（材料加工工程专业论文）旋风预热器导风降阻装置的优化研究.pdf

旋风预热器在新型干法水泥生产过程中具备使气固相充分均匀分散、迅速换 热、高效分离等三大功能。而气固换热过程大部分已在换热管道内进行，对旋风 筒本身而言，分离效率和压力损失是最重要的性能指标。 目前，针对如何降低旋风筒的阻力损失，许多学者做了大量的研究工作。其 中，导流板、整流器技术已经在部分预热器设计中得到应用，但是许多水泥生产 厂家和设计单位在结构设计和安装方式方面大多还是凭借经验或模仿，缺乏科学 性和理论指导。为了详细研究旋风筒加设导风装置后阻力损失和分离效率的变化 规律，本文以四种导风装置为研究对象，期望通过试验研究和c f d 数值模拟相 结合的方法，得出其中最合理的结构参数，并着重研究其性能变化的规律，为今 后旋风筒导风装置的设计及应用提供参考依据。 本文分别采用o 1 d 导流板和0 1 3 d 导流板( d 为旋风筒简体直径) 进行研 究。通过冷模试验探讨了旋风筒阻力损失、分离效率随着导流板安装角度的变化 而变化的规律。随着安装角度a 的增大，旋风筒阻力系数芎是逐渐减小的，当a 增大到3 0 0 以后，阻力损失几乎不再变化。分离效率随着安装角度a 的增大而减 小。 安装导流板后，旋风筒内气体三维流场发生了一定程度的变化。轴向风速明 显比空简要大，切向速度则有所减小，径向速度变化不大。轴向风速变大而切向 风速减小，使得气体在旋风筒内的旋转输送路程变短，这是旋风筒阻力损失得以 明显降低的基本原因。 为旋风筒内筒设计了两种导风装置，分别是弧板型整流器和斜板型整流器。 流场测定表明整流器主要影响旋风筒出风管道的气体流场，对旋风筒内气体流动 基本无影响。从阻力损失来看，整流器减少了旋风筒出风管道的阻力损失，而对 旋风筒内筒以外区域影响很小。因此本文对于整流器的研究，同时考虑预热器顶 级旋风筒和废气管道组成的系统压损。通过冷模试验的测定，系统阻力系数毛随 着整流器直板高度h 的增大首先是逐渐减小的，在h = 0 8 d ( d 为内筒直径) 左右 时号达到一个最低值，随后芎开始增大，其变化曲线是一个下凹的二次抛物线。 废气管道内部的流体一般都处于湍流状态，由于要经过1 8 0 。弯管，气流运 摘要 动十分复杂，存在复杂的二次流，而产生尺度很大的旋涡，造成局部障碍，增加 流动系统的阻力。详细了解这些信息有助于系统的优化设计。采用c f d 数值模 拟技术对窑尾废气管进行分析研究，得出内部速度的矢量分布，湍动能以及湍动 能耗散率等多项参数。安装整流器前，湍动能耗散主要发生在废气管进口和出口 中心轴柱段空间的环形区域，湍动能耗散率g 较大，速度矢量图上这部分区域存 在一个尺度较大的二次涡。安装整流器后，湍动能耗散在废气管道进口段变的很 小，而主要发生在出口段，其值也降的很低。另外在废气管外壁附近存在一个狭 长区域，这个区域内的湍动能耗散较大，与速度矢量图吻合的较好。因此不难得 出：安装整流器后，废气管内流场得到了很大程度的改善，气流输送过程能量损 失得到降低，这是阻力损失降低的主要原因。 通过冷模试验和c f d 数值模拟相结合的手段对预热器部分设备进行研究， 积累了一套对其预热器系统工作状态进行研究的方法和经验，从而可为工业生产 起到借鉴作用。 关键词：新型干法旋风筒导风装置废气管c f d 数值模拟 n 硕士学位论文 a b s t r a c t h lt t l e p r o c e s so fn e wd 巧c e m e n tp r o d u c t i o n ，c y c l o n ep r e h e a t e rh a st l l r e e 血n c t i o n s ，s u c h 鹊w e hg a s - s o l i dd i s p e r s e d ，r a p i dh e a t 仃觚s f e r ，e 筒c i e n ts e p a r a t i o n t h eg 。s o l i dh e a t 讹n s f e r p r o c e s sp r o c e e dm 旬o rw i t l l i i l t h e t u b e ，s e p a r a t i o n e 佑c i e n c y 锄dp r e s s u r el o s sa r em em o s ti r n p o r t a mi i l d i c a t o r so fm ec y c l o n e s p e r f l o m a n c e a tp r e s t ，m 觚ys c h o l a r sh a v ed o n eal o to f 他s e a r c hf o rh o wt or e d u c et h e p r e s s u r el o s so ft h ec y c l o n e 1 1 1 en o wd e f l e c t o r 锄da 却t e r h a v eb e 钮印p l i e di i lp a n o fp r e h e a t e rd e s i g n ，h o w e v e r t h en o wd e f l e c t o r sw e r cd e s