影响预热器换热效率及收尘效率的因素
水泥 2013-08-08
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干法回转窑生产水泥熟料，生料的预热、分解和烧成过程均在窑内完成。回转窑作为烧成设备，由于它能够提供断面温度分布比较均匀的温度场，并能保证物料在高温下有足够的停留时间，尚能满足要求。但作为传热、传质设备则不理想，对需要热量较大的预热、分解过程则甚不适应。这主要由于窑内物料堆积在窑的底部，气流从料层表面流过，气流与物料的接触面积小，传热效率低所致。同时，窑内分解带料粉处于层状堆积态，料层内部分解出的二氧化碳向气流扩散的面积小、阻力大、速度慢，并且料层内部颗粒被二氧化碳气膜包裹，二氧化碳分压大，分解温度要求高，这就增大了碳酸盐分解的困难，降低了分解速度。悬浮预热技术的突破，从根本上改变了物料预热过程的传热状态，将窑内物料堆积态的预热和分解过程，分别移到悬浮预热器和分解炉内在悬浮状态下进行。由于物料悬浮在热气流中，与气流的接触面积大幅度增加，因此传热速度极快，传热效率很高。同时，生料粉与燃料在悬浮态下，均匀混合，燃料燃烧热及时传给物料，使之迅速分解。因此，由于传热、传质迅速，大幅度提高了生产效率和热效率。
二、悬浮预热窑的特点
悬浮预热窑的特点是在长度较短的回转窑后装设了悬浮预热器，使原来在窑内以堆积态进行的物料预热及部分碳酸盐分解过程，移到悬浮预热器内以悬浮状态进行，因此呈悬浮状态的生料粉能与热气流充分接触，气、固相接触面大，传热速度快、效率高，有利于提高窑的生产能力，降低熟料烧成热耗。同时它尚具有运动部件少，附属设备不多，维修比较简单，占地面积较小，投资费用较低等优点。
三、悬浮预热器的构成及功能
悬浮预热器主要有旋风预热器及立筒预热器两种。现在立筒预热器已趋于淘汰。预分解窑采用旋风预热器作为预热单元装备。构成旋风预热器的热交换单元设备主要是旋风筒及各级旋风筒之间的联接管道（亦称换热管道）。
悬浮预热器的主要功能在于充分利用回转窑及分解炉内排出的炽热气流中所具有的热焓加热生料，使之进行预热及部分碳酸盐分解，然后进入分解炉或回转窑内继续加热分解，完成熟料烧成任务。因此它必须具备使气、固两相能充分分散均布、迅速换热、高效分离等三个功能。只有兼备这三个功能，并且尽力使之高效化，方可最大限度地提高换热效率，为全窑系统优质、高效、低耗和稳定生产创造条件。旋风预热器的功能在于物料在炽热气流中的分散、均布、气固换热和分离。其性能优劣主要表现在是否具有较高的换热效率、分离效率，较低的阻力和良好的密闭性能以减少内、外漏风等。
旋风预热器系由旋风筒及上、下两级旋风筒间的连接管道所组成。旋风筒本体的组成部分有圆柱体、圆锥体、进口管道、出口管道、内筒及下料管等。连接管道上部与上级旋风筒进口管道、下部与下级旋风筒出口管道相连接；中间适当部位有上级旋风筒的下料管与之连接；在上级旋风筒下料管内的适当部位装设有锁风阀，作用在于既保持上级旋风筒分离出的生料能够畅通的通过进入换热管道，又能最大限度地防止下级旋风筒出来的热气流经下料管短路窜入上级旋风筒，造成已被分离的生料粉二次飞扬，降低上级旋风筒的分离效率；在上级旋风筒下料管最下部与换热管道的连接部位还设有撒料装置，目的在于使上级旋风筒下来的生料粉进入换热管道时，由于重力作用冲在撒料器上飞溅起来，使生料粉能够迅速分散、均布在下级旋风筒出来的热气流之中，提高换热效率。追根溯源，作为旋风预热器的主要组成部分的旋风筒，是在普通的旋风收尘器的基础上借鉴发展过来的。
