弱渦流低阻預(yù)熱器節(jié)能技術(shù)及應(yīng)用

張松立，馬嬌媚

1 引言

由多級(jí)串聯(lián)旋風(fēng)筒組成的預(yù)熱器是整個(gè)水泥燒成系統(tǒng)的主要阻力來源，預(yù)熱器系統(tǒng)阻力是評(píng)判其技術(shù)水平的重要指標(biāo)。一些早期投產(chǎn)的水泥生產(chǎn)線，其本身的預(yù)熱器阻力高，高溫風(fēng)機(jī)電耗也高，隨著生產(chǎn)線產(chǎn)量的提升，預(yù)熱器阻力也隨之上升，制約了系統(tǒng)的優(yōu)化升級(jí)。通過對(duì)預(yù)熱器進(jìn)行技術(shù)改造，可有效降低窯尾預(yù)熱器的系統(tǒng)阻力，減少高溫風(fēng)機(jī)運(yùn)行負(fù)荷，有效降低系統(tǒng)電耗，為企業(yè)進(jìn)一步節(jié)能降耗創(chuàng)造條件。

2 預(yù)熱器技術(shù)現(xiàn)狀

預(yù)熱器阻力主要來自于旋風(fēng)筒，旋風(fēng)筒是利用旋轉(zhuǎn)的含塵氣體所產(chǎn)生的離心力，將塵粒從氣流中分離出來的一種氣固分離裝置。此類裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，氣固分離效率高，價(jià)格低，適用于凈化＞5μm的非粘性、非纖維性的干燥粉塵。

在水泥生產(chǎn)過程中，喂入預(yù)熱器內(nèi)的生料細(xì)度一般80μm篩篩余≤25%，200μm篩篩余≤3%。單級(jí)旋風(fēng)筒的阻力一般在800～1 500Pa，個(gè)別超產(chǎn)幅度較大的生產(chǎn)線阻力＞2 000Pa。整個(gè)預(yù)熱器系統(tǒng)的五級(jí)預(yù)熱器的阻力＞5 000Pa，六級(jí)預(yù)熱器的阻力＞6 000Pa甚至＞9 000Pa。很多早期設(shè)計(jì)的生產(chǎn)線的高溫風(fēng)機(jī)電耗＞10kW·h/t.cl。

為有效降低系統(tǒng)阻力，提出了錐體擴(kuò)徑結(jié)構(gòu)旋風(fēng)筒，增加膨脹倉、導(dǎo)流板，改變蝸殼形式等改進(jìn)措施，但采用這幾種方式后，預(yù)熱器結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，部件易于損壞。同時(shí)，嘗試將預(yù)熱器的選型增大1～2個(gè)級(jí)別，如5 000t/d生產(chǎn)線采用6 000t/d生產(chǎn)線預(yù)熱器，按此操作后，雖然阻力降低了，但預(yù)熱器塔架及設(shè)備成本明顯提高，預(yù)熱器出口粉塵濃度＞100g/Nm3，高時(shí)達(dá)200g/Nm3，分離效率降至90%以下，燒成系統(tǒng)回灰量大，內(nèi)循環(huán)增多，帶走的熱焓較多，進(jìn)而造成整個(gè)燒成系統(tǒng)熱耗和電耗大幅度提升。采取以上幾種改造方式，均未獲得理想的改造效果。

3 弱渦流低阻旋風(fēng)筒技術(shù)介紹

高性能旋風(fēng)筒需具備高分離效率和低阻力損失兩大顯著特征。旋風(fēng)筒分離效率高，則旋風(fēng)筒出口氣體中粉塵含量低，系統(tǒng)熱損失少；旋風(fēng)筒阻力損失小，則高溫風(fēng)機(jī)負(fù)荷低，電耗低。

在旋風(fēng)筒的設(shè)計(jì)研發(fā)過程中，高分離效率和低壓力損失是一對(duì)相互制衡的指標(biāo)。在以往的實(shí)際應(yīng)用中，為了使旋風(fēng)筒保持較高的分離效率，經(jīng)常犧牲一部分壓力指標(biāo)，否則大幅度降低其阻力往往影響其分離效率，進(jìn)而影響旋風(fēng)筒的正常工作性能。因此，在保證分離效率的前提下，開展對(duì)阻力損失更小的旋風(fēng)筒的研究，對(duì)于預(yù)熱預(yù)分解系統(tǒng)整體性能的提升具有重要意義。

