引言重烧镁砂是重要的耐火材料原料，被广泛应用于钢铁冶金、建材、有色金属冶炼等高温行业，在镁质耐火原料应用中的占比超过40%[1-2]。目前，重烧镁砂的主要热工设备为竖窑，传统的菱镁矿重烧竖窑具有机械化程度低、工作环境差、生产过程控制不够严格等问题，影响镁砂的质量稳定；助燃空气中约80%的氮气带走大量的热量，造成热量损失，生产1 t产品需要排放超过2 t的CO2和大量粉尘、烟气，对环境造成污染[3]。因此，行业迫切需要提高重烧炉窑的热性能，降低能源成本以应对日益上涨的能源价格。为了提高重烧镁砂的热性能，徐天骄[4]等建立重烧竖窑传热三维模型，研究竖窑内气固传热基本规律及操作参数对菱镁矿温度的影响。史树威[5]等开发一种新型节能环保机械化竖窑，新型竖窑具有3 m厚的超强保温隔热炉衬，并配备废气环保处理和换热循环利用系统，能够实现节能环保。张晓虎[6]等结合多孔介质理论，建立竖炉内三维稳态气固流动传热模型，研究竖炉热工参数对床层内气固传热过程的影响。目前，相关人员已经对重烧竖窑展开了大量的研究工作，但对其能量和进行全面分析和评估并提出相应的改进措施的研究较少。本研究建立一个全面的能量和分析模型，用于评估重烧竖窑的热性能，确定重烧竖窑的主要能量损失和损失，并提出几种提高能源利用效率和效率的改进措施。1菱镁矿重烧竖窑生产流程1.1现场测试情况（1）现场测试对象：辽宁省海城市海城镁矿集团重烧镁窑厂某重烧竖窑。重烧竖窑采用传统的竖窑生产工艺，上部加料，下部出料，连续煅烧熟料。竖窑由窑体、加出料装置及通风设备等组成。海城镁矿集团重烧镁窑厂共有6台重烧竖窑。（2）测试仪器：热电偶、热成像仪、光学温度计、水银温度计、秒表、电子钟、皮托管、磅秤、米尺、烟气分析仪。（3）重烧竖窑生产原料为菱镁矿石（MgCO3质量分数约96%），燃料采用无烟煤，产品为普通镁砂。竖窑外壳为钢板，内衬为耐火材料，高度18 m，直径3 m。根据内部温度不同，将竖窑自上而下分为预热段、烧结段、冷却段。罗茨风机流量为11 000 m3/h，功率为132 kW。（4）竖窑从投入到产出用时2 d，单窑产量55~65 t。竖窑周期作业，根据人工出料经验，约4 h出一次料。经测试，一个周期（4 h）内消耗10 t菱镁矿石，生产3.1 t重烧镁砂成品，产品型号为MS92。1.2竖窑结构与原理竖窑结构与原理如图1所示。重烧竖窑生产以无烟煤为燃料，将无烟煤与80~100 mm的块状菱镁矿石混合，经皮带传送至开放竖窑，利用风机引入空气助燃，于1 700 ℃在竖窑中采用一步煅烧完成菱镁矿分解。预热段预热原料；重烧镁砂在烧结段生成，烧结产生的烟气向上流动，经烟囱流入烟气处理中心；重烧镁砂经风机冷却后人工出料，MgO的质量分数约92%[7-8]。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.09.007.F001图1重烧竖窑结构与原理在竖窑的烧结段，无烟煤燃烧产生的热量被MgCO3的吸热反应利用，主要的物理化学反应如下[9]：MgCO3→700~900 °CMgO非晶体+CO2↑ (1)MgO非晶体→900~1 700 °CMgO晶体 (2)本研究假设原料中的MgCO3在1 700 ℃时完全被分解，CO2全部逸出。2理论分析引用质量守恒方程、能量守恒方程和守恒方程分析重烧竖窑的能量与。考虑重烧竖窑的复杂性及不稳定性，对热力评估进行如下假设：（1）系统为开放系统，处于稳定运行状态。（2）所有气体为理想气体。（3）输入和输出物质的动能和势能变化可以忽略不计。（4）环境状态的温度和压力设定为T0=298 K，P0=1.013×105 Pa。（5）忽略除尘器与罗茨风机的电能。质量守恒方程与计算公式为：∑imin,i=∑jmout,j (3)m=ρV (4)计算气体质量流量，气体的体积流量已知，基于理想气体假设，结合理想气体方程计算气体密度。能量守恒方程与计算公式为：∑iEnin,i=∑jEnout,j (5)Enph,1=cp×m×ΔT (6)Ench,1=m×LHV (7)Enph,2=m×r (8)Ench,2=m×Eheat (9)式中：LHV——无烟煤的低热值；r——分解产物的潜热；Eheat——燃料的发热量。