i g n e d 肌di i l s t a u e di nt e m o fe x p e r i e n c e ，b u tl a c ks c i e n c e 肌dt 1 1 et l l e o r e t i c a l 鲥d a l l c e 1 1 10 r d e rt o 咖d y c h a i l g e s i n1 1 l l ea r e ri i l s t a l l i n gw i i l dg u i d ed e v i c e s ，f - 0 l l rw i l l dg u i d ed e v i c e sw e r ed e s i g n e di n t t l i sp a p e r w i t h 觚e x p e c t a t i o nn l a tt l l em o s tr e a s o n a b l es 仃u c t u r ep a r a m e t e r sc 觚b e g o t 删g l lt l l em 砒o do fc o m b i l l i i l ge x p e r i i l l e n tw 油n 啪e n c a ls h u l a t i o n ，l e n 锄p h a t i c a l l y 咖d yt l l e m l eo fc h 锄g e si n c y c l o n e sp e 墒m 鲫c e ，觚dp r o v i d e r e f e r e l l c ef o rt h ed e s i 印缸d 印p l i c a t i o no nw i i l dg u i d ed e v i c e t 钾ot y p e so fw i n d g u i d ed e v i c e sa 他s t u d i e d i i lm i s p a p e r w h i c h a 陀 o 1d d e f l e c t d r 锄do 13 d - d e f l e c t 叫( di sd i 锄e t e ro fc y c l o n e ) 1 n b r o l 】g hc o l dm o d e l e x p e r i n l e 咄t h em l et 1 1 a t 廿l ep r e s s u 陀l o s s 锄ds e p 删i o ne m c i 钮c yo fc y c l o n e c h 锄g e sw i mt h ec h 锄g e si ns e t t i n g 觚g l e0 ft l l ef l o wd e f l e c t o rw 嬲o b t a i l l e d t h ed m g c o e f f i c i e n td e c r e 觞e sw i mm ei n c r e 硒eo fs e t t i l l g 觚g l e - a m l 胁ai s g r e a t e rt l l 趾3 0 ， 廿l ed r a gc o e 衔c i e n ta h l l o s td o s en o tc h 锄g e 1 1 1 es e p 撒t i o ne f f i c i e n c yd e c r e a s e sw n h 廿l ei i l c r e 嬲eo f a a r e rt l l ef l o wd e f l e c t o rh a db e e ni n s t a l l e d ，t h eg 觞f l o wf i e l dh a ds o m e c h a n g ei n ac e r t a md e 日e e t h e 觚i a lv e l o c 时i n c r e 硒e so b v i o u s l y 柚dt h et 锄g e n t i a lv e l o c 时h 觞 也eo p p o s i t ec h 锄g e ，m e 锄w h i l e ，t l l em d i a lv e l o c i t yh 如l i t t l ec h 锄g e t h ei i l c r e 弱eo f 觚i a lv e l o c i t ) ，锄dt l l ed e c r e 弱eo ft 孤g e n t i a lv e l o c i t ym a l c et h ed i s t 觚c em a tt l l e g 嬲 f l o w st l l r o u g t li ss h o r t e d ，t h a ti st l l ec a u s eo ft i l ed e c 舱a s ei i lp 陀s s u r el o s s t w ot y p e so fw i i l dg u i d ed e v i c e sa 陀d e s i 印e df o rm ei i m e rc y l m d e r w h i c h 玳 玳a d a p t e r 锄di i l c a d 印t e r 1 1 h ef 1 0 wf i e l dt e s ts h o wt i