砖瓦工业隧道窑热平衡、热效率测定与计算方法

1主题内客与适用范围 本标准规定了砖瓦工业隧道窑热平衡测定与计算的条件、基准、符号、测定方法、计算方法以及计算 结果的表达方式。 本标准适用于使用固体燃料烧制粘土、页岩砖瓦的隧道窑。使用其他燃料及原料烧制砖瓦的隧道窑 可参照执行。 2引用标准。 GB211煤中全水分的测定方法 GB  212煤的工业分析方法。 GB213 煤的发热量测定方法 GB2589 综合能耗计算通则。 GB  6054隧道式砖瓦干燥室热平衡、热效率测定与计算方法 JC  429砖瓦工业隧道窑。干燥室体系热效率、单位热耗、单位煤耗计算方法 3符号 本标准所采用的符号见附录A（补充件）。 4条件与基测定应在窑炉正常连续生产状态下进行。根据一个焙烧周期的实际测定结果进行热平衡计算。 4．2基准温度为测定期间的环境温度。 4．3外燃料的发热量以应用基低位发热量为基准。内燃料的发热量以干燥基低位发热量为基准。 4．4收支热量的计算以一万块普通砖的质量为计算基数，计算的最终结果一般用“千焦／万块”表示，必 要时也可将其折算为用“千焦／吨（千克）”表示的热量。 5热平衡示意图 本标准热平衡体系包括窑体和送（排）风机两部分。窑体以窑墙、窑顶的外表面和窑底地平面为界。 当车底散热和漏气严重，并具备测试条件时底部也可以以窑车底面为界。界限以内属热平衡体系，送 （排）风机与风道是否划入体系内根据由测试条件所选定的测定位置确定，以测点为界限，靠近窑体一侧 的风机与风适应划入热平衡体系内，位于另一侧的风机和风道均不属热平衡体系。在进行热平衡测定与 计算时体系以外不予考虑。     在热平衡体系范围内，所有的热量收支项目应按图1所示绘出热平衡示意图。 6记录、测定事项 记录、测定事项见附录B（补充件）。 7测定方法 7．1测定起止时间 测定前应选一辆窑车作为起止时间的依据，热平衡测定在该车从入窑至出窑的整个焙烧周期内 进行。原料和燃料的取样及计量提前至构成被测定的坯体1)的原料制备、成型阶段内进行。 注：1）被测定坯体包括对全窑的热平衡测定开始前半个焙烧周期和测定开始后一个焙烧周期内进入窑内的半成品。 7．2外界条件 7．2．1环境温度 环境温度在距窑墙两米和离地面一米以上的地方用玻璃温度计测量，每小时测定一次，全周期的平 均值为环境温度。 7．2．2大气压强 大气压强采用大气压力计测量。也可以采用当地气象部门同期测量的数据。 7．3原料 分析试样在原料制备车间掺入内燃料之前取样。每间隔2～4h取样一次，每次取样约3kg，累计取 样次数不得少于10次，将所取得的全部试佯均匀混合后，用四分法缩分井留取试样1kg，根据化学分析 结果确定其所需的热工计算参数。 7．4燃料 7．4．1内燃料 7．4．1．1取样     内燃料在原料制备车间即将掺入原料之前取样，在被测试产品成型期间，每间隔约半小时取样一 次，每次取佯约0.2kg，装入密封容器内。将全部试样均匀混合后，用四分法缩分并留取试洋1kg供分 析。 7．4．1．2组成及发热量     内燃料的应用基水分、分析基组成及发热量分别按照GB211、GB212、GB213确定。各种原煤的发热量也可以根据工业分析结果按照GB2589附录的规定用经验公式计算求得。不同基准发热量之间的 换算关系见附录C（补充件）。 7．4．1．3每万块砖坯掺配量     内燃料应采取称量或测量流量的方法准确地计量。每万块砖坯的内燃料（干燥基）掺配量由测定期间内燃料（干燥基）的累计消耗量除以对应的湿坯累计产量确定。 7．4．2外燃料 7．4．2．l取样     在确定的测试周期内，每间隔4h在投煤处煤堆表层分散取样约0．5吨。装入密闭容器内，到测量停止时，将全部样品均匀混合后用四分法缩分并留取试样lkg供分析。 7．4．2．2组成及发热量     组成及发热量的测量方法同7．4．1．2。 7．4．2．3每万块砖的外燃料消耗量     测定期间所用外燃料应与窑上存留燃料分开堆放，准确计量。每万块砖的外燃料消耗量由测定期间外燃料（应用基）实际消耗量除以对应的砖产量确定。 7．5灰渣 7．5．1取样     在测量外燃料消耗量期间出窑的窑车中，分别收集三辆出窑时间顺序被断开的窑车车面上的灰渣（砖渣除外），在现场集中称量计数，然后用四分法缩分并留取试样1kg供分析。 7．5．2每万块砖的灰渣生成量 每万块砖的灰渣生成量由收集到的灰渣总量除以对应窑车的砖坯装载量确定。 7．5．5灰渣含碳率 灰渣含碳率的确定见附录D（补充件）。 7．6烟气和热风 7．6．1测定间隔时间 在测定周期内每间隔4h测定一次。热平衡计算取各次测定结果的平均值。 7．6．2测定位置的选择 测定位置应选在直风道上与风机的距离相当于管适当量直径3～7倍长度的地方。 7．6．3温度 测温仪器原则上用玻璃温度计，也可以选用电阻温度计或热电偶温度计。