测试方法对水泥回转窑热平衡测试准确性影响的分析

袁秀霞

测试方法对水泥回转窑热平衡测试准确性影响的分析

The Influence of Test Methods on Thermal Balance Test Accuracy of Cement Rotary Kiln

袁秀霞

水泥回转窑热平衡测试是个复杂的过程，测试项目包含了温度、气体流量、物料量、气体成分等，测试数据的准确性受到多种因素的影响。笔者根据多年的热平衡测试经验，结合水泥回转窑运转过程的独有特点，对各个测试项目通常使用的测试方法的优缺点进行了分析，对其中容易导致结果出现偏差的因素进行了总结，给出了适用于水泥生产系统且操作性较强的测试方法，供广大研究、测试人员借鉴。

水泥回转窑；热平衡；测试方法；准确性

1　前言

水泥的生产是个相对粗放的过程，目前的水泥生产过程普遍具有温度高、负压大、粉尘浓度大、工况波动大等特点，水泥生产系统中配备的各种精密测量仪器不可避免地受此影响。比如，水泥企业常用的温度测量仪窑尾热电偶经常因受到结皮的包裹而变得不灵敏；预热器C1出口的热电偶和气体成分在线测量仪也会由于粉尘含量大而难以准确测量窑的运转参数。鉴于成本原因，多数水泥生产企业不会频繁更换这些测量设备，在这种条件下，水泥回转窑热平衡测试成为当前全面了解水泥窑系统运行参数的重要手段，测试数据可为窑日常生产、窑系统改造提供理论依据和数据基础。水泥窑的热平衡测试是个复杂的测试过程，测试项目主要划分为温度、气体流量、物料量和气体成分等四大类，涉及到的影响因素较多。《水泥回转窑热平衡测定方法》标准及各种热工测量书籍中给出的是测试过程中可以采用的各种测试方法，但未明确各种方法的适用对象及优缺点，经验不丰富的测试人员无法选择最优的测试方法。笔者结合水泥生产系统的独有特点，根据多年的水泥回转窑热平衡测试经验，对目前各个项目通常使用的测试方法进行了利弊分析，对各方法中容易导致结果出现偏差的情况进行了总结，给出了目前操作性较强的适用于水泥生产系统的测试方法，供广大研究、测试人员借鉴。

2　气体流量测定

水泥生产过程中的气流有温度较高、流量不稳定、含尘量高、风管截面积大且不规则等特点，目前常采用的是速度式流量测定法，采用的设备有皮托管、倾斜式微压计和数字式风速仪，其中利用皮托管和倾斜式微压计测试的优点是测点布置合理，测试准确，受粉尘、温度影响相对较小；缺点是测量和计算过程都较为繁琐。采用风速仪测量风速和测算流量的优点是速度快、效率高、测点数量可随意选取；缺点是数值波动大、平均值的代表性差。由于水泥企业的风管大多数截面积较大，速度分布不均匀，风管中风速呈现中间速度大、四周速度小的特点，加上气流的波动，直接利用数字式风速仪测试，会导致不同点的测试数值相差较大，平均值的代表性变差。因此，目前在水泥回转窑热平衡测试中推荐使用的气体流量测试设备是皮托管和倾斜式微压计，测试原理见图1［1］。

依据工作原理，可以推出公式（1）：

式中：

Pd——流体的动压，Pa

ρ液——液体密度，kg/m3

g——重力加速度，m/s2

K为微压计的倾斜系数。

这里容易引起测试偏差的是，目前我国生产的倾斜式微压计弧形架上的倾斜系数K值是以酒精液重度这一特定值和F1、F2及各种角度α的固定值，用式（2）计算的特定值来刻度的，法定计量单位为9.8×10-3N/cm3。例如，微压计读数为35mm，倾斜系数为0.6时，动压值Pd=0.6×9.8×10-3N/cm3×35mm= 205.8N/m2=205.8 Pa。部分测试人员容易忘记将倾斜系数的单位计算在内，导致计算结果的偏差。同时只有在微压计测量液密度为0.81g/cm3的酒精的情况下，才可直接用微压计上的K值进行动压计算。若为其他液体，则需对倾斜系数进行折算后方能使用。