两者的共同点在于保持低压损状态下能具有较高的气固分离效率。而不同点则在于，旋风收尘器不具备换热功能，而应具备尽可能高的气固分离功能；而对旋风预热器中的主要设备旋风筒来讲，由于它是由多级换热单元所组成，物料系由多级预热单元逐级加热，因此只要保持其给定的气固分离效率和一定的换热作用即完成了应有的任务。所以它在旋风预热器系统中，视所在的不同预热器级别，具有不同的气固分离效率目标，而其本身结构亦有差异。从而使得含尘气流最后得到分离。气流和粉尘的不同物理特性，主要表现在一个是气态物质，质量较小，容易变形；另一个是固态物质，质量较大，不易变形。所以，当含尘气流受离心力作用，向旋风筒内壁浓缩时，它所受到的离心力较气体大，因此粉尘在力学上有条件将气流挤出，而浓缩于筒壁，而气流则贴附于粉尘层上。当含尘气流运动时，粉尘给气流一个作用力，可局部改变气流的运动状态；同时气流也给粉尘一个反作用力，这就是气流对粉尘的阻力。这个阻理论分析及科学实验均说明，影响旋风筒流体阻力及分离效率主要有两大因素，一是旋风筒的几何结构，二是流体本身的物理性能。由于作为用于水泥工业悬浮预热装置的旋风筒，其所处理的含尘气流的物理性能大致确定。
四、影响热效率及收尘效率的因素
1、漏风的影响
旋风筒作为水泥悬浮预热分解工艺过程的重要设备,其漏风,无论是内漏风还是外漏风,都是有害无益的。预热系统的外漏风直接影响其热效率,并增大排风机功率消耗,而下料管处内漏风则使旋风筒的分离效率急剧降低,系统飞灰量增大,从而间接影响预热器系统的热效率。在实际生产过程中,预热器系统的外漏风容易被发现。加强管理,提高操作人员的责任心,外漏风可以得到控制。但是下料管处的内漏风通常靠操作人员的经验判断,不易被发现。目前普遍使用翻板阀卸料装置,为了防堵和顺畅卸料,经常允许一定的气量由翻板处漏入下料管,所以采用翻板阀卸料不可能从根本上完全杜绝内漏风。研究漏风对旋风筒分离效率的影响,寻找减小其危害的有效措施,对降低飞灰量及提高预热器窑系统的热效率具有重要意义。下料管处漏风点距旋风筒卸料口越近,漏风导致旋风筒的分离效率降低幅度越大。在实际生产过程中,翻板阀卸料无法完全杜绝内漏风。适当延长翻板阀安装位置与旋风筒卸料口之间距离,可以提高旋风筒的分离效率。
2、旋风筒进口风速的影响
不同进口风速条件下,随着旋风筒进口风速增大,下料管处漏风导致旋风筒分离效率降低幅度增大,若保持漏风量恒定不变,则进口风速对因漏风导致旋风筒分离效率降低幅度的影响较小。
3、固气比的影响
固气比不同,下料管处漏风导致旋风筒分离效率降低幅度也不同随着固气比增大,下料管处漏风导致旋风筒分离效率降低幅度也增大。但是,对于给定的漏风率,随着固气比增大,分离效率的差值逐渐缩小。固气比愈大,下料管处漏风导致旋风筒卸料口处棚料现象也愈严重。这可能就是固气比越大,下料管处漏风导致旋风筒分离效率降低幅度越大的原因。
4、锥体的影响
众所周知,在除尘工艺中,锥体有减少飞灰损失,提高旋风除尘器收尘效率的作用。水泥旋风预热分离器工作时的固气比远远大于旋风除尘器工作时的固气比。为了研究水泥旋风分离器在气固分离过程中,锥体所起的作用,特别是锥体在减小下料管处漏风导致旋风筒分离效率降低幅度的过程中所起的作用,这可能是因为此时旋风筒分离效率本已很高,要想再提高分离效率已是非常困难的缘故。
5、旋风筒进风口结构，一般为矩型，新型低压损旋风筒由于结构型式的变化和进风口的几何形状亦有所变化，有的采用五边形，有的采用菱形，目的在于引导进入旋风筒的气固流向下偏斜运动，减少旋风筒阻力。旋风筒进口方式一般有两种，即进口气流外缘与圆柱体相切称直式；气流内缘与圆柱体相切称蜗壳式。由于蜗壳式进口能使进入旋风筒气流通道逐渐变窄，有利于减小颗粒向筒壁移动的距离，增加气流通向排气管的距离，避免短路，可提高分离效率。同时还具有处理风量大，压损小的优点，故常被采用。
