弱渦流低阻預熱器節能技術及應用

張松立，馬嬌媚

1 引言

由多級串聯旋風筒組成的預熱器是整個水泥燒成系統的主要阻力來源，預熱器系統阻力是評判其技術水平的重要指標。一些早期投產的水泥生產線，其本身的預熱器阻力高，高溫風機電耗也高，隨著生產線產量的提升，預熱器阻力也隨之上升，制約了系統的優化升級。通過對預熱器進行技術改造，可有效降低窯尾預熱器的系統阻力，減少高溫風機運行負荷，有效降低系統電耗，為企業進一步節能降耗創造條件。

2 預熱器技術現狀

預熱器阻力主要來自于旋風筒，旋風筒是利用旋轉的含塵氣體所產生的離心力，將塵粒從氣流中分離出來的一種氣固分離裝置。此類裝置結構簡單，操作方便，氣固分離效率高，價格低，適用于凈化＞5μm的非粘性、非纖維性的干燥粉塵。

在水泥生產過程中，喂入預熱器內的生料細度一般80μm篩篩余≤25%，200μm篩篩余≤3%。單級旋風筒的阻力一般在800～1 500Pa，個別超產幅度較大的生產線阻力＞2 000Pa。整個預熱器系統的五級預熱器的阻力＞5 000Pa，六級預熱器的阻力＞6 000Pa甚至＞9 000Pa。很多早期設計的生產線的高溫風機電耗＞10kW·h/t.cl。

為有效降低系統阻力，提出了錐體擴徑結構旋風筒，增加膨脹倉、導流板，改變蝸殼形式等改進措施，但采用這幾種方式后，預熱器結構變得復雜，部件易于損壞。同時，嘗試將預熱器的選型增大1～2個級別，如5 000t/d生產線采用6 000t/d生產線預熱器，按此操作后，雖然阻力降低了，但預熱器塔架及設備成本明顯提高，預熱器出口粉塵濃度＞100g/Nm3，高時達200g/Nm3，分離效率降至90%以下，燒成系統回灰量大，內循環增多，帶走的熱焓較多，進而造成整個燒成系統熱耗和電耗大幅度提升。采取以上幾種改造方式，均未獲得理想的改造效果。

3 弱渦流低阻旋風筒技術介紹

高性能旋風筒需具備高分離效率和低阻力損失兩大顯著特征。旋風筒分離效率高，則旋風筒出口氣體中粉塵含量低，系統熱損失少；旋風筒阻力損失小，則高溫風機負荷低，電耗低。

在旋風筒的設計研發過程中，高分離效率和低壓力損失是一對相互制衡的指標。在以往的實際應用中，為了使旋風筒保持較高的分離效率，經常犧牲一部分壓力指標，否則大幅度降低其阻力往往影響其分離效率，進而影響旋風筒的正常工作性能。因此，在保證分離效率的前提下，開展對阻力損失更小的旋風筒的研究，對于預熱預分解系統整體性能的提升具有重要意義。

如圖1所示，本文介紹的弱渦流低阻旋風筒，其蝸殼體采用等高度變角三心270°大蝸殼螺旋結構，三個不同半徑的圓弧平順連接，可將氣流平穩引入旋風筒，物料在慣性力和離心力的作用下達到筒壁，有利于物料分離效率的提高和旋風筒阻力的降低。旋風筒蝸殼螺旋線采用等高度變角結構，蝸殼體與柱體連接的外側壁與水平方向的夾角為γ，該夾角γ在進風口處為50°，并沿蝸殼螺旋線逐漸增大至90°。

圖1 典型弱渦流低阻旋風筒示意圖

此種結構能有效防止斜坡積料，減少塌料對旋風筒內氣流的干擾。旋風筒蝸殼體采用大蝸殼螺旋結構，進口面積更大，風速更低，有效減少了進口區渦流阻力，阻力損失更低。

通過將弱渦流低阻旋風筒進口寬高比設計為0.35～0.65，氣流入口截面積F與旋風筒柱體橫截面積Fi的比值為0.2～0.4，合理設計了旋風筒的局部風速，降低了旋風筒阻力。旋風筒蝸殼從上至下逐漸增大，對氣流有導向作用，高濃度含塵氣體貼壁旋轉，遇到錐部后折返向上，進入內筒，形成低含塵的氣體回流，固體顆粒被收集進入錐體下料管。

