（材料学专业论文）三系列高固气比旋风预热器系统的冷模试验研究.pdf

西安建筑科技大学硕士论文 三系列高固气比旋风预热器系统的冷模试验研究 专业：材料学 硕士生：赵峰 指导教师：徐德龙教授 陈延信讲师 摘要 为了进一步降低预热器系统的热耗，提高预热器系统的热效率，西安建筑科 技大学粉体工程研究所一直致力于高固气比预热预分解系统的研究与开发，本文 正是基于这一点而着手研究开发三系列高固气比旋风预热器系统。 本文通过旋风预热器导流板减阻试验、提升管阻力损失试验以及三系列高固 气比旋风预热器系统冷态模型试验，分析了四种入口导流板对旋风器性能影响的 优劣及其各自的适用范围；考察了提升管阻力损失的构成，研究了入料点的变化 对提升管和旋风器阻力损失的影响；测试了三系列高固气比一级旋风预热器系统 系列之间的风量分配、系统总分离效率，分析了系统阻力的构成。 结果表明：四种不同形式的入口导流板均起到了不同程度的降阻作用。1 撑导 流板空载下的减阻幅度在1 3 左右，而随着固气比的增大，减阻效果很快恶化， 但其可以保持较高的分离效率：2 # 导流板在降低阻力的同时并没有降低分离效率， 但随着固气比的增加，其降阻幅度有一定减弱；3 撑、4 捍导流板减阻效果相当，减 阻幅度较大，可达4 0 ，但分离效率均相对较低，其中甜的分离效率要优于3 撑。 低入料点提升管中，空载态时弯管段的阻力损失最大，而加料后加速段的阻 力损失在整个提升管的阻力损失中所占比例最大( 超过6 0 ) ，起着决定性的作用； 在入料点提升到弯管处后，提升管部分的阻力损失大幅度降低，降低幅度达6 0 以上；提高入料点对对应的旋风预热器压降并没有造成不利的影响，反而旋风预 热器的阻力损失会略有降低。 计算结果表明：当系统固气比为1 0 时，一级单系列预热器热效率为4 0 1 ， 双系列为4 4 9 ，三系列为4 6 9 ，得出三系列高固气比预热器系统在提高热效率 方面具有优势。 在三系列高固气比旋风预热器系统中，旋风筒的阻力损失占最主要的部分， 在较大旋风筒入口风速( 2 1 m s 、2 4 m s ) 和较高固气比( 单体超过2 o ) 下，旋风 筒压降不再随着固气比的增大而减小，而是有所上升；提升管中弯管处的阻力损 失也比较大，由于系统中各部位的阻力损失相互影响，使其呈现了不同于单体研 西安建筑科技大学硕士论文 ac o l dm o d e le x p e r i m e n t a lr e a s e r c ho nt h et r i s e r i e sc y c l o n e p r e h e a t e rw i t hh i g hs o l i d g a sr a t i o s p e c i a l t y ： m a t e r i a ls c i e n c e n a m e ：z h a of e n g i n s t r u c t o r ：p r o f e s s o rx u d e l o n g l e c t u r e rc h e ny a n x i n a b s t r a c t f o rf u r t h e rd e c r e a s i n gt h ec a l o r i f i cc o n s u m p t i o na n di m p r o v i n gt h e r m a le f f i c i e n c y , t h er e s e a r c ho fp r e b e a t e rs y s t e ma n dd e v e l o p m e n tf o rt h ep m h e a t i n g - p m c a l c i n i n g s y s t e mw i t hh i 班s o l i d - g a sr a t i o ( h s g r ) h a v eb e e nc o n d u c t e df o rs e v e r a ly e a r sb y i n s t i t u t eo fp o w d e re n g i n e e r i n gi nx i a nu n l v e r s i t yo fa r c h i t e c t u r e & t e c h n o l o g y b a s e do nt h i sp o i n t , t h ep a p e rp r e s e n t st h er e s e a r c hw o r k sa n dr e s u l t so fak i n do f t r i s e r i e sc y c l o n ep r e h e a t e rw i t l lh s g i l t h r o u g ht h ee x p e r i m e n t so ul o w e r i n gt h ep r e s s u r ed r o po fc y c l o n ep r e h e a t e r , t h e p r e s s u r ed r o po ft h el i f t e rt u b ea n dt h ec o l dm o