提高旋風(fēng)預(yù)熱器換熱效率的分析

　　懸浮預(yù)熱器是實(shí)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(fēng)預(yù)熱器和立筒預(yù)熱器兩種，現(xiàn)在水泥行業(yè)主要以旋風(fēng)預(yù)熱器為主。
　　1.旋風(fēng)預(yù)熱器的工作原理
　　旋風(fēng)預(yù)熱器由若干級(jí)換熱單元組成，每級(jí)換熱單元都是由旋風(fēng)筒及其聯(lián)接管道構(gòu)成。生料從第1級(jí)和第2級(jí)旋風(fēng)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(shí)進(jìn)行的是對(duì)流換熱，由于懸浮狀態(tài)下氣、固接觸面積很大，對(duì)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(jìn)入第1級(jí)旋風(fēng)筒C1，被迫在圓筒體與排氣管之間的圓柱內(nèi)呈旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。從圓筒體到錐體，氣流一邊旋轉(zhuǎn)，一邊向下運(yùn)動(dòng)，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(jìn)入到C2和C3的聯(lián)接管道，然后再次被攜帶到C2進(jìn)行氣、固分離。以此類推，生料粉依次通過各級(jí)旋風(fēng)筒及其聯(lián)接管道。在進(jìn)入最后一級(jí)旋風(fēng)筒前，生料進(jìn)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(jìn)入最后一級(jí)旋風(fēng)筒，完成氣、固分離，生料最后進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯煅燒。
　　2.旋風(fēng)預(yù)熱器的效率指標(biāo)
　　衡量預(yù)熱器系統(tǒng)氣、固之間換熱效果有兩個(gè)效率指標(biāo)，熱優(yōu)良度和換熱效率。在旋風(fēng)預(yù)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(yù)熱器系統(tǒng)內(nèi)溫度的實(shí)際升高值與廢氣及生料進(jìn)入預(yù)熱系統(tǒng)時(shí)原始的溫度差之比。
　　換熱效率：生料出預(yù)熱器系統(tǒng)所獲得的熱量與輸入到預(yù)熱器系統(tǒng)總熱量的百分比。

　　本次主要對(duì)換熱效率的影響因素進(jìn)行分析并歸納出提高熱效率的有效措施。
　　3.影響旋風(fēng)預(yù)熱器換熱效率的因素
　　由于影響旋風(fēng)預(yù)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(diǎn)，并查閱相關(guān)較新的研究數(shù)據(jù)（2010年后）用以直觀分析：
　?。?）粉料的懸浮效率
　　由單元換熱的工作原理可知,在旋風(fēng)預(yù)熱器中,氣固之間熱交換量的80%甚至90%是在旋風(fēng)筒入口管道內(nèi)瞬間進(jìn)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(gè)向下的沖力,當(dāng)遇到由下向上的氣流時(shí),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(tuán),在下沖一定距離后仍不能被沖散浮起,一旦離開下級(jí)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(jí)筒中的預(yù)熱機(jī)會(huì),這樣將降低物料的預(yù)熱效果。
　　懸浮效率的定義: 加入物料被氣流沖散浮起進(jìn)入該級(jí)旋風(fēng)筒的質(zhì)量百分?jǐn)?shù),以字母E表示：E=(m₂+f₂- f₁)/m₁。

　　上圖表示五級(jí)旋風(fēng)預(yù)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?？梢娦L(fēng)筒加料時(shí)的懸浮效率直接影響到物料的整體預(yù)熱效果。
　　為了使物料充分預(yù)熱,提高旋風(fēng)預(yù)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(jìn)風(fēng)管的起端);合理選擇管內(nèi)風(fēng)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(dāng)Z<2時(shí)，氣、固換熱效率隨Z值增加而升高，且非常敏感：當(dāng)23.6時(shí)，Z值增加換熱效率反而降低。普通的預(yù)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(dá)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(biāo)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(fēng)預(yù)熱器的系列數(shù)和級(jí)數(shù)
　　在現(xiàn)有的串聯(lián)多級(jí)旋風(fēng)預(yù)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(jìn)入預(yù)熱器的氣體分成均等的氣流通過并行的多系列預(yù)熱器，全部粉料從一個(gè)系列到另一個(gè)以串流形式通過所有旋風(fēng)預(yù)熱器。在系統(tǒng)固氣比不變的前提下，使每個(gè)旋風(fēng)預(yù)熱器單體的固氣比提高，這樣就提高了每個(gè)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(jí)旋風(fēng)預(yù)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(jí)旋風(fēng)預(yù)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(yù)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(duì)于多系列旋風(fēng)預(yù)熱器系統(tǒng)而言,雙系列預(yù)熱器系統(tǒng)比較經(jīng)濟(jì)。
　　旋風(fēng)預(yù)熱器系統(tǒng)往往需要若干個(gè)換熱單元相串聯(lián)，串聯(lián)級(jí)數(shù)越多，換熱效果越好，但整個(gè)系統(tǒng)的流體阻力也會(huì)相應(yīng)增大，電耗也會(huì)隨之增加。有研究數(shù)據(jù)表明，對(duì)于單系列旋風(fēng)預(yù)熱器，系統(tǒng)由3級(jí)變?yōu)?級(jí)時(shí)，熱效率增加5%，4級(jí)變?yōu)?級(jí)時(shí)，熱效率增加3%，5級(jí)變?yōu)?級(jí)時(shí)，熱效率增加約2%，之后再增加級(jí)數(shù)，熱效率增加小于1%。增加級(jí)數(shù)會(huì)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(jí)數(shù)最好在5~6級(jí)。

