摘要：煤粉计量与输送是水泥厂烧成系统的关键环节。目前，国内外新型干法水泥生产线烧成燃煤计量主要采用转子秤和科里奥利秤。下面仅就这两种计量设备在国外某 5000t/d 生产线的选型实例，浅析煤粉计量秤对熟料烧成能耗以及生产工艺方案的影响。
煤粉计量与输送是水泥厂烧成系统的关键环节。煤粉计量设备连续稳定的运行， 是稳定水泥烧成热工制度，提高熟料产质量，降低煤耗，保证系统安全和连续稳定运转的关键因素。目前，国内、外新型干法水泥生产线烧成燃煤计量主要采用转子秤和科里奥利秤。下面仅就这两种计量设备在国外某 5000t/d 生产线的选型实例，浅析煤粉计量秤对熟料烧成能耗以及生产工艺方案的影响 。
1 工艺及设备参数
该5 000t/d 生产线设计熟料热耗指标为3032kJ/kg，烧成燃煤煤质波动较大，其热值19011~28304kJ/kg之间，工艺设计值为23000kJ/kg。另外，业主要求煤粉制备采用窑尾废气烘干，由于地形影响，总图布置中煤粉制备车间与窑头车间距离较远，煤粉仓至窑头燃烧器输送距离为：水平170m，高度16m，弯头10个;煤粉仓至窑尾燃烧器输送距离：水平70m，高度35m，弯头6个。据此计算煤粉计量秤的主要选型参数见表 1 。
2 方案比较
2.1 煤粉输送稳定性
虽然对于5000t/d生产线，窑头用煤量很少用到16t/h，但设计考虑了最差煤质工况状态及某些自身的情况。对于窑头煤粉秤，如果输送距离不超过150m，转子秤厂家承诺可满足工艺要求，对应工艺方案如图1 所示。
图 1 至窑头输送距离 <150m 时转子秤工艺流程喂煤稳定性决定着回转窑和分解炉的运行及熟料质量，当喂料量波动过大时，会造成分解炉堵塞，窑内结圈，跑生料的现象，严重影响生产的正常运行。因此，本生产线工艺布置中，当窑头煤粉输送能力超过16t/h 时，转子秤会发生输送不稳定的现象，此时需在窑头车间增加煤粉仓，将用于窑头的煤粉秤移到此仓下，并需增加螺旋泵将煤粉从煤磨车间送至此仓， 这样方可保证稳定的喂煤，工艺方案如图 2 所示 。
图 2 这种方案的变化以及设备的增加，意味着设计的变更及工程成本的增加，这是在总包项目中最难以接受的。而如果使用科里奥利秤就不存在此问题，科里奥利秤不需要工艺方案做任何改变即可满足煤粉输送的稳定要求， 其工艺方案如图 3 所示 。
2.2 输送煤粉至窑头用罗茨风机
根据两个厂家提供的输送煤粉至窑头的送煤风量及风压，罗茨风机选型结果见2。 按照窑系统年运转率 90%计算，采用科里奥利秤每年可节省用电82.78 万kWh。
2.3 输送煤粉至窑尾用罗茨风机
根据两个公司提供的输送煤粉至窑尾的送煤风量及风压，罗茨风机选型结果见表3。按照窑系统年运转率90%计算，采用科里奥利秤每年可节省用电50.46万kWh。
2.4 窑头燃烧器用一次风机
按天津院《煤粉燃烧器系统设计规程》， 窑头一次空气量按窑头燃烧空气量的 10%计算， 其中窑头燃烧器送煤风与净风比例可定为 3.75∶6.25。窑头净风由罗茨风机提供，压力取 25 kPa， 其选型结果见表4。按照窑系统年运转率 90%计算，采用科里奥利秤一年可节省用电 49.98 万 kWh。|
2.5 压缩空气
本项目设计窑头与窑尾共用一个煤粉仓。转子秤配置大致如下：煤粉仓锥体配有一个搅拌器，每台秤带有一个 Pre-hopper(校验小仓)，每个检验小仓配置一个搅拌器。 搅拌器需压缩空气辅助搅拌，使煤粉均匀并稳定地卸料，每个搅拌器消耗压缩空气 100m3/h;最后每台转子秤喷吹转子中的煤粉需要 12m3/h。 如果不计入气动闸板阀的耗气量，转子秤共需压缩空气324m3/h(标态)。 科里奥利秤采用压缩空气来保证轴承周围的微正压，防止水、煤粉进入轴承而影响计量精度以及轴承寿命，如果不计入气动闸板阀的耗气量， 共需压缩空气 65m3/h(标态)。根据经验，0.7MPa的压缩空气 1m3(标态)消耗功率 0.086 7kW，得出压缩空气相关参数见表 5。 按照窑系统年运转率 90%计算，采用科里奥利秤时，每年节约用电 17.70 万 kWh。
2.6 熟料烧成热耗
