五级预热器窑外分解的设计与生产

五级预热器窑外分解的设计与生产
刘长生，黄南樾因当时没有光盘,好多图片和曲线不能下载成功,请原谅^-^
建材研究院刘长生黄南樾
国内外各种烧煤带有四级旋风筒的窑外分解窑废气温度平均为370℃，为进一步降低废气温度与热耗，采用带有五级旋风筒的窑外分解窑是有效途径之一。

国外大约已有几十台带有五级旋风筒的窑在运转，统计其效果大致可以看出:采用五级旋风筒约比四级旋风筒降低废气温度40℃左右，节省热耗约125千焦/千克熟料。

而其关键是力求降低预热器的流体阻力与高度，以保证系统阻力不增加。

否则由于温度降低而节省的热耗又多消耗在阻力增加上，影响综合效果。

按计算废气温度每降10℃，大约可节省热耗25～30千焦/千克熟料，系统阻力每增减980帕(100毫米水柱)，折合热耗约为20千焦/千克熟料。

建材院从1979年开始进行五级预热器的研究，主要侧重于新型预热器结构的研究，并将研究成果用于生产设计上，先后设计了绥化、沧州等五级旋风筒窑生产线，而后又设计了日产700吨铜山型五级旋风筒窑生产线。

通过实践证明，绥化五级旋风筒窑生产线是切实可行的。

各项指标已达设计要求，经济效益也较好，并于1985年底通过了部级鉴定，它为窑外分解窑的推广应用提供了一个良好的范例。

一、预热器的结构设计
根据旋风筒流体力学原理及结构试验的数据分析，推导出两个基本公式:
尘粒从内层运动到筒壁所需的时间t
旋风筒结构型式等因素对流体阻力的影响关系:
式中:R1、R2:气流内、外层曲率半径；
μ:气体动力粘度；ρ尘:尘粒密度；
d尘:尘粒直径；K:常数；
W t:气流旋转时切向速度；
h1:柱体高；h2:锥体高；
D:预热器直径；ρ:流体密度，
d:芯管直径；a:进口高；
b:进口宽；
Q:预热器单位时间气体流量。

1.断面风速
断面风速是设计预热器直径最重要的参数，从公式(2)中可知，在相同直径与断面风速下，可以改变其他结构尺寸来降低流体阻力，相反亦可改变结构来提高断面风速而阻力增加不大，从而缩小预热器的直径。

试验结果证明:在采用普通型预热器时，断面风速为3.5米/秒所达到的流体阻力，等于采用新型预热器断面风速达到4.5米/秒时的阻力。

因此，设计的五级旋风筒系统中，1级预热器断面风速为3.5米/秒；2～3级预热器为4.5米/秒；4～5级预热器为5米/秒。

2.进口尺寸与进口风速
从公式(1)可知，t与气流外层和内层曲率半径平方差成正比，而气流内层到外层间的气流厚度(R2-R1)又决定于预热器进口宽b，b越宽，(R2-R1)越厚，尘粒只有穿过这层气流到达筒壁才能被分离出来，因此，缩小b不仅可提高分离效率，而且还可降低阻力。

b/a值变小，分离效率增高，当b/a小于0.6时，要保持进口气流速度不变，势必增加高度，就会增加柱体高，结果反而不经济，因此，b/a≈0.6较为适宜。

增大进口速度，使切线速度亦随之增大，效率也提高，但速度过大，流体阻力大大增加，预热器内湍流增加，造成尘粒二次飞扬，反而使分离效率降低。

综合考虑进口气流速度取20米/秒左右为宜。

3.芯管直径与型式
流体阻力与速度平方成正比，与芯管直径的平方成反比。

芯管直径越大，出口气流速度越低，阻力也越低，分离效率也要降低。

而且预热器阻力和分离效率均随芯管插入深度的增加而提高。

芯管插入深度越浅，变向的过程开始得越早，阻力消耗也低，同时因有部分粒子还未来得及收下，就随气流带走，故分离效率也要降低。

芯管直径d≥0.6D时，分离效率显著下降，故一般取d=(0.45～0.6)D为宜。

1级芯管长度以不大于进口高度为宜，2～3级芯管插入深度约为0.3 D，4～5级可以不伸到预热器内。

在1级预热器进口方位上，将芯管开一道缝(如图1)，这样“稀相区”里气流未转到芯管底端时就提前开始变向过程，而“浓相区”气流仍继续沿芯管外壁向下回转，这样既降低了阻力，又可避免“浓相区”气流中的粉尘再次返回“稀相区”，故分离效率比较好。

