新型干法水泥窑系统火用平衡研究

马娇媚，陶从喜，狄东仁

1 引言

节能降耗是水泥生产永恒的主题之一，水泥窑系统主要消耗的是热能，热分析是在热平衡的基础上进行的。热平衡遵循热力学第一定律——能量守恒定律，反映了窑炉的热量收支平衡关系。长期以来，热平衡和热分析已为大家熟悉和掌握，但它只分析了能量在转化和传递过程中数量上的平衡，而没有考虑其在质量上的差异和变化。

为了度量能量的品质及其可利用程度，比较不同状态下系统的做功能力大小，热力学提出了㶲的概念[1]。天津水泥工业设计研究院有限公司节能示范水泥生产线——河南孟电项目，其预热预分解水泥窑系统目前的能耗水平国内领先，本文基于其热工标定基本数据，对预热预分解水泥窑系统各个输入输出支项进行了㶲计算，用热力学第二定律的基本理论进行了分析研究，旨在进一步探索新型干法水泥工艺技术的节能降耗途径。

2 㶲的定义及种类

2.1 㶲的定义

能（Energy）有两大特点：一方面，能有数量概念，又有质量概念，同样数量的能，其质量可以不同[2，3]。例如，同样含有41 840kJ热量的水或水气，在20℃、100℃、1 000℃下价值不同。20℃水的能量没有太大价值，100℃的热水能供日常生活用，1 000℃的水气可用于发电。另一方面，能量具有守恒性和贬值性，能在转移或转变为另一形式时，其数量可不变，但其品位（质量）会发生变化，如0℃环境中将1kg80℃水和1kg0℃水混合，可得2kg40℃水，按守恒定律，它完全没有能量损失，但若不加任何能量，只用2kg40℃水要得到1kg80℃水是绝对不可能的，这是一个不可逆过程，它损失了（混合时）可用功。热平衡分析法不能全面反映能量利用的程度，所以，玻璃窑、余热锅炉、水泥窑等所有涉及热能转换利用的系统，既要分析能量平衡，又要分析能质平衡[4，5]。

㶲（Exergy）是在热力学第二和第一定律基础上导出的一个有条件的状态函数，是描述能可用性的重要物理量。其概念是：任何热力学体系，当它所处状态与周围环境不平衡时，就有过渡到与环境相平衡的趋势，该体系对环境就具有一定的做功能力。如果在不可逆条件下过渡，则体系对环境所作的功将达到最大值。我们把理论上能够最大限度地转变为技术功的能量称为㶲或者火用（也可叫“有效能”、“可用能”、“可用功”），㶲的单位是 kJ。㶲值按作功大小定。不可转变为技术功的能量称为火无或者火无（Anergy，也可叫“无效能”、“无用能”）。使用能源实际上是使用㶲，节能的本质是节㶲。

2.2 㶲的种类

当环境状态一定时，系统的㶲量流大小只与其状态有关，可视为状态参数。能量系统的㶲包括各种物理㶲、化学㶲、功的㶲、热㶲等，其中物理㶲和化学㶲量由系统状态参数决定。

（1）功的㶲

功是高品位的能，包括机械功、电功、磁功等，功在转换过程中能全部转换，因此，功的㶲量就等于功。即：

式中：

EXW——功的㶲值，kJ

W——以功的形式传递的机械能、电能等，kJ

（2）热量的㶲

热量㶲是指高于或者低于环境温度的系统与环境传递热量时所能做出的最大有用功。若系统为恒温，则：

式中：

EXQ——热量㶲值，kJ

Q——高温热源向外界环境放出的热量，kJ

T0——环境温度，K

T——系统温度，K

若系统温度低于环境温度时，低温物体则吸收热量Q，吸热量Q的㶲被称为冷量㶲，此时系统吸收热量，环境放出热量，则冷量㶲的计算公式为：

（3）物理㶲

物理㶲是任意状态的物质与环境仅存在热不平衡和力不平衡时具有的㶲，物理㶲包括温度㶲和压力㶲、宏观动能㶲及宏观势能㶲，水泥窑系统的废气显热、物料显热均属于此类。物理㶲的表达式为：

式中：

EXph——热量㶲值，kJ

H——物质的焓值，kJ/kg

程瀚喜欢名表，经常戴着价格不菲的名表出席各种场合。“不怕领导讲原则，只怕领导没爱好”，一些有所图的老板就投其所好，给程瀚送玉石、名表，美其名曰“玩玩”“欣赏欣赏”，其实这些老板都心知肚明，程瀚不还，他们是不会要的。

H0——环境状态下物质的焓值，kJ/kg

S——物质的熵值，kJ/（kg·K）

S0——环境状态下物质的熵值，kJ/（kg·K）

m——系统内物质的质量，kg

V——系统相对于地球参照系的速度，m/s

Z——系统相对于地球海平面的高度，m

实际工程设备中，一般为稳流系统，稳流系统物质的物理㶲表达式为：

可见，当系统与环境达到力、热平衡时，物质的物理㶲为零。

（4）化学㶲

化学㶲是构成系统的物质由于化学结构、组成以及聚集状态同环境物质的差异而具有的对相应的外界做出最大有用功的能力。任意与环境状态处于约束性平衡的物质的化学㶲计算式为：

元素和很多化合物的标准化学㶲可从相关文献和标准中查阅到；部分化合物的化学㶲无法查到，可运用稳定单质生成化合物的生成反应的㶲平衡方程式计算求出；稳定单质的化学㶲可以通过现有元素的化学㶲数据表查到。由元素或稳定单质A、B、C生成的化合物，标准状态下单位摩尔数该化合物的化学㶲计算公式为：