温度数值由管道断面的平均测量值确定。 7．6．4湿度 气体湿度可以用于湿球温度计测量。也可以用冷凝计测量。冷凝计测量湿度的装置如图2所示。把接水瓶收集到的冷凝水量加上出冷凝器的气体在该温度下的饱和湿度时的水蒸气量，再除以通过气体的体积，所得之商确定为气体的1湿度(ks／m[3])?气体中水蒸气的容积百分数的计算方法见附录以补 充件）。 7．6．5流量 气体压力用微压计配合毕托管测量。测点选择及流量的计算按照附录刊补充件）的规定进行。 7．6．6气体成分 测定气体成分原则上来用奥氏气体分析仪。取样位置同7．6．2，分析的方法和步骤见附录C（参考 件）。 7．7砖坯与砖 7．7．1测定间隔时间 在测定周期内，每隔约2h测定一次，热平衡计算取各次测定结果的平均值。 7．7．2进出窑时的温度与质量 砖坯测试样品在即将人窑的窑车上采集，每次在坯垛顶部及四角各取一块，共取五块。砖的测试样品在刚出窑的窑车上来集，每次在砖垛的四角及中部各取一块，共取五块。取得的样品分别用半导体温度计或表面热电偶温度计测量温度，用感量为0．59的台秤称量质量，根据各项测量的平均值确定该次砖坯与砖进出窑时的温度与质量。 7．7．3砖坯含水率 每次测完砖坯温度之后，留取两块样品测定其含水率。将样品在107℃的温度下烘干至恒重，将其减量与坯体恒重的百分比确定为砖坯含水率。 7．7．4砖内残余含碳率 将测定砖的温度时所取样品保留三组（三组样品取样的时间顺序应是不连续的），全部粉碎混合后用四分法缩分并留取试样1kg，按照附录D的分析步骤测定其含碳率。 7．8窑车 7．8．1进出窑时的温度 每间隔1～2h选定一辆即将进窑和刚出窑的窑车，测定进出窑时的温度。不同材料的温度应分别测量。测定金属材料的温度至少在前后车轮和车架上取三个测点，测定非金属耐火材料的温度应分别在窑车面中部取两个测点和车沿四周取四个测点。     然后分别计算出该次窑车进出窑时各种材料的平均温度。热平衡计算取各次测定结果的平均值。 7．9窑体 7．9．1测定间隔时间 在测定周期内每间隔6h测定一次，热平衡计算取各次测定的平均值。 7．9．2测点的划分 测定前根据温度的变化将窑体外表面划分为若干个矩形面，同一面上各点温度最大值与最小值之差不得大于3℃，每个面的中心作为一个测点。 7．9．5表面散热流量 按照规定的测定时间用表面热电偶温度计测定窑体表面温度，并同时用玻璃温度计测量周围空间温度，以此计算该表面当时的散热流量。若来用热流计测定散热时，应在测定之前装上测头，使热流值基本保持稳定，然后在规定的时间内记录各测点的热流值。根据对全部测点进行测定所取得的数据计算全窑的平均散热流量。 7．10风机 风机散热使用热流计测量。每台风机取1~2个测点。测定时间间隔同7．9．1。测定方法及要求同7．9．3。 7．11窑内介质的温度、压力曲线 窑内介质的温度、压力应在热平衡测定开始后进行。可以跟踪窑车逐点测定，也可以在整个纵向长度上均匀选择测点同时测定。以长度为横坐标，以温度、压力为纵坐标绘制曲线。 8热平衡计算方法 8．1热量收入 8．1．1内燃料的燃烧反应热                         Qn＝Q[g]nDW. m[g]n……………（1） 式中：Qn--------每万块砖内掺燃料的燃烧反应热，kJ；          Q[g]DW--内燃料干燥基低位发热量，kJ／kg；        m[g]n------每万块砖内燃料（干燥基）掺配量，kg。 8．1．2外燃料的燃烧反应热。                            Qw=Q[y]wdw. m[y]w......................(2) 式中：Qw---------------每万块砖所消耗外燃料的燃烧反应热，kJ；              Q[y]wdw-------外燃料应用基低位发热量，kJ／kg；          m[y]w----------每万块砖的外燃料（应用基）消耗量，kg。 8．1．3外燃料带入的显热 Qwx=0.01m[y]w.[(100--W[y]w) +4.18W[y]w].(tw-t0)....(3) 式中：Qwx--每万块砖所消耗外燃料带ty 的显热，kj；              W[y]w---外燃料应用基含水苹，％；              Cw——外燃料的比热，kJ／（kg·℃），见附录H（参考件）；              tw——外燃料的平均温度，℃；              t0—环境温度，℃。 8．1．4砖坯带入的显热               Qp=[(0.01.mp(100-Wp)-m[g]n)].Cp1+0.0418mp.Wp+m[g].Cn].(tp-to).................