預(yù)熱器系統(tǒng)降阻節(jié)能改造原理研究及工程實(shí)踐

潘小平

（溧水天山水泥有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引言

溧水天山水泥有限公司燒成系統(tǒng)采用了南京院設(shè)計(jì)的五級(jí)雙系列旋風(fēng)預(yù)熱器、管道式在線(xiàn)分解爐、Ф4.8 m×74 m回轉(zhuǎn)窯、第四代冷卻機(jī)等設(shè)備。目前熟料產(chǎn)量6 400 t/d左右，燒成熱耗759.5 kcal/kg.cl，燒成系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)總體運(yùn)行正常。為進(jìn)一步節(jié)能降耗，以及為適應(yīng)協(xié)同處置生活垃圾后燒成系統(tǒng)的一些工況變化，擬對(duì)燒成系統(tǒng)做一次技術(shù)改造。

1 預(yù)熱器降阻理論分析

1.1 降阻的理論分析

預(yù)熱器的阻力來(lái)自各級(jí)旋風(fēng)筒的壓力損失，壓力損失越少，系統(tǒng)阻力就越小，壓力損失越多，系統(tǒng)阻力就越大。壓力損失是氣體介質(zhì)在流經(jīng)旋風(fēng)筒的過(guò)程中形成的動(dòng)量損失，其大小直接影響熟料燒成過(guò)程中的成本和經(jīng)濟(jì)效益。旋風(fēng)筒的壓力損失取決于旋風(fēng)筒內(nèi)部尺寸、結(jié)構(gòu)形式、內(nèi)壁粗糙程度，其數(shù)學(xué)模型關(guān)系見(jiàn)式（1）。

式中：ΔP—旋風(fēng)筒壓力損失，Pa；ξ—阻力系數(shù)，是旋風(fēng)筒進(jìn)出口截面積、漩渦指數(shù)、內(nèi)壁表面粗糙度的函數(shù)，無(wú)量綱；ρ—進(jìn)入旋風(fēng)筒的混合流體的密度，kg/m3；u—混合流體進(jìn)入旋風(fēng)筒的風(fēng)速，m/s；f（Ci）—混合流體中物料濃度對(duì)壓力損失的修正函數(shù)，是氣體密度的正比例函數(shù)，無(wú)量綱。

從式（1）可以看出，降低旋風(fēng)筒進(jìn)口風(fēng)速，是降低旋風(fēng)筒阻力的有效途徑。本項(xiàng)目在技術(shù)改造采取措施如下：

（1）外擴(kuò)蝸殼。外擴(kuò)C2～C5旋風(fēng)筒蝸殼以增大進(jìn)風(fēng)口面積。相應(yīng)的旋風(fēng)筒連接風(fēng)管作局部改造，在適當(dāng)降低風(fēng)速、減少阻力損失的同時(shí)，增大進(jìn)口氣體的旋轉(zhuǎn)動(dòng)量矩，提高各級(jí)旋風(fēng)筒的分離效率及系統(tǒng)熱效率。改造后的旋風(fēng)筒如圖1所示。

圖1 旋風(fēng)筒改造示意

（2）改造預(yù)熱器內(nèi)部的水平段。在原有進(jìn)風(fēng)口水平段底部增加斜板，消除旋風(fēng)筒進(jìn)風(fēng)口水平段，減少積灰，提高系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性，降低阻力，提高分離效率。

C1氣體的溫度低、密度大，旋風(fēng)筒阻力大，同時(shí)C1的分離效率對(duì)出系統(tǒng)的飛灰量影響至關(guān)重要，考慮到公司即將協(xié)同處置生活垃圾、危廢和運(yùn)行狀況，為保證C1的分離效率，并盡量降低C1的阻力，本次技術(shù)改造擬整體更換C1筒，本體直徑由原來(lái)的4～5.0 m改為4～5.6 m，相應(yīng)C2至C1連接風(fēng)管局部改造，C1出口風(fēng)管局部重新設(shè)計(jì)，直徑加大。

1.2 降阻對(duì)分離效率的影響分析

預(yù)熱器系統(tǒng)各級(jí)旋風(fēng)筒的分離效率直接影響系統(tǒng)內(nèi)的物料分布和換熱效率，通過(guò)水泥工業(yè)大量的理論研究和工程數(shù)據(jù)分析，旋風(fēng)筒的分離效率用數(shù)學(xué)語(yǔ)言可以表達(dá)為式（2）。

式中，η總—總分離效率，%；ηi—任意粒徑的某顆粒分離效率，%；K，θ—旋風(fēng)筒內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)系數(shù)，無(wú)量綱；dp—顆粒粒徑，mm；dp∞—顆粒粒徑中的最大值，mm；f（dp）—顆粒粒徑分布函數(shù)，無(wú)量綱。