l a ta d a p t e r h 雒留e a te 舵c t u p o nt h en o wf i e l do fo u t l e tp i p e ，b u tl i n l eo nm ef l o wf i e l do fc y c l o n e f r o mt l l el o s s o f 他s i s t a n c e ，a d a m e rd e c r e 懿e st h ep r e s s u r el o s so f0 u t l e tp i p e ，b u th 弱l i t t l ee f f e c to n t l l er e g i o nb e y o n dc y c l o n e s ot h ep r e s s m el o s so fb o t i lt l l e t o pc y c l o n e 锄de x h 硼s t i i i a b s t r a c t p i p e 眦t a l ( e n硫oc o n s i d e r a t i o n t h r o u g hc o l dm o d e le x p e r i m e n t ，t h ed r a g c o e m c i e n td e c r e a s e sw i t ht h ei i l c r e a s eo ft t l e s e t t i n gh e i 曲t ha tt h eb e g i i l ：n i n g ，亏 心a c h e sm em i i l i m 吼v a l u ew h e nhe q u a l sa b o u to 8 d ( di st l l ed i 锄e t e ro fi 衄e r c y l i i l d e r ) ，亏i n c r e 觞e sw i t hc o n t i i l u i i l gi i l c r e 觞eo fh n s 他l a t i o nc u r y ei sq u a d r a t i c p a r a b o l a f l u i di i lt l l ee x h 肌s tp i p ei st u r b u l e n c e ，i th 觞c o m p l e xm o v e m e n t ，g e n e r a l l yc 孤 i n d u c t 仔i c t i o n a ls e c o n d a 叮n o wt op r o d u c eb i gs c a l es w i r lt ob r i n gp a no b s t a c l e ，觚d i i l c r e a s es y s t e mp r e s s u r el o s s l e 锄i 1 1 9m o 他a b o u tt h e s ei n f 0 玎n a t i o nw i l lb eh e l p 血l t 00 p t i m u md e s i g no nt h es y s t e m c f dm u n e r i c a ls i i n u l a t i o nt e c h n o l o g yw 弱u s e df 0 r l e 咖d y0 ne ) 【l l a u s tp i p e ，i l lo r d e rt og e tt l l ep i c t u r e so fm ed i s t r i b u t i o no fv e l o c 时 v e c t o 璐，t u r b u l e n tk i n e t i ce n e r g y 锄dt i l f b u l e n td i s s i p a t i o nr a t e ( ) b e f o r et h e a d a p t e rw 觞i n s t a l l e d ，t u r b u l e n tk i i l e t i c e r g yd i s s i p a t i o no c c u r sm a i l l l yi ni n l e to f e x h a u s tp i p e 觚di i l l e to fe l b o w ，孤dt u f b u l e n td i s s i p a t i o nr a t e ( ) i sg r e a t t h i sa r e a e x i s t s0 n el a r j 萨s e c o n d a 巧v o r t e xw h i c hc 锄b es a w 缸胁t l l ed i s t r i b u t i n g 伊a p ho f v e l o c 时v e c t o 璐a r e rt h ea d a m e rw 雒i i l s t a l l e 也t u r b u l e n tk i i l e t i ce n e r g yd i s s i p a t i o n o c c u r sm a i l l l yi n0 u t l e to fe x h a u s