(4) 式中：Qp——每万块砖坯带入的显热，kJ；              mp——每万块砖坯的质量，kg；              tp--------砖坯的平均温度，℃；              Cp1------砖坯内原料的比热，kJ／（kg.℃），按下式计算：                       cp1=0.807+313.6×10[-6]tp..............（5）                    Cn----内燃料的比热，kJ／（kg·℃），见附录H（参考件）。 8．1．5窑车带入的显热                   Qcr=(1/b)[mj.cj(tjr-t0)+013∑mf.cf(tfr-t0)]......(6) 式中：Qcr-------相应于每万块砖窑车带入的显热，kJ；       B----以一万块普通砖为计量单位的每辆窑车装载量；       mj------一辆窑车中属材料的质量，kg；       Cj----窑车金属材料的比热，kJ／（kg·℃），见附录H（参考件）；       tjr------窑车入窑时金属材料的温度，℃；       mf-----一辆车中非金属耐火衬料的质量，kg；      Cf-------窑车非金属耐火衬料的比热，见附录H（参考件）；       tfr------窑车入窑时非金属耐火衬料的温度，℃。 8．1．6总收入热量                     Qzs＝Qz＋Qw＋Qwx＋Qp＋Qcr…………………………（7） 式中：           Qzs-----烧成每万块砖总收入热量，kJ。 8．2热量支出 8．2．1蒸发砖坯水分消耗的汽化潜热                   Qqh=0.01r.mp.Wp……………………………（8） 式中：Qqh---蒸发每万块砖坯水分消耗的汽化潜热，kJ。       r--水在入窑砖坯平均温度下的汽化潜热，kJ／kg。 8．2．2砖坯焙烧反应放热 砖坯在高温焙烧时的反应热以量热仪实测结果为准，在条件不具备时可按下式计算：                         Qxy=20.91mp1.Al2O3 ·······（  9  ） 或                   Qxy=20.91（[100mp(100-Wp)-m[g]n）.A12O3..........(10) 式中：Qxy-----每万块砖的焙烧反应热，kJ；       mp1-----每万块砖坯中粘土质原料的质量，kg；       Al2O3----砖坯原料中氧化铝的含量，％。 8．2．3输出热风的显热 Qrfc=0.01A(Vrf[100-φrf(H2O)].c'grf+Vrf.φrf(H2O).c'(H2O)].(trf-t0)...(11)             式中：Qrfc---相应于每万块砖输出热风的显热，kJ；                   A------以万块普通砖为计量单位的窑的小时产量；                   Vrf——输出热风的流量，m[3]*/h；                  注：m[3]*为标准立方米。              φrf(H2O)---热风中水蒸气的容积百分数，％；              φ(H2O)----水蒸气的平均容积比热，kJ／（m[3]*.℃)；见附录H（参考件）；              trf------热风的平均温度，℃；              C'grf----干热风的平均容积比热，kJ／（m[3]*.℃），按下式计算：              C'grf＝0.01[φgrf(CO2).C'(CO2)+C'(CO)+φgrf(N2).C'(N2).φgrf(O2).C'(C2)]........(12) 式中: φgrf(CO2)、φgrf(CO)、φgrf(N2)、φgrf(O2)分别为干热风中二氧化碳、一氧化碳、氮、氧容积百分数，％； C'(CO2)、C'(CO)、C'(N2)、C'(O2)分别为二氧化碳、一氧化碳、氮、氧的平均容积比热，kJ／（m[3]*·℃），见附录H（参?考件）。 8．2．4烟气出窑热损失。          Qy＝0.01A(Vy[100-φy(H2O)].C'gy+Vy.φy(H2O).C'(H2O)).(ty-t0)……(13) 式中：Qy---相应于每万块砖排出烟气的显热，kJ：       Vy---出窑烟气的流量，m[3]*/h；       C'gy---干烟气的平均容积比热，kJ/m[3]*℃），计算方法参照8．2．3；       φy(H2O)---烟气中水蒸气的容积百分数，％；       ty---烟气的平均温度，℃。 注：m[3]*为标准立方米。 8．2．5砖出窑热损失                      Qz=mz.cz.