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

　　上圖是一個(gè)五級(jí)旋風(fēng)預(yù)熱器的熱效率隨各級(jí)旋風(fēng)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(yīng)提高,在分離效率較低時(shí),增幅更加顯著。對(duì)比各條曲線,可以看出對(duì)于第一級(jí)旋風(fēng)筒,在分離效率變化的整個(gè)區(qū)間內(nèi),系統(tǒng)熱效率變化明顯,尤其是當(dāng)分離效率<6.0時(shí)，分離效率極大地影響著系統(tǒng)的熱效率。對(duì)于其他各級(jí)旋風(fēng)筒,在分離效率>6.0時(shí),對(duì)系統(tǒng)熱效率的影響基本相當(dāng);在分離效率<6.0時(shí),從第二級(jí)旋風(fēng)筒到第五級(jí)旋風(fēng)筒的分離效率對(duì)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(fēng)筒的直徑  在其他條件相同時(shí)，筒徑較小時(shí)，分解效率較高；
　　b.旋風(fēng)筒進(jìn)風(fēng)口的型式和尺寸進(jìn)風(fēng)應(yīng)以切向入筒，減少渦流干擾，進(jìn)風(fēng)口宜采用矩形，進(jìn)口尺寸應(yīng)使進(jìn)口風(fēng)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(fēng)筒的高度  一般增加旋風(fēng)筒的高度有利于提高分解效率；
　　e.旋風(fēng)筒入口風(fēng)速它將影響氣料分離力的大小，風(fēng)速過大過小都不好，最好在18~20m/s之間
　?。?）漏風(fēng)的影響
　　旋風(fēng)預(yù)熱器的漏風(fēng)分內(nèi)漏風(fēng)和外漏風(fēng)。內(nèi)漏風(fēng)是下一級(jí)的廢氣通過鎖風(fēng)不嚴(yán)的翻板閥,自旋風(fēng)筒出料口倒流入上一級(jí)旋風(fēng)筒,它雖不增加系統(tǒng)總風(fēng)量,但超過一定限度時(shí),將對(duì)該筒的分離效率有明顯影響,內(nèi)漏風(fēng)量過2%時(shí),旋風(fēng)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(fēng)是從預(yù)熱器系統(tǒng)之外進(jìn)入預(yù)熱器系統(tǒng)之內(nèi)的冷空氣，冷空氣漏入不但會(huì)降低熱氣流溫度,還會(huì)降低固氣比。冷空氣的漏入雖能使預(yù)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(jí)單、雙系列外漏風(fēng)對(duì)系統(tǒng)熱效率的影響。隨著外漏風(fēng)系數(shù)增大,單、雙系列熱效率下降,熱效率下降與漏風(fēng)系數(shù)基本呈線性關(guān)系,漏風(fēng)系數(shù)每增加2%,熱效率下降約1%。當(dāng)漏風(fēng)系數(shù)為10%時(shí),與不漏風(fēng)相比,熱效率下降為5%。因此應(yīng)加強(qiáng)設(shè)備管理,嚴(yán)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(fēng)量。

　　4.結(jié)論
　　根據(jù)以上對(duì)旋風(fēng)預(yù)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(duì)于水泥行業(yè)所使用的單系列旋風(fēng)預(yù)熱器系統(tǒng),級(jí)數(shù)5~6級(jí)為宜，不超過六級(jí)；強(qiáng)化物料分散；嚴(yán)防系統(tǒng)漏風(fēng)。