《新型干法水泥生產(chǎn)技術(shù)》第7章 懸浮預(yù)熱技術(shù)

1、第七章 懸浮預(yù)熱技術(shù)第一節(jié) 懸浮物料的熱力學(xué)效應(yīng)一、傳熱速率傳熱系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)表明：在分散較好的管道內(nèi)，氣固相間的傳熱系數(shù)為 1.4 kWh(m2 ) ，較傳統(tǒng)的回轉(zhuǎn)窯傳熱系數(shù)提高了1323倍。二、升溫系數(shù)指物料在預(yù)熱器內(nèi)實(shí)際提高的溫度與最大理論可能提高的溫度之比。逆流換熱 物料溫度有可能接近進(jìn)口氣體溫度，因此的理論值接近于1。順流換熱三、預(yù)熱器熱效率物料在預(yù)熱器中所獲得的熱量與輸入預(yù)熱器的熱量之比。第二節(jié) 旋風(fēng)預(yù)熱器窯一、旋風(fēng)預(yù)熱器窯的組成及工藝流程二、旋風(fēng)預(yù)熱器的構(gòu)造及換熱工作原理1.旋風(fēng)預(yù)熱器的構(gòu)造由多個旋風(fēng)筒及連接管道組合而成，其構(gòu)成單元是一個旋風(fēng)筒和連接管道。筒體：鋼板焊接，內(nèi)壁有耐火材料

2、和保溫材料。進(jìn)風(fēng)管、出風(fēng)管：裝有膨脹節(jié)，適應(yīng)管道的熱脹冷縮。卸料管：裝有鎖風(fēng)閥（翻板閥），防止卸料時下部空氣向上泄漏而降低收塵效率。2.單元換熱工作原理一個換熱單元必須同時具備三個功能：料粉的分散與懸浮；氣固相間換熱；氣固相分離，料粉收集。每個單元所傳遞的熱量，80以上在進(jìn)風(fēng)管道中完成，換熱時間只需0.020.04s，只有20以下的熱量交換在旋風(fēng)筒中完成。3.旋風(fēng)筒的工作原理當(dāng)氣流攜帶料粉進(jìn)入旋風(fēng)筒后，被迫在旋風(fēng)筒筒體與內(nèi)筒之間的圓柱體內(nèi)作旋轉(zhuǎn)流動，并且一邊旋轉(zhuǎn)一邊向下運(yùn)動，由筒體到錐體，一直可以延伸到錐體的端部，然后轉(zhuǎn)而向上旋轉(zhuǎn)上升，由內(nèi)筒排出。料粉被氣流攜帶作旋轉(zhuǎn)流動時，由于物料密度大于氣

3、體密度，受離心作用，物料向邊部移動的速度遠(yuǎn)大于氣體，致使靠近邊壁處濃度增大；同時，由于粘滯阻力作用，邊壁處流體速度降低，使得懸浮阻力大大減小，物料沉降而與氣體分離。旋風(fēng)筒內(nèi)流場是一個三維流場，其速度矢量有三個分量：切向速度ut、軸向速度uz和徑向速度ur。切向速度：使得物料受離心作用而向邊壁濃縮、分離，因此，它對于承載、夾帶和分離物料起主要作用。徑向速度：很小，對氣固分離的作用不太明顯。 軸向速度：在軸心附近向上流動使得分離出的物料又被氣流揚(yáng)起而帶出，降低分離效率。 3.旋風(fēng)筒的串聯(lián)工作原理 旋風(fēng)筒串聯(lián)后，從總體說，氣流由下而上，料粉由上而下運(yùn)動，形成逆流狀態(tài)熱交換。但對每一級旋風(fēng)筒及管道內(nèi)來

4、說，氣流與粉料則多為同向流動，進(jìn)行同流熱交換，因此旋風(fēng)預(yù)熱器熱交換過程的待點(diǎn)為由幾個同流狀態(tài)的熱交換單元組成的逆流狀態(tài)的熱交換系統(tǒng)。四、影響旋風(fēng)預(yù)熱器熱效率的主要因素要保持及提高旋風(fēng)預(yù)熱器的高效率，必須強(qiáng)化旋風(fēng)筒的三個功能，即懸浮、換熱和分離。1.料粉分散物料從下料管進(jìn)入旋風(fēng)筒上升管道，與上升的高速氣流相遇。在高速氣流沖擊下，物料折向隨氣流流動，同時被分散懸浮。為使物料在上升管道內(nèi)均勻、迅速地分散、懸浮，應(yīng)注意以下主要問題：（1）選擇合理的喂料位置 為了充分利用上升管道的長度，延長物料與氣體的熱交換時間，喂料點(diǎn)應(yīng)選擇靠近進(jìn)風(fēng)管的起端，即下一級旋風(fēng)筒出風(fēng)內(nèi)筒的起端。但必須以加入的物料能夠充分懸浮