tp i p e ，b u ti sv e 巧l i t t l ei ni n l e to fe x h 挑s tp i p e i l l a d d i t i o n ，t i l f b u l e n td i s s i p a t i o nr a t e ( s ) i s 陀l a t i v e l yh i g l li nan 姗wa n dl o n gr e g i o n n e a re x i i l e ，w h i c hi s 觚弱t o m o s ew i 也也ed i s 研b u t i i l g 伊a p ho fv e l o c i 够v e c t o 璐 t h e r e f o r ei ti se 弱yt od r a w ：t h eg 弱n o wf i e l dh a ds o m ec h 觚g ei nag r e a td e g r e ea r e r 廿l ea d 印t e rw 私i n s t a l l e d ，e n e 唱yl o s sw 硒d e c r e 弱e di n 恤e 仃吼s p o r tp r o c e s s ，廿l i si s t h em a i l lc 叭s eo ft h ed e c r e a s eo fm e p r e s s u r el o s s 1 1 1 es t u d y0 np a n i a le q u i p m e mo fp r e h e a t e rt l 啪u 曲m em e t h o do fc o m b i l l i l l g c o l dm o d e le x p e 血l e n tw i t l lm l r n e r i c a ls i m u l a t i o n ，a c c u m u l a t i i l gas e to fm e m o d 锄d 麟p e r i e n c eo nt l l ep r e h e a t e rs y s t e m sw o r k i i l gs t a t e ，锄dp r 0 v i d i i l gr e f e r e n c ef 1 0 rt h e i i l d u s t r i a lp r o d u c t i o n k e y w o r d s ：n e wd r yt y p ec e m e n tp r o d u c t i o n ；c y c l o n e ；w i n dg u i d ed e v i c e ；e x h 挑s t p i p e ；c f dn u l m e r i c a ls i m u l a t i o n 翻 硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题的提出及意义 自1 8 2 4 年英国科学家j a s p d i n 取得波特兰水泥专利以来，水泥工业已经经历 了近2 0 0 年的发展历程，期间其生产工艺也发生了多次的变革。从原始的间歇作 业的土立窑，到连续生产水泥熟料的立窑( 1 8 8 3 年) ，再到回转窑( 1 8 8 5 年) 。而 后回转窑在规格不断扩大的同时，其形式和结构也有了新的发展和改革。1 9 3 0 年德国伯力鸠斯公司研制了立波尔窑，采用半干法生产；1 9 5 0 年德国洪堡公司研 制悬浮预热窑取得成功；1 9 7 1 年日本石川岛公司和秩父水泥公司成功研制出预分 解法，又称s f 法。窑外预分解技术出现后，倍受世界各国重视，悬浮预热窑发展 迅速，各种悬浮预热器相继推出，并且日趋大型化【i 】。新型干法水泥生产工艺和 装备把水泥工业生产推向一个新的阶段。 悬浮预热器作为窑外分解的主要设备，其基本形式仍是旋风筒式。旋风筒在 水泥生产过程中承担着气固分散、物料加热、气固分离、物料输送及部分物理、 化学反应等多项功能【l 】。由于在旋风预热器中，物料与气流之间的热交换主要在 各级旋风筒之间的连接管道中进行【2 】，因此，对旋风筒本身的要求就是应具有较 高的分离效率和较低的压力损失。于是在设计旋风预热器的旋风筒时，其分离效 率和阻力损失是被主要考虑的两项性能指标。然而这两个指标一般是相互关联却 又相互矛盾的【3 】，即要提高分离效率( 提高预热器效率) ，则会增加旋风筒压力 降( 增加风机电耗) ；反之要降低旋风筒压力降，就要舍弃一部分分离效率。 旋风筒技术参数的选取是否适当，性能指标是否合理，主要由其设计的结构 决定。对于设计者来说，如何确定合理的旋风筒结构和尺寸参数，以得到适宜的 性能指标是一个首要解决的问题。由于影响旋风筒性能的因素众多，很难完全用 一个确切的、包括众多影响的数学模型加以概括，于是许多专业人士采用理论分 析、数值模拟与科学实验相结合的方法，以确定比较合理的旋风筒结构形式。 近2 0 年来，日本、丹麦、德国以及我国大专院校、研究设计院在旋风器降低 阻力损失、提高分离效率方面进行了大量的实验工作。其中发明了各种结构形式 的减阻疏导装置：为避免进口气流与回流之间的相互碰撞、挤压而在入口处加设 导流板，以及为改变旋风筒出口强旋气流以降低阻力损失而在内筒中加设导流 板，可以收到很好的减阻效果。