建筑材料热工设备-1-水泥窑-第2节 新型干法窑系统中...

ZAB型与Krupp型基本结构相同 ，其特殊之处在于缩口设计成彼 此偏心，目的是加大扰动，形成 较强的涡环，促进气固换热与分 离。ZAB型通常是由三个钵室和 两级旋风筒所组成。
特点是：立筒结构简单、无任何 运动部件，而且还可以不需另建 框架，因此投资省；立筒底部生 料入窑通道尺寸相对较大，不易 产生堵塞现象，因此对生料的适 应性较强，即对其中的有害成分 如氯、硫、碱的含量限制可适当 放宽，同时对原料的塑性也无特 殊要求。故适用于中小窑上使用 。
分 析
分离 气流
图
料
管道内高速气流使 物料分散；分散后 气固同流进行热交 换；进入旋风筒后 继续部分气固换热 ，但旋风筒本身主 要是分离物料，也 就是物料在旋风筒 中进行分离。这样 旋风预热器完成了
换热区
分离区
物料分散、气固换
热和气固分离。
✓工作原理
低温粉体物料均匀分散在高 温气流之中，在悬浮状态下进行 热交换，使物料得到迅速加热升 温。起换热和气固两相分离的双 重作用。
主要有： 1、洪堡型旋风预热器
特点是：结构简单，旋风筒体积和高度相对比较小； 有利用减少投资和便于布置等。曾一度被认为是标准 型旋风筒。
旋风预热器分类以及几种典型的旋风预热器
分类：
传统的——洪堡型旋风预热器（阻力大） 新型的——低压损旋风筒（阻力小）
旋风筒改进的几个方面： 1）旋风筒入口或出口处增设导向叶片； 2）旋风筒筒体结构的改进； 3）旋风筒进风口与排气管（内筒）结构的改进； 4）旋风筒下料口结构的改进 5）旋风筒旋流方式的改进
强化换热：提高相对速度 uR ug um 以增大换 热系数；延长气固在设备中的停留时间；增大气 流与粉料的换热表面A等。
强化分离：利用离心力、重力惯性力、电力、磁 力等或相互组合以强化分离作用。
认识这些规律，是深入理解、掌握和开发各类预热器 的基本思路。
（二）、悬浮式预热器类型
悬浮预热器发展很快，种类很多，分类方法不统一。 习惯上常用制造厂命名。也有按预热器流动换热特征 和组合型式分类。参见P43表2-11。
Q=a A ΔT
式中：
a—气固间换热系数，W/m2℃； A—气固接触面积，/m2； ΔT—气固之间平均温差，℃。
结合实际分析：由于受工艺条件的限制，a值与 ΔT值允许波动幅度都不大，因此强化气固之间换热 速率的最敏感因素是接触面积A。生料粉的比表面积 很大（250～350 m2/g），其在气流中分散程度不同 ，使暴露的表面积有极大差异。由此可见气固悬浮
计算得
Tm Tg 6900 C Tcp
即最大限度换热后，气体温度只能降到690℃（ 热力学极限温度 Tcp ）。此时相应回收热量仅仅337kg/kg
气体左右。仅占废气总热焓的30%不到。可见一次换热
是达不到大量回收废气热的要求的，为此需要利用预热
器进行多级串联。参见P41图2-22，4级旋风筒串联使用
例：经理论计算，对于团粒粒径为100μm 的颗粒 ，在风速为20m/s时，有效换热时间＜ 0.01s，说明气 固换热速度是非常迅速。
众多资料已表明，气固之间80%甚至90%的热量 是在入口管道内进行传递的。当团粒粒径为100μm， 换热时间也只需0.02～0.04s内完成，与前述理论计算 基本一致，相应换热距离也仅为0.2～0.4m。由此可以 肯定，气固换热主要在进口管道内瞬间完成，即粉料 在转向被加速的起始区域内完成的。
建筑材料热工设备
过程装备与控制工程系 严晗
第一章 水泥回转窑
新型干法窑系统中预烧 过程和设备
3
悬浮预热器＋分解炉＋窑
生料 Ⅰ
预热器
Ⅱ
Ⅰ
Ⅲ
Ⅳ
回转窑 窑气
预 热 器
悬浮预热器
悬 旋风预热器
浮
预
热 器
立筒预热器
✓分类
盖波尔型 ZAB型 普列洛夫型
在新型干法窑系统中预烧过程包括生料的预热和预分 解，分别在悬浮预热器和分解炉中完成。
设置撒料装置是有利的。
Ⅰ
预热器
Ⅲ
回转窑 窑气
生料
Ⅱ Ⅳ
上长管道中的分散装置
下 料溜子
下料管
管道分散装置
闪动阀
NC单板阀结构
B.管道内的气固换热
就实际工况条件分析，可以认为气固运动由逆向变 为同向，属于非稳态对流换热。