燃料总能量是物理能和化学能的总和[10]。燃料化学能根据式（7）计算。式（9）用于计算MgCO3分解吸收的热量。守恒方程与计算公式为：∑iExin,i=∑jExout,j+ExD (10)Exph=H-H0-T0S-S0 (11)Exch,1=m⋅∑kxk⋅exch,k+RT0xk⋅lnxk (12)Exch,2=m⋅φ⋅LHV (13)Exch,3=∑imi⋅exch,i (14)ExQ=1-T0T⋅Q (15)ExD=T0⋅Sgen (16)式中：H、S——焓和熵；Q——给定温度T时，通过边界的传热速率；Sgen——熵产[11]；下标0为初始状态下的属性。在分析中，考虑物理和化学。系统的物理与环境压力和温度有关，由系统和环境间的压力或温差引起[12]。焓变计算过程为：H-H0=m⋅cp⋅T-T0 (17)结合热力学第一和第二原理估计熵的变化。气体的熵变为：S-S0=m⋅cp⋅lnTT0-R⋅lnPP0 (18)液体和固体的熵变为：S-S0=m⋅cp⋅lnTT0 (19)菱镁矿石和无烟煤的化学与成分有关，可以利用式（11）计算。式（13）用于计算燃料的化学。热利用式（15）计算。式（16）用于计算损失。被破坏的代表损失的功势，也被称为不可逆性或损失功[13]。将MgCO3分解作为整个生产过程中的有效热支出，能量效率为：ηen=EnMgCO3En (20)效率为：ηex=ExqlEx (21)3结果与讨论3.1质量平衡3.1.1质量平衡方程重烧竖窑质量、能量和的输入与输出如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.09.007.F002图2重烧竖窑质量、能量和㶲的输入与输出质量平衡方程为：more+mcoal+mair=mpro+mgas+mdust+mother (22)式中：more、mcoal和mair——消耗菱镁矿石、无烟煤燃料和空气的质量，为输入质量；mpro、mgas、mdust和mother——出料产物、烟气、粉尘和其他物料的质量，为输出质量。生产过程中的漏风损失忽略不计。3.1.2烟气的性质竖窑正常运行期间，难以通过现场测量获得准确的烟气成分和质量流量。本研究中，假设烟气由CO2、N2、O2、SO2和H2O组成。空气中各成分的体积分数分别为0.774 8 N2、0.205 9 O2、0.019 H2O和0.003 CO2。根据燃烧设备和燃烧空气的体积流量和成分，确定空气过剩系数（n）为1.2。无烟煤成分为C、H、O、N和S。参考《燃料与燃烧》计算燃烧产物体积：vCO2=CC+n⋅fCO2 (23)vN2=CN+n⋅fN2 (24)vO2=CO+n⋅fO2 (25)vSO2=CS+n⋅fSO2 (26)vH2O=CH+(1-n)fH2O (27)式中：C——无烟煤燃料中各物质的百分含量；f——空气中各气体的体积分数。部分冷却空气不参与燃烧，其气体成分直接被添加至烟气中。此外，烟气中的CO2含量还包括热分解产生的大量CO2。3.1.3镁砂转化率与MgCO3相比，矿石中CaCO3、SiO2、Al2O3和Fe2O3的含量相对较低，假定MgCO3在系统中被完全分解，计算MgCO3转化率。DMgCO3=AMgOBMgCO30.44AMgO+0.56 (28)式中：AMgO——MgO的质量百分比；BMgCO3——MgCO3的质量百分比。根据成分分析，得到AMgO和BMgCO3，MgCO3的转化率为66.3%。竖窑一个周期内的质量平衡结果如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.09.007.T001表1竖窑一个周期内的质量平衡结果输入项质量/kg百分比/%输出项质量/kg百分比/%合计24 296.1100.0合计24 296.1100.0菱镁矿石10 000.041.2出料产物3 100.012.8无烟煤燃料1 045.54.3烟气18 684.976.9空气13 250.654.5粉尘1 583.36.5其他物料损失927.93.8注：经烟气分析仪（型号为HC311）测试，试验状态下单位体积烟气内粉尘含量为0.136 kg/m3。