有文献称入口处加设导流板可使旋风筒阻力损失 第一章绪论 降低5 0 甚至更多【4 】。 现在导流板和整流器技术已经在部分预热器设计中得到应用，但是许多水泥 生产厂家在安装和使用方面还是大多凭借经验或模仿，缺乏科学性和理论指导。 为了详细研究旋风筒入口以及内筒加设导风装置后的阻力损失和分离效率的变 化规律，本文以理论研究为基础，以进口的两种导风装置( 以后称为导流板) 为 对象，同时为内筒设计了两种导风装置( 以后称为整流器) ，期望通过科学的实 验研究、数值模拟、性能比较和理论分析的方法，得出其中比较合理的一种或几 种，记录其设计方法和尺寸参数以及性能变化的规律，为今后旋风筒导风装置的 设计提供参考依据，进而为今后降低水泥生产成本，节约能源献出一点薄力。 1 2 课题的研究背景 1 2 1 悬浮预热器与旋风筒的研究开发 悬浮预热器和预分解技术是近代水泥工业发展的重大技术革命。最早出现的 生料悬浮预热器【5 】，是由丹麦的m 沃格尔约根生工程师设计并于1 9 3 2 年申请 了专利，距今已有近8 0 年的历史了。专利中详细的说明了其四级生料悬浮预热器 的全部结构特征，也就是现在新型干法生产最普遍采用的预热器。 1 9 5 1 年，由德国洪堡公司( h 啪b o l d t ) f 缪勒改进而研究开发了洪堡型悬 浮预热器。它是把生料的预热和部分分解由悬浮预热器来完成，从而代替回转窑 的部分功能，达到缩短回转窑的长度，使窑内以堆积滚翻状态进行的气料热交换 过程转移到在悬浮预热器里的悬浮状态下进行，使生料能够同窑内排出的炽热气 流充分混合，增大了气料的接触面积，从而提高热交换的效率和速度。 1 9 5 9 年，伯力鸠斯公司开创了多波尔预热器。他的第一级和第三级都由平行 分布的两个旋风筒做成，第四级根据生产能力大小可配置2 到4 个旋风筒。由于是 双流式预热器，所以对于产量较高的窑尾系统很适宜，不需要采用几条平行工作 的预热器系列，就能达到很高的分离效率。 而后又出现了维达格公司设计的维达格型预热器，米亚格型旋风预热器，克 虏伯伯力鸠斯公司克波尔逆流悬浮预热器，德骚公司查波( z a b ) 悬浮预热器 以及捷克普列洛夫逆流悬浮预热器等等。 如前所述，世界上悬浮预热器是在2 0 世纪5 0 年代初和7 0 年代初蓬勃发展的。 而我国对悬浮预热器的研究起步却比较晚。由于受到前苏联及丹麦史密斯的影 2 硕士学位论文 响，我国水泥工业一直在走湿法长窑大型化的道路，直到7 0 年代后期才真正进入 悬浮预热窑的发展阶段。而在其后的几十年中，悬浮预热窑在国内得到了迅速发 展。到目前为止，以旋风预热器和窑外分解技术为核心的新型干法水泥生产技术 已经占据了绝对优势。 虽然旋风预热器系统已经获得了很大的成功，然而其热效率以及能耗仍存在 一定的挖掘潜力，于是设计者和研究人员一直致力于其结构的优化和性能的改 进。 川崎重工致力于这方面的研究而开发了螺旋形进口旋风筒，通过增加进口螺 旋角以及进口断面积，一定程度上降低了进口压损。进一步开发卧式旋风筒，可 降低旋风筒高度，结果可降低整个预热器系统投资费用。但是经过尝试发现，卧 式旋风筒的分离效率太差，所以有待进一步的改进优化。 宇部开发低压损旋风筒，也是将进风口断面加大，进风管螺旋角加大2 7 0 0 ， 同时将出风内筒做成靴型，扩大了内筒面积，目的是减少旋风筒内旋流风通过筒 内壁与内筒之间面积，这样也就减少了旋流风量，因而减少了旋流风同进风的冲 击。而为了进一步减少这种冲击，还设计了入口处的弯曲导流装置。天津院引进 宇部的d d 炉旋风预热器，自然采用了宇部低压损旋风简，在入口处仅是用一块 耐热钢板伸向内筒，使压力损失降低的效果更明显。 德国伯力鸠斯公司的低压损旋风筒，具有倾斜的的进口及旋风筒上盖，同时 偏心布置内筒，适当缩短了内筒插入深度，能使气流平缓地进入旋风筒内，回流 可以大大减少，也就减少了同进口气流相撞形成的局部涡流。该公司的六级预热 器压损仅3 0 0 0 p a 。 德国洪堡公司设计的低压损旋风筒，其顶部第一级旋风筒的简体是细而高双 旋风筒，目的是为了提高其分离效率。而第2 5 级是矮胖旋风筒，目的是为了达 到较低的压力损失。洪堡型旋风简做了如下改进【5 】： ( 1 ) 进口风管螺旋角加大至2 7 0 0 ，使载尘气体平稳地导入旋风筒，使气体沿 筒壁高速旋转，提高收尘效率。 ( 2 ) 加大进口风管的截面积，并且处于内筒外侧，使气体不会冲向内筒造成 压损增大。 ( 3 ) 由于旋风筒壁是螺壳布置，逐渐向内筒靠近，所以气流不会受阻碍。 ( 4 ) 内筒的高度是进口风管高度的l 2 ，同时进风管螺旋下部设计成锥形，正 3 第一章绪论 好在内筒下端开始的地方，使带尘气流不会直接进入内筒而形成短路，对分离效 率不起负作用。 ( 5 ) 旋风筒的锥体部分设计成内筒直径的2 倍，斜度为7 0 0 。增大了旋风筒的 出口尺寸，使生料连续地进入卸料管，防止了堵塞造成的生产中断。 丹麦f l s 为寻求低压损旋风筒，曾对5 0 多种不同几何形状的旋风筒进行试 验，根据实验结果设计出大大降低压力损失的旋风筒。设计的新旋风简直径降低 了2 5 ，使单个旋风筒及整个预热器系统投资费用得到降低。 