以此为基本出发点建立的数学模型，适用于单个 团粒，可以计算出充分换热所需的时间和距离。（略）
据经验计算：
传热系数：1400W/(m2·℃)； 传热面积：29.4 m2/kg
据研究：
100
将平均粒径40μm左 80
右水泥生料喂入740760℃、流速为9-12m/s
60
的气流中，在料气比为
40
0.5-0.8kg/Nm3，在完全
20
分散的条件下，只要
0.07-0.09秒，即可将气
流和生料的温度温差减
其特点是：第四级用一个倒锥形立筒代替旋风筒，由 于喷射作用和气流变速延长了生料在这一级的停留时 间，同时由于立筒与窑尾联接的过渡管断面积大，有 利用防止结皮堵塞。
6、维达克预热器
德国Wedag公司的产品。 其主要特点： 一是窑尾到第四级之间的上升管道做成变径（灯笼 形）立管，可防止结皮和强化换热。
首先，所处理的气体温度和含尘量均很高； 其次，是旋风预热器多半是多级组合使用； 第三，是其功能要求集分散、换热、分离与一身。 正因为如此，在沿用旋风分离器理论时要作某些修正。
（2）旋风预热器的工作原理与基本功能
旋风预热器的功能分布如图2-36所示。
旋风筒的入口
旋
换热管
气
风
换热
旋风筒
预
料流
热
器
功
能
分散
理论与实验还进一步证明，旋风筒本体也具有一 定的换热能力，只是因为入口处气固温差已很小，旋 风筒没有发挥换热能力的机会，因此在设计时只要考 虑其分离效果即可。
3、KS—5型预热器
这是一种由日本川奇公司设计制造的一种预热器。它 由五级旋风筒串联而成。其中二、三两级为降低高度 和气体阻力而采用卧式旋风筒。
与传统旋风筒相比，其气流沿水平方向旋转以分离物 料。卧式旋风筒断面风速较高（＞10m/s），因而直 径可减小。处理气量较同直径立式旋风筒高一倍。
主要特点是：压力损失低，但相应分离效率也比较低 ，仅80%左右。带两级卧式筒所组成的五级预热器总 压降与一般四级预热器相当。据称KS-5可节约热耗4% 左右，电耗降低158kJ/t熟料。
换热效果在很大程度上与生料在气流中分散状况有 关。
（2）预热过程要求多次串联进行
对于每一级预热器其预热过程，即使换热效率极 佳，最终也只能达到气固温度相等的平衡状态。也就 是说对给定系统来说，从热力学观点来看，热交换有 个极限温度。
根据实验数据估算： Tm 40 0.5 0.95 1000 Tg 1.0
L
本属于高度湍流状态。
由加料管自然滑落的物
料，在高速气流的冲击下，
气流
折转方向，随气流向上运动
，与此同时被分散。
图2-37 料粉落入管道后运动轨迹示意图
粉尘下落点到转向处的距离L（见图），取决于料团的 大小和气速的高低。落料团小，气速高，物料容易被分散 而折流。
为了防止大块难以分散，在加料管口下部，适当位置上
但其换热效果一般不如 旋风筒好。
8、普列洛夫型立筒预热器
这是捷克开发的，又称捷克立筒， 其特点是筒内不设缩口，窑气自筒 下部切向进入，螺旋上升，生料从 上部加入，回旋气流作用下沿筒壁 向下运动，直至入窑。气固之间形 成了逆向运动并完成换热。
这种预热器当H/D等于5时，其预 热效果可与旋风筒相当。
其优点是：结构简单、操作方便、 漏风少，系统压降不超过3.5kPa , 在窑气量产生较大波动时，也不致 给操作带来困难。国内使用效果也 较好。
时气体与生料温度变化的实例。
这种组合方式形成了单体内气固同流而宏观（级间 ）气固逆流的系统。多级串联组合就决定了每个预热单 元（级）必须同时具有气固混合（物料分散）、换热与 分离三个功能。
要强化这三个功能所可能采取的措施有：
强化分散：提高气固相相对运动速度 uR ug um
；形成气流脉冲；增设某种异形结构或加装撒 料器等。
二是第三级气流出口处设有一个涡室，第一级来的生 料先喂入涡室，以加强混合均化。
这种预热器阻力比较大，但运行比较可靠。早其的 5000吨/日熟料的大型窑就是用这种型式。
7、Krupp型与ZAB型立筒预热器
