行的項目包括科特迪瓦藍寶石骨料生產線、科特迪瓦信譽水泥粉磨站及納米比亞鯨石水泥粉磨站等。本次合同的簽訂，證明業主對該公司裝備技術及海外EPC項目執行能力的充分認可，為天津院有限公司開拓非洲市場創造了更大的機遇及發展前景。

TQ172.625.3

A

1001-6171（2017）05-0032-07

2017-03-14； 編輯：趙 蓮