提高旋風預熱器換熱效率的分析
2013-08-09 09:17
懸浮預熱器是實現氣（廢氣）、固（生料粉）之間的高效換熱，提高生料溫度，降低排出廢氣溫度的，有旋風預熱器和立筒預熱器兩種，現在水泥行業(yè)主要以旋風預熱器為主。
1.旋風預熱器的工作原理
旋風預熱器由若干級換熱單元組成，每級換熱單元都是由旋風筒及其聯(lián)接管道構成。生料從第1級和第2級旋風筒之間的聯(lián)接管道加入，被上升氣流沖散，使其均勻的懸浮于氣流之中。此時進行的是對流換熱，由于懸浮狀態(tài)下氣、固接觸面積很大，對流換熱系數較高，所以換熱速度極快，完成換熱只需0.02~0.04s之后，氣流攜帶生料粉沿切向高速進入第1級旋風筒C1，被迫在圓筒體與排氣管之間的圓柱內呈旋轉運動狀態(tài)。從圓筒體到錐體，氣流一邊旋轉，一邊向下運動，直到錐體的頂部，氣流被反射向上旋轉，最后從排氣口排出，而生料粉則從錐體頂部進入到C2和C3的聯(lián)接管道，然后再次被攜帶到C2進行氣、固分離。以此類推，生料粉依次通過各級旋風筒及其聯(lián)接管道。在進入最后一級旋風筒前，生料進入分解爐完成大部分的CaCO3分解，分解后的生料再與廢氣一起進入最后一級旋風筒，完成氣、固分離，生料最后進入回轉窯煅燒。
2.旋風預熱器的效率指標
衡量預熱器系統(tǒng)氣、固之間換熱效果有兩個效率指標，熱優(yōu)良度和換熱效率。在旋風預熱器系統(tǒng)中，二者相比，換熱效率的使用要多一些。
熱優(yōu)良度：生料在預熱器系統(tǒng)內溫度的實際升高值與廢氣及生料進入預熱系統(tǒng)時原始的溫度差之比。
換熱效率：生料出預熱器系統(tǒng)所獲得的熱量與輸入到預熱器系統(tǒng)總熱量的百分比。
3.影響旋風預熱器換熱效率的因素
由于影響旋風預熱器熱效率的因素很多，而且相互之間有較密切的聯(lián)系，某一因素的影響可用另一因素的影響解釋，所以粗略總結以下幾點，并查閱相關較新的研究數據（2010年后）用以直觀分析：
?。?）粉料的懸浮效率
由單元換熱的工作原理可知,在旋風預熱器中,氣固之間熱交換量的80%甚至90%是在旋風筒入口管道內瞬間進行的,前提條件是粉體物料充分均勻分散懸浮于氣流中。粉體物料成 股地從加料口加入,由于慣性, 有一個向下的沖力,當遇到由下向上的氣流時,部分物料被氣 流沖散帶起向上懸浮于氣流中,部分料股中間的物料繼續(xù)下沖,又被下面的氣流沖散,轉而向上懸浮。如果較大料股中間的粉料或料團,在下沖一定距離后仍不能被沖散浮起,一旦離開下級的內筒,由于氣體流速銳減,這部分物料將不能懸浮,失去了在上級筒中的預熱機會,這樣將降低物料的預熱效果。
懸浮效率的定義: 加入物料被氣流沖散浮起進入該級旋風筒的質量百分數,以字母E表示：E=(m2+f2- f1)/m1。
為了使物料充分預熱,提高旋風預熱器系統(tǒng)的熱效率,使物料迅速充分均勻懸浮必須采取以下措施:合理選擇加料位置(靠近進風管的起端);合理選擇管內風速（>15m/s）;在喂料口加裝撒料裝置;保證來料均勻。
?。?）系統(tǒng)固氣比（Z）
理論研究表明，當Z<2時，氣、固換熱效率隨Z值增加而升高，且非常敏感：當23.6時，Z值增加換熱效率反而降低。普通的預熱器內的固氣比在1以下（0.8~0.9），現在有一種新型方法為交叉料流法可使Z值達到2左右。
?。?）旋風預熱器的系列數和級數
在現有的串聯(lián)多級旋風預熱器系統(tǒng)中，固氣比大多小于1，由于粉體加入量受窯產量等限制，單純地提高系統(tǒng)固氣比較難。所以，將進入預熱器的氣體分成均等的氣流通過并行的多系列預熱器，全部粉料從一個系列到另一個以串流形式通過所有旋風預熱器。在系統(tǒng)固氣比不變的前提下，使每個旋風預熱器單體的固氣比提高，這樣就提高了每個單體的換熱效率，從而大幅提高系統(tǒng)的熱效率。
旋風預熱器系統(tǒng)往往需要若干個換熱單元相串聯(lián)，串聯(lián)級數越多，換熱效果越好，但整個系統(tǒng)的流體阻力也會相應增大，電耗也會隨之增加。有研究數據表明，對于單系列旋風預熱器，系統(tǒng)由3級變?yōu)?級時，熱效率增加5%，4級變?yōu)?級時，熱效率增加3%，5級變?yōu)?級時，熱效率增加約2%，之后再增加級數，熱效率增加小于1%。增加級數會提高系統(tǒng)阻力，增加電耗，增加窯尾高度，增大一次性投資，所以單系列級數最好在5~6級。