d e lo ft r i - s e r i e sc y c l o n ep r e b e a t e rw i t h h s g r , e f f e c t so ff o u rt y p e so fg u i d ev a n e sw h i c ha r ef i t t e di nt h ec y c l o n ei n l e tw a l lo n t h ec y c l o n es e p a r a t o rp e r f o r m a n c eh a v eb e e na n a l y z e d ；t h ec o n s t r u c t i o no f t h ep r e s s u r e d r o po ft h el i f t e rt u b ea n dt h ei n f l u e n c e so fc h a n g i n gm a t e r i a l sf e e d i n gp o i n to nt h e p r e s s u r ed r o po ft h el i r e rt u b ea n dc y c l o n es e p a r a t o rh a v eb e e ni n v e s t i g a t e d ；t h e d e s i g n e dm o d e lo ft r i - s e r i e so n es t a g ec y c l o n ep r e h e a t e rw i t hh s g r h a sb e e nt e s t e dt o e v a l u a t et h ec o n s t r u c t i o no fs y s t e mp r e s s u r ed r o p ，g a sd i s t r i b u t i o na n dt h et o t a l c o l l e c t i o ne f f i c i e n c y t h er e s u l t ss h o wt h a ta l lo f t h ef o u rd i f f e r e n tg u i d ev a n e sr e d u c et h ec y c l o n ep r e s s u r e d r o pa n da l s oi n f l u e n c et h ec o l l e c t i o ne f f i c i e n c yi nd i f f e r e n td e g r e e s 1 拌i n l e tv a n e c a u s e sap r e s s u r ed r o pr e d u c t i o na b o u t1 3 u n d e rp u r eg a sf l o wc o n d i t i o n ；e f f e c t so f p r e s s u r ed r o pr e d u c t i o nd e t e r i o r a t ew i t ht h ei n c r e a s i n gs o l i d g a sr a t i o b u t1 撑h a sh i g h c o l l e c t i o ne f f i c i e n c y o fa l lt h eg u i d ev a n e s t h ee f f e c to f2 # o np r e s s u r ed r o pr e d u c t i o n i si nt h es e c o n dp l a c ea n dl m sn or e d u c t i o ni nc o l l e c t i o ne f f i c i e n c y ；3 # 、4 拌g u i d ev a n e s c a u s eah i g h e rp r e s s u r ed r o pr e d u c t i o nu pt o4 0 ，a n dal o w e rc o l l e c t i o ne f f i c i e n c yt h a n t h eo n ew i t h o u ta l li n l e tv a n e b u tc y c l o n ew i t h 错i n l e tv a n eh a sab e t t e rc o l l e c f i o n 西安建筑科技大学硕士论文 e f f i c i e n c yt h a n 血eo n ew i t h3 # t h ep r e s s u r ed r o po v e rt h ew h o l el i f t e rt u b ew a ss e p a r a t e l ym e a s u r e di nt h e r e s e c t i o n s ：s e c t i o no fs o l i d sa c c e l e r a t i n gu p w a r d s ，s e c t i o no fs o l i d