5、、不直接落入下一級預(yù)熱器而短路為前提。一般情況下，喂料點(diǎn)距進(jìn)風(fēng)管起端應(yīng)有1m左右的距離，它與來料落差、來料均勻性、物料性質(zhì)、管道內(nèi)氣流速度、設(shè)備結(jié)構(gòu)等有關(guān)。（2）選擇適當(dāng)?shù)墓艿里L(fēng)速要保證物料能夠懸浮于氣流中，必須有足夠的風(fēng)速，一般要求料粉懸浮區(qū)的風(fēng)速為1622m/s。為加強(qiáng)氣流的沖擊懸浮能力，可在懸浮區(qū)局部縮小管徑或加插板（揚(yáng)料板），使氣體局部加速，增大氣體動能。（3）注意來料的均勻性來料的均勻性對物料的分散程度有很大影響。要保證來料均勻，要求來料管的翻板閥（一般采用重錘閥）靈活、嚴(yán)密，當(dāng)來料多時，它能起到一定的阻滯緩沖作用；當(dāng)來料少時，它能起到密封作用，防止系統(tǒng)內(nèi)部漏風(fēng)。（4）旋風(fēng)筒的結(jié)構(gòu)旋

6、風(fēng)筒的結(jié)構(gòu)對物料的分散程度也有很大影響，如旋風(fēng)筒的錐體角度、布置高度等對來料落差及來料均勻性有很大影響。 （5）在喂料口加裝撒料裝置為防止大團(tuán)物料難以分散，近期設(shè)計(jì)的預(yù)熱器一般在下料管口下部的適當(dāng)位置設(shè)置撒料板。當(dāng)物料喂入上升管道下沖時，首先撞擊在撒料板上被沖散并折向，再由氣流進(jìn)一步?jīng)_散懸浮。（參見P106107）采用傾斜導(dǎo)向弧板結(jié)構(gòu)及內(nèi)加凸弧型導(dǎo)料分布板技術(shù);開口較大，傾斜弧板具有導(dǎo)流作用。2.管道內(nèi)的氣固相換熱氣固換熱公式 旋風(fēng)筒內(nèi)的換熱，是1000左右窯氣與料粉顆粒之間的換熱。為稀相氣固系統(tǒng)直接懸浮傳熱，屬于非穩(wěn)態(tài)對流換熱，因此其換熱方式以對流為主。 Q=ATQ氣固間換熱效率， W或J/

7、s氣固間換熱系數(shù)，W/(m2)A固體微粒與氣流接觸的表面積， m2T氣固間平均溫度差， 主要影響因素分析換熱系數(shù)約在0.81.4W/(m2)之間，氣固間平均溫度差T開始時較大，終了時趨于2030之間，由于和T值變動范圍都不大，只有換熱面積A影響最大。以1kg生料為例,不同狀態(tài)與氣流接觸的換熱面積：回轉(zhuǎn)窯預(yù)熱帶堆積：0.0157m2/kg成球（料球直徑10mm）：0.28m2/kg懸浮分散：250m2/kg粉料分散于氣流中時，換熱面積比處于結(jié)團(tuán)或堆積狀態(tài)時將增大上千倍。 管道內(nèi)氣固換熱的估算氣固間80以上的熱交換是在入口管道內(nèi)進(jìn)行的，熱交換方式以對流換熱為主。當(dāng)dp=100m時換熱時間只需0.0