優化后的旋風筒蝸殼體結構有效避免了進口氣流與回流氣體相撞，減少了蝸殼體進口處渦流阻力，提高了分離效率。

4 弱渦流低阻節能技術的改造應用

通過熱工標定測試現有生產線系統阻力，經過熱工計算，在不改變現有塔架的情況下，確定改造方案和技術指標，制定合理的節能技改措施。

4.1 進行熱工標定，計算阻力

采集預熱系統的運行數據和預熱器的結構數據，核算預熱器氣流入口、氣流出口、連接風管的風速，利用回歸公式，初步核算系統提產后的阻力增加幅度。

式中：

ΔF阻——改造后的阻力增加幅度

V改后——連接風管或蝸殼體改造后的進氣速度

V改前——連接風管或蝸殼體改造前的進氣速度

F損——系統原有阻力損失，即氣流入口與氣流出口的阻力差值

以上回歸公式對蝸殼體和風管均適用。

4.2 改造內容

（1）在不改變窯尾框架的情況下，改變蝸殼體、內筒的結構和尺寸，將柱體及蝸殼體整體改造為低阻型非頂級旋風筒，使蝸殼體入口風速盡可能降低至13～17m/s，連接風管風速在18～24m/s。

（2）對于頂級C1旋風筒，因C1旋風筒頂部受框架限制較少，可利用原建筑結構的開孔，對樓面以下（包括改變蝸殼體、內筒的結構和尺寸）不進行改造。

（3）為了加強換熱，進一步降低預熱器出口的溫度，改造配套連接風管和撒料盒，包括擴大連接風管的截面積、改變連接風管形狀、增加連接風管中部縮口，以使連接風管的風速為16～24m/s。

4.3 弱渦流低阻節能技術的應用效果

采用弱渦流低阻節能技術，在不改變預熱器設備規格的前提下，可提升產量，降低阻力，實現較高的分離效率。相對于加大一檔預熱器，減少了一次性投資和系統能耗，避免了加大預熱器規格造成的分離效率降低。

弱渦流低阻節能技術指標見表1。除一級筒以外，各級旋風筒的阻力均＜500Pa，六級預熱器C1旋風筒出口負壓≤4 500Pa，系統分離效率＞95%，高溫風機電耗4～6kW·h/t.cl，燒成系統主機電耗16～18kW·h/t.cl，滿足了二代干法水泥生產技術規范18kW·h/t.cl的電耗指標。六級預熱器相較于常規的五級預熱器，在電耗不增加的前提下，增加了一級換熱，標煤耗降低3～5kg/t.cl。

表1 弱渦流低阻節能技術指標

弱渦流低阻預熱系統阻力比一般的窯尾預熱器低500～1 000Pa，適用于現有生產線的改造升級。表2為南方某廠和廣東某廠采用弱渦流低阻技術在窯尾改造實施前后的效果對比。

由表2可見，采用弱渦流低阻技術在窯尾改造后，預熱器阻力降低1 200～1 600Pa，阻力降低＞10%，系統電耗減少約2kW·h/t.cl。現有水泥生產線的預熱器可以在不用改變土建結構的情況下，用少量的設備投資、較短的停窯時間完成降阻節電改造，減少水泥生產能源消耗和CO2排放。

表2 弱渦流低阻技術在窯尾改造實施前后效果對比

4 結語

（1）弱渦旋低阻旋風筒氣流引入平穩，減少了進口區渦流阻力，阻力損失降至500Pa，有效控制了進口氣流速度和氣流在內筒的旋轉速度，減少或避免了進口氣流與回流氣流相撞，有效提高了分離效率。

（2）在旋風筒設備規格和預熱器塔架沒有放大的前提下，兼顧降阻及分離效率，新建六級預熱器阻力＜4 500Pa，系統分離效率＞95%。

（3）通過熱工標定測試現有生產線系統阻力，再經過熱工計算確定改造方案和技術指標，制定合理的節能技改措施，在不影響現有土建結構的前提下改造現有五級預熱器，系統阻力降低了10%以上，進而實現了高溫風機節電、系統通風良好、設備運行穩定的改造效果。