su n i f o r m l ym o v i n ga n d t h el i f t e rb e n d m e a s u r e m e n ti n d i c a t e st h a tm o s tp r e s s u r ed r o p ( o v e r6 0 ) e x i s t e di nt h e a c c e l e r a t i o ns e c t i o n s h i f to ft h ef e e d i n gp o i n to fr a wm e a lf r o mt h el o w e rp a r to ft h e l i f t e rt ot h eb e a dr e s u l t si nad e c r e a s eo f6 0 i nt h ew h o l el i f t e rp r e s s u r ed r o p ，a n da l s o d e c r e a s e st h ep r e s s u r ed r o po f t h ec y c l o n e t h ec o m p u t e dr e s u l t si n d i c a t et h a tw h e nt h es y s t e ms o l i d g a sr a t i oi s1 0 ，t h e r m a l e f f i c i e n c yf o rs i n g l es e r i e sp r e h e a t e ri s4 0 1 4 4 9 f o rd o u b l es e r i e sa n d4 6 9 f o r t r i s e r i e s b a s e do nt h er e s u l t s i ti se a s yt ok n o wt h a tt h et r i s e r i e sp r e h e a t e rw i mh s g r i sb e n e f i c i a lf o ri m p r o v i n gt h e r m a le f f i c i e n c y i nt h et r i s e r i e sc y c l o n e p r e h e a t e rw i t hh s g r , t h ep r e s s u r ed r o po f c y c l o n em a k e su p t h em a i np a r to f s y s t e mp r e s s u r ed r o p w i t hg r e a t e rc y c l o n ei n l e tv e l o c i t y ( 2 1m s 、2 4 m s ) a n dh i g h e rs o l i d - g a sr a t i o ( o v e r2 o 、, c y c l o n ep r e s s u r ed r o pk e e p si n c r e a s i n gi n s t e a do f d e c r e a s i n g ；t h ep r e s s u r ed r o po fe l b o wi sa l s oh i g h e r , i ti n f l u e n c e sw i t ht h ep r e s s u r e d r o po f o t h e rp a r t si nt h es y s t e m ，a n dt h e r ew i l lb ea l i t t l ed o w n ；t h ep r e s s u r ed r o po f t h e o u t l e tt u b ec a n n o tb ed i s r e g a r d e de i t h e r , i ti sm e a n i n g f u lt oe l i m i n a t et h ep r e s s u r ed r o p o ft h i sp a r t u n d e rd i f f e r e n tg a sv e l o c i t y , s y s t e mc o l l e c t i o ne f f i c i e n c yk e e p so v e r 8 5 g a sr t m n i n gd i s t r i b u t i o nf o rt h et r i s e r i e sk e e p sr e l a t i v e l yb a l a n c e ，a n dt h e d e p a r t u r ei sl e s st h a n 4 f o re a c hs e r i e s i naw o r d ，t h ee x p e r i m e n tm o d e lo f t h et r i s e r i e sc y c l o n ep r e h e a t e rw i t hh s g rh a sa s t a b l es t r u c t u