为了与大型预分解生产线配套，中国南京，天津等设计研究单位研发了新型 高效低压损旋风筒。如图1 1 所示，n c 型五级悬浮预热器由南京水泥设计院研制。 其旋风筒的机构实际上采用了多心大蜗壳，短柱体等角变高过渡连接，偏锥防堵 结构，内加导流板，挂片式内筒，尾涡隔离，整流器等技术，使旋风简单体具有 低阻耗，高分离效率，低返混度，良好的防堵塞性能和空间布置性能【6 1 。 图1 1n c 型高效低压损旋风筒图1 2t c 型新型旋风筒 f i g 1 1e f f i c i e n t 锄dl o wp r e s s u 陀l o s sn c c y c l o n ef i g 1 - 2n e wt y p eo ft c - c y c l o n e 如图1 2 所示为t c 新型旋风筒，由天津水泥设计院研制。其特点是： ( 1 ) 大蜗壳内设有螺旋结构，可将气流平稳引入旋风筒。物料在惯性力和离 心力的作用下达到筒壁，有利于物料分离效率的提高： ( 2 ) 迸风口尺寸设计更加合理，可以减少进口气流与回流相撞； ( 3 ) 采用三心2 7 0 度大蜗壳，扩大了大部分进口区域与蜗壳，减少了进口 区涡流阻力； ( 4 ) 扩大内筒的直径，缩短旋风筒内气流的无效行程： 4 硕士学位论文 ( 5 ) 适当增大旋风筒高径比，减少气流扰动： ( 6 ) 把蜗壳底边做成斜面，适当降低旋风筒内气流旋转速度； ( 7 ) 保持连接管道合理风速； ( 8 ) 旋风筒出口与连接管道选取合理结构型式，减少阻力损失。 旋风筒的主要的作用就是实现气固分离。传统的旋风筒阻力较大，主要原因 在于旋风筒进口切向气流与筒内旋转的气流碰撞干扰，简内自由旋转流与强制旋 转流使气固两相流的流场不断变化；气流在旋风筒锥体部位转向上升，以及旋风 筒内壁与两相流的摩擦损失等。南京水泥设计院和天津水泥设计院研制的新型旋 风筒较好的解决了这些矛盾，使旋风筒的阻力损失得到很大程度的降低，提高了 工作性能。 1 2 2 悬浮预热器和旋风筒的基本功能及机理 分解炉、旋风筒以及各旋风筒之间的连接管道是干法水泥生产中烧成系统的 重要组成部分。作为预热单元的旋风筒是由旋风分离器发展而来，其原理【7 】随着 气固两相流理论和测试方法不断发展，已经日趋完备。悬浮预热器和预分解技术 是近代水泥工业发展的重大技术革命。 旋风预热器的主要任务是充分利用窑尾排出废气中大量热能对生料粉进行 加热、升温，并完成生料干燥、粘土矿物的脱水和部分碳酸盐矿物的分解后，将 其喂入分解炉再进行下一步的碳酸盐悬浮态分解过程。 在结构上，旋风预热器是由上下交错排列的几级旋风筒组成。在最上一级的 旋风筒通常做成双筒，旋风筒之间由气体管道连接，每个旋风筒和相连接的管道 形成预热器的一级，通常预热器由上而下顺序编号，旋风筒的卸料口用生料管道 与下一级的热气体管道连接。 生料首先喂入i 级旋风筒入口的热气体管上升管道中，在管道内进行充分的 热交换，然后由i 级旋风筒把热气体和生料颗粒分离：收下的生料经卸料管进入 i l 级旋风筒的热气体上升管道内进行第二次换热，再经i i 级旋风简分离；依次进 入i i i 级、级旋风筒、分解炉和v 级旋风筒，最后进入回转窑内进行锻烧，而预 热器的废气经收尘器由排风机排入大气。窑尾排出的1 0 0 0 左右的废气，经各级 预热器热交换后，废气温度降到3 0 0 以下；5 0 左右的生料经各级预热器预热 到7 5 0 8 0 0 进入回转窑，熟料的热耗约为3 5 0 0 k j l ( g 熟料。 5 第一章绪论 在旋风筒中收下的物料经卸料管送到下一级的热气体上升管道内。在卸料管 上要设计安装翻版阀，其作用主要是具有单向可通过性，即只能让物料由上而下 通过，而气体不能向上通过。翻板阀的设计主要是依据杠杆原理，其杆上挂有重 物，当生料的重量不能压起重物时，翻板阀呈锁闭状态，当物料的重量达到一定 时，杠杆被压起，物料由上而下落入下一级热气体上升管道内，在此，物料的合 理堆积有利于料封的效果。 众多资料表明，在每一级气固换热单元( 包括旋风筒和下一级到该级旋风筒 的连接管道) ，气固之间绝大部分换热过程是在入口管道内进行的，当物料颗粒 d 。= 1 0 0 朋左右时，换热时间仅仅需要o 0 2 o 0 4 s 【8 】。 开始生料的温度很低，热气体的温度很高，经热交换后，生料温度升高而热 气体的温度下降。如果两者的温度最终差值相差不大，说明预热器换热效果好： 如果两者的温度最终差值较大，说明预热器换热效果欠佳。热效率是预热器性能 的重要参数。 常规旋风预热器如图1 3 所 示。当物料由加料口进入连接风 管时，在气流作用下完成分散和 绝大部分气固换热的过程，之后 气流携带物料进入旋风筒，由直 线运动变成圆周运动，旋转气流 的绝大部分沿筒壁成螺旋形向 下，朝锥部运动，通常称为外旋 流。旋转产生的离心力将密度远 大于气体的固体颗粒甩向壁面， 失去惯性而依靠入口速度的初始 动量随外螺旋气流沿壁面下落， 进入下料管，实现气固分离：旋 图1 3 旋风预热器功能分析图【8 】 f i g 1 - 3c y c l o n e 如n c t i o n 锄a l y z i i l gd i a g 舳 转向下的外旋气流在到达锥部某位置时，便向分离器中心靠拢，即以同样的旋转 方向在旋风分离器内部，由旋转向下转为旋转向上，继续作螺旋运动，称为内旋 流。