空氣冷卻器在水泥工業的設計與應用

張建國，鄭金平，王鳳新，喻宏祥

空氣冷卻器在水泥工業的設計與應用

張建國，鄭金平，王鳳新，喻宏祥

空氣冷卻器是利用空氣作為冷卻介質將熱介質冷卻到所需溫度的設備，已在水泥工業中得到應用。窯頭廢氣流一般溫度在200℃以上，工藝不穩定時能達到450℃。氣流不僅溫度高，含塵濃度也大，粉塵顆粒度比較大，易磨損所接觸的介質。窯頭的廢氣流進入窯頭收塵器前必須經降溫達到使用要求。本文主要論述了水泥工業中窯頭空氣冷卻器的選型計算及運行維護的重點。

空氣冷卻器；水泥；窯頭；降溫

空氣冷卻器（以下簡稱“空冷器”）是利用空氣作為冷卻介質將熱介質冷卻到所需溫度的設備。空冷器在20世紀30年代出現后，經多次改進已廣泛應用于大型石化企業。近些年來，由于新型干法水泥生產線的推廣，空冷器開始在水泥工業中得到應用，并取得較好的經濟效益。新型干法水泥以懸浮預熱和預分解技術為核心，熱氣流主要分為窯頭和窯尾兩股廢氣。由于這兩股熱氣流所含粉塵的物性不一致，所采取的降溫措施不一樣。其中，由于窯尾廢氣所含粉塵的粘度較大，含塵量達到100g/m3，不適合用空冷器管束熱交換（容易導致換熱管的堵塞），因此本文主要探討空氣冷卻器在水泥工業窯頭熱氣上的應用。

1　水泥工業窯頭廢氣的特點

窯頭廢氣流主要來自冷卻熟料的篦冷機，一般溫度在200℃以上，工藝不穩定時能達到450℃。窯頭廢熱氣流不僅溫度高而且含塵濃度大（達30g/m3以上），粉塵顆粒度比較大，易磨損所接觸的介質。為了達標排放，窯頭采用袋式除塵器是大勢所趨。而窯頭袋式除塵器濾料由于使用溫度及窯頭粉塵特性（粉塵顆粒大，易磨損，不能使用玻纖濾料）的限制，目前常用濾料為Nomex，在長期使用條件下要求含塵氣流溫度＜200℃，因此窯頭的廢氣流進入窯頭收塵器前必須經降溫達到使用要求。

降溫的措施方案：

（1）余熱發電

水泥工業是一個高耗能的產業，每年消耗大量電力，增加了很多成本支出。將從窯頭篦冷機出來的廢熱氣流的熱量轉換為電能加以利用，符合國家的以熱定電的產業節能政策。目前很多水泥舊生產線和新上的生產線都加配了窯頭余熱發電設備。雖然窯頭廢氣經過余熱發電后，氣流溫度能達到200℃以下，但這只是在正常生產工藝條件下。一旦窯頭燒成工藝出現異常情況或余熱發電設備出現故障，窯頭廢氣溫度無法確保低于200℃進入袋收塵器，將導致高溫氣流燒毀窯頭袋收塵器的濾袋，造成整個工藝生產線停產，帶來巨大的經濟損失。

（2）噴水

在篦冷機噴水，降低窯頭廢氣的溫度也是一個較好的措施。但如果溫度控制不好將導致篦冷機的結垢，影響篦冷機自身冷卻熟料的效果。另外噴水會使工業用水增加，將給缺水地區造成負擔。即使在水資源豐富的地區使用水冷，熱流的排放本身也是一種對地表水和地下水的熱污染，會破壞生態平衡。

（3）空氣冷卻器

對比以上兩種方案，空氣冷卻器使用空氣作為冷卻介質將熱氣流冷卻到所需要的溫度，可節省大量工業用水，具有較高的經濟環保性。如果無余熱發電設備，配置空氣冷卻器，可以降低窯頭廢氣溫度，保證窯頭袋收塵器的安全性；如果有余熱發電設備，配置空氣冷卻器，可以在余熱設備故障或工藝異常條件下使用，同樣能保證窯頭袋收塵器的安全性。

