外循環式分解爐壓力損失的冷模試驗研究

陳延信，王　瓊，田增愿

(西安建筑科技大學材料與礦資學院，西安　710055)

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外循環式分解爐壓力損失的冷模試驗研究

陳延信，王瓊，田增愿

(西安建筑科技大學材料與礦資學院，西安710055)

外循環式分解爐是西安建筑科技大學開發的新型碳酸鹽分解反應爐，在工程應用中取得了很好的效果，為進一步優化反應爐的結構，試驗測試了分解爐截面風速為5～8 m/s，三次風入口風速為24 m/s、26 m/s和28 m/s，固氣比Z=0.5的條件下，外循環式分解爐系統主體段壓力損失和粗分離器壓力損失。結果表明：系統空載運行時，隨分解爐截面風速的增大，分解爐主體段和粗分離器的壓力損失增大；分解爐截面風速不變，隨三次風入口風速的增大，分解爐主體段壓力損失減小。系統投料運行時，隨分解爐截面風速的增大，分解爐主體段和粗分離器的壓力損失增大；三次風入口風速對其壓力損失的影響不大。相比空載運行，投料運行時分解爐主體段壓力損失增加約1～1.2倍，粗分離器壓力損失增加約10%～50%。適當降低分解爐截面風速，是降低分解爐壓力損失的有效手段。

分解爐；壓力損失；冷模試驗

1　引　言

外循環式分解爐通過粗分離器實現物料的體外循環，使未分解的粗重物料和未燃燼的煤粉顆粒循環進入分解爐內，實現再分解和燃燒。以此來提高入窯物料的分解率、煤粉燃燼率和增強分解爐的熱工穩定性。其熱耗較低，生產規模大，熟料質量高[1,2]。但是外循環系統中一些具體操作參數的變化對系統阻力特性的影響還需進一步的豐富。因此，在不同分解爐截面風速和三次風入口風速的條件下對外循環式分解爐空載和投料運行時的壓力損失進行了冷模試驗，以期為該爐型的優化提供參考。

目前，工程上冷態模型試驗廣泛采用的設計原則主要有幾何相似、動力相似[3]。本試驗使用與工業設備幾何相似的模型，保證其在自模化區域內能夠模擬出與實物相似的流動狀態，保證模型系統與工業原型間的幾何相似、運動相似和動力相似，試驗結果可信度高[4]。

2　試　驗

2.1試驗裝置及流程

試驗裝置見圖1。整個外循環式分解爐系統的試驗模型全部采用有機玻璃制作，主要無量綱尺寸見表1。窯尾煙氣從分解爐上行管錐體底部進入；三次風從錐體上部進入；分解爐上行管氣流切向進入下行管(或粗分離器)，最后從五邊形出口流出。投料運行時，物料由喂料機喂入投料管，隨氣流進入分解爐，經旋風筒分離后，大量物料進入集料斗，少量物料出進入袋除塵器被收集。

2.2試驗測試系統

試驗系統的各測試點分布見圖1。用U型管壓力計同步測量P1～P5的表壓力。則ΔP21、ΔP32、ΔP43和ΔP54依次為上行管壓力損失、分解爐頂部縮口壓力損失、下行管壓力損失和粗分離器壓力損失。

表1　分解爐主要結構無量綱尺寸

圖1　分解爐幾何模型Fig.1　Geometrical model of precalciner

2.3試驗控制

整個系統由離心風機提供動力，在負壓狀態下運行，試驗前，詳細檢查系統每個可能漏風的環節，尤其是保證各連接法蘭和卸料鎖風閥處的密封良好。試驗時，分為空載運行和投料運行，設定的分解爐截面風速為5～8 m/s，三次風入口風速Ui為24 m/s、26 m/s和28 m/s。投料運行時，對喂料機進行實物標定，對應于每個分解爐截面風速，調節喂料機的給料速率，使系統的固氣比Z保持為0.5 kg(solid)/ kg(gas)。

3　結果與討論

為突出主要因素，本文僅給出對外循環式分解爐系統壓力損失起主導影響作用的兩段壓力損失(ΔP21和ΔP54)的變化規律。

3.1空載條件下分解爐分段壓力損失的變化

圖2a為空載條件下分解爐主體段的壓力損失(ΔP21)。可以看出，隨分解爐截面風速的增大，分解爐主體段壓力損失逐漸增大；Ui=8 m/s時的壓力損失是Ui=5 m/s時的壓力損失的2倍左右。可見，適當降低分解爐截面風速，是降低分解爐壓力損失的有效手段。

分解爐截面風速相同時，隨三次風入口風速的增大，分解爐主體段壓力損失相對減小；當三次風入口風速Ui=24 m/s時分解爐主體段的壓力損失最大。這是因為進入分解爐內的氣體來自兩路，一是三次風，其進入爐內的方式為切向進入；二是來自回轉窯的煙氣，其從分解爐正下方進入爐內，進入分解爐后流動通道截面積迅速增大。在分解爐倒錐體的上部，兩路流體混合，形成噴騰+旋轉的上升氣流。當爐體的結構尺寸一定，分解爐截面風速一定時，三次風入口風速越大，則流體的旋轉效應越強烈，同時，來自窯尾煙室的氣流風速相應越小，其噴騰效應越弱。二者此消彼長，最終的疊加效應導致上述結果。對于采用外循環式高固氣比分解爐的水泥熟料燒成系統，由于尾煤比例比傳統的干法水泥生產線更高，在同等設備規格的情況下，三次風的風量較大，風速較高，窯尾煙氣量較少，風速較低，因此有利于降低爐體的壓力損失。