（4）氣、固相的分離效率
氣、固相的分離效率如果不高，不僅會增加最上一級出口廢氣中的含塵濃度，因而增加后面收塵器的負擔，更重要的是降低各級換熱單元的傳熱效率，從而大幅度的降低整個系統(tǒng)的換熱效率。
提高分解效率的具體措施有：
a.旋風筒的直徑 在其他條件相同時，筒徑較小時，分解效率較高；
b.旋風筒進風口的型式和尺寸進風應以切向入筒，減少渦流干擾，進風口宜采用矩形，進口尺寸應使進口風速在16~22m/s之間；
c.排氣管的尺寸及插入深度一般排氣管直徑較小，插入較深，氣分離效率較高；
d.旋風筒的高度 一般增加旋風筒的高度有利于提高分解效率；
e.旋風筒入口風速它將影響氣料分離力的大小，風速過大過小都不好，最好在18~20m/s之間
?。?）漏風的影響
旋風預熱器的漏風分內漏風和外漏風。內漏風是下一級的廢氣通過鎖風不嚴的翻板閥,自旋風筒出料口倒流入上一級旋風筒,它雖不增加系統(tǒng)總風量,但超過一定限度時,將對該筒的分離效率有明顯影響,內漏風量過2%時,旋風筒的分離效率開始明顯降低,將引起系 統(tǒng)熱效率的降低。外漏風是從預熱器系統(tǒng)之外進入預熱器系統(tǒng)之內的冷空氣，冷空氣漏入不但會降低熱氣流溫度,還會降低固氣比。冷空氣的漏入雖能使預熱器出口氣流溫度下降，但由于氣流量增加,其帶走的熱量(熱損失)卻是增加的。
下圖是三級單、雙系列外漏風對系統(tǒng)熱效率的影響。隨著外漏風系數增大,單、雙系列熱效率下降,熱效率下降與漏風系數基本呈線性關系,漏風系數每增加2%,熱效率下降約1%。當漏風系數為10%時,與不漏風相比,熱效率下降為5%。因此應加強設備管理,嚴防冷空氣的漏入,以免降低系統(tǒng)熱效率和增加系統(tǒng)處理風量。
根據以上對旋風預熱器熱效率的綜合研究分析,得出以下結論:使物料迅速充分均勻懸浮;提高固氣比值接近2；對于水泥行業(yè)所使用的單系列旋風預熱器系統(tǒng),級數5~6級為宜，不超過六級；強化物料分散；嚴防系統(tǒng)漏風。
1.旋風預熱器的工作原理
旋風預熱器由若干級換熱單元組成，每級換熱單元都是由旋風筒及其聯(lián)接管道構成。生料從第1級和第2級旋風筒之間的聯(lián)接管道加入，被上升氣流沖散，使其均勻的懸浮于氣流之中。此時進行的是對流換熱，由于懸浮狀態(tài)下氣、固接觸面積很大，對流換熱系數較高，所以換熱速度極快，完成換熱只需0.02~0.04s之后，氣流攜帶生料粉沿切向高速進入第1級旋風筒C1，被迫在圓筒體與排氣管之間的圓柱內呈旋轉運動狀態(tài)。從圓筒體到錐體，氣流一邊旋轉，一邊向下運動，直到錐體的頂部，氣流被反射向上旋轉，最后從排氣口排出，而生料粉則從錐體頂部進入到C2和C3的聯(lián)接管道，然后再次被攜帶到C2進行氣、固分離。以此類推，生料粉依次通過各級旋風筒及其聯(lián)接管道。在進入最后一級旋風筒前，生料進入分解爐完成大部分的CaCO3分解，分解后的生料再與廢氣一起進入最后一級旋風筒，完成氣、固分離，生料最后進入回轉窯煅燒。
2.旋風預熱器的效率指標
衡量預熱器系統(tǒng)氣、固之間換熱效果有兩個效率指標，熱優(yōu)良度和換熱效率。在旋風預熱器系統(tǒng)中，二者相比，換熱效率的使用要多一些。
熱優(yōu)良度：生料在預熱器系統(tǒng)內溫度的實際升高值與廢氣及生料進入預熱系統(tǒng)時原始的溫度差之比。
換熱效率：生料出預熱器系統(tǒng)所獲得的熱量與輸入到預熱器系統(tǒng)總熱量的百分比。
3.影響旋風預熱器換熱效率的因素
由于影響旋風預熱器熱效率的因素很多，而且相互之間有較密切的聯(lián)系，某一因素的影響可用另一因素的影響解釋，所以粗略總結以下幾點，并查閱相關較新的研究數據（2010年后）用以直觀分析：
?。?）粉料的懸浮效率