8、20.04s，相應(yīng)換熱距離僅0.20.4m。因此，氣固之間的換熱主要在進(jìn)口管道內(nèi)瞬間完成的，即粉料在轉(zhuǎn)向被加速的起始區(qū)段內(nèi)完成換熱。3.鎖風(fēng)4.氣固分離 物料與氣體完成熱交換后，必須進(jìn)行氣固分離，分離出的物料向高溫區(qū)（下一級預(yù)熱器、分解爐或回轉(zhuǎn)窯）運(yùn)動，進(jìn)行進(jìn)一步的預(yù)熱、分解或煅燒。否則，物料將隨氣流一起流向低溫區(qū)，使預(yù)熱效果降低甚至起不到預(yù)熱作用。因此，換熱后的分離效率，對預(yù)熱器的換熱效率有著重大影響。 物料與氣體的分離是在旋風(fēng)筒內(nèi)進(jìn)行的，主要利用旋轉(zhuǎn)流離心作用對氣固進(jìn)行分離。 影響旋風(fēng)筒分離效率的因素a.旋風(fēng)筒直徑：筒徑小，分離效率高。b.旋風(fēng)筒進(jìn)口型式及尺寸：切線入筒，減少渦流干擾；進(jìn)風(fēng)

9、口宜采用矩形或五邊形，進(jìn)風(fēng)口尺寸應(yīng)使進(jìn)口風(fēng)速在1622m/s之間，最好在1820m/s之間。c.內(nèi)筒尺寸及插入深度：內(nèi)筒直徑小、插入深，分離效率高。d.旋風(fēng)筒筒體高度：一般增加筒體高度，有利于提高分離效率。 e.旋風(fēng)筒下料管鎖風(fēng)閥的漏風(fēng)：如果漏風(fēng)，將引起分離出的物料二次飛揚(yáng)，漏風(fēng)越大，揚(yáng)塵越嚴(yán)重，使分離效率降低。f.風(fēng)速，1622m/s在提高氣固分離效率之外，還必須考慮旋風(fēng)筒的流體阻力損失（壓損）。一般來說，分離效率的提高會引起旋風(fēng)筒壓損的提高，造成高溫風(fēng)機(jī)電耗的增大。4.漏風(fēng)及預(yù)熱器散熱損失關(guān)于Q1Q1V1C1t1 必須降低t1，即強(qiáng)化傳熱。使出預(yù)熱器的廢氣量V1保持最小量 密封堵漏降低Q2

10、 強(qiáng)化分離降低Q3 隔熱保溫五、旋風(fēng)預(yù)熱器的結(jié)構(gòu)參數(shù)和技術(shù)參數(shù)旋風(fēng)筒的結(jié)構(gòu)旋風(fēng)筒的設(shè)計(jì)，主要應(yīng)考慮如何獲得較高的分離效率和較低的壓力損失。要求旋風(fēng)筒結(jié)構(gòu)合理。理論和實(shí)踐證明：影響旋風(fēng)筒流體阻力及分離效率的主要因素有兩個，一個是旋風(fēng)筒的幾何結(jié)構(gòu)，另一個是流體本身的物理性能。1.旋風(fēng)筒的直徑旋風(fēng)筒的處理能力主要取決于通過旋風(fēng)筒圓筒斷面風(fēng)速，因此，旋風(fēng)筒以圓柱體和圓錐體的設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，尤其是圓柱體內(nèi)徑，它是確定旋風(fēng)筒規(guī)格的主要尺寸，其它尺寸都是以內(nèi)徑D為基準(zhǔn)，按一定比例確定。圓柱體直徑有多種計(jì)算方式，一般根據(jù)旋風(fēng)筒處理的氣體流量和選取適當(dāng)?shù)募傧虢孛骘L(fēng)速來計(jì)算，即截面風(fēng)速的選擇對旋風(fēng)筒的設(shè)計(jì)很重要。風(fēng)速

11、大有利于縮小旋風(fēng)筒的直徑，減少設(shè)備投資，但流體阻力增大，電耗增加；風(fēng)速小有利降低電耗，但旋風(fēng)筒直徑大，風(fēng)速過小，也不利于收塵效率。2.旋風(fēng)筒進(jìn)風(fēng)口的型式和尺寸旋風(fēng)筒氣流進(jìn)口方式有蝸殼式和直入式兩種。氣流內(nèi)緣與圓柱體相切稱為蝸殼式；進(jìn)口氣流外緣與圓柱體相切為直入式。蝸殼式進(jìn)口分為90、180 、270 三種 蝸殼式由于氣流進(jìn)入旋風(fēng)筒之后，通道逐漸變窄，有利于減小顆粒向筒壁移動的距離，增加氣流通向排氣管的距離，避免短路，提高分離效率。同時具有處理風(fēng)量大，壓損小等優(yōu)點(diǎn)，常被采用。旋風(fēng)筒進(jìn)風(fēng)口結(jié)構(gòu)，目前多采用矩形 ，其尺寸的確定，可按以下步驟進(jìn)行。 確定進(jìn)風(fēng)口截面積A A=Q/w A進(jìn)風(fēng)口截面積，m2