最后，气流和小部分未捕集的物料颗粒及少部分二次卷吸的粉料一起由旋风 筒上部出口风管排出。 6 硕士学位论文 生料粉通过所有的旋风筒只有几十秒时间，在这几十秒内，生料的c a c 0 3 表观分解率可达到4 0 5 0 【8 1 。开始生料的温度很低，热气体的温度很高，经热 交换后，生料温度升高而热气体的温度下降。预热器系统使原来在长回转窑内堆 积态进行的气固换热过程转移至多级悬浮预热器中，在悬浮态下完成热交换。悬 浮状态下生料和高温气流能够充分混合，气固相接触面积大，传热速度快，效率 高。 出预热器的废气管道是预分解系统与高温风机的连接通道，也是系统的重要 设备之一，很多新型干法窑一级旋风筒出口到高温风机入口的阻力损失高达 8 0 0 p a 到1 3 0 0 p a 之间，约占整个预分解系统阻力的2 0 9 1 。但也有些一级筒系统废 气管道阻力仅仅3 0 0 p a 5 0 0 p a 之间。这也是十分值得研究和认识的一个问题，产 生如此大的差异是由于流场结构的差异造成的，如何优化流场结构才能使得系统 得到进一步优化，是我们一直追求的目标，也可为优化系统指标奠定良好基础。 1 2 3 旋风预热器内部流场 结构形式不同的旋风预热器，其内部流场分布不同。在特林登( t e r l i n d e n ) 首次对旋风器内的流场进行系统测定以后，很多学者【7 】在其基础上作了深入系统 的测定。 碧似一 以 nl ，w 、 ， 厂 八y 弋 蕊褫 m ，弋 数致 敬黔 图l - 4 旋风筒内的流场 f i g 1 _ 4g a sf l o wf i e l do fc y c l o n e - 旋风预热器内的流场是一个三维流场，在柱坐标系下，速度矢量“的三个分 量分别为：轴向分速u z ，切向分速u t 与径向分速u r 。由于是旋转运动，半径 第一章绪论 相同的圆周切向分速的数值基本上是一致的。各个学者所得到的测定值可归纳为 如图1 4 所示忉。 比较典型的是圆周切向分速u t ，各种不同结构形式的旋风器基本上均符合 图示u t 的分布。径向分速u r 则按不同的结构形式有很大不同，图示轴向分速 u r 在径向的分布是在芯管底端附近的情况。根据对流场的了解，对粉尘颗粒被 捕集分离起主导作用的流速分量是切向流速u t 和径向流速u r 。前者产生径向加 速度“2 ，使粉尘颗粒在半径方向有由里向外的离心沉降速度w k ，把粉尘颗粒 推到筒壁而被分离；后者是把粉尘颗粒在半径方向由外向内推到中心部涡核而随 上升气流从排气管逃逸。这是旋风器内流场中诸流速分量中的一对主要矛盾，因 而可以称为主流。至于轴向分速u z 和径向分速u r 也构成另一对矛盾，被称为 次流( 亦称二次流) ，且已经确认所有次级流动基本上都不利于粒子的分离过程。 下面将针对主流与次级流作详细阐述。 ( 1 ) 主流型 对于理想流体的主流是有势的自由涡和有旋的强制涡组成的切向流速以及径 向对着圆心流动的汇流与径向背着圆心向外流动的源流，如图1 4 所示。 核心的强制涡与外层的自由涡组成兰金涡。兰金涡表达式为：1 1 r n = 常数，即 切向速度u 与旋风器径向距离r 的n 次方成反比。n 为漩涡指数，对于强制涡i p l ， 对于自由涡i l - l 。研究结果表明对于旋风器内的流动，n 的范围在o 5 0 9 之间。 在不同条件下，由于雷诺准数、物性( 主要是粘度) 、相对粗糙度( 表面光滑程 度与旋风器的大小) 以及尺寸比对机械能损失有不同的影响，所以实验条件各不 相同的作者报道了不同的n 值就不奇怪了。对于标准型旋风分离器，n 值实际上 是一个常数。较早的测定数据倾向于n = 0 5 ，由于旋风器结构的发展，较晚的文 献认为n = 0 7 更接近实刚1 0 1 。a l 双锄d e r 曾经做过测定得出经验公式【1 0 】： 刀= ( 1 - 0 6 7 d o 1 4 ) ( 去) 乱3 ( 1 - 1 ) 式中：d 一旋风筒外简直径( c m ) ； t - 一温度( k ) 。 ( 2 ) 次级流动 在旋风预热器内除了准自由涡和强制涡之外，还存在多种次级流动，包括纵 向旋涡流、短路流、外层旋涡中的局部涡流、底部吹起【5 1 。这些次级流动虽然只 8 硕士学位论文 是少量气流的局部流动，但对分离效率却有很大的不利影响。消除( 至少是减少) 次级流动对分离过程的影响一直是设计者追求的目标。 1 2 4 提高旋风预热器效率的途径 提高旋风预热器内物料在气体中的分散度，使物料充分悬浮于气流中，从而 大大地增加了传热面积，是降低废气温度，提高生料预热温度的关键之一【1 0 1 。 旋风预热器的气固热交换发生在管道与旋风筒内，其中管道传热占总传热量 的8 7 5 9 4 ，旋风筒只占6 1 2 5 嘣1 1 。管道内之所以传热速度快，主要是因 为管道内气流速度较高，物料进入管道内易被高速气流冲散，基本上可使物料悬 浮于气流中，极大地增加了传热面积。同时，生料一进入管道内，气固相对速度 较高，同流时可达到气流速度的0 8 0 9 倍，逆流时可超过气流速度，因而传热 系数很高。而旋风筒的收尘效率愈低，生料在系统内的循环量愈高，则旋风筒的 传热效果愈差。