r ea n df u n c t i o na n di tp r o v i d e sab a s i sf o rt h ef u l l e rs t u d i e s k e yw o r d s ：t r i s e r i e s ，h i g hs o l i d g a sr a t i o ，c y c l o n es e p a r a t o r , p r e h e a t e r , g u i d ev a n e ， p r e s s u r ed r o p t h e s i s ： a p p l i c a t i o nf u n d a m e n t 西安建筑科技大学硕士论文 4 a 丘 b b c d d 幽 e u f ) 贝) g h 也 l a m m n p q m r s r v x z 符号表 截面面积 旋风器进口截面高度 旋风器进口截面等价高度 旋风器进口截面宽度 旋风器进口截面宽度 比热 旋风器外简直径 旋风器内简直径或颗粒粒径 旋风器排灰口直径 欧拉数 筛下累积颗粒粒径分布函数 颗粒的概率分布密度函数 质量 旋风器总高度 旋风器柱体高度 旋风器锥体高度 焓 拉格朗日数 颗粒质量 颗粒质量流量 法向 压力 体积流量 雷诺数 径向坐标 内筒插入深度 温度 速度 颗粒粒径 固气比 轴向坐标 i 蚝 m m m j l k g k g k 曲 p a m 弧 m m m s m k g k g m 井 m m m m 西安建筑科技大学硕士论文 希腊字母： 目 叩 p d p 下角标： a l a b l c l f g p 0 5 0 切向坐标 分离效率 换热效率 密度 压降或阻力损失 阻力系数 a 系列预热器1 级旋风筒 环境 b 系列预热器1 级旋风筒 c 系列预热器1 级旋风筒 捕集质量 逃逸 进料 气体 进口 物料 起始状态 切割粒径 系统 1 v k m 3 p a 声明 本人郑重声明我所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人或其他人在其它单位 已申请学位或为其它用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的 所有贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者躲龟啼 日期：伊6 i 2 - 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的 全部或部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在论文解密后应遵守此规定) 沦文作者签名：赴喝导师签名：f ：3 ；坼哦白期：伊6 ，6 f ， 注：请将此页附在论文首页。 西安建筑科技大学硕士论文 1绪论 1 1 水泥生产技术的发展 自1 8 2 4 年英国科学家ja s p d i n 取得波特兰水泥专利权以来，现代水泥工业已 经历经1 8 2 年，其生产工艺也发生了多次重大变革。尤以作为水泥生产的核心部 分煅烧工艺和装各进步最为明显【”。 ja s p d i n 是通过最早的“杯窑”烧成波特兰水泥的。到1 8 7 2 年的时候，英国 人j o h s o n 取得了“仓窑”的专利。“仓窑”与“杯窑”的工艺基本上相同。不同的 是增加了预热系统。生料先装在烟囱干燥、预热，然后再装到杯窑里面烧，进了 一步。1 8 8 4 年，德国人德齐对“仓窑”作了改良，发明“立窑”。“立窑”与“仓 窑”不同的是多了一个冷却装置。它的预热、烧成和冷却都在窑里面。大约在第 一次世界大战( 1 9 1 4 年一1 9 1 8 年) 前后，德国完成了立窑的机械化设计。 1 8 8 5 年，英国人f r e d e r i kr a n s o m e 首先将回转窑引到水泥工业。回转窑用于 熟料的烧成，使熟料质量有明显的提高。1 9 2 8 年p o l y s i 璐公司的o t t ol e l l e p 等发 明了立波尔窑。这种窑将物料的干燥、预热等过程移至窑外的移动式篦子预热器 上进行，从而使系统的产量增加，热耗有所降低。 1 9 3 2 年捷克工程师m v o g e l - j o r g e n s e n 首次提交了关于用旋风预热器加热水泥 生料粉的专利。旋风预热器为水泥干法生产在热经济方面的长足进步提出了一个 关键性的构想。1 9 5 1 年j o r g e n s e n 关于旋风预热器的构想经德国工程师e m u l l e r 的 改进，由融公司将其投入水泥工业的生产。它的出现使中2 5 4 m 的回转窑产 量从1 2 0 t d 增加到2 0 0 t d ，增长了6 7 ；热耗由7 1 0 6 k j k g ( c 1 ) 下降到4 1 8 0 k j k g ( c 1 ) ， 降低了1 3 ，从而首次在生产上获得了巨大成功。其后，各国水泥公司相继引进和 开发，使其日臻完美。 