图1　倾斜式微压计工作原理图

测点位置也是影响测量数据准确性的重要因素。正确选择测量点断面，确保测点在气流流动平稳的直管段，避免因湍流引起的测试偏差，对测试气体流量的准确性有着至关重要的作用。气体流量测点位置通常要求，上方直管道的长度至少应为孔径的八倍，下方为三倍。在我国新型干法水泥生产线中，受场地限制，除C1出风管、少数企业窑头的部分出风管能够满足要求外，多数企业的篦冷机进风管及其他风管的测点位置都难以满足上述要求，因此选取合适的测点对热平衡测试的准确性非常重要。考虑到水泥生产企业的特殊性，测点位置尽量选取在离来流方向的弯头、变径异形管等局部构件大于4倍管道直径处，离下游方向的局部弯头、变径结构大于2倍管道直径处，同时避开变径、拐角、分支、并入O等节点。如果上述条件无法满足，测试数据的准确性就需要斟酌。表1为某水泥企业窑头入收尘风管的风量，因其中第一次、第二次的测点位置设在了并入节点附近，第三次、第四次的测点位置设在了直管道上，数据显示测试结果出现了较大差别。

根据实测经验，气体流量测试过程中需要注意的其他事项还有：对于篦冷机风量的测定，在条件允许的情况下，不应在鼓风机入风口直接测量，因为在入口处风速不稳定，测试结果偏差较大；同样为避免测试结果的较大偏差，也不能采用中控显示的风机开度和标牌风量直接估算。对于C1出风管风量的测定，部分企业的风管管径较大时会面临两个问题：一是皮托管长度不够，不能满足测试布点要求，二是皮托管太长，容易影响测试方向的准确。解决这一问题的常用方法是在两个垂直方向上分别测试半个截面上的风量，然后计算平均值。由于风速的相对不稳定，倾斜式微压计的读数不会固定在某一个固定数值上，通常是在一定范围内波动，取值时应注意读取中间值。

表1　某水泥企业窑头入收尘风管的风量

3　气体成分的测量

在水泥生产企业热平衡测试中，目前主要采用化学分析法和全自动气体分析仪器法。

化学分析方法常采用的仪器有奥氏气体分析仪，原理是利用不同的化学试剂按照不同的顺序分别吸收气体中的成分。其优点是结构简单，价格便宜，维修容易，受水泥生产现场高温、高粉尘条件的影响较小，测试数据可靠。其缺点主要有三个：一是操作复杂、效率低、容易出现误差。由于必须对气体进行人工取样，然后在实验室进行分析，且化学分析操作复杂，工作量相对较大，因此在有限的测试时间内，只能减少测试样本数量，同时该方法采用手动分析仪，分析人员的操作技能和责任态度对分析的精确度有很大影响。二是精确度不高。奥式气体分析仪最小量程为1%，对于含量较低的CO或者SO2，在几百ppm时几乎测不出来。三是受分析环境条件影响。焦性食子酸的碱性液在15～20℃时吸氧效能最好，吸收效果随温度下降而减弱，0℃时几乎完全丧失吸收能力，故吸收液的温度不应低于15℃。

常用的全自动分析仪有热导式气体分析仪、电化学式气体分析仪、红外线吸收式分析仪、紫外线吸收仪等。上述分析仪器在水泥热平衡测试中也有一定范围的应用，如Testo、Ecom等电化学式气体分析仪系列产品，优点是全自动分析仪可在现场直接测量，且操作简单，测试效率高，可以加大测试样本的数量；缺点是会受到水泥生产现场高温、高粉尘检测条件的限制。目前我国市场上使用的各种全自动分析仪是测试气体成分的通用设备，还没有专门针对水泥生产现场高温、高粉尘这种测试环境的专用设备，如果没有合适的降温和过滤装置，高温高粉尘不仅容易损坏仪器，也会影响测试结果的准确性。根据多年的热平衡检测经验，笔者认为目前相对可靠的测试方法是将奥式气体分析仪和全自动分析仪相结合。对于低温低粉尘的测点位置，可先采用全自动分析仪进行测试，然后用奥式气体分析仪对部分样本进行验证，最后将两者的测试数据进行对比。当出现较大偏差时，需要增加测试样本的数量，且最终以奥式气体分析仪为准。对于高温度高粉尘的测点部位，如果没有合适的降温过滤措施，需将气体用气囊取回实验室用奥式气体分析仪测量。将这两种测试方法相结合既可提高工作效率，又可解决全自动分析仪器受测试条件影响容易出现偏差的问题。