如圖1所示，本文介紹的弱渦流低阻旋風(fēng)筒，其蝸殼體采用等高度變角三心270°大蝸殼螺旋結(jié)構(gòu)，三個(gè)不同半徑的圓弧平順連接，可將氣流平穩(wěn)引入旋風(fēng)筒，物料在慣性力和離心力的作用下達(dá)到筒壁，有利于物料分離效率的提高和旋風(fēng)筒阻力的降低。旋風(fēng)筒蝸殼螺旋線采用等高度變角結(jié)構(gòu)，蝸殼體與柱體連接的外側(cè)壁與水平方向的夾角為γ，該夾角γ在進(jìn)風(fēng)口處為50°，并沿蝸殼螺旋線逐漸增大至90°。

圖1 典型弱渦流低阻旋風(fēng)筒示意圖

此種結(jié)構(gòu)能有效防止斜坡積料，減少塌料對(duì)旋風(fēng)筒內(nèi)氣流的干擾。旋風(fēng)筒蝸殼體采用大蝸殼螺旋結(jié)構(gòu)，進(jìn)口面積更大，風(fēng)速更低，有效減少了進(jìn)口區(qū)渦流阻力，阻力損失更低。

通過將弱渦流低阻旋風(fēng)筒進(jìn)口寬高比設(shè)計(jì)為0.35～0.65，氣流入口截面積F與旋風(fēng)筒柱體橫截面積Fi的比值為0.2～0.4，合理設(shè)計(jì)了旋風(fēng)筒的局部風(fēng)速，降低了旋風(fēng)筒阻力。旋風(fēng)筒蝸殼從上至下逐漸增大，對(duì)氣流有導(dǎo)向作用，高濃度含塵氣體貼壁旋轉(zhuǎn)，遇到錐部后折返向上，進(jìn)入內(nèi)筒，形成低含塵的氣體回流，固體顆粒被收集進(jìn)入錐體下料管。

優(yōu)化后的旋風(fēng)筒蝸殼體結(jié)構(gòu)有效避免了進(jìn)口氣流與回流氣體相撞，減少了蝸殼體進(jìn)口處渦流阻力，提高了分離效率。

4 弱渦流低阻節(jié)能技術(shù)的改造應(yīng)用

通過熱工標(biāo)定測(cè)試現(xiàn)有生產(chǎn)線系統(tǒng)阻力，經(jīng)過熱工計(jì)算，在不改變現(xiàn)有塔架的情況下，確定改造方案和技術(shù)指標(biāo)，制定合理的節(jié)能技改措施。

4.1 進(jìn)行熱工標(biāo)定，計(jì)算阻力

采集預(yù)熱系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)和預(yù)熱器的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，核算預(yù)熱器氣流入口、氣流出口、連接風(fēng)管的風(fēng)速，利用回歸公式，初步核算系統(tǒng)提產(chǎn)后的阻力增加幅度。

式中：

ΔF阻——改造后的阻力增加幅度

V改后——連接風(fēng)管或蝸殼體改造后的進(jìn)氣速度

V改前——連接風(fēng)管或蝸殼體改造前的進(jìn)氣速度

F損——系統(tǒng)原有阻力損失，即氣流入口與氣流出口的阻力差值

以上回歸公式對(duì)蝸殼體和風(fēng)管均適用。

4.2 改造內(nèi)容

（1）在不改變窯尾框架的情況下，改變蝸殼體、內(nèi)筒的結(jié)構(gòu)和尺寸，將柱體及蝸殼體整體改造為低阻型非頂級(jí)旋風(fēng)筒，使蝸殼體入口風(fēng)速盡可能降低至13～17m/s，連接風(fēng)管風(fēng)速在18～24m/s。