1 9 7 1 年，日本石川岛公司和秩父水泥工程公司研究成功悬浮预分解法 ( s u s p e n s i o nf l a s hc a l c i n e r ，简称s f 法) ，或n s p ( n e ws u s p e n s i o np r e h e a t i n g ) 技术，使得入窑碳酸钙的分解率大幅度提高，窑产量明显增加，各种消耗相应减 ，j 、。 二十世纪七八十年代，悬浮预热和预分解技术受到了世界各国的重视，并且 很快出现了许多各具特色的预热预分解技术和装备。从此，在世界范围内，水泥 生产技术迅速向新一代窑型- n s p 窑即新型干法窑过渡。 1 2 预热器系统的发展及其存在的问题 2 0 世纪5 0 年代发展起来的新型干法水泥生产技术到目前经历了两大阶段【2 】： 西安建筑科技大学硕士论文 第一阶段是5 0 年代到7 0 年代初的悬浮预热技术诞生和发展的阶段，第二阶段是 7 0 年代初至今的预分解技术诞生和发展的阶段。下面分别介绍两阶段中预热器的 发展。 第一阶段：悬浮预热技术阶段 早期的悬浮预热器发展很快，种类繁多，分类方法不统一【3 1 。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，如表1 1 所示。 表1 1悬浮式预热器的分类 按流动换热特征 按制造厂商命名分类 按组合形式分类 分类 洪堡型( h u m b o l t d ) 旋风筒4 ( 多) 级旋风筒组合 史密斯型( s m i d t h ) 旋风筒 旋流运动为主，4 ( 多) 级旋风简组合 多波尔( d o p e d 旋风筒气固同流换热旋风筒与涡旋室组合 k s 一5 型旋风筒旋风筒与卧式旋风筒组合 米亚格( m a a g ) 旋风篱 喷( 腾) 旋流 动或旋一旋流动 旋风筒与锥形立筒组合 维格达( w e d a g ) 旋风筒旋风筒与变径立筒组合 结合变式换热 克虏伯型( k r a p p ) _ f f _ 筒 喷( 腾) 运动， 每室内以同流换 带缩口立筒与1 之级旋风筒组合 德骚型( z a b ) r 筒偏心缩口立筒与1 2 级旋风筒组合 热为主 旋流运动、逆流 普列洛夫( p r e r o w ) 立筒旋流立简与旋风筒组合 换热为主 就其中主要类型分别作一下简介： ( 1 ) 洪堡型( h l m a b o l t d ) 旋风预热器 这是最早出现、应用最为广泛也是最具有代表性的一种预热器。它由和5 级 旋风筒( 包括连接管道) 的热交换单元串联组合而成。一般最上一级( 代号c f ) 分离效率要求最高，以减少飞损，降低生料消耗和减轻收尘设备的负荷，因此往 往用两个尺寸相对较小的旋风筒并联以组成2 1 1 1 系列。对于产量高( 一般 2 0 0 0 t d 以上) 以上的窑通常配置两个系列的旋风筒即2 ( 2 一l 一1 1 ) 系列预热 器。 洪堡型旋风预热器结构简单：在保持一定收尘效率和压力损失的条件下，旋风 筒体积和高度相对比较小；有减少投资和便于布置等优点。洪堡型旋风预热器的几 何结构，经多年研究改进，在不加装导流叶片的情况下，被认为是标准型旋风筒。 洪堡旋风预热器见图1 2 。四级旋风预热器高度约为5 0m ( 从项部喂料入口至 回转窑进料口) ，气体和生料在连接风管中流速为1 5 2 5 m s 。生料在预热器中停留 西安建筑科技大学硕士论文 时间大约为2 5 s 。生料停留时间为它在各级连接风管通过时间及在旋风筒内分离时 间之和。在这段时间内，生料粉由5 0 c 预热至8 0 0 ，而上升废气由1 1 0 0 。c 降至 3 3 0 。 h 桴m u 崦气九u 图1 2洪堡旋风预热器 1 9 6 6 年洪堡型公司开发了大产量双系列旋风预热器系统( 见图1 3 ) ，该设计 从窑进口起到第一级旋风筒，双系列的各单元级旋风筒都是完全独立的。这种设 计思想也逐渐被其它水泥机械供货商接受。 图1 3p y r o c l o n 双系列旋风预热器图1 4 伯力鸠斯多波尔预热器 ( 2 ) 史密斯型旋风预热器 史密斯型限l s m i d t h ) 旋风筒早期结构与洪堡型相近，强调一级筒具有高的分 离效率，因此内筒较长，筒体高度也较大。而四级筒因为温度高，内筒容易烧坏， 所以主张c a 不设内筒。 史密斯公司曾对预热器结构、尺寸、阻力、能耗以及组合与投资成本之间的 关系作了多方面的探讨，力求获得最大经济效益。一是开发了一种高效低阻新型 旋风筒，特点是：入口截面以菱形代替长方形：柱体改为双柱双锥组合：气流入口 角度减小；柱体直径减小；内筒直径加大，插入深度减小等。经模型试验研究证 明，改进后旋风筒流场分布比较合理，因而能保持较高分离效率( 9 0 - - 9 6 ) ， 而阻力损失较低( 每级o 4 _ _ o 5 l ( p a ) ，处理气量比较大。其次，史密斯公司还通过 数学模型计算和实践验证，各级旋风筒分离效率的数值，建议如下匹配较为合适。 西安建筑科技大学硕士论文 h 1 = 9 5 ；h 2 = 9 0 ；h 3 = 9 0 ；h 4 = 9 3 ： 与此同时，该公司十分重视根据工厂条件选择不同规格的旋风筒，以求总体 效益最佳。 ( 3 ) 多波尔型预热器 多波尔型预热器是由德国p o l y s i u s 公司开发，如图1 4 所示。生料在双系列 预热器内进行预热。