2　空氣冷卻器的設計條件

2.1確定空氣的設計溫度與氣象參數

確定空氣的設計溫度，也是風機的進口溫度，對空冷器的傳熱計算及經濟性的評比具有重要影響。空氣的設計溫度一般選取當地夏季每年不保證五天的日平均干球溫度或當地最熱月的月平均溫度。

氣象參數要求取得最冷月的月平均溫度和當地的大氣壓及空氣的其他物理參數。這些參數可用于換熱計算及冷卻風機的選型。

2.2確定管內熱氣流的性質及參數

確定熱氣流的物理性質包括定性溫度下的流量、比熱容、密度、運動粘度、傳熱系數以及在進出口溫度下熱焓、普朗特數等。

確定熱氣流在管內的速度。由于窯頭廢氣含塵濃度大，易磨損管壁，在長期使用情況下，管內含塵熱氣流的入口風速應＜20m/s。

確定熱氣流的降溫范圍，正常工藝條件下，窯頭廢氣溫度從250℃降到120℃（冷卻到＜120℃，代價比較昂貴）；異常工藝條件下，窯頭設計溫度從450℃（高于450℃為工藝事故）降到200℃。

3　空氣冷卻器的設計方案

在詳細的工藝計算前，須進行方案設計。計算空冷器所需要的換熱面積，風機總換熱風量，從而確定空冷器的規格和風機的型號、數量，以及在不同工藝和氣象條件下風機風量的調節方式。

3.1確定空冷器布置方式

空冷器按布置方式可分為立式、水平式、斜頂式和V型多邊式等。

立式的占地面積比水平式和其他方式小，但是高度比較高，殼體穩定性要求比較嚴格。

按通風方式可分為鼓風式、引風式和自然通風式。

鼓風式是指空氣先經過風機葉片驅動，再穿過管束，其優點是結構簡單，安裝維修方便。

引風式是指空氣穿過管束后再由風機葉片引出，氣流穿過管束分布比較均勻，操作穩定性好。但缺點是風機置于管束空氣出口處，直接受熱空氣影響，要求葉片和傳動裝置耐熱性能好。風機的維護和運行比較困難。

自然通風式是依靠自然對流進行換熱，效率比較低。

綜合以上考慮，在水泥工業中優先選用立式鼓風式（軸流風機）空冷器布置方式。

3.2確定空冷器管箱的排列方式

管箱的布置分為順排和交叉排管束兩種方式。順排時冷卻空氣從比較平直的管間隙中流動；而在交叉排中，冷卻空氣不得不在曲折的流道中迂回流動，擾動更大些。水泥工業中推薦采用交叉排布置的空氣冷卻器。交叉排換熱強于順排，且在相同換熱面積下，交叉排布置更緊湊，節省了占地空間。但是交叉排的阻力系數略大于順排。經長期實踐統計和計算，在正常工藝條件下，相同處理風量的交叉排空冷器的阻力比順排空冷器大20%左右。

3.3熱負荷的計算

確定熱氣流在降溫范圍內，所帶入的熱負荷與帶出的熱負荷，兩者差值即為需要交換的熱負荷。

3.4空氣出口溫度的估算

空氣出口溫度與傳熱系數、管束結構等因素有關。提高空氣出口溫度，可增加風的利用效率，減少風機風量和數量，但會導致傳熱效率的降低，造成換熱面積的增加。因此合理地估算空氣出口溫度對初步計算所需的換熱面積具有重要影響。

