提高旋風預熱器換熱效率的分析

　　懸浮預熱器是實現(xiàn)氣（廢氣）、固（生料粉）之間的高效換熱，提高生料溫度，降低排出廢氣溫度的，有旋風預熱器和立筒預熱器兩種，現(xiàn)在水泥行業(yè)主要以旋風預熱器為主。
　　1.旋風預熱器的工作原理
　　旋風預熱器由若干級換熱單元組成，每級換熱單元都是由旋風筒及其聯(lián)接管道構(gòu)成。生料從第1級和第2級旋風筒之間的聯(lián)接管道加入，被上升氣流沖散，使其均勻的懸浮于氣流之中。此時進行的是對流換熱，由于懸浮狀態(tài)下氣、固接觸面積很大，對流換熱系數(shù)較高，所以換熱速度極快，完成換熱只需0.02~0.04s之后，氣流攜帶生料粉沿切向高速進入第1級旋風筒C1，被迫在圓筒體與排氣管之間的圓柱內(nèi)呈旋轉(zhuǎn)運動狀態(tài)。從圓筒體到錐體，氣流一邊旋轉(zhuǎn)，一邊向下運動，直到錐體的頂部，氣流被反射向上旋轉(zhuǎn)，最后從排氣口排出，而生料粉則從錐體頂部進入到C2和C3的聯(lián)接管道，然后再次被攜帶到C2進行氣、固分離。以此類推，生料粉依次通過各級旋風筒及其聯(lián)接管道。在進入最后一級旋風筒前，生料進入分解爐完成大部分的CaCO₃分解，分解后的生料再與廢氣一起進入最后一級旋風筒，完成氣、固分離，生料最后進入回轉(zhuǎn)窯煅燒。
　　2.旋風預熱器的效率指標
　　衡量預熱器系統(tǒng)氣、固之間換熱效果有兩個效率指標，熱優(yōu)良度和換熱效率。在旋風預熱器系統(tǒng)中，二者相比，換熱效率的使用要多一些。
　　熱優(yōu)良度：生料在預熱器系統(tǒng)內(nèi)溫度的實際升高值與廢氣及生料進入預熱系統(tǒng)時原始的溫度差之比。
　　換熱效率：生料出預熱器系統(tǒng)所獲得的熱量與輸入到預熱器系統(tǒng)總熱量的百分比。

　　本次主要對換熱效率的影響因素進行分析并歸納出提高熱效率的有效措施。
　　3.影響旋風預熱器換熱效率的因素
　　由于影響旋風預熱器熱效率的因素很多，而且相互之間有較密切的聯(lián)系，某一因素的影響可用另一因素的影響解釋，所以粗略總結(jié)以下幾點，并查閱相關(guān)較新的研究數(shù)據(jù)（2010年后）用以直觀分析：
　　（1）粉料的懸浮效率
　　由單元換熱的工作原理可知,在旋風預熱器中,氣固之間熱交換量的80%甚至90%是在旋風筒入口管道內(nèi)瞬間進行的,前提條件是粉體物料充分均勻分散懸浮于氣流中。粉體物料成 股地從加料口加入,由于慣性, 有一個向下的沖力,當遇到由下向上的氣流時,部分物料被氣 流沖散帶起向上懸浮于氣流中,部分料股中間的物料繼續(xù)下沖,又被下面的氣流沖散,轉(zhuǎn)而向上懸浮。如果較大料股中間的粉料或料團,在下沖一定距離后仍不能被沖散浮起,一旦離開下級的內(nèi)筒,由于氣體流速銳減,這部分物料將不能懸浮,失去了在上級筒中的預熱機會,這樣將降低物料的預熱效果。
　　懸浮效率的定義: 加入物料被氣流沖散浮起進入該級旋風筒的質(zhì)量百分數(shù),以字母E表示：E=(m₂+f₂- f₁)/m₁。

　　上圖表示五級旋風預熱器中懸浮效率與物料平均溫度和出口氣體溫度的關(guān)系圖。可見旋風筒加料時的懸浮效率直接影響到物料的整體預熱效果。
　　為了使物料充分預熱,提高旋風預熱器系統(tǒng)的熱效率,使物料迅速充分均勻懸浮必須采取以下措施:合理選擇加料位置(靠近進風管的起端);合理選擇管內(nèi)風速（>15m/s）;在喂料口加裝撒料裝置;保證來料均勻。
　?。?）系統(tǒng)固氣比（Z）
　　理論研究表明，當Z<2時，氣、固換熱效率隨Z值增加而升高，且非常敏感：當23.6時，Z值增加換熱效率反而降低。普通的預熱器內(nèi)的固氣比在1以下（0.8~0.9），現(xiàn)在有一種新型方法為交叉料流法可使Z值達到2左右。

 　　固氣比控制在2左右為宜，但一般生產(chǎn)中受窯產(chǎn)量等指標限制，單純控制生料加入量來提高固氣比意義不大，可間接控制，下面將作介紹。
　　（3）旋風預熱器的系列數(shù)和級數(shù)
　　在現(xiàn)有的串聯(lián)多級旋風預熱器系統(tǒng)中，固氣比大多小于1，由于粉體加入量受窯產(chǎn)量等限制，單純地提高系統(tǒng)固氣比較難。所以，將進入預熱器的氣體分成均等的氣流通過并行的多系列預熱器，全部粉料從一個系列到另一個以串流形式通過所有旋風預熱器。在系統(tǒng)固氣比不變的前提下，使每個旋風預熱器單體的固氣比提高，這樣就提高了每個單體的換熱效率，從而大幅提高系統(tǒng)的熱效率。