第三级是一个涡流立筒，生料由两个二级筒下料管送到涡流 立筒的肩部，与第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筒入口。发展这种双系列旋风 筒的目的是减小单体尺寸，提高分离效率。也是为了适应窑的大型化需要。涡流 立筒的设置一方面可以使从两个二级筒来的热生料的均匀性得到改善，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， 涡流立筒又被双进风的旋风筒代替。 图1 5 维达格型旋风预热器图1 6 米亚格型预热器 ( 4 ) 维达格型预热器 德国w c d a g 公司产品，其主要特点有：一方面窑尾至c 4 之间的上升管道作成 变径( 灯笼形) 立管，如图1 5 所示，可防止结皮和强化换热。另一方面是c 3 气 流出口处设有一个涡室，c 1 来的生料先喂入涡室，以加强混合均化。这种预热器 一般阻力比较大，但运行比较可靠。 ( 5 ) 米亚格型预热器 米亚格型预热器( 如图1 6 ) 的特点是预热器最下一级是一个扩大的窑尾烟室， 或称涡流室。在涡流室中一部分生料被上升的窑尾烟气再一次带入第三级旋风筒。 生料再循环延长了它在预热器最热区域内的停留时间，强化了废气对生料的传热。 第二阶段：预分解阶段 伴随着预分解窑的诞生与发展，以至日趋成熟，各种类型的旋风预热器与各 4 西安建筑科技大学硕士论文 种不同的预分解方法相结合，发展成为许多类型的预分解窑。在本阶段中，悬浮 预热窑的发展优势逐渐被预分解窑所替代。但是，预热器系统仍然是非常重要的 一个组成部分。至今各种新型旋风预热器在预分解窑发展的同时，仍在继续发展 完善，发挥着重要作用。 在现在最为广泛的新型干法水泥窑中，与预分解窑配套的预热器系统绝大多 数是类似于最初洪堡型旋风预热器系统的流程结构，都是几级旋风筒的串联，但 都采用了新型低压损型预热器。 存在的问题 不可否认，这些普通预热器系统对水泥生产技术的进步起到了非常积极的作 用，但与此同时仍然有着很多需要解决的问题： ( 1 ) 早期普遍使用的4 级、5 级单系列预热系统，排出的废气温度达 3 5 0 - 4 0 0 * ( 2 。提高单系列预热器热效率的途径之一是增加预热器级数。但是增加预 热器级数需要构筑更高的框架，并且系统阻力大、电耗高。 ( 2 ) 近年来，水泥生产设备单机向大型方向发展，如果仍采用单系列预热预 分解系统将有两点不利：预热器单体的结构尺寸过大，相应的建筑物框架高度也 需增加；分离效率随旋风筒结构尺寸增大而下降，飞灰量增多。 ( 3 ) 平行双系列和平行多系列预热预分解系统克服了单系列的缺陷，允许大 型回转窑的窑外预热预分解系统采用较低的建筑物框架高度，使用规格较小的旋 风预热器。然而这类平行系列中每一列仍保持单系列的结构与气流料流特征，系 统排出废气温度偏高仍是它的缺点。 1 3 高固气比预热预分解技术的理论优势及其实现途径 旋风预热器是较为理想的气固换热设备，其热效率受诸多方面影响。西安建 筑科技大学粉体工程研究所导出了高固气比预热的系统的理论【1 1 。该理论指出提高 预热器单体的固气比能使物料从热气体中获得更多的热量，即使预热器的热效率 提高。也就是说，固气比是影响悬浮预热器热效率的一个重要因素。在理想状态 下，理论分析得到的热效率与固气比的关系如下图1 7 。 由图1 7 可见，提高预热器单体的固气比是提高热效率的有效途径。现有的串 联多级预热器系统中，固气比绝大多数小于1 0 。因为粉体预热器往往是作为回转 窑或反应器的余热利用装置。粉体加入量往往受窑产量、燃烧产物生成量所限制。 获得高固气比的技术措施是这一理论能否应用于实践的前提。现有方案将窑尾热 气流均等地通过平行的预热器上升。全部粉体被引导从一个系列到另一个系列交 替通过。也就是物料以串流形式依次通过旋风筒，即串行料流交叉进入多股平行 气流。因此，在保证全系统固气比不变前提下，可使每个预热器的固气比提高数 倍。这样便提高了预热器单体的换热效率，从而大幅度提高系统的热效率。开展 西安建筑科技大学硕士论文 对多系列高固气比预热器系统热效率的理论研究，可以为新型预热器系统的开发 提供理论依据。 零 慕 糌 获 崧 固气比z k g 科k g 1 气 图1 7 预热器的热效率与固气比的关系 基于高固气比理论的优势，西安建筑科技大学粉体工程研究所研究人员经过 多年研究，开发出具有自主知识产权的高固气比双系列预热预分解技术，这技术 先后在不同规模水泥回转窑上推广使用，取得成功。图1 8 所示为普通双系列与高 固气比双系列旋风预热预分解系统的对比。 普通双系列 高固气比双系列 图1 8 普通双系列与高固气比双系列旋风预热预分解系统的对比 交叉双系列旋风预热器中并行气流与并串结合料流相结合，旋风预热器中的 固气比可以提高到1 6 以上。系统排出废气温度较普通系统大幅度降低。 西安建筑科技大学硕士论文 1 4 本课题的研究目的、内容及技术路线 社会的可持续发展、企业的生存和小康社会的建设需要水泥工业进一步节约 能源与资源，保护环境，降低生产成本以应对市场竞争。在分析了传统型预热器 系统的局限性以及高固气比理论的优势之后，进一步优化高固气比旋风预热预分 解窑，正是一条走向可持续发展的研究途径。若能成功，必将在节能环保方面取 得收益，同时也能增强企业的市场竞争力。 