窯頭多管空冷器優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)例

呂忠明

1 引言

隨著水泥行業(yè)粉塵排放環(huán)保指標(biāo)的提高，絕大部分水泥廠在窯頭改造過(guò)程中選擇將原有的電收塵器改造為袋收塵器。改造后的袋收塵器濾袋所承受的溫度極限一般為250℃（10min），正常運(yùn)行溫度＜200℃。在此過(guò)程中，需采取措施將篦冷機(jī)余風(fēng)溫度從350℃左右降低到200℃以下，以保證袋收塵器長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

目前絕大部分大型水泥生產(chǎn)線均配套安裝有余熱發(fā)電裝置，篦冷機(jī)余風(fēng)經(jīng)余熱發(fā)電裝置后，溫度一般在100℃左右。此類安裝有余熱發(fā)電裝置的生產(chǎn)線在電改袋過(guò)程中可不配套空冷器，而采取成本較低的噴水降溫或冷風(fēng)閥門，用來(lái)處理極端情況下的短時(shí)間高溫篦冷機(jī)余風(fēng)。但在我國(guó)仍有相當(dāng)一部分2 500t/d及以下的水泥生產(chǎn)線，并未配套安裝余熱發(fā)電裝置，因此在電改袋過(guò)程中，就需要采取措施處理高溫篦冷機(jī)余風(fēng)。

多管空冷器通過(guò)管內(nèi)外熱、冷空氣強(qiáng)制對(duì)流換熱，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，且不存在增加水分等不利于窯頭袋收塵器運(yùn)行的情況。應(yīng)用多管空冷器是窯頭煙氣降溫的首選措施，特別適用于未配套余熱發(fā)電裝置的熟料生產(chǎn)線。

2 優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)例

根據(jù)我公司在新疆某2 000t/d水泥廠窯頭電改袋中應(yīng)用的空冷器實(shí)例，介紹窯頭多管空冷器在設(shè)計(jì)中的優(yōu)化措施及實(shí)際效果，具體情況如下。

2.1 優(yōu)化氣流分布，避免局部渦流

多管空冷器結(jié)構(gòu)見圖1。在空冷器進(jìn)風(fēng)罩口設(shè)計(jì)一組或多組由多個(gè)翅片組成的可調(diào)式格柵導(dǎo)流裝置，對(duì)進(jìn)入冷卻管的含塵煙氣進(jìn)行導(dǎo)流，可阻擋粒徑較大的粉塵進(jìn)入冷卻管，還可降低局部阻力，減少大顆粒粉塵對(duì)冷卻管的磨蝕，有效保護(hù)冷卻管和后續(xù)工藝設(shè)備。

圖1 多管空冷器結(jié)構(gòu)示意

2.2 采用冷卻管防磨損設(shè)計(jì)，延長(zhǎng)使用壽命

由于窯頭廢氣粉塵粒徑大、磨蝕性強(qiáng)，設(shè)計(jì)將冷卻管加長(zhǎng)，延伸進(jìn)入進(jìn)風(fēng)罩內(nèi)部，使冷卻管磨損發(fā)生在進(jìn)風(fēng)罩內(nèi)的延長(zhǎng)管部分，而不是起冷卻作用的位置。這樣即使發(fā)生磨損，也不會(huì)導(dǎo)致煙氣中的粉塵沖出冷卻管，排放至外界環(huán)境。同時(shí)，由于冷卻管主體部分不發(fā)生磨損，可有效延長(zhǎng)使用壽命。

2.3 優(yōu)化進(jìn)出風(fēng)方式，減小空冷器體積和重量

根據(jù)不同的窯頭工藝布置情況，設(shè)計(jì)有針對(duì)性的進(jìn)出風(fēng)方式，可減小多管空冷器體積。該水泥廠窯頭工藝的改造，如按常規(guī)布置空冷器，需要增加φ1 800m×40m的工藝管道和配套的拉鏈機(jī)輸送系統(tǒng)，且需增加相應(yīng)的冷卻器及輸送系統(tǒng)土建工作，大大增加了投資成本，延長(zhǎng)了施工工期。如利用窯頭篦冷機(jī)平臺(tái)土建框架作為空冷器基礎(chǔ)，篦冷機(jī)風(fēng)從下部進(jìn)入空冷器，從上部出風(fēng)直接進(jìn)入窯頭收塵器，則不僅可以節(jié)省土建和拉鏈機(jī)輸送系統(tǒng)的投資，而且增加的工藝管道長(zhǎng)度也可從40m降為15m，工期也相應(yīng)縮短。但利用窯頭篦冷機(jī)平臺(tái)土建框架布置空冷器，設(shè)備體積和重量會(huì)受到限制。

（1）空間位置受限

該廠篦冷機(jī)平臺(tái)土建框架共兩層。二層用來(lái)布置窯頭噴煤系統(tǒng)，只有5.2m×3.2m平面空間可供利用，在此平面上只能布置714根φ89mm冷卻管。

（2）空冷器重量受限

利用原篦冷機(jī)平臺(tái)土建框架，空冷器整體重量受到限制，經(jīng)核算，只能新增60t重量。

該空冷器處理風(fēng)量87 640m3（標(biāo)）/h，冷卻溫度350℃～180℃，需1 700m2換熱面積。在只能布置714根φ89mm冷卻管和新增重量≯60t的情況下，冷卻管重量應(yīng)≯47t（空冷器除冷卻管外，部件重量約為13t）。按常規(guī)設(shè)計(jì)，冷卻管長(zhǎng)度為7 500mm（無(wú)縫鋼管，壁厚4mm，8.38kg/m），換熱面積1 497m2，無(wú)法滿足1 700m2換熱面積的要求。因此采用帶換熱肋片的設(shè)計(jì)，在φ89mm冷卻管（L=6 100mm，壁厚4mm）間隔130mm增加一個(gè)φ132mm的換熱圓環(huán)肋片（厚度4mm），共46個(gè)肋片。每根換熱管換熱面積為0.089×π×6.1+45×2×（0.0672-0.0452）×π=2.4m2，重 約 62kg，則總換熱面積為 2.4× 714=1 714m2，換熱管總重 62×714=44 268kg，延長(zhǎng)管部分重量0.2×8.38×714=1 200kg。換熱面積1 714m2和重量45.468t均可滿足要求。

3 實(shí)際使用效果

采用有針對(duì)性的優(yōu)化設(shè)計(jì)后，我公司利用原篦冷機(jī)平臺(tái)土建框架作為空冷器基礎(chǔ)，優(yōu)化了進(jìn)出風(fēng)方式，縮短了工藝管道，直接節(jié)省土建和輸送系統(tǒng)成本120萬(wàn)元，窯頭電改袋項(xiàng)目整體改造成本從438萬(wàn)降低至318萬(wàn)元，進(jìn)入袋收塵器煙氣溫度從350℃降低至160℃，設(shè)備運(yùn)行效果良好。由于冷卻管長(zhǎng)度從正常的7.5m縮短到了6.1m，氣流沿程阻力有所降低，整機(jī)運(yùn)行阻力約350Pa，完全滿足后續(xù)袋收塵器的運(yùn)行工作要求。