　　左圖表示單級旋風預熱器熱效率與系列數(shù)的關(guān)系。由圖可知:系列數(shù)增加,系統(tǒng)熱效率增加。由單系列到雙系列,熱效率增加48%;若系列數(shù)每再增加1列,熱效率增幅<2%,增加的幅度較低。右圖表示單級旋風預熱器物料溫度、氣體溫度與系列數(shù)的關(guān)系。由圖可知,增加預熱器系列數(shù),物料溫度升高,氣體溫度下降。由單系列到雙系列,出口氣體溫度下降約45℃, 再增加系列數(shù),物料和氣體溫度變化緩慢。由此可知,對于多系列旋風預熱器系統(tǒng)而言,雙系列預熱器系統(tǒng)比較經(jīng)濟。
　　旋風預熱器系統(tǒng)往往需要若干個換熱單元相串聯(lián)，串聯(lián)級數(shù)越多，換熱效果越好，但整個系統(tǒng)的流體阻力也會相應增大，電耗也會隨之增加。有研究數(shù)據(jù)表明，對于單系列旋風預熱器，系統(tǒng)由3級變?yōu)?級時，熱效率增加5%，4級變?yōu)?級時，熱效率增加3%，5級變?yōu)?級時，熱效率增加約2%，之后再增加級數(shù)，熱效率增加小于1%。增加級數(shù)會提高系統(tǒng)阻力，增加電耗，增加窯尾高度，增大一次性投資，所以單系列級數(shù)最好在5~6級。

　　最早的旋風預熱器是四級旋風筒，隨著科技的發(fā)展，目前現(xiàn)代化新型干法窯的預熱器系統(tǒng)大多采用五級、六級。
　?。?）氣、固相的分離效率
　　氣、固相的分離效率如果不高，不僅會增加最上一級出口廢氣中的含塵濃度，因而增加后面收塵器的負擔，更重要的是降低各級換熱單元的傳熱效率，從而大幅度的降低整個系統(tǒng)的換熱效率。

　　上圖是一個五級旋風預熱器的熱效率隨各級旋風筒的分離效率變化關(guān)系。從圖可以看出,隨著分離效率的增加,系統(tǒng)熱效率相應提高,在分離效率較低時,增幅更加顯著。對比各條曲線,可以看出對于第一級旋風筒,在分離效率變化的整個區(qū)間內(nèi),系統(tǒng)熱效率變化明顯,尤其是當分離效率<6.0時，分離效率極大地影響著系統(tǒng)的熱效率。對于其他各級旋風筒,在分離效率>6.0時,對系統(tǒng)熱效率的影響基本相當;在分離效率<6.0時,從第二級旋風筒到第五級旋風筒的分離效率對系統(tǒng)熱效率的影響程度逐漸減弱。
　　提高分解效率的具體措施有：
　　a.旋風筒的直徑  在其他條件相同時，筒徑較小時，分解效率較高；
　　b.旋風筒進風口的型式和尺寸進風應以切向入筒，減少渦流干擾，進風口宜采用矩形，進口尺寸應使進口風速在16~22m/s之間；
　　c.排氣管的尺寸及插入深度一般排氣管直徑較小，插入較深，氣分離效率較高；
　　d.旋風筒的高度  一般增加旋風筒的高度有利于提高分解效率；
　　e.旋風筒入口風速它將影響氣料分離力的大小，風速過大過小都不好，最好在18~20m/s之間
　　（5）漏風的影響
　　旋風預熱器的漏風分內(nèi)漏風和外漏風。內(nèi)漏風是下一級的廢氣通過鎖風不嚴的翻板閥,自旋風筒出料口倒流入上一級旋風筒,它雖不增加系統(tǒng)總風量,但超過一定限度時,將對該筒的分離效率有明顯影響,內(nèi)漏風量過2%時,旋風筒的分離效率開始明顯降低,將引起系 統(tǒng)熱效率的降低。外漏風是從預熱器系統(tǒng)之外進入預熱器系統(tǒng)之內(nèi)的冷空氣，冷空氣漏入不但會降低熱氣流溫度,還會降低固氣比。冷空氣的漏入雖能使預熱器出口氣流溫度下降，但由于氣流量增加,其帶走的熱量(熱損失)卻是增加的。
　　下圖是三級單、雙系列外漏風對系統(tǒng)熱效率的影響。隨著外漏風系數(shù)增大,單、雙系列熱效率下降,熱效率下降與漏風系數(shù)基本呈線性關(guān)系,漏風系數(shù)每增加2%,熱效率下降約1%。當漏風系數(shù)為10%時,與不漏風相比,熱效率下降為5%。因此應加強設備管理,嚴防冷空氣的漏入,以免降低系統(tǒng)熱效率和增加系統(tǒng)處理風量。

　　4.結(jié)論
　　根據(jù)以上對旋風預熱器熱效率的綜合研究分析,得出以下結(jié)論:使物料迅速充分均勻懸浮;提高固氣比值接近2；對于水泥行業(yè)所使用的單系列旋風預熱器系統(tǒng),級數(shù)5~6級為宜，不超過六級；強化物料分散；嚴防系統(tǒng)漏風。