圖2b為系統空載條件下粗分離器壓力損失(ΔP54)。可以看出，三次風入口風速對粗分離器壓力損失的影響很小，這是因為三次風進入分解爐后和煙氣匯合噴騰旋流而上經頂部縮口改變方向，切向旋轉進入下行管到達粗分離器，此時由三次風最初產生的旋轉流對其影響作用已經不明顯。粗分離器的壓力損失隨分解爐截面風速增大而增大，Ui=8 m/s時的壓力損失超出Ui=5 m/s時的壓力損失的2倍以上，這是因為分解爐截面風速增大后，導致粗分離器入口的氣流旋流速度變大，動能損失增大，因而壓力損失變大。

比較圖2a與圖2b，空載運行時相同操作參數下，粗分離器的壓力損失高于分解爐主體段的壓力損失。

圖2　空載運行分解爐壓力損失(a)分解爐主體段壓力損失;(b)粗分離器壓力損失Fig.2　Pressure drop of precalciner in no-load(a)pressure drop in main sector of percalciner;(b)pressure drop of separator

3.2投料條件下分解爐分段壓力損失的變化

圖3a與圖3b分別為系統投料運行時分解爐主體段壓力損失(ΔP21)和粗分離器壓力損失(ΔP54)。隨分解爐截面風速的增大，分解爐主體段壓力損失和粗分離器壓力損失都逐漸增大，Ui=8 m/s時的壓力損失大約是Ui=5 m/s時的壓力損失的2.5倍左右。但是三次風入口風速對分解爐主體段壓力損失的影響有所減弱。原因可能是對于噴騰效應，由于粉料的加入，在粉料下沖，分散、向上加速過程中產生局部的能量耗散顯著增強；同時，粉料在爐內存在富壁效應，在爐體內壁處產生相對較厚的湍流底層，削弱了流體旋轉流動產生的附加壓力損失。

圖3　投料運行分解爐壓力損失(a)分解爐主體段壓力損失;(b)粗分離器壓力損失Fig.3　Pressure drop of precalciner on load(a)pressure drop in main sector of precalciner;(b)pressure drop of separator

比較圖3a與圖3b，投料條件下，分解爐主體段的壓力損失高于粗分離器的壓力損失。這與空載運行是相反的。相比于空載運行，投料運行時分解爐主體段壓力損失增加約1～1.2倍，粗分離器壓力損失增加約10%～50%。

3.3建議與展望

(1)系統投料運行時，粉體在爐內存在富壁效應，分解爐主體段壓力損失較大。在后續實驗中可考慮改變分解爐主體段圓柱外形，在適當部位增加0°～5°傾斜角，以破壞富壁效應;

(2)粗分離器入口氣料速度以及旋流度是影響其壓力損失的主要因素，后續實驗中，可改變粗分離器錐體截面積及偏心程度進行研究;

(3)冷模實驗只是獲得感性認識，可借助流體數值模擬對紊亂且不直觀的流場問題進行更深入的分析。

4　結　論

(1)系統空載運行時，隨分解爐截面風速的增大，分解爐主體段和粗分離器的壓力損失逐漸增大。分解爐截面風速Ui=8 m/s時的壓力損失是Ui=5 m/s時的壓力損失的2倍左右，因此，適當降低分解爐截面風速，是降低分解爐壓力損失的有效手段。隨三次風入口風速的增大，分解爐主體段壓力損失有所減小;

(2)系統投料運行時，隨分解爐截面風速的增大，分解爐主體段和粗分離器的壓力損失增大；Ui=8 m/s時的壓力損失大約是Ui=5 m/s時的壓力損失的2.5倍左右。三次風入口風速對其壓力損失影響有所減弱;

(3)對比系統空載運行，投料運行時分解爐主體段壓力損失增加約1～1.2倍，粗分離器壓力損失增加約10%～50%;

[1]李輝，徐德龍，馮紹航，等．循環率對循環流化床分解爐性能的影響(英文)[J].西安建筑科技大學學報(自然科學版),2005,37(1):16-23．

[2]徐德龍，肖國先，程福安，等．再論 21 世紀中國水泥工業的科技進步(Ⅰ)[J].西安建筑科技大學學報(自然科學版),2004,36(1):1-10．

[3]陳思維．窯尾預分解系統冷模流場研究[D].武漢：武漢理工大學學位論文，2005．

[4]李之光．熱力設備模型基礎[M]．北京：國防工業出版社，1972;125．

Cold Model Experiment of Pressure Drop in the External Circulating Precalciner

CHEN Yan-xin，WANG Qiong，TIAN Zeng-yuan

(School of Material Science and Engineering,Xi'an University of Architecture and Technology,Xi'an 710055,China)

External circulating precalciner devised Xi'an university of architecture and technology is the new type of decarbonation reactor.Good results have been achieved in the engineering application.In order to further optimize the structure of the precalciner,pressure drop in main sector of precalciner and separator are studied on no-load and load under the conditions that section wind velocity are 5-8 m/s,tertiary-air velocity are 24 m/s,26 m/s and 28 m/s and the solid-gas ratio is 0.5. The results show that:on no-load,pressure drop of both increases with section wind velocity increasing,pressure drop in the main sector of precalciner decreases with tertiary-air velocity increasing.On load,pressure drop in main sector of precalciner and separator increases with section wind velocity increasing,the change of tertiary-air velocity has little effect on the pressure drop of both.Compared to no-load,the pressure drop in main sector of precalciner increases about 1-1.2 times,and the pressure drop of separator increases about 10%-50%.Reducing the section wind velocity properly is the effective method to reduce the pressure drop of precalciner.

precalciner;pressure drop;cold model experiment

教育部高校回國人員扶持基金(2011457)

陳延信(1974-)，男，副教授.主要從事新型干法水泥工藝研究和難選鋁土礦的資源化開發方面的研究。

TU522

A

1001-1625(2016)02-0573-04