6、排气管的结构、尺寸对旋风筒的流体阻力及分离效率亦至关重要。如若设计不当，在排气管的下端附近即会产生乱流区，将已沉降下来的尘粒带走降低分离效率。一般认为，排气管的管径减小，带走尘粒减少，分离效率增加，但阻力增大。在新型旋风筒中为了降低阻力，内筒直径有扩大趋势，因此出口风速亦有下降。
7、随着内筒插入深度的增加，其阻力系数和分离效率有着不同程的增加。在内筒插入深度与进口高度的比值s／a=0.482-0.612范围内，阻力系数较低且变化不大，分离效率略有增加，所以保证一定的分离效率要着重强调降阻的中间级旋风筒s／a应在0.612左右，且最好不要<0.482(分离效率降低太多)，也不要>0.816(阻力系数增加太大)；而着重强调分离效率的最上一级旋风筒s／a应在1.02左右，因为当s／a<1.02时分离效率降低较多，当s／a>1.02时分离效率增加
8、随着内筒直径的扩大，其阻力系数和分离效率有着不同程度的减小，在内筒直径d／D<2/3时，阻力系数快速下降，当d／D>2／3时，阻力系数减小缓慢。对于分离效率来说，内筒直径d／D<0.6时分离效率较高且变化不大，当d／D>O.6时，分离效率减小较快。所以保证一定的分离效率要着重强调降阻的中间级旋风筒内筒直径大小，d／D可以在2／3左右，且最好不要>2／3，否则阻力系数降低不多而分离效率降低较大；也不要<0.6，否则阻力系数增加太大；而着重强调分离效率的最上一级旋风筒内简直径大小，d／D应<0.6，因为当d／D>0.6时分离效率降低较多。不大，但阻力系数有一定程度的增加。
9、旋风筒高径比
随着旋风筒高度的增加，其阻力系数和分离效率分别有着不同程度的减小和增加，这一点尤以当旋风筒高径比H／D<2.282时表现更加明显，但当H／D>2.282时，阻力系数和分离效率分别随着旋风筒高度的增加而减小和增加缓慢。所以在考虑窑尾塔架高度和一次投资成本的前提下，最好能够保证旋风筒高径比在2.282左右，因为过低时分离效率降低，且阻力系数增加。但过高时由于分离效率和阻力系数分别增加和降低不多，而旋风筒高度及设备成本却有一定程度的增加。
五、正常生产时的检查与维护主要包括以下几方面：
（1）正常生产过程中排灰阀状况；
（2）系统的密封状况；
（3）分解炉、旋风筒及连接管道壳体有无异常（如：夜间观察壳体国内村脱落而起红）；
（4）各旋风筒的吹堵装置是否动作灵活（电磁阀），吹堵气压是否达到标准；
（5）人工清堵工具是否准备妥当；
（6）系统测温、测压装置是否稳定可靠；
（7）分解炉燃烧器燃烧有无异常；
（8）系统安全防护措施是否完备。
六、停窑检修时预热器及分解炉的检查
（1）检查旋风筒及分解炉内有无掉砖或异物，内筒是否完好；水平管道内有无掉砖、结料，结料过多应及时清理；上升管道内有无掉砖；导流板、撒料板是否完好。
（2）检查各排灰阀轴承的润滑情况，必要时进行清洗、加油；检查各排灰阀阀面是否完好，如出现阀面磨损严重或严重变形，应及时进行更换。
（3）检查分解炉燃烧器是否完好，如发现有磨损严重或变形时应予以更换。
（4）检查窑尾缩口、烟室、下料舌头有无结皮现象，如有结皮应及时进行清理。
（5）系统检修结束后应彻底检查系统各部位是否畅通，有无异物，排灰阀活动是否灵活，检查结束后应关闭所有的观察孔及入孔门，做好系统的密封工作。
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