從公式（2）可以看出，旋風(fēng)筒的分離效率影響因素復(fù)雜，當(dāng)進(jìn)口顆粒粒徑分布穩(wěn)定，且固氣比一定時(shí)，旋風(fēng)筒的高徑比越大、內(nèi)筒高度越大、氣體溫度越低，則分離效率越高；但當(dāng)入口風(fēng)速小于18 m/s時(shí)，進(jìn)口風(fēng)速越大，分離效率越高。然而，本項(xiàng)目為了降低旋風(fēng)筒的阻力，降低了旋風(fēng)筒入口風(fēng)速，且各級(jí)旋風(fēng)筒入口風(fēng)速小于18 m/s，即如果蝸殼直徑不變的情況下，相當(dāng)于降低了粉塵顆粒在旋風(fēng)筒內(nèi)的線(xiàn)速度，使得顆粒進(jìn)入蝸殼后的旋轉(zhuǎn)動(dòng)量矩降低，從而降低收塵效率。在本項(xiàng)目的技術(shù)改造過(guò)程中，因降低入口風(fēng)速而引起收塵效率小幅下降，適當(dāng)加大了旋風(fēng)筒的蝸殼尺寸，確保顆粒進(jìn)入旋風(fēng)筒后有著較高的動(dòng)量矩，從而最終確保分離效率。

旋轉(zhuǎn)動(dòng)量矩是表征顆粒在旋風(fēng)筒內(nèi)旋流強(qiáng)度的重要參數(shù)，也是確保分離效率的關(guān)鍵參數(shù)，其基本定義如式（3）所示。

式中，L—顆粒的旋轉(zhuǎn)動(dòng)量矩，kg/(m·s)；u—切向速度，m/s；r—起始徑向半徑（蝸殼半徑），m；ρ—?dú)怏w密度，kg/m3。

從式（3）可以看出，當(dāng)顆粒切向速度降低時(shí)，增大蝸殼直徑，同樣可以確保動(dòng)量矩的不變，從而確保旋風(fēng)筒的分離效率，本項(xiàng)目技術(shù)改造設(shè)計(jì)過(guò)程中，在有限的結(jié)構(gòu)空間內(nèi)，盡可能地增大蝸殼尺寸，從而在旋風(fēng)筒入口風(fēng)速降低的前提下，提升收塵效率。

1.3 降阻對(duì)換熱效率的影響分析

旋風(fēng)筒在預(yù)熱器內(nèi)的主要任務(wù)是完成氣固分離，其換熱量?jī)H占預(yù)熱器系統(tǒng)總換熱量的20%左右。本次技術(shù)改造，通過(guò)改變旋風(fēng)筒入口風(fēng)速，從而增加了生料粉在旋風(fēng)筒內(nèi)的停留時(shí)間，有利于氣固換熱，但影響換熱效率的關(guān)鍵參數(shù)是固氣比，即生料粉與熱氣流的比例。大量數(shù)據(jù)表明，增加預(yù)熱器系統(tǒng)內(nèi)的固氣比，能顯著提高氣固換熱效率。圖2是固氣比與換熱效率的關(guān)系，從圖2中可以看出，在氣體流量（窯尾廢氣量）一定、旋風(fēng)筒入口風(fēng)速一定的前提下，適當(dāng)增加喂料量反而有利于提高換熱效率，這也為本技術(shù)改造項(xiàng)目的提產(chǎn)創(chuàng)造了條件。

圖2 旋風(fēng)筒固氣比對(duì)換熱效率的影響

影響旋風(fēng)筒換熱效率的另一個(gè)因素是返混度，返混度是反映物料在流經(jīng)某一容器時(shí)停留時(shí)間的離散程度，返混度是停留時(shí)間的無(wú)因次函數(shù)。返混度越高，換熱效率越低，而在某個(gè)風(fēng)速范圍區(qū)間內(nèi)，風(fēng)速越低，返混度越小。因此，適當(dāng)降低旋風(fēng)筒進(jìn)口風(fēng)速，有利于降低返混度，也有利于氣固傳熱。

此外，本技術(shù)改造項(xiàng)目增大了預(yù)熱器旋風(fēng)筒和分解爐的總外表面積，但分解爐采用納米板，降低了分解爐本體散熱，據(jù)統(tǒng)計(jì)對(duì)比，筒體表面溫度較硅酸鈣板下降15°，降低了散熱量。

2 分解爐擴(kuò)容理論分析

本項(xiàng)目技術(shù)改造前分解爐爐容約2 050 m3，熟料產(chǎn)量6 400 t/d，爐內(nèi)氣體停留時(shí)間約為5.2 s，增加分解爐的爐容，增加煤粉在爐內(nèi)的燃燼率、后續(xù)可燃垃圾在爐內(nèi)的燃燒和利于碳酸鹽的分解，也為后續(xù)熟料產(chǎn)能的提升提供潛力。分解爐是燒成系統(tǒng)的核心裝備，其主要功能是為煤粉燃燒和碳酸鹽分解提供場(chǎng)所的反應(yīng)器，截面風(fēng)速和停留時(shí)間是設(shè)計(jì)分解爐的兩大重要參數(shù)。