(tz-t0)······（  l4  ） 式中：Qz--每万块砖带出窑外的显热，kJ；     mz--每万块砖的质量，kg：     tz--砖出窑时的平均温度，℃；     Cz---砖的比热，kJ／（kg·℃），按下式计算：                      Cz=0.807+313.6×10[-6]tz…………(15) 8．2．6窑车出窑热损失。                   Qcc＝[mj.cj.(tjc-t0)+∑mf.cf.(tfc-t0)]/B．．．．．(16)                  式中：Oc，一一相应于每万块砖窑车带出的显热，kJ；?    式中：Qcc------相应于每万块砖窑车带出的显热，KJ；           tjc------窑车出窑时金属材料的温度，℃；           tfc------窑车出窑时非金属耐火衬料的温度，℃。 8．2．7固体不完全燃烧热损失                    Qgb=338.71（mbz.chz＋mz.cz）·······（  17  ） 式中：Qgb-----相应于每万块砖的固体不完全燃烧热损失，kJ；       mhz-----生产一万块砖产生的灰渣量，kg；       chz-----灰渣含碳率，％；       Cz------砖内残余含碳率，％。 8．2．8气体不完全燃烧热损失                 Qqb=1.26{{Vy[100-φy(H2O)].φgy(CO)+Vrf[100-φrf(H2O)].φgrf(CO)}}/A......(18)                 式中：Qqb----相应于每万块砖的气体不完全燃烧热损失，kJ：                       φgy(CO)----干烟气中一氧化碳的容积百分数，％；                       φgrf(CO)----干热风中一氧化碳的容积百分数，％。 8．2．9窑体表面１）散热损失 注：1）包括窑墙、窑顶和体系内风道的外露表面以及需要测定车底散热时窑车的底平面。 8．2．9．1窑体表面综合传热系数                 αbi=k(tbi-tki)[0.25]+{20.41ε[0.00000001(tbi+273)[4]-0.00000001(tki+273)[4]]}/(tbi-tki).......(19)                 式中：αbi---第i次测得的窑体表面综合传热系数，kJ／（m[2]·h·℃）；     k－－－－－决定于散热面位置的对流传热系数。侧向散热面取9．20，水平向上的散热面取11．71，水         平向下的散热面取6．27：     tbi－－－－第i次测得的窑体表面温度，℃；     tki--------第i次测得的与测点相对应的空间温度，℃；     ε－－－－  窑体表面黑度，见附录H（参考件）。 若车底采取强制通风时，车底表面的αbi，按下式计算：               αbi=5.3+3.6Wd+{20.41ε[0.00000001(tbi+273)[4]-0.00000001(tki+273)[4]]}/(tbi-tki)..........(20)               式中：Wd---车下采取强制通风时的风速，m／s。 8．2．9．2窑体表面平均散热流量   qbsi={αbi1(tbi1-tki1).Fb1+αbi2(tbi2-tki2).Fb2+......+αbin(tbin-tkin).Fbn}/(Fb1+Fb2+.....+Fbn)......(21) 或qbsi=(qbil.Fb1+qbi2.Fb2+.....qbin.Fbn)/(Fb1+fb2+....+Fbn)................(22) 式中：qbsi-------第i次测得的全窑表面平均散热流量，KJ／（m[2]·h）； abi1、abi2....abin-----分别表示第i次测得的各个测点的窑体表面综合传热系数，kJ／（m[2]·h·℃）； tbi1、tbi2........tbin------分别表示第i次测得的各个测点的窑体表面温度，℃； tki1、tki2......tkin-----分别表示第i次测得的与各个测点相对应的空间温度，℃； Fb1、Fb2.....Fbn-------分别表示各个测点所在矩形面的面积，m[2]； qbi1、qbi2......qbin-----分别表示第i次用热流计测得的各个测点的热流值，KJ／（m[2]·h）。 8．2．9．3窑体表面散热损失                         Qbs＝Fb/(A.n)∑qjsi…………………………………(23) 式中：Qbs-----相应于每万块砖的窑体表面散热损失，kJ；       n-----测定次数；       Fjs---窑体总表面积，m[2]。 