开缝宽度为0.14d。

图1 芯管开缝图
4.柱体与锥体
柱体与锥体型式均对阻力及分离效率有一定影响。

长柱长锥型变向过程缓慢，阻力低，气流所走路程长，效率高。

短锥体气流变向急促阻力高。

虽然增加柱体与锥体高度对降低阻力提高效率有好处，但要增加总高度也不经济，综合考虑柱体高一般1级
为(1～1.2)D，其余各级取0.7D，锥体高则1级取(1.5～1.8)D，其余各级取(1～1.1)D。

5.导向板
试验中发现预热器内尘粒流动轨迹中，在进口部位有明显的入射气流与回旋气流相撞的痕迹，它造成了部分压力损失。

为此，在进口处，两股气流交界面上安装导向板(如图2)，可使阻力降低30%左右，导向板长度为0.15 D，有15°以内的角度。

图2 导向板位置
6.顶盖
预热器顶盖采用整体灌注耐热混凝土结构，由工字钢组成骨架，再焊上角钢与扒钉，扒钉密度8～10个/米2，并留有2～3米/米2膨胀缝，灌注前涂以3毫米的沥青，先浇注耐热混凝土，再灌隔热层，最后用薄板封顶。

顶盖有10°锥角，出风管未设膨胀节。

新型预热器与普通型预热器各处比例尺寸的比较列于表1。

在正常生产的情况下进行标定，系统阻力为480～520毫米水
柱。

调试初，系统阻力曾达到600毫米水柱，经改大一级进口管并加强堵漏，降低排风机开度，使阻力降到480～520毫米水柱，仍然偏高，其原因是原设计时为降低框架高度，缩短了预热器出风管，在三～五级预热器出口风管内用火砖砌了缩口，风速由18米/秒增到25米/秒，经测定五级缩口阻力为25毫米水柱，四级为18，三级为15，共增加58毫米水柱，如果在今后的设计中不采用缩口来过份压低框架高度，那么其降低阻力的效果就更显著。

另外在设计中考虑导向板结构问题，其长度设计的较短，也影响了效果。

现将五级旋风筒系统阻力与四级旋风筒的比较列于表2。

从表2看出，绥化五级旋风筒系统阻力与四级旋风筒相比阻力可保持相同或稍低些，是一种具有结构合理，阻力低的新型预热器。

二、送煤系统与燃烧装置
向分解炉供煤采用卧式送煤泵系统，窑头煤粉经煤粉仓、管式绞刀计量后由卧式送煤泵直接送入分解炉。

流程如图3所示。

图3 送煤流程示意图
1.煤粉仓；
2.管式绞刀；
3.卧式送煤泵；
4.U型管；
5.罗茨鼓风机；
6.消声器；
7.送煤管；
8.二次风管；
9.燃烧装置；10.分解炉；11.二次风管支管
卧式送煤泵的喂煤量为1.8～2.5吨/时，喷嘴直径为40毫米，用L22×21—1.0/0.5罗茨风机两台(一台备用)，功率17千瓦，从使用情况看它比以往的送煤办法具有流程简单，运行可靠、投资节省等优点。

炉用燃烧装置采用双风道带风翅的燃烧装置，从煤粒燃烧时间的理论计算公式可知，要想提高燃烧速度，必须提高煤粉与空气的混合程度，为此采用了如图4所示的燃烧装置。

图4 炉用燃烧装置
煤粉是与输送气体一块进入，同时也吸入部分二次空气，使煤粉与空气能够充分混合，有利于燃烧。

喷煤管直径197毫米，风翅高度为30毫米，长为175毫米，螺旋角约25°，6个风翅，可以更换。

在B厂的喷腾型分解炉上，开始时，煤粉由双管绞刀直接喂入分解炉，由于煤粉与空气混合不好，出分解炉的气流中仍可看到明显的多数亮点存在，煤粒并未燃尽，在预热器还要继续燃烧。

后在喂煤管道上加了吹散的风机，用8—18型5号风机，风量1210米3/时，风压544毫米水柱，煤粉经风吹散后入分解炉，改善了燃烧情况。

用双风道带风翅型燃烧装置，燃烧情况最好，
煤粉在分解炉内充分燃烧，在整个系统中温度呈递减型，即炉内温度高、预热器温度低。

采用风机吹散煤粉时，温度保持一段缓升趋势。

煤粉直接入炉时，温度产生“倒高”型，三种方式的温度趋势如图5所示。

图5
A.分解炉出口温度；
B.五级或四级出口温度；
C.四级或三级出口温度；NSP-4.
四级旋风筒系统；NSP-5.五级旋风筒系数；
通过生产实践证明，这种双风道带风翅燃烧装置具有点火容易、燃烧稳定、温度均匀及调节灵活等优点。