（2）對(duì)于頂級(jí)C1旋風(fēng)筒，因C1旋風(fēng)筒頂部受框架限制較少，可利用原建筑結(jié)構(gòu)的開孔，對(duì)樓面以下（包括改變蝸殼體、內(nèi)筒的結(jié)構(gòu)和尺寸）不進(jìn)行改造。

（3）為了加強(qiáng)換熱，進(jìn)一步降低預(yù)熱器出口的溫度，改造配套連接風(fēng)管和撒料盒，包括擴(kuò)大連接風(fēng)管的截面積、改變連接風(fēng)管形狀、增加連接風(fēng)管中部縮口，以使連接風(fēng)管的風(fēng)速為16～24m/s。

4.3 弱渦流低阻節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用效果

采用弱渦流低阻節(jié)能技術(shù)，在不改變預(yù)熱器設(shè)備規(guī)格的前提下，可提升產(chǎn)量，降低阻力，實(shí)現(xiàn)較高的分離效率。相對(duì)于加大一檔預(yù)熱器，減少了一次性投資和系統(tǒng)能耗，避免了加大預(yù)熱器規(guī)格造成的分離效率降低。

弱渦流低阻節(jié)能技術(shù)指標(biāo)見表1。除一級(jí)筒以外，各級(jí)旋風(fēng)筒的阻力均＜500Pa，六級(jí)預(yù)熱器C1旋風(fēng)筒出口負(fù)壓≤4 500Pa，系統(tǒng)分離效率＞95%，高溫風(fēng)機(jī)電耗4～6kW·h/t.cl，燒成系統(tǒng)主機(jī)電耗16～18kW·h/t.cl，滿足了二代干法水泥生產(chǎn)技術(shù)規(guī)范18kW·h/t.cl的電耗指標(biāo)。六級(jí)預(yù)熱器相較于常規(guī)的五級(jí)預(yù)熱器，在電耗不增加的前提下，增加了一級(jí)換熱，標(biāo)煤耗降低3～5kg/t.cl。

表1 弱渦流低阻節(jié)能技術(shù)指標(biāo)

弱渦流低阻預(yù)熱系統(tǒng)阻力比一般的窯尾預(yù)熱器低500～1 000Pa，適用于現(xiàn)有生產(chǎn)線的改造升級(jí)。表2為南方某廠和廣東某廠采用弱渦流低阻技術(shù)在窯尾改造實(shí)施前后的效果對(duì)比。

由表2可見，采用弱渦流低阻技術(shù)在窯尾改造后，預(yù)熱器阻力降低1 200～1 600Pa，阻力降低＞10%，系統(tǒng)電耗減少約2kW·h/t.cl。現(xiàn)有水泥生產(chǎn)線的預(yù)熱器可以在不用改變土建結(jié)構(gòu)的情況下，用少量的設(shè)備投資、較短的停窯時(shí)間完成降阻節(jié)電改造，減少水泥生產(chǎn)能源消耗和CO2排放。

表2 弱渦流低阻技術(shù)在窯尾改造實(shí)施前后效果對(duì)比

4 結(jié)語

（1）弱渦旋低阻旋風(fēng)筒氣流引入平穩(wěn)，減少了進(jìn)口區(qū)渦流阻力，阻力損失降至500Pa，有效控制了進(jìn)口氣流速度和氣流在內(nèi)筒的旋轉(zhuǎn)速度，減少或避免了進(jìn)口氣流與回流氣流相撞，有效提高了分離效率。

（2）在旋風(fēng)筒設(shè)備規(guī)格和預(yù)熱器塔架沒有放大的前提下，兼顧降阻及分離效率，新建六級(jí)預(yù)熱器阻力＜4 500Pa，系統(tǒng)分離效率＞95%。

（3）通過熱工標(biāo)定測(cè)試現(xiàn)有生產(chǎn)線系統(tǒng)阻力，再經(jīng)過熱工計(jì)算確定改造方案和技術(shù)指標(biāo)，制定合理的節(jié)能技改措施，在不影響現(xiàn)有土建結(jié)構(gòu)的前提下改造現(xiàn)有五級(jí)預(yù)熱器，系統(tǒng)阻力降低了10%以上，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了高溫風(fēng)機(jī)節(jié)電、系統(tǒng)通風(fēng)良好、設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定的改造效果。