由單元換熱的工作原理可知,在旋風預熱器中,氣固之間熱交換量的80%甚至90%是在旋風筒入口管道內瞬間進行的,前提條件是粉體物料充分均勻分散懸浮于氣流中。粉體物料成 股地從加料口加入,由于慣性, 有一個向下的沖力,當遇到由下向上的氣流時,部分物料被氣 流沖散帶起向上懸浮于氣流中,部分料股中間的物料繼續(xù)下沖,又被下面的氣流沖散,轉而向上懸浮。如果較大料股中間的粉料或料團,在下沖一定距離后仍不能被沖散浮起,一旦離開下級的內筒,由于氣體流速銳減,這部分物料將不能懸浮,失去了在上級筒中的預熱機會,這樣將降低物料的預熱效果。
懸浮效率的定義: 加入物料被氣流沖散浮起進入該級旋風筒的質量百分數,以字母E表示：E=(m2+f2- f1)/m1。
為了使物料充分預熱,提高旋風預熱器系統(tǒng)的熱效率,使物料迅速充分均勻懸浮必須采取以下措施:合理選擇加料位置(靠近進風管的起端);合理選擇管內風速（>15m/s）;在喂料口加裝撒料裝置;保證來料均勻。
?。?）系統(tǒng)固氣比（Z）
理論研究表明，當Z<2時，氣、固換熱效率隨Z值增加而升高，且非常敏感：當2
?。?）旋風預熱器的系列數和級數
在現有的串聯(lián)多級旋風預熱器系統(tǒng)中，固氣比大多小于1，由于粉體加入量受窯產量等限制，單純地提高系統(tǒng)固氣比較難。所以，將進入預熱器的氣體分成均等的氣流通過并行的多系列預熱器，全部粉料從一個系列到另一個以串流形式通過所有旋風預熱器。在系統(tǒng)固氣比不變的前提下，使每個旋風預熱器單體的固氣比提高，這樣就提高了每個單體的換熱效率，從而大幅提高系統(tǒng)的熱效率。
旋風預熱器系統(tǒng)往往需要若干個換熱單元相串聯(lián)，串聯(lián)級數越多，換熱效果越好，但整個系統(tǒng)的流體阻力也會相應增大，電耗也會隨之增加。有研究數據表明，對于單系列旋風預熱器，系統(tǒng)由3級變?yōu)?級時，熱效率增加5%，4級變?yōu)?級時，熱效率增加3%，5級變?yōu)?級時，熱效率增加約2%，之后再增加級數，熱效率增加小于1%。增加級數會提高系統(tǒng)阻力，增加電耗，增加窯尾高度，增大一次性投資，所以單系列級數最好在5~6級。
（4）氣、固相的分離效率
氣、固相的分離效率如果不高，不僅會增加最上一級出口廢氣中的含塵濃度，因而增加后面收塵器的負擔，更重要的是降低各級換熱單元的傳熱效率，從而大幅度的降低整個系統(tǒng)的換熱效率。
提高分解效率的具體措施有：
a.旋風筒的直徑 在其他條件相同時，筒徑較小時，分解效率較高；
b.旋風筒進風口的型式和尺寸進風應以切向入筒，減少渦流干擾，進風口宜采用矩形，進口尺寸應使進口風速在16~22m/s之間；
c.排氣管的尺寸及插入深度一般排氣管直徑較小，插入較深，氣分離效率較高；
d.旋風筒的高度 一般增加旋風筒的高度有利于提高分解效率；
e.旋風筒入口風速它將影響氣料分離力的大小，風速過大過小都不好，最好在18~20m/s之間
?。?）漏風的影響
旋風預熱器的漏風分內漏風和外漏風。內漏風是下一級的廢氣通過鎖風不嚴的翻板閥,自旋風筒出料口倒流入上一級旋風筒,它雖不增加系統(tǒng)總風量,但超過一定限度時,將對該筒的分離效率有明顯影響,內漏風量過2%時,旋風筒的分離效率開始明顯降低,將引起系 統(tǒng)熱效率的降低。外漏風是從預熱器系統(tǒng)之外進入預熱器系統(tǒng)之內的冷空氣，冷空氣漏入不但會降低熱氣流溫度,還會降低固氣比。冷空氣的漏入雖能使預熱器出口氣流溫度下降，但由于氣流量增加,其帶走的熱量(熱損失)卻是增加的。
下圖是三級單、雙系列外漏風對系統(tǒng)熱效率的影響。隨著外漏風系數增大,單、雙系列熱效率下降,熱效率下降與漏風系數基本呈線性關系,漏風系數每增加2%,熱效率下降約1%。當漏風系數為10%時,與不漏風相比,熱效率下降為5%。因此應加強設備管理,嚴防冷空氣的漏入,以免降低系統(tǒng)熱效率和增加系統(tǒng)處理風量。
根據以上對旋風預熱器熱效率的綜合研究分析,得出以下結論:使物料迅速充分均勻懸浮;提高固氣比值接近2；對于水泥行業(yè)所使用的單系列旋風預熱器系統(tǒng),級數5~6級為宜，不超過六級；強化物料分散；嚴防系統(tǒng)漏風。
編輯：姜立東
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投稿：news@ccement.com
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