四、单筒冷却机
国内窑外分解窑存在的普遍问题是窑运转率不高，统计分析停窑事故中，工艺原因约占10%，窑本身设备事故(主要是窑口及耐火砖)占19%，冷却机与风机设备事故占36%，可见冷却机是影响窑外分解窑运转率的主要因素之一。

国产的篦冷机系列不能满足窑外分解窑配套设备要求。

由于其结构复杂，配套设备多，技术要求高，只要某一环节发生故障都会直接影响窑的运转率。

国内几家NSP窑使用篦冷机的统计如表3。

从表看出用于冷却与收尘所需电耗均较大，投资也大，在用旋风收尘时对环境的污染也较大，因此，国外已开始在NSP窑采用单筒冷却机，如西德的Ф4/4.14×40米窑外分解窑使用Ф4.8/5.3/3.8×45米单筒冷却机，洪堡公司在五级预热器窑上使用了Ф4.8/5.3×48米单筒冷却机，直径5米以上的大型单筒冷却机也已设计完成。

目前日产1，500吨以上窑外分解窑至少有十台采用了单筒冷却机，有人还专门对单筒与篦式冷却机进行了对比，其结果列于表4，可以看出单筒的好处较多。

绥化采用Ф2.8×28米单筒冷却机，为解决窑外分解窑出窑熟料温度高(大于1300℃)，而使熟料在进冷却机斜坡处粘结问题，采用了斜坡吹风并使窑内有一段冷却带，在熟料温度1300℃左右时，基本解决了粘结，调试过程中对扬料板及衬料的结构型式进行了改进，二次风温度(供煤磨及分解炉)达到500～550℃，出冷却机熟料温度为150℃，冷却机热效率为64%，单位熟料综合冷却电耗3.8度/吨熟料。

实践证明单筒冷却机可以与窑外分解窑配套使用，它具有运行可靠，维护简单，电耗低等优点。

五、套筒式增湿塔的设计
在窑外分解窑上采用增湿塔，不仅可以提高电收尘效率，还
可以收回大量生料，节省能源消耗。

生产实践证明套筒式增湿塔具有不用保温、不易结露湿底、容易操作、节水节电等优点。

但其缺点是阻力比普通增湿塔约大10毫米水柱，用钢材量也较大，其造价大致与普通型相当。

由于套筒式增湿塔施工容易，维护费用低，所以采用套筒式增湿塔是比较合适的。

根据试验标定，窑外分解窑最理想的操作参数应是在废气湿度大于10%的情况下，废气入电收尘器的温度控制在120℃左右，考虑到出增湿塔后在管路中继续降温因素，增湿塔出口温度应控制在140～150℃较为适宜。

这样既能满足增湿降温要求又能获得较好的经济效果。

其断面风速采用1.6米/秒，停留时间为15秒，套筒内断面风速为4米/秒左右，扩大带的断面风速不应大于2米/秒。

增湿塔的预收尘率约为30%左右，阻力消耗约20毫米水柱。

绥化厂的套筒式增湿塔规格为Ф5/4.2×24米，B s型喷嘴，d=2毫米，进气温度305℃，出口温度150℃，电收尘为40米2三电场，使用效果较好。

六、五级旋风筒系统的经济效果
绥化Ф2.5×40米五级旋风筒系统经过调试，正常生产后进行了全面标定，并于1985年通过部级鉴定，出1级预热器废气温度321℃，窑产量14.76吨/时，热耗994.2千卡/千克熟料，系统阻力480～520毫米水柱，熟料标号550号。

五级与四级相比多了一级，采用新型低阻力预热器后，可保持系统阻力基本不变，框架高度Ф2.5×40米五级筒系统比四级
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筒系统高3米，Ф3×48米五级筒系统比四级筒系统高约6米，基建费用有所增加，但每年节省的煤耗却大于基建投资，仅由于采用五级一项，Ф2.5×40米窑可以节省标煤500吨，Ф3×48米可节省765吨，根据计算，Ф2.5×40米利用余热没有什么价值，只适合采用五级，而大于日产700吨的窑外分解窑利用余热又采用五级可获得满意的经济效果，例如Ф3×48米窑外分解窑采用两项措施后每年可以节省标煤4，850吨。

绥化厂五级旋风筒窑外分解窑投产以来已节省了能源约80.7万元。

完美整理。