提高旋风预热器换热效率的分析

　　悬浮预热器是实现气（废气）、固（生料粉）之间的高效换热，提高生料温度，降低排出废气温度的，有旋风预热器和立筒预热器两种，现在水泥行业主要以旋风预热器为主。
　　1.旋风预热器的工作原理
　　旋风预热器由若干级换热单元组成，每级换热单元都是由旋风筒及其联接管道构成。生料从第1级和第2级旋风筒之间的联接管道加入，被上升气流冲散，使其均匀的悬浮于气流之中。此时进行的是对流换热，由于悬浮状态下气、固接触面积很大，对流换热系数较高，所以换热速度极快，完成换热只需0.02~0.04s之后，气流携带生料粉沿切向高速进入第1级旋风筒C1，被迫在圆筒体与排气管之间的圆柱内呈旋转运动状态。从圆筒体到锥体，气流一边旋转，一边向下运动，直到锥体的顶部，气流被反射向上旋转，最后从排气口排出，而生料粉则从锥体顶部进入到C2和C3的联接管道，然后再次被携带到C2进行气、固分离。以此类推，生料粉依次通过各级旋风筒及其联接管道。在进入最后一级旋风筒前，生料进入分解炉完成大部分的CaCO₃分解，分解后的生料再与废气一起进入最后一级旋风筒，完成气、固分离，生料最后进入回转窑煅烧。
　　2.旋风预热器的效率指标
　　衡量预热器系统气、固之间换热效果有两个效率指标，热优良度和换热效率。在旋风预热器系统中，二者相比，换热效率的使用要多一些。
　　热优良度：生料在预热器系统内温度的实际升高值与废气及生料进入预热系统时原始的温度差之比。
　　换热效率：生料出预热器系统所获得的热量与输入到预热器系统总热量的百分比。

　　本次主要对换热效率的影响因素进行分析并归纳出提高热效率的有效措施。
　　3.影响旋风预热器换热效率的因素
　　由于影响旋风预热器热效率的因素很多，而且相互之间有较密切的联系，某一因素的影响可用另一因素的影响解释，所以粗略总结以下几点，并查阅相关较新的研究数据（2010年后）用以直观分析：
　　（1）粉料的悬浮效率
　　由单元换热的工作原理可知,在旋风预热器中,气固之间热交换量的80%甚至90%是在旋风筒入口管道内瞬间进行的,前提条件是粉体物料充分均匀分散悬浮于气流中。粉体物料成 股地从加料口加入,由于惯性, 有一个向下的冲力,当遇到由下向上的气流时,部分物料被气 流冲散带起向上悬浮于气流中,部分料股中间的物料继续下冲,又被下面的气流冲散,转而向上悬浮。如果较大料股中间的粉料或料团,在下冲一定距离后仍不能被冲散浮起,一旦离开下级的内筒,由于气体流速锐减,这部分物料将不能悬浮,失去了在上级筒中的预热机会,这样将降低物料的预热效果。
　　悬浮效率的定义: 加入物料被气流冲散浮起进入该级旋风筒的质量百分数,以字母E表示：E=(m₂+f₂- f₁)/m₁。

　　上图表示五级旋风预热器中悬浮效率与物料平均温度和出口气体温度的关系图。可见旋风筒加料时的悬浮效率直接影响到物料的整体预热效果。
　　为了使物料充分预热,提高旋风预热器系统的热效率,使物料迅速充分均匀悬浮必须采取以下措施:合理选择加料位置(靠近进风管的起端);合理选择管内风速（>15m/s）;在喂料口加装撒料装置;保证来料均匀。
　　（2）系统固气比（Z）
　　理论研究表明，当Z<2时，气、固换热效率随Z值增加而升高，且非常敏感：当23.6时，Z值增加换热效率反而降低。普通的预热器内的固气比在1以下（0.8~0.9），现在有一种新型方法为交叉料流法可使Z值达到2左右。

 　　固气比控制在2左右为宜，但一般生产中受窑产量等指标限制，单纯控制生料加入量来提高固气比意义不大，可间接控制，下面将作介绍。
　　（3）旋风预热器的系列数和级数
　　在现有的串联多级旋风预热器系统中，固气比大多小于1，由于粉体加入量受窑产量等限制，单纯地提高系统固气比较难。所以，将进入预热器的气体分成均等的气流通过并行的多系列预热器，全部粉料从一个系列到另一个以串流形式通过所有旋风预热器。在系统固气比不变的前提下，使每个旋风预热器单体的固气比提高，这样就提高了每个单体的换热效率，从而大幅提高系统的热效率。