式中：

kJ/mol

3 水泥窑系统㶲分析研究

3.1 熟料形成热㶲的计算

水泥生产中除了燃料的燃烧、生料的加热等过程外，还进行着一系列复杂的化学反应，化学反应过程耗㶲的求算一直是㶲分析计算中的一个难点，特别是水泥熟料系高温状态下烧成，物理化学反应复杂，使计算更为困难。我们查阅了大量的计算熟料形成㶲的方法，基本上分为两类，一类是基于反应步骤的分步计算法[6，7]，一类是直接用生成物减去反应物的㶲计算[8]。我们通过综合分析，找到了与水泥熟料相关的各种物质的化合焓、㶲的值，采用第二种方法进行了计算。

表1中原料成分来自于河南孟电生产线标定数据。首先计算出熟料的组成和生成物的组成，再根据化学㶲的计算公式，得出熟料形成㶲。

3.2 系统㶲平衡计算

我们以具有典型代表性的孟电项目烧成系统作为分析对象，温度、压力、风量、料流量等数据来自孟电窑系统标定报告，窑系统的热工标定和热平衡计算依据为GB/T 26281-2010《水泥回转窑热平衡、热效率、综合能耗计算方法》、GB/T 26282-2010《水泥回转窑热平衡测定方法》，热平衡计算结果见表2。根据热工标定的数据，对系统的㶲平衡按照上文中的方法进行计算，结果见表3。

对比表2和表3可以发现，系统的目的㶲效率远低于系统的热效率。㶲平衡中，㶲损失分为固有㶲损失和技术㶲损失。固有㶲损失是指由于过程中的不可逆性引起的㶲损失，包括燃烧㶲损失、传热㶲损失等；技术㶲损失是指目的㶲支出和固有㶲损失以外的各种㶲消耗，如物料或气体带出㶲、表面散热㶲等。其中，固有㶲损失在实际过程中已转换为火无，这些转换为火无的项目在热平衡中并不存在，只有通过㶲分析才能体现出来。表3中除了熟料形成热㶲，技术㶲损耗从大到小依次为窑尾废气㶲、窑头废气㶲、熟料带走㶲、表面散热㶲。然而最大的是固有㶲损失，是由系统的不可逆过程造成的。

表1 生产1kg熟料消耗的原料组分以及熟料中的矿物组分

表2 水泥窑系统热量平衡表

3.3 基于㶲分析的节能措施

热力学分析方法中，能量衡算法最简单，熵分析次之，㶲分析法计算工作量最大[1]，其中熵分析和㶲分析结果一致。能量衡算只能求出能量的排除损失，不能得到由不可逆因素引起的㶲损失的信息。熵或㶲分析可求出过程㶲损失的大小、原因和它的分布情况，还能通过单体设备的㶲损失与热效率或㶲效率判断它们的热力学完善程度和节能潜力，便于制定正确有效的节能措施。对于只利用热能为主的场合，如对供暖、工业用加热炉、熔解炉的热力学分析，可以只用热量衡算进行评价；对于热过程中存在能量转化的场合，如蒸汽轮机、锅炉、热泵、制冷机、换热过程、化学反应过程、分离过程等的热力学分析，应该以㶲（或熵）分析为主，以能量衡算为辅。

表3 水泥窑系统㶲量平衡表

设计工作要对新的能量系统进行分析，一般是先做能量衡算，再进行㶲分析。当然，最佳工艺流程与工艺条件的确定要考虑许多因素，但目前由于能源价格急剧上涨，减少㶲损失，提高㶲的利用率成为一项重要的优化目标函数，这是毫无疑义的。无论如何，经㶲分析确定的最优参数比单纯能量衡算确定的最优参数要合理得多，窑炉热工过程火用分析是评价生产装置能量利用合理程度、探索降低能耗方法的有力工具。早在多年前，天津院有限公司就进行过分解炉系统的㶲平衡计算[9]，我们以孟电一线的烧成系统为例[10]，进行了实测和计算，得到了该窑的热平衡表和㶲平衡表，并找出了节能的途径。由计算结果可看出，水泥窑的㶲效率低于热效率，能的有效利用程度并非如热效率反映的那样高。根据㶲平衡表，可作如下的㶲分析。

能量不可逆损失中占比最大的是燃烧和气固换热过程。因为燃烧产物的㶲值比燃烧前燃料的㶲值低（由于燃烧发生剧烈的化学反应引起㶲损失），并且实际燃烧产物的温度总是低于理论燃烧温度。减少这部分损失可采取：（1）尽可能燃烧完全；（2）在燃烧完全的条件下采用的空气过剩系数尽可能低；（3）尽量提高燃料和助燃空气的预热温度；（4）能量不可逆损失中占相当比重的是传热过程，如火焰空间内的传热过程、窑内的传热过程等。当燃烧产物向物料（或空气）传热时，燃烧产物从理论燃烧温度下降到排烟温度时，㶲值的减少大于物料（或空气）从入窑温度上升到熔融（或预热）温度时㶲值的增加。这两个㶲之差即为不可逆损失。

4 结语

（1）以孟电节能示范线为代表的窑系统仍然有大量的热量㶲可回收利用。

（2）窑系统存在气固换热、燃烧不可逆过程，导致大量的固有㶲损失存在。

（3）回转窑不是节能的重点，节能的重点仍然是预热器、冷却机。

（4）研发应以提高预热器的换热效率、提高冷却机的换热效率和热回收效率为主。

（5）提高过程的可逆程度才能有效提高㶲效率，冷却机的温度梯度最大，不可逆程度最大。

（6）对于废气，可以考虑采用热泵技术等进行低品质热能的回收利用。