煤粉燃燼所需的時(shí)間，與煤粉粒徑、溫度、氧氣分壓等參數(shù)有關(guān)，計(jì)算過(guò)程較為復(fù)雜，通常分解爐內(nèi)的煤粉燃燼率達(dá)到100%時(shí)約需要1～2 s。分解爐內(nèi)的碳酸鹽主要是指碳酸鈣，還有少量碳酸鎂，根據(jù)碳酸鹽分解反應(yīng)的縮核模型和熱力學(xué)條件，可以推導(dǎo)出碳酸鹽分解反應(yīng)所需的時(shí)間，見(jiàn)公式（4）。

式中，τ—碳酸鹽分解時(shí)間，s；dp—碳酸鹽顆粒平均粒徑，m；PCO2、PCO20—分解爐內(nèi)CO2氣體的分壓和飽和分壓，Pa；k—反應(yīng)動(dòng)力學(xué)常數(shù)，是溫度的函數(shù)，無(wú)量綱；Φ—碳酸鹽縮核分解率，%。

從公式（4）可以看出，強(qiáng)化碳酸鹽分解的措施有三個(gè)：①提高爐內(nèi)反應(yīng)溫度；②降低爐內(nèi)CO2分壓或濃度；③降低生料粉的細(xì)度。根據(jù)公式（3）結(jié)合碳酸鹽分解反應(yīng)動(dòng)力學(xué)常數(shù)可以計(jì)算出在880℃、平均粒徑為35μm的碳酸鹽、分解率達(dá)到95%時(shí)，需要的反應(yīng)時(shí)間為5.7 s。

本項(xiàng)目擬在確保分解爐斷面風(fēng)速為8～10 m/s的前提下，增加分解爐的容積，適當(dāng)提高物料在爐內(nèi)的停留時(shí)間，詳見(jiàn)圖3。將分解爐柱體加長(zhǎng)，更換出風(fēng)管，加大直徑，改造后的分解爐爐容約2 700 m3，相對(duì)原分解爐，爐容增加650 m3。同等產(chǎn)量下，分解爐內(nèi)氣體停留時(shí)間為6.8 s，為熟料的提產(chǎn)以及協(xié)同處置生活垃圾可燃物的充分燃燒提供了余量，同時(shí)也降低了分解爐進(jìn)出口的阻力損失，有利于整個(gè)燒成系統(tǒng)的降阻。

圖3 分解爐擴(kuò)容改造示意

3 工程實(shí)踐效果

本次技術(shù)改造完成后，對(duì)比了改造前后預(yù)熱器分解爐的相關(guān)壓力參數(shù)，具體結(jié)果見(jiàn)表1。從表1可以看出，預(yù)熱器出口負(fù)壓下降了1 100 Pa左右，從預(yù)熱器出口到煙室的壓差由改造前的5 659 Pa下降至4 753 Pa，降阻效果明顯。此外，對(duì)預(yù)熱器出口的含塵濃度也進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試，改造前的含塵濃度為85 g/Nm3左右，改造后的含塵濃度為30 g/Nm3左右，達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平，本次旋風(fēng)筒和分解爐的結(jié)構(gòu)改造，大幅提升了收塵效率。

表1 技術(shù)改造前后預(yù)熱器負(fù)壓情況

4 結(jié)論

（1）在確保收塵效率和換熱效率的前提下，本項(xiàng)目的降阻效果十分明顯，且能確保熟料產(chǎn)質(zhì)量以及燒成系統(tǒng)的其他工藝參數(shù)的穩(wěn)定。

（2）旋風(fēng)筒進(jìn)出口壓差、換熱效率、分離效率，以及各級(jí)旋風(fēng)筒的串并聯(lián)等因素，相互制約相互關(guān)聯(lián)，必須經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的理論計(jì)算才能平衡好各影響因素，從而取得節(jié)能降耗的總體效果。

（3）本次技術(shù)改造還對(duì)翻板閥、撒料箱、澆筑料等裝備和材料的形式做了改進(jìn)，總體也有利于燒成系統(tǒng)的降阻。

（4）從技術(shù)改造后的總體效果來(lái)看，可以達(dá)到以下指標(biāo)：產(chǎn)量提升至6 700 t/d，單位熟料標(biāo)準(zhǔn)煤耗降低1 kg/t.cl，同等產(chǎn)量及條件下，預(yù)熱器系統(tǒng)阻力降低大于1 000 Pa，單位熟料電耗降低0.5 kwh/t.cl。