3.5計算空冷器的總傳熱系數

結合估算的空氣出口溫度以及熱氣流的降溫范圍，確定在這些定性條件下的熱介質和空氣的物理參數，通過傳熱學公式計算出總傳熱系數。

3.6傳熱溫差的計算

窯頭空冷器的傳熱溫差包括熱廢氣的傳熱溫差和空氣的傳熱溫差。傳熱溫差采用對數平均溫差法計算。

3.7計算傳熱面積

由熱負荷、總傳熱系數和傳熱溫差計算空冷器所需要的傳熱面積。

3.8空冷器管內的阻力計算和管外空氣阻力的計算

空冷器的管內阻力包括冷卻管的沿程阻力、進出口局部阻力和冷卻管內的灰阻。

管外空氣阻力與管束的布置方式和管外的空氣風速有關。

3.9風機的選型

由需要交換的熱量和空氣的進出口溫差（非對數傳平均溫差），計算所需要的總冷卻風量。管外空氣阻力即是風機的最小全壓。根據管束的布置確定風機的單臺風量。

根據單臺風機風量和風機的傳動方式（直聯或皮帶）計算單臺風機的額定功率。

另外，根據管內介質的性質和溫度控制的要求及氣象參數，可以選擇調節風機葉片角度或采用變速風機。

4　空氣冷卻器的控制要求

4.1安全性

窯頭空氣冷卻器是保證窯頭袋收塵器運行的可靠保證，因此窯頭空冷器準確及時的啟動是工藝安全運行的重要保障。但由于工藝操作的復雜性、不確定性和人為造成的失誤，窯頭空氣冷卻器的開啟在控制上不僅要有中控人員的手動開啟功能還應有自動開啟功能。自動開啟功能應根據窯頭空冷器入口溫度來判定。入口溫度的判定由設置在空冷器入口處的兩個熱電偶來確定，并以兩個熱電偶所取的最大溫度值作為中控控制空冷器的依據。

4.2降低能耗

窯頭空氣冷卻器一般配置數臺至十幾臺的軸流風機（風量更小的風機可以配置到幾十臺），這些軸流風機長期使用，能耗非常大。尤其是在有余熱發電情況下，部分熱氣流進入空冷器，軸流風機全部打開，會造成電能的浪費。可以通過空冷器入口溫度來調節控制部分軸流風機的開啟與停止，降低空冷器運行的能耗。即，當入口溫度低于某一設定值時，預先選定的部分軸流風機便停止轉動；而當溫度高于另一個定值時，所停轉的風機開啟。

5　空氣冷卻器的運行與維護

（1）在水泥廠應用空冷器的長期實踐中我們發現，即使中控操作窯頭熱氣流全部進入余熱鍋爐中，由于閥門在高溫下的腐蝕和膨脹，仍會有少部分含塵熱氣流進入空氣冷卻器。因此窯頭空冷器的排灰泄灰系統必須持續運行，以防排灰泄灰系統的堵塞。

（2）空冷器正常運行過程中，須用日志和報告記錄出錯的信息，并對其進行過程追蹤，以保證所有的操作正確有序地進行。定期在軸流風機旁和DCS顯示器的屏幕菜單上檢查軸流風機的運行信號。按要求對運行參數做細微調整，以避免錯誤信號引起的停機并防止運行組件的損害。

（3）定時檢查并記錄溫度數據，與正常溫度相比較，可以及時發現系統錯誤。為保證空冷器在無故障的情況下連續運行，應執行適當的檢修程序。

［1］GB/T 15386-1994，空冷式換熱器［S］.

［2］賴周平，張榮克.空氣冷卻器［M］.北京：中國石化出版社，2010.

［3］趙振南.傳熱學［M］.北京：高等教育出版社，2002.

［4］張榮克.我國高寒地區空冷器的應用-熱風循環濕式空冷器［J］.石油化工設備技術，1997，（5）.■

Design and Application of Air Cooler in Cement Industry

Zhang Jianguo，Zheng Jinping，Wang Fengxin，Yu Hongxiang
（Sinoma Technology&Equipment Group Co.，Ltd.，Tianjin 300400，China）

Air cooler，which has been applied in the cement industry，is a device using air as the cooling medium to cool the heat medium to the required temperature.Generally the temperature of the kiln head exhausted airflow is up to 200℃，even reaches 450℃when the process is unstable.The airflow has the character of high temperature and dust concentration and its dust particle size is relatively large，so it is easy to wear the contacted media.The kilnhead exhausted airflow must be cooled to reach requirements before entering into kilnhead dust collector.This paper mainly discusses the selection and computing for the kilnhead air cooler and focus on the operation and maintenance of it in the cement industry.

air cooler；cement；kilnhead；cool

TQ172.622.29

A

1001-6171（2015）04-0050-03

通訊地址：中材裝備集團有限公司，天津300400；

2014-11-16；編輯：趙蓮