3.2能量平衡重烧竖窑的输入能量包括无烟煤燃烧热和烟气对矿石的预热，无烟煤的热值为27 208 kJ/kg。能量平衡方程为：Encoal+Enpre=EnMgCO3+Endec+Engas+Endust+Enrem+Enwall+Enrad+Enpro+Enother (29)式中：Encoal和Enpre——无烟煤燃烧热和矿石预热，为输入能量；EnMgCO3、Endec、Engas、Endust——MgCO3分解吸热、分解产物潜热、烟气带走热、粉尘带走热；Enrem、Enwall、Enrad、Enpro、Enother——其他产物热损失、竖窑外壁热损失、通过炉门的辐射热损失、产品带走物理热和其他热损失。无烟煤的燃料能量流是主要能量来源，总功率为1 975 kW，占总能量输入的87.3%。通过与烟气传热，预热空气温度从298 K升至539 K，烟气对矿石预热的能量流为286.1 kW。重烧镁砂过程的热耗为3 200 kWh/t，重烧竖窑的能量效率为40.2%，重烧竖窑具有巨大节能潜力。重烧竖窑桑基图如图3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.09.007.F003图 3重烧竖窑桑基图竖窑一个周期内的能量平衡结果如表2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.09.007.T002表2竖窑一个周期内的能量平衡结果项目能量/kW百分比/%输入项无烟煤燃烧热1 975.087.3矿石预热286.112.7合计2 261.1100.0输出项MgCO3分解吸热909.640.2分解产物潜热326.414.4烟气带走热322.814.3粉尘带走热154.96.9其他产物热损失30.61.4竖窑外壁热损失411.118.2通过炉门的辐射热损失13.80.6产品带走物理热8.30.4其他热损失83.63.6合计2 261.1100.03.3分析3.3.1平衡能量分析过程确定了输入能量与输出能量。利用数据分析能量的质量。重烧竖窑的平衡方程为：Exore+Excoal+Exair=Expro+Exgas+Exother+Exhl (30)式中：Exore、Excoal、Exair——菱镁矿石、无烟煤燃料和空气；Expro、Exgas、Exother、Exhl——出料产物、烟气、其他物料损失和通过竖窑外壁的热损失。利用公式（15）计算Exhl，Q值为411.1 kW，确定重烧竖窑的热为177.1 kW。Excoal化学利用式（13）计算，ψ取0.75。3.3.2菱镁矿石和出料产物的化学计算菱镁矿石的化学为：Exch,ore=ωMgCO3exMgCO3+ωCaCO3exCaCO3+ωSiO2exSiO2+ωAl2O3exAl2O3+ωFe2O3exFe2O3 (31)式中：ω——菱镁矿石中化学物质的质量分数；ex——物质的标准化学，通过查阅文献获取[13]。出料产物化学的计算方法和菱镁矿石相似：Exch,pro=ςMgOexMgO+ςCaOexCaO+ςSiO2exSiO2+ςAl2O3exAl2O3+ςFe2O3exFe2O3 (32)式中：ς——出料产物中化学物质的质量分数。3.3.3损失熵产会对造成破坏。熵在不可逆过程中产生，如摩擦、混合、化学反应、有限温差传热、无限制膨胀、非准平衡压缩或膨胀[13]。重烧竖窑的生产过程考虑三个方面的熵产：无烟煤的燃烧、MgCO3的分解反应以及重烧竖窑的传热传质。熵产计算公式为：Sgen=ΔS-Sf,Q (33)式中：ΔS——熵变；Sf，Q——熵转移。系统的熵变为：ΔS=Spro-Sreac (34)式中：Spro和Sreac——产物和反应物的熵。无烟煤燃烧的ΔS为29 169.23 kJ/K。熵转移为：Sf,Q=QT (35)Q/T表示伴随热传递产生的熵传递，系统的热力学温度T为正数，熵转移和热转移的方向一致。