12、 Q進(jìn)旋風(fēng)筒的風(fēng)量，m3/s w旋風(fēng)筒的進(jìn)口風(fēng)速，m/s進(jìn)口風(fēng)速w對旋風(fēng)筒的收塵效率影響很大，一般進(jìn)口風(fēng)速提高，收塵效率也提高，但當(dāng)w大于20m/s后，效率提高不顯著，而旋風(fēng)筒的流體阻力卻與w的平方成正比增加，故將得不償失。一般旋風(fēng)筒的進(jìn)口風(fēng)速采用1622m/s之間，最好采用1820m/s。 進(jìn)風(fēng)口邊長 旋風(fēng)筒進(jìn)風(fēng)口結(jié)構(gòu)，一般為矩形，高(b)寬(a)比b/a1，隨著b/a的增加，旋風(fēng)筒的阻力下降，分離效率提高；但當(dāng)b/a2時，會使旋風(fēng)筒筒體太高，所以一般高寬比取2。新型低壓損旋風(fēng)筒的進(jìn)風(fēng)口有菱形和五邊形，其目的主要是引導(dǎo)入筒的氣流向下偏斜運(yùn)動，既有利于提高分離效率，又能降低流體阻力。3.排氣管

13、（內(nèi)筒）尺寸及插入深度 排氣管的結(jié)構(gòu)尺寸對旋風(fēng)筒的流體阻力及分離效率至關(guān)重要；設(shè)計(jì)不當(dāng)，在排氣管的下端會使已沉降下來的料粒帶走而降低分離效率。一般認(rèn)為，排氣管的管徑減小，帶走的粉料減少，分離效率提高，但阻力增大。當(dāng)內(nèi)筒直徑較大，有利于降低流體阻力，但分離效率下降。因此一般取 dn(0.50.6)D為宜，此外還應(yīng)注意排氣管中的氣體流速在1620m/s，以利于上一級料粉的懸浮分散。內(nèi)筒插入深度對分離效率和阻力有很大影響，內(nèi)筒插入越深，分離效率越高，但阻力越大。 插入短，易造成短路，揚(yáng)塵量大。一般而言，各級旋風(fēng)筒插入深度：C1筒：大于或等于進(jìn)風(fēng)口寬度；中間級：取0.5dn，以減小壓損；C5筒：為避免

14、燒壞內(nèi)筒，除在材質(zhì)上進(jìn)一步改善外，可加大法蘭尺寸和管壁厚度，其插入深度取0.25dn，以確保安全運(yùn)轉(zhuǎn)。4.旋風(fēng)筒的高度旋風(fēng)筒高度系指包括圓柱體高度和圓錐體高度的總高度。旋風(fēng)筒高度增加，分離效率提高。（1）圓柱體高度（H1）圓柱體高度是旋風(fēng)筒的重要參數(shù)，它的高低關(guān)系到生料粉是否有足夠的沉降時間。高度增加，有利于提高分離效率，但旋風(fēng)筒過高會增加整個預(yù)熱器塔的高度，系統(tǒng)的壓損也會增加。 為了保證足夠的分離效率，圓柱長度應(yīng)滿足以下要求：式中：Vt氣流在旋風(fēng)筒內(nèi)的線速度，它取決于進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速(V入)，一般可取Vt0.67 V入。 （2）圓錐體高度（H2） 圓錐體結(jié)構(gòu)在旋風(fēng)筒中的作用有三：第一，能有效地將靠

15、外向下的旋轉(zhuǎn)氣流轉(zhuǎn)變?yōu)榭枯S心的向上旋轉(zhuǎn)的核心流，它可使圓柱體長度大為減少；第二，圓錐體也是含塵氣流氣固相最后分離的地方，它的結(jié)構(gòu)直接影響已沉降的粉塵是否會被上升旋轉(zhuǎn)氣流再次帶走，從而降低分離效率；第三，圓錐體的傾斜度有利于中心排灰。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)旋風(fēng)筒的直徑不變時，增大 圓錐體長度(H2)，能提高分離效率。圓錐體結(jié)構(gòu)尺寸，由旋風(fēng)筒直徑和排灰口直徑及錐邊仰角（）決定，其關(guān)系為：tg2H2/(D-de)如果排灰口直徑和錐邊仰角太大，排灰口及下料管中物料填充率低，易產(chǎn)生漏風(fēng)，引起二次飛揚(yáng)；反之，引起排灰不暢，甚至發(fā)生粘結(jié)堵塞。值一般在6575之間，de/D可在0.10.15之間，H2/D在0.91.2