此外，目前许多水泥生产企业的在线分析仪经过一段时间的运行，测量准确性会不同程度地受到影响，尤其是在窑尾和分解炉出口，因此不能完全参照其分析仪上的数据作为热平衡测试的基础数据进行计算。绝大多数企业设备经过多年的运行，孔洞缝隙较多，漏风严重，气体分析容易受到漏入的空气影响，其中窑尾最为常见。如果取样不正确，试样没有代表性，分析就失去意义。以窑尾为例，表2给出了利用奥式气体分析仪测得的某企业窑尾不同取样点的气体成分的差别。数据显示，测点A和测点B受到了漏入空气的影响。

表2　某企业窑尾不同取样点测得的气体成分，%

因此在测试窑尾烟室的气体成分时，取样点位置较为重要，要求取样管伸入气流中，取样点不应在气流的停滞区（死角）和有漏风的地方。

4　温度的测量

在水泥回转窑热平衡测试中用到的温度测量仪按照测量方式不同可分为接触式和非接触式两大类。

接触式测温法常用的设备是水银温度计，其优点是结构简单，使用方便可靠，价格低廉且测量准确；缺点是测量上限和精度受玻璃质量的影响，且仪器一般较小，测量设备内部温度时测量和读取不能同步进行，测量结果也不能自动记录和远距离传送，存在先测温、后读数的误差，同时还受耐高温材料的限制，不能应用于很高的温度测量，主要用来测试温度较低且流速较缓的气体、物料、水的温度，如环境温度、窑头余风温度、入窑生料温度、入篦冷机冷却风温度等。目前在水泥窑热平衡测试中应用的设备还有利用物体电气参数随温度变化的特性来检测温度的热电阻、热敏电阻、电子式温度传感器和热电偶等，其中使用较多的是热电偶，热电偶主要用来测量温度较高且流速较快的气体。热电偶属于接触式测量仪器，在现场检测中主要有测量精度高（可直接与被测对象接触，不受中间介质的影响）、测量范围广、构造简单、使用方便等优点，适用于水泥生产系统的现场检测条件；缺点是价格相对较高，且容易损坏，测量低温时容易出现偏差。热电偶目前可用来测量C1出风管气体温度、窑头去发电风温度、窑头去煤磨风温度、各级预热器管道风温度、窑尾烟气温度、三次风温度等。

非接触式仪表测温是利用物体的表面热辐射强度与温度的关系来检测温度，具有测温范围广、测温元件不需与被测介质接触等特点，在水泥窑热平衡测试中经常使用的有红外测温仪和光学高温计等设备。其优点是不受测温上限的限制，不会破坏被测物体的温度场，反应速度比较快，测试效率高，节约时间；缺点是受到物体的发射率、测量距离、烟尘和水气等外界因素的影响，测量误差较大。在水泥窑系统表面散热的测试工作中，需要选取大量的测试点，且可以近距离测试，因此红外测温仪一般可用于测试水泥窑系统表面温度。考虑到这种测试方法易受外界因素的影响，应尽量缩短测温仪与被测物之间的距离。由于出窑熟料温度较高（1000℃以上），且测试位置难以放置热电偶，因此目前一般采用光学高温计来测试窑熟料温度。

需要特别提出的是出篦冷机水泥熟料温度的测量，常用的是红外测温仪法和保温桶法。红外测温仪优点是方便、简捷，效率高，可以自由选择测点且选取的样本量大，测试范围大；缺点是只能测试熟料颗粒外表温度，无法测试其内部的温度。保温桶法是先测试水的重量和温度，然后将熟料和水进行热交换，再测试水的温度，根据温差计算熟料的温度。其优点是经过充分的热交换，可测得其内部和外部的平均温度，缺点是相对于红外测温仪，工作量较大，样本数量有限。测试工作实践表明，保温桶法测试的温度一般高于红外测温仪。表3给出了采用两种试验方法对10个企业出篦冷机熟料温度的测试结果。