8．2．10送排风机散热损失                 Qjs=Fjs/(A.n)∑qjsi...............(24)                 式中：Qjs---相应于每万块砖的风机散热损失，kj；                       qjsi----第i次测得的风机表面平均散热流量，KJ／（m[2]·h）；                       Fjs-----风机散热面积，m[2]。 8．2．11其他热损失             Qt＝Qzs-(Qqh+Qxy+Qrfc+Qy+Qz+Qcc+Qgb+Qbs+Qjs)…………(25)            式中：Qt-----烧成每万块砖的其他热损失，kJ。 8．2．12总支出热量             Qzz＝Qqh+Qxy+Qrfc+Qy+Qz+Qcc+Qgb+Qbs+Qjs+Qt…………(26) 式中：Qzz----烧成每万块砖总支出热量，kJ。 9热效率计算方法。     本标准热效率的计算只限于由隧道窑单个设备构成的体系，需要向干燥室供热的隧道窑，还需按照 GB6054同时对干燥室进行测定，然后按照Jc429计算出有关参数，才能对不同窑的热工性能进行比 较。 9．1供给热量                         Qgg＝Qn＋Qw…………………………（27） 式中：Qgg--------烧成一万块砖供给隧道窑的热量，kJ。 入窑砖坯和外燃烧若用外热源从基准温度加热到入窑温度时，供给热量应加上砖坯和外燃料的显 热。 9．2有效热量                         Qyx＝Qps＋Qxy…………………………………………(28) 式中：Qyx------烧成一万块砖消耗的有效热量，kJ；       Qps----排除每万块砖坯内水分消耗的显、潜热，kJ，按下式计算：               Qps=0.01mpWp.[r+cps.(ty-tp)]..................(29)               式中：Cps----按砖坯温度和烟气温度的平均值确定的水蒸气质量比热，kJ／（kg．℃）。 9．3热效率                         η＝Qyx/Qgg×100……………………………………(30) 式中：η------热效率，％。 10 热平衔、热效率计算结果总表（见下表）                              热平衡、热效率计算结果总表 序号                 热量收入                         热量支出        项目      数值           百分数     项目       数值       百分数             10[4]KJ   10[4]KCal    ％     10[4]KJ  10[4]KJkcal     ％ 1 内燃料的燃烧反应热Qn                 蒸发砖坯水分消耗的汽化潜热Qqh 2 外燃料的燃烧反应热QW                  砖坯焙烧反应热Qxy 3 外燃料带入的显热Qwx                   输出热风的显热Qrfc 4 砖坯带入的显热Qp                      烟气出窑热损失Qy 5 窑车带入的显热  Qcr                   砖出窑热损失Qz 6                                       窑车出窑热损失Qcc 7                                       固体不完全燃烧热损失Qgb 8                                       气体不完全燃烧热损失Qqb 9                                       窑体表面散热损失Qbs 10                                      风机散热损失Qjs 11                                      其它热损失Qt 12   合计                          100          合计                100 有效热量Qyx，10[4]KJ(10[4]Kcal)            () 热效率η，％ 注：上述各项收支热量以一万块普通砖的质量为计算基数。 附加说明： 本标准由国家建筑材料工业局西安砖瓦研究所提出并归口。 本标准由国家建筑材料工业局砖瓦研究所负责起草。 本标准主要起草人韬毅。