本课题的研究目的就是在优化旋风预热器单元阻力性能的基础上，进一步开 发研究三系列高固气比旋风预热器系统，使开发的新型预热器系统结构合理，运 转稳定。 围绕课题目的，本课题的研究内容包括： ( 1 ) 分析旋风简单体的阻力特性进行，找到合适的减阻方法，并对找到的减 阻方法进行较为深入的试验研究，分析旋风筒在实行减阻方法后性能随入口风速 和固气比的变化情况； ( 2 ) 研究提升管段的压降情况，分析入料点的变化对提升管、旋风器阻力损 失造成的影响。 ( 3 ) 对开发的三系列高固气比旋风预热器系统结构模型进行冷态模型试验， 分析系统阻力损失构成以及系统整体的运转性能。 本课题主要采用基于相似理论的试验室冷态模型试验方法来进行分析研究， 采用l a b v i e w 数据采集系统及时便捷地采集试验数据。 西安建筑科技大学硕士论文 2 冷态模型试验方法 2 1 冷态模型试验原理 冷态模型试验是研制开发新型装备和研究改进在线生产装备的重要手段。在 研制开发工作中，由于新装备尚未投入生产或者在实际生产中，在线装备在热态 运行中某些重要参数难以直接测定，这都需要通过冷态模型试验，结合反求工程 计算加以解决h 1 。工程上许多问题的解决，都是先做模型试验，然后应用到实际工 程中去，但是模型试验要以相似理论为指导。 本课题所要做的试验主要是测试冷态下模型的压力性能和气固分离特性，因 此要保证模型与原型的流体流动相似。而在几何相似设备中，只要流动达到第二 自模化区( 以流体阻力系数恒定为判据) ，则模型的雷诺准数胄p 就不一定与实物 的如相等嘲。而实际经验也表明网，对于水泥生料预热和预分解系统来说，多数 情况下用与实物设备几何相似模型，在自模化区域内模拟实物的流动状态和压力 损失，有着相当的可信度。 2 2 冷态模型试验台的设计 基于课题研究目的及内容，试验台设计要满足试验要求。图2 1 即为设计的 酪藁缔声。胗j 声一 寸一1 经 ， 7r鲶 u潞。 l ： k 三7 r 一 ：璺 一 ：冀：喂 j 翁一i 一 压 苗翥陌 ：节量：集 力 变：料 信 ：节 号 化- 控制与数据采集系统 l 一一- 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一。一一一一一一一一一j 图2 1 试验装置示意图 西安建筑科技大学硕士论文 表2 1 试验台设备、构件及其功能介绍表 序号名称 备注 l 调速电机 带动绞刀转动 2 螺旋给料机 连续给料的作用 3 喂料斗事先放置在其中足够的物料以备试验所需 4 喂料管物料通过它进入试验模型 5 喂料处电子秤跟数据采集系统相连，采集给料量的变化 旋风筒单体模型或者三系列旋风预热器系统模 6 试验模型系统型，其上压力测点处压力信号通过差压传感器连 接到数据采集系统 7 集料斗收集物料 8 集料处电子秤跟数据采集系统相连，采集集料量的变化 9 袋收尘器试验系统的收尘 1 0 引风机提供试验系统的动力，负压抽风 1 1集风管 大气从集风管中集结进入试验系统 试验在负压条件下进行。物料从喂料斗经螺旋给料机均匀地进入喂料管。喂 料速率受调速电机控制。物料进入试验旋风器所用模型系统，固体颗粒从气流中 实现分离。分离下来的物料由集料斗收集。未被分离的粉尘随气流进入袋收尘器。 收尘后的气流经过引风机排出系统。 2 3 试验检测系统 试验中的检测系统包括传感器系统( 差压传感器、电子秤) 、数据采集系统。 差压传感器 试验采用压阻式微差压变送器，由西安中飞航空传感技术有限公司生产的 z f 3 8 0 6 系列产品。这种类型微差压变送器是一种小型压力变送器，精确地测量微 差压力，并输出一个成比例的4 , - 2 0 m a d c 信号。它采用国际上先进的硅压阻式压 差传感器组件和组装技术。 试验之前要对所用传感器进行准确标定。较小量程的传感器( 比如5 0 0 p a ) 用 斜管微压计( 型号：y y t - 2 0 0 0 b ) 来标定。较大量程的传感器( 2 5 0 0 p a 、5 0 0 0 p a ) 用u 型压力计来校准标定。 电子秤 试验中采用的喂料电子秤和集料电子秤型号分别为c a 3 0 0 和c 1 5 0 1 0 a ，属上 海凯士公司生产的c i 系列工业电子台秤及仪表，量程分别为3 0 0 k g 、6 0 k g 。使用 前采用实物标定。 9 西安建筑科技大学硕士论文 数据采集系统介绍 本课题试验研究采用美国n i 公司开发的l a b v i e w 数据采集系统。主要考虑到 此套系统的诸多优点：实时、便捷，可以自由编写界面程序( 虚拟仪器v i r t u a l i n s t n l m e n t i o n ) 从而取代真实的仪表仪器。下面简单对此采集系统做一下介绍。 对于所说的虚拟仪器，它是基于计算机的仪器，实际上是一个按照仪器需求 组织的数据采集系统。下面的框图2 2 反映了虚拟仪器方案。 圈日罔日图日图日 图2 2 虚拟仪器方案框图 l a b v i e w 的开发环境分为三部分：前面板( p a n e l ) 、框图程序( d i a g r a m p r o g r a m m e ) 和图标连接端口( i c o n t e r m i n a l ) 。