根据表3数据可知，采用保温桶法和红外测试仪测试的出篦冷机熟料温度差别一般在10～100℃范围内，而且呈现出温度越高，差值越大的趋势。经过分析，原因在于红外测温仪测试的是水泥熟料颗粒外表面的温度，而外表面温度比内部温度相对要低，且受测试条件的限制，大部分水泥熟料温度的测试是在拉链机上进行，因此利用红外测温仪测试容易出现测得的温度偏低的现象。在条件允许的情况下，笔者建议采用保温桶测试出篦冷机熟料温度。

5　物料量的测定

熟料产量也称为窑产量，是水泥窑热平衡测试中的一个重要指标，也是一个综合性指标，可以间接反映生产系统诸多指标值的优劣。测试值是否准确会直接影响到其他热平衡参数取值的准确性。《水泥回转窑热平衡测定方法》标准中未给出详细的测定方法，不同的测试人员采用的方法也不同。目前，测定熟料产量的方法主要有实物测量法和生料折算法。实物测量是在固定的核算时间段内计量熟料的产量，具体的操作办法有：在核算前先将熟料库清空，将在核算时间段内生产的熟料用计量器具计量，比如，用汽车装载后用衡器计量；若工厂配有水泥粉磨站，也可采用配料站的熟料皮带秤直接计量，需要提前掌握热平衡测试时专用的熟料库和水泥配料站熟料库的库位情况［2］。这种方法的优点是直接、准确，但操作繁琐，且受工厂场地、计量设备准确性以及人员配合等客观环境的限制，在协调不一致的情况下有可能影响生产线的正常运转，因此在各方面均能配合协调一致的情况下，采用此法才合适。生料折算法是用水泥窑的生料下料量除以料耗得出熟料产量。生料下料量目前采用的是企业中央控制室的数据，料耗来源也各不相同，需要根据各个企业的具体情况选择合适的计算方法，可以选取半年生料消耗量和熟料产量的日常生产统计数据，计算后得到料耗，也可以采用入窑生料烧失量、入窑煤粉灰分和入窑回灰量来计算料耗。生料下料量受生料皮带秤准确性的影响，料耗受统计数据准确性的影响。在我国很多老旧的水泥企业，现场计量器具偏差较大，导致中控数据有时和实际数据相差较大，对熟料折算产生误导。因此，采用生料折算法标定熟料产量，需要确保企业生料计量秤的准确性；在后期进行数据处理时，如果出现不平衡的状况，应对其进行修正。

表3　两种试验方法对10个企业出篦冷机熟料温度的测试结果

粉尘含量是影响水泥窑产量的重要因素，可以根据预热器C1出风管的含尘量计算C1旋风筒的分离效率。粉尘含量测量准确与否，会影响到物料平衡计算的准确性。目前采用的测试仪器从原理上可以分为两类：一种是利用抽气设备，将管道中含尘气流通过等速取样管控制在一定速度下抽入过滤器，将尘粒收下，而经过滤筒的洁净气流由流量计计量，然后排入大气；将收下的粉尘在天平上称量，最后根据流量计上所得气流流量进行计算。另一种是利用光学的方法，即利用光束通过含尘气流时光强度产生变化来确定含尘浓度。鉴于水泥生产系统的气流波动、界面分布不均匀等特点，目前大多是利用上述第一种方法测量粉尘和烟尘含量。比如全自动烟尘采样器，因具备测量氧含量、湿度、温度、压力、气体流量等传感器，所以能够测量动压、静压、大气压、烟气流速、含湿量、烟道温度、采样流量、空气过剩系数、烟气排放量等在内的参数。

6　结语

热平衡测试作为目前全面了解水泥窑系统运行参数的重要手段，其测试的准确性受到多方面因素的影响。测试人员不能仅仅依靠《水泥回转窑热平衡测定方法》标准中给出的方法，还需要结合各个水泥窑系统的实际生产情况，综合考虑各种测试方法的优缺点，将各种影响因素考虑周全，选取最优的测试方法，减少误差出现的几率，获得的测试数据才能更加真实准确，才能为水泥窑系统运转改进和改造提供有效依据。

［1］梁振山，隋秀兰，赵小朵.毕托管测试技术［J］.华北电力技术，1999（11）：24-25.

［2］王景龙.回转窑系统热工标定的准备工作及经验［J］.水泥，2010（5）：21-24.

TQ172.622.29

A

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2014-05-06；编辑：赵莲