Krupp型立筒预热器又称Gepol型，是 由带三个正锥缩口的立筒和一级旋风 筒所组成的预热器系统。生料从立筒 顶部上升管道喂入，经第一级旋风筒 预热分离后送到立筒肩部。立筒用缩 口将内部分成若干钵室，作为换热单 元。由于缩口的喷射作用，使窑尾上 升的废气变速运动，生料在其中上下 回流形成悬浮状态，并进行热交换。 生料在每一室内的换热以同流为主， 但室间形成宏观的物料逆气流而下的 运动。被预热以后的生料自立筒底部 被送入窑内。
4、多尔波型预热器
是德国Polysius公司开发的。
其特点是：生料在双系列预热器内进行预热。一般布 置是：四个一级，两个二级，一个三级，两个四级。 第三级是个涡流立筒，生料由两个二级下料管送入涡 流立筒的肩部，与四级排出的气体进行逆流热交换。 热生料从涡流立筒的底部排料口送到窑尾上升烟道中 ，再被分别带入两个四级入口。
一、悬浮预热器（SP）和悬浮预热器窑（简称SP窑 ）
充分利用窑尾排出的废气中大量热能将生料粉 预热后入窑，以降低系统热耗，提高熟料产量，是预 热的主要任务。最大限度换热、最低的流体阻力、最 省时的基建投资和运转可靠是对预热器的基本要求。 为此将细小生料粉悬浮在热气流中，进行气固直接换 热，将是可供选择的最佳技术思路。
特点：结构卧式，压损较低，高度较低，降低预热器系统 的阻力和框架高度。
缺点：气固分离效率较低，适用于作为旋风预热器系统的 中间级
特点：最上一级为高型圆柱型旋风筒；最下一级的旋风筒则采 用较陡的锥角；目的是为提高分离效率。中部各级采 用的是低压损旋风筒，其排气管(内筒)部位采用了导向 板，以便使旋风筒内的大部分循环气流由导向板直接 引入排气管，从而保证在不降低气固分离效率的前提 下，降低旋风筒中的阻力损失。
0
0.05 0.1 0.15
加热时间（s）
少到30-90 ℃。
不同石灰石颗粒悬浮在气流中的加热时间
热流比可达0.908-0.968(热流比是指管道内有效传 热量与最佳传热量的比值，当热流比为1时，气固相温 度达完全平衡)
A. 管道内的物料分散
生产中的旋风筒，进口
风速一般在16～22m/s之间
，气体流动时Re＞104，基
发展这种型式的目的是减小单体尺寸，提高分离效率， 也是为了适应大型窑的需要。
涡流立筒的设置一方面可以使从两个二级来的热生料 的均匀性得到提高，另一方面也有利于防止结皮。因 此这种型式的预热器系统应用较广。
随着生产的发展，涡流立于筒又被双进风的旋风筒所 代替。
5、米亚格型预热器
德国Buhler-Mlag公司开发的。
（一）、悬浮式预热器的共性
目前用于生产的预热器型式很多，但基本上可归纳为 两大类：立筒式和旋风式，它们都具有如下共性：
（1）稀相气固系统直接悬浮换热
因为干法窑尾废气温度一般在1000℃上下，气固 （粉体）之间换热方式应以对流为主（经测算对流换 热点总换热的70～90%），因此换热率Q（W）可用 一般牛顿方程式，即：
但实践证明内筒插入深度对分离效率和阻力损失影响 都明显。后经改进，开发了一种高效低阻新型旋风筒 。
特点：进风口截面有矩形改为多边形，通体改为双柱双锥的组 合，柱体直径相对减小，内筒直径加大，插入深度减小 等。
试验研究证明：其流速分布比较较合理，气固分离效率较高 (90％～96％)，处理气体量较大，流体阻力较小。
（三）、悬浮预热器的工作原理
悬浮预热器的基本流动方式：一是旋转流，二是喷射流。 1、旋风筒式预热器的工作原理
作为预热单元的旋风筒是从旋风分离器延拓而来的 ，其渊源已有100多年的历史。
（1）旋风筒式预热器与旋风分离器的区别
其工作原理随两相流理论和测试方法的发展，已渐 趋深入，但作为预热器的旋风筒尚有其特殊性。
Tg1=350℃ C1
生料 Tm0=70℃
排风
Tm1
图2-23
洪堡型预热 器预热效果
C3 Tm3
Tg=1050℃ 窑Leabharlann C2 Tm2 Tm1=315℃
Tm2=495℃ Tm3=670℃ C4
Tm4=800℃
2、史密斯型旋风预热器
旋风筒早期结构与洪堡型相近。
其特点是：强调一级筒分离效率高，因此内筒（气体 出口管插入旋风部分）较长，直筒高度也较大。而四 级筒因为温度高，内筒容易烧坏，所以主张该级不设 内筒。