燃烧的熵传递方程为：Q=mcoal⋅LHV-mcom×cpcom×Tcom (36)式中：Tcom——无烟煤燃料的燃烧温度，根据无烟煤燃料的统计数据，确定燃烧温度为1 000 ℃。熵传递量为21 023.66 kJ/K。综上，无烟煤燃烧产生的熵为1 317.27 kJ/kg，损失为168.6 kW。MgCO3分解的损失包括化学反应产生的损失和CO2传质引起的损失。化学反应产生的损失计算方法与无烟煤燃烧损失相同。MgCO3分解为吸热反应，熵传递方程为：Sf,Q=-QdeTde (37)MgCO3的分解温度为700 ℃，离解热为1 362 kJ/kg。MgCO3分解反应的熵传递量为6 002.06 kJ/K，损失为81.3 kW。分解反应产生的CO2气体被认为是理想气体。CO2传质引起的损失为：Sgen=mCO2cpCO2⋅lnTgTde-R⋅lnPCO2Pf (38)式中：PCO2和Pf——CO2的压力和反应前的压力（参考文献[11]计算）。传质的损失为157.5 kW。重烧炉窑传热传质引起的损失为总损失与无烟煤燃烧反应和MgCO3分解反应引起的损失的和的差值。ExD,hm=ExD-ExD,com+ExD,decom (39)重烧竖窑的平衡结果如表3所示。重烧竖窑格拉斯曼图如图4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.09.007.T003表3重烧竖窑的㶲平衡结果输入项能量输出项能量损失能量合计1 677.7合计980.5合计707.2菱镁矿石1 395.2出料产物540.8无烟煤燃烧168.6无烟煤燃料70.8烟气及粉尘238.3MgCO3分解81.3空气211.7其他物料24.3传热传质457.3竖窑外壁177.1kW10.3969/j.issn.1004-7948.2022.09.007.F004图4重烧竖窑格拉斯曼图重烧竖窑的㶲损失占总输入的42.0%。本研究中，传热传质的损失是不可逆性的主要来源。传热传质的损失占总损失量的64.7%。重烧竖窑生产过程中，MgCO3分解产生大量CO2、冷却空气及漏风的传热传质造成损失。开放的重烧竖窑系统中，冷却空气作为燃烧空气参与燃料燃烧，经测试，烟气中具有额外的冷却空气，其流动和传热有助于的破坏。无烟煤燃烧反应引起的损失占总损失的23.8%。MgCO3分解反应引起的损失占总损失的11.5%。重烧竖窑的效率为32.1%。3.4节能改进措施（1）竖窑外壁加装保温装置。生产过程中烧结段外壁表面温度为400 ℃，与环境温度（25 ℃）的差值较大。能量与平衡计算结果表明，竖窑外壁热损失占总能量输出的18.2%，一个周期内的可用能为177.1 kW，具有很大的节能潜力。因此，竖窑外壁安装保温装置，将烧结段外壁表面温度和环境的温度差降低至100 ℃以内，能够减少热损失，提高能量与效率。（2）烟气余热回收利用。竖窑产烟气生的温度约266 ℃，能量方面，烟气所含能量占总能量输出的14.28%；质量方面，烟气能级不高，且烟气中含有大量的粉尘，最合适的余热回收方式为直接利用。因此，可以将烟气通入预热链篦机，对物料进行预热。（3）定期检修、设置烟气检测点。传热传质的损失占总损失量的64.7%，传热传质包括MgCO3分解产生的大量CO2、冷却空气及系统漏风。现场测试过程发现竖窑存在多处漏风口，造成能量损失、烟气成分检测不准确，建议企业定期检修并设置烟气检测点，提升竖窑运行安全性。4结语（1）重烧竖窑的能量效率和效率分别为40.2%和32.1%，表明重烧竖窑具有较大的节能潜力。（2）损失占重烧竖窑输入总量的41.9%，由传热传质引起的损失占总损失的64.7%，是系统不可逆性的主要来源。（3）竖窑外壁热损失与烟气带走热分别占总能量输出的18.2%和14.3%，可用能分别为177.1 kW和238.3 kW，能源浪费量较大，对竖窑外筒体加装保温装置能够减少能量流失，将烟气通入预热链篦机，进行能量回收。（4）系统漏风使粉尘及其他物料带热逃逸，造成资源与能源浪费。该部分热损失占总能量输出的8.2%，同时也造成了一定的损失。因此，企业应定期检修，并配备烟气检测系统，进行周期性检测，以保证竖窑节能和安全运行。