前面板就是图形化用户界面， 用于设置输入数值和观察输出量。在前面板中，输入量被称为控制( c o n t r 0 1 ) ，输出 量被称为指示( i n d i c a t o r ) ，它们通过各种图标如按钮、旋钮、开关、图表等出现 在前面板上，模拟真实仪器。框图程序由节点( n o d e ) 和数据连线( w ) 组成。它 利用图形语言对前面板上的控制对象即输入量和输出量进行控制。节点用来实现 函数和功能调用。数据连线表示程序执行过程的数据流。它定义了程序框图内的 数据流动方向。图标连接端口用于把l a b v i e w 程序定义为一个子程序，从而实现 模块化编程。图标是子程序在其它程序框图中被调用的节点表现形式。连接端口 则表示节点数据的输入、输出口。 l a b v i e w 具有三个可移动的图形化工具模板：工具模板( t o o l sp a l e t t e ) 、控件 模板( c o n t x o l sp a l e t t e ) 和功能模板( f u n c t i o np a l e t t e ) 。工具模板提供了用于图形 操作的各种工具，比如定位、标注、断点、连线、文字注释等。控件模板提供了前 面板编辑所需的图像图标、一些特殊的图形。功能模板则提供了一些基本的数学 函数和其他功能函数。这三个模板是l a b v i e w 编程的主要工具。 数据采集( d a t aa c q u s i t i o n ) 是所有测试测量的首要工作。试验测试产生的物 理信号通过传感器转换为电压或者电流一类的电信号。然后数据采集卡将电信号 采集传入p c 机，借助软件控制数据采集卡进行数据分析、处理。图2 3 给出了数 据采集系统的结构。在数据采集之前，程序将对采集板卡初始化，板卡上和内存 中的b u f f e r 是数据采集存储的中问环节。 西安建筑科技大学硕士论文 图2 3 数据采集系统结构示意图 以上简单介绍了l a b v i e w 数据采集系统基本原理。结合本课题中涉及到试验 的具体情况，编写了l a b v i e w 数据采集系统的程序。如图2 4 给出了前面板的例子 程序背后控制流程的后面板程序图，图2 5 给出了背后控制流程的后面板程序图。 其中涉及的每个具体控件，由于篇幅，可以查阅相关书籍川，嘲，在此不一一赘述了。 图2 4前面板界面图例 2 4 试验测试方法 系统处理风量 系统进口圆锥管道，如图2 6 所示，是为了在系统风管进口段设置静压环。利 用此差压传感器所测得的系统进口静压，结合系统管道直径喀便能进行系统风量 计算。而通过风量便可以换算出旋风筒入口风速。( 注：须对静压值与入口风速的 关系做事先标定) 西安建筑科技大学硕士论文 图2 5后面板流程控制程序图例 1 2 西安建筑科技大学硕士论文 2 l 图2 6 系统集风管进口结构 其计算原理【9 堤：对于集风管入口处，气体由大气中流入管道。大气中的流动 也是气流的一个部分，它的压强在距离集风管喇叭口相当远处，流速接近零处才等 于零，取为1 一l 断面。2 2 断面为静压环断面。设2 _ 2 断面处风速为1 ，静压 环所测静压为p 取1 1 、2 2 断面写能量方程：o + 0 印v 2 2 + p 则有：p = - p v 2 2 根据上式通过己测得的静压值便可以求得管道风速，进而根据管道直径求得 系统风量。系统处理风量可以通过调节引风机配套动力配电箱处的旋钮来控制。 固气比 试验通过螺旋给料机喂料，并通过调节电机转速来改变给料流量的大小。固 气比即是系统喂入的生料质量流量( 单位k g s ) 与处理气体的质量流量( 单位k g s ) 的比值。反映在试验中，在采集时间内，采集系统采集到的给料处电子秤数据随 时间变化率就是系统喂入的生料质量流量。 压降 系统在运转稳定后，通过差压传感器将压力信号转化成电流或者电压信号， 再经过数据采集系统进行在线采集。 分离效率 分离效率就是在试验的时间段内，集料斗中收到料的质量与系统在此段时间 内喂入料的质量的比值。在本试验系统中，可以这样计算：在采集时间内，集料 处电子稃数据随时间变化率与给料处电子秤数据随时闻的变化率比值。 2 5 试验原理及流程 基于l a b v i e w 数据采集系统，本研究具体采用的试验系统原理框图2 7 如下 西安建筑科技大学硕士论文 匣固 r 警一 数 据 存 储 弋 7 试验结果数据处 理与分析 鬯 图2 7 试验系统原理框图 试验操作流程 在设计好的试验台系统中，安装要做的试验模型 根据试验所需安装传感器以及配套的数据采集系统，标定所需电子秤、压力传 感器的系数。 按试验需求编写l a b v i e w 程序，设置合适的参数( 采样频率、采集时问等) 。 调试系统，检查试验系统是否漏风，并开风机检验试验系统是否能正常运转。 正式进行试验，通过数据采集系统实时采集数据，并观察试验现象。 将采集到的数据进行处理分析 2 6 试验方案 试验在常温下进行，所用物料均采用陕西某水泥厂生料粉，其平均粒径为 2 叽m 。在试验之前均过筛以除去杂物及一些大颗粒。 在后续的第三章、第四章，将分别作旋风器单体、提升管以及三系列旋风预 热器系统的冷态模型试验，因此试验方案放在其所在章节来具体介绍。 西安建