1)在用煤量不变的情况下，无论一次风量如何变化，烧成系统所需总风量是不变的。一次风量的增加必然造成二次、 三次风量的减少， 烧成系统从冷却机回收热量减少，而这部分减少的热量需要由一次燃料( 煤) 来补充， 即单位熟料烧成热耗必然增大。窑头选用转子秤时一次风量 VY1K 为 16 853m3/h( 标态，下同)，选科里奥利秤时一 次风 量 VY1K为10 043m3/h，转子秤多出 6 810m3/h， 即入回转窑二次风量 VY2K 减少 6 810m3/h。 使用不同秤时， 熟料烧成热耗的变化计算如下( 忽略飞灰的显热差值)：
因此窑头使用转子秤比使用科里奥利秤热耗增加 QY2K-QY1K=9.15 ×106kJ/h， 即单位熟料热耗增加43.90kJ/kg。
2)按《煤粉燃烧器系统设计规程》， 窑尾燃烧器送煤风与净风比例可定为 3.5∶4.5。窑尾选用转子秤时入分解炉一次风量VF1K为10 844m3/h，选科里奥利秤时参数 风量( 标态 )入分解炉一次风量 VF1K 为8 073m3/h ，转子秤多出2 771m3/h，即入分解炉三次风量 VF3K 减少2 771m3/h 。
当三次风温度为 950℃时，空气的平均恒压比热值为1.407kJ/(m3· ℃)，计算得：
按照窑系统年运转率 90%、煤热值23 000kJ/kg计算，选用转子秤时，烧成系统每年多耗煤4254t，烧成系统热耗增加 61.15kJ/kg。
2.7 燃烧器对送煤风的要求
本项目设计采用燃烧器相关参数见表 7.
从表 7 可看出，转子秤窑头煤粉秤的送煤风量远大于燃烧器的要求。为保证获得强有力的窄火焰，转子秤公司需加大燃烧器的管道直径， 加大后的燃烧器对烧成系统将有一定的影响，火焰较难控制，对窑操作人员的要求很高，不利于熟料的质量控制，同时也增加了燃烧器的成本。
3 方案选择及结论
综上所述， 对于本工程这样一个典型的5 000t/d生产线，煤粉计量控制环节使用转子秤与科里奥利秤的能耗比较见表8。
故科里奥利秤在节能降耗方面具有很大的优势，有利于保证项目的热耗和电耗指标，对于投资方来说可更好地保证熟料质量， 降低后期的生产成本。
由于转子秤采用其特有的前馈控制技术， 具有计量精度高、喂料稳定的特点而被广泛应用，目前国内已有 300 余家新型干法水泥生产线采用了该产品。 科里奥利秤研发问世后，因其在节能降耗方面的优势而被诸多设计院认可，目前被国内2 500~6 000t/d、12 000t/d 等约 200 家水泥生产线所采用 。鉴于上述分析， 我们推荐采用科里奥利秤 ，然而业主却坚持采用转子秤作为本项目的煤粉计量设备。为了不增加工程的投资成本，又能保证转子秤的正常使用， 总包方只有修改煤粉输送管道的布置， 改变以往煤粉输送管道利用窑中构筑物布置的方式， 用最少的弯头数量、 最短的输送距离将煤粉送至窑头 并在热耗及电耗指标上向业主提出了浮动的要求。
另外， 对于燃烧器的设计也应考虑煤粉浓度： 3～6kg/m3( 标态)， 实际考虑 4.0kg/m3; 实际使用时考虑煤质变化的波动，最小煤粉浓度应>3.5kg/m3; 如果设备厂家没有提供此参数，可以用煤粉的输送能力和所用风量相除计算此值， 或对其提供的参数予以验算 。
在选择煤粉计量设备时， 一定要综合考虑各方面的影响因素，如果业主坚持按其偏好选择设备，而煤粉输送浓度不能满足上述要求时，我们应以书面形式明确告之：系统运行后的热耗指标将会提高，或设计方案需按图2变更才能保证热耗指标。
转子秤和科里奥利秤都具有先进的系统设计、流畅的仓卸料系统以及优异的喂料设备。 但是由于测量原理的差异，使得科里奥利秤做的精巧细致， 转子秤则显得厚重稳定。正是由于精巧细致，科里奥利秤的秤体轴承需严禁水和煤粉的进入，否则会很快磨损而难以继续工作，测量精度难以保证，这时需停窑维修，给水泥厂造成较大的经济损失，因此科里奥利秤在操作管理上对操作人员具有很高的要求。 转子秤在操作管理上则没这么严格。总之，转子秤和科里奥利秤互有利弊，而从节能减排方面考虑，宜选择科里奥利秤作为煤粉计量及输送设备。
参考文献 ：
[1] 王君伟，李祖尚. 水泥生产工艺计算手册[M]. 北京：中国建材工业出版社，2001.
[2] 天津水泥工业设计研究院有限公司 .煤粉燃烧器系统设计规程( 内部资料)， 2007