计算证明，当飞灰在系统内的循环量等于喂料量时，将使废气温 度升高3 8 【i l 】。如果一级旋风筒收尘效率低，此时大量已开始预热的生料排出 系统，从而增加系统的外循环量，也降低了系统的热效率。因此，旋风预热器的 传热主要在管道内进行，而旋风筒的主要作用是收尘而不是传热。 为了使生料能够比较充分地分散、悬浮于管道内的气流中，达到较好的换热 目的，必须注意： ( 1 ) 在生料进入每级预热器上升管道处，管道内应安装生料分散装置，如可 调插板、缩口或风翅等【i2 】，使生料冲击在这些装置上，以加强生料的分散辅助气 流对生料的分散作用。 ( 2 ) 选择物料进入管道的合适位置，应使生料逆气流方向进入管道，以提高 气、固相的相对速度和生料在管道内的停留时间。同时，进料点的位置应尽可能 的靠近下一级旋风筒出口，但要保证生料有足够时间悬浮起来而不至于“短路 ， 直接落入下一级旋风筒。进料口位置高度应视产量而定，但一般距下一级旋风筒 的出口不少于1 o m 【7 】i3 1 。 ( 3 ) 两旋风筒之间的管道应有足够的长度，以保证生料悬浮起来，并在管道 内有足够的运行距离，充分发挥管道传热的优势。 ( 4 ) 旋风筒下部的闪动阀( 翻板阀) ，必须活动灵活，并在翻板接缝处开一个 小孔，使生料基本上能连续卸出，并兼有料封作用。这样既可以提高旋风筒的收 9 第一章绪论 尘效率，又由于物料连续卸出的料量少，进入管道容易被气流冲散而悬浮于气流 中。 ( 5 ) 使用立筒预热器时注意：从理论上分析，由于逆流操作，气、固相对速 度较高，每室( 钵) 的传热效果与旋风筒相比应该更优越，但实际上，每级旋风 预热器的气流温降最大可达3 0 0 ，平均每级预热器温降也在2 0 0 左右；而立 筒预热器由于生料悬浮于气流中的分散度不如在管道内好，收尘效果又不如旋风 筒，而且立筒内生料粉尘循环量又较大( 或悬浮不佳) ，因而其中气流温降最大 只有2 5 0 ，而平均每级气流温降只有1 3 0 左右【1 4 】。如生料经旋风筒下的闪动 阀进入立筒时，立筒内风速较低，生料的分散不如在管道内。进入立筒后，有相 当高的粉尘浓度( 粉尘循环引起) ，在范德华力、静电引力以及“边壁效应 的 作用下，生料往往易于凝聚或凝结成高浓度的“生料粉团 以缕线状沉降【l 那。虽 然提高缩口风速，可以适当提高生料悬浮分散性，但立筒内分离效率随气流速度 的提高而会有所下降，使粉尘循环量增加，而且易于堆积于缩口斜坡上，从而引 起不同程度的塌料，降低立筒的传热效率，影响生产的安全稳定运行【i6 1 。立筒每 室的偏心结构是使气流产生一定涡流而利于物料分散的一种措施。因此，立筒中 生料的分散性和收尘效率之间的矛盾，是立筒传热效率不高的主要原因。因此提 高立筒预热器内生料的预分散和再分散的效果，同时减少粉尘在立筒内的循环 量，是提高立筒预热器传热效率的关键。 为了提高各类预热器的热效率，必须最大限度地减少各级漏风，应使每千克 熟料出旋风筒的废气量低于1 5 n m 3 【1 7 1 ，同时应采用良好的保温、隔热材料，以 减少表面散热损失。 1 2 5 旋风筒的优化改进途径 理论分析及科学试验均说明，在操作参数一定的情况下，影响旋风筒分离效 率和流体的阻力损失主要存在两大因素，一是旋风简的几何结构，二是流体本身 的物理性能【埔j 。用于水泥工业悬浮预热装置的旋风筒，其所处理的含尘气流的物 理性能大致确定，故可以利用其理论研究和科学实验成果，对旋风筒结构设计及 影响其性能的主要技术参数进行选取，再通过实验验证，进行旋风筒结构优化设 计。 旋风筒的设计主要考虑预热器系统要保持一个合理的压降，这个压降主要由 l o 硕士学位论文 两部分组成：一部分为管道内气流使生料上升所需的能量；另一部分为气流在旋 风筒内及其进口处的能量损失。两者都大致与气流速度的平方成正比，故旋风筒 规格计算的要点是选择合适的气流速度。旋风筒直径以直筒部分横截面计算风速 和通过旋风筒的风量来确定。可按公式( 1 - 1 ) 计算： 。= 厝 ( 1 - 2 ) 式中：d 一旋风筒的直径( m ) ； q 一通过旋风筒的风量( m 3 s ) ； w 一旋风筒计算截面风速( 州s ) 。 通过旋风筒的风量与烧成热耗以及系统各部分的漏风量有关，当热耗大且漏 风量多时，通过旋风筒的风量也大。为了避免过分增大旋风筒的直径，必须尽量 减少漏风。旋风筒截面风速牵涉到设备投资与运转费用，截面风速高时，旋风筒 直径小些，可降低设备费用：而截面风速低时，旋风筒直径大些，阻力就相对的 小一些，则可降低电耗。 近年来国内外学者针对传统旋风筒存在的缺陷，采用各种改进措施，主要围 绕降低旋风筒内气流旋转速度，缩短气流在旋风筒内的无效行程，减少进口气流 与回流冲撞，减少气流不必要的搅动等方面采取措施，以降低旋风筒阻力1 9 1 。通 常采用的措施有以下1 0 项： ( 1 ) 加阻流型导流板； ( 2 ) 设置偏心内筒、扁圆内筒或“靴形内筒； ( 3 ) 采用大蜗壳内螺旋入口结构； ( 4 ) 适当降低入口气流速度； ( 5 ) 蜗壳底面做成斜面； ( 6 ) 旋风筒采用倾斜入口； ( 7 ) 加大内筒面积； ( 8 ) 缩短内筒插入深度； ( 9 ) 适当加大旋风筒高径比； ( 1 0 ) 旋风筒下部设置膨胀仓。 优化的过程首先要有理论的支持，经过理论分析来