　　左图表示单级旋风预热器热效率与系列数的关系。由图可知:系列数增加,系统热效率增加。由单系列到双系列,热效率增加48%;若系列数每再增加1列,热效率增幅<2%,增加的幅度较低。右图表示单级旋风预热器物料温度、气体温度与系列数的关系。由图可知,增加预热器系列数,物料温度升高,气体温度下降。由单系列到双系列,出口气体温度下降约45℃, 再增加系列数,物料和气体温度变化缓慢。由此可知,对于多系列旋风预热器系统而言,双系列预热器系统比较经济。
　　旋风预热器系统往往需要若干个换热单元相串联，串联级数越多，换热效果越好，但整个系统的流体阻力也会相应增大，电耗也会随之增加。有研究数据表明，对于单系列旋风预热器，系统由3级变为4级时，热效率增加5%，4级变为5级时，热效率增加3%，5级变为6级时，热效率增加约2%，之后再增加级数，热效率增加小于1%。增加级数会提高系统阻力，增加电耗，增加窑尾高度，增大一次性投资，所以单系列级数最好在5~6级。

　　最早的旋风预热器是四级旋风筒，随着科技的发展，目前现代化新型干法窑的预热器系统大多采用五级、六级。
　　（4）气、固相的分离效率
　　气、固相的分离效率如果不高，不仅会增加最上一级出口废气中的含尘浓度，因而增加后面收尘器的负担，更重要的是降低各级换热单元的传热效率，从而大幅度的降低整个系统的换热效率。

　　上图是一个五级旋风预热器的热效率随各级旋风筒的分离效率变化关系。从图可以看出,随着分离效率的增加,系统热效率相应提高,在分离效率较低时,增幅更加显著。对比各条曲线,可以看出对于第一级旋风筒,在分离效率变化的整个区间内,系统热效率变化明显,尤其是当分离效率<6.0时，分离效率极大地影响着系统的热效率。对于其他各级旋风筒,在分离效率>6.0时,对系统热效率的影响基本相当;在分离效率<6.0时,从第二级旋风筒到第五级旋风筒的分离效率对系统热效率的影响程度逐渐减弱。
　　提高分解效率的具体措施有：
　　a.旋风筒的直径  在其他条件相同时，筒径较小时，分解效率较高；
　　b.旋风筒进风口的型式和尺寸进风应以切向入筒，减少涡流干扰，进风口宜采用矩形，进口尺寸应使进口风速在16~22m/s之间；
　　c.排气管的尺寸及插入深度一般排气管直径较小，插入较深，气分离效率较高；
　　d.旋风筒的高度  一般增加旋风筒的高度有利于提高分解效率；
　　e.旋风筒入口风速它将影响气料分离力的大小，风速过大过小都不好，最好在18~20m/s之间
　　（5）漏风的影响
　　旋风预热器的漏风分内漏风和外漏风。内漏风是下一级的废气通过锁风不严的翻板阀,自旋风筒出料口倒流入上一级旋风筒,它虽不增加系统总风量,但超过一定限度时,将对该筒的分离效率有明显影响,内漏风量过2%时,旋风筒的分离效率开始明显降低,将引起系 统热效率的降低。外漏风是从预热器系统之外进入预热器系统之内的冷空气，冷空气漏入不但会降低热气流温度,还会降低固气比。冷空气的漏入虽能使预热器出口气流温度下降，但由于气流量增加,其带走的热量(热损失)却是增加的。
　　下图是三级单、双系列外漏风对系统热效率的影响。随着外漏风系数增大,单、双系列热效率下降,热效率下降与漏风系数基本呈线性关系,漏风系数每增加2%,热效率下降约1%。当漏风系数为10%时,与不漏风相比,热效率下降为5%。因此应加强设备管理,严防冷空气的漏入,以免降低系统热效率和增加系统处理风量。

　　4.结论
　　根据以上对旋风预热器热效率的综合研究分析,得出以下结论:使物料迅速充分均匀悬浮;提高固气比值接近2；对于水泥行业所使用的单系列旋风预热器系统,级数5~6级为宜，不超过六级；强化物料分散；严防系统漏风。