16、之間選用。設(shè)計(jì)中，對C1筒：H/D2,且H1/H21， 為高型旋風(fēng)筒；其他： H/D1.52,且H1/H21，為低型旋風(fēng)筒。5.旋風(fēng)筒之間連接管道的尺寸d管道內(nèi)徑，m；Q管道內(nèi)通過的風(fēng)量，m3/sw管道風(fēng)速；一般1423m/s。六、各級旋風(fēng)預(yù)熱器性能的配臺1.分離效率對熱效率影響2.各級旋風(fēng)筒表面散熱損失的影響：越往下，旋風(fēng)筒及連接管道的表面溫度越高，表面散熱損失越大。3.各級旋風(fēng)筒漏風(fēng)量（L）的影響：L5L4L3L2L17.旋風(fēng)預(yù)熱器串聯(lián)級數(shù)的選擇由于氣固懸浮態(tài)換熱速率很快，因此每一級預(yù)熱單元熱文換后，出圈時實(shí)際氣固之間的溫差大約是030而且?guī)缀跖c入口氣固各自溫度無關(guān)。因此預(yù)熱器級數(shù)愈多，排

17、出廢氣溫度愈低，物料預(yù)熱溫度愈高。(1)預(yù)熱器出口廢氣溫度隨級數(shù)n的增大而降低，即回收熱效率能提高，但它們之間不是直線關(guān)系，而是隨著n值的增大，廢氣溫度降低趨勢逐漸減小。(2)物料預(yù)熱溫度隨n增大而升高，但升溫曲線趨于干緩。(3)從理論上講，級數(shù)愈多，愈接近于可逆換放過程，愈合理。但在實(shí)際生產(chǎn)中，每增加一級預(yù)熱器，需要客克服一級流體阻力，動力消耗增大，設(shè)備投資增加f預(yù)熱器框架增高，土建投資亦將加大。(1)若熱耗值最低時，最佳級數(shù)為78級；(2)若綜合能耗最低，最住級數(shù)為67級；(3)若單位產(chǎn)品最低成本，則最佳級數(shù)為5級；(4)當(dāng)預(yù)熱器系統(tǒng)操作條件欠佳，如料粉在氣流中分散懸浮不好，傳熱效果差，出

18、口氣固溫差大、表面散熱多、漏風(fēng)系數(shù)大等，均將使最佳級數(shù)減小。反之若條件改善，例如選用新型低阻高效預(yù)熱器。則最佳級數(shù)增加。八、低壓損旋風(fēng)筒傳統(tǒng)的旋風(fēng)預(yù)熱器主要缺點(diǎn)之一是流體阻力大，要求窯后主排風(fēng)機(jī)產(chǎn)生56kPa的風(fēng)壓，從而使風(fēng)機(jī)電耗增大，單位熟料的電耗增高。近年來國內(nèi)外對傳統(tǒng)的旋風(fēng)筒作了改進(jìn)，研制出新型高效低壓損旋風(fēng)筒。主要有以下一些措施：1.適當(dāng)縮小旋風(fēng)筒的進(jìn)口寬度；2.適當(dāng)擴(kuò)大排氣口的尺寸；3.改進(jìn)內(nèi)筒的形狀及位置擴(kuò)大渦殼偏心距（270 ），并將底面做成4550的傾斜面，具有向下引流作用。采用扁內(nèi)筒（靴形內(nèi)筒），內(nèi)筒當(dāng)量內(nèi)徑擴(kuò)大，并具有迫使氣流向下的作用。采用偏心內(nèi)筒及傾斜進(jìn)風(fēng)口4.采用導(dǎo)流板九、懸浮預(yù)熱器的類別及幾種旋風(fēng)預(yù)熱器簡介1.洪堡型旋風(fēng)預(yù)熱器2.史密斯型旋風(fēng)預(yù)熱器3.KS-5型旋風(fēng)預(yù)熱器第三節(jié) 立筒預(yù)熱器窯一、立筒預(yù)熱器分類及幾種立筒預(yù)熱器窯簡介1. 蓋波爾型預(yù)熱器2. ZAB型預(yù)熱器3.普列洛夫型預(yù)熱器第四節(jié) 旋風(fēng)-立筒組合式預(yù)熱器窯一、多波