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1、熟料生产线热工设备基础知识1.1新型干法水泥回转窑系统概述水泥是一种细磨材料，它加入适量水后，成为塑性浆体，这种 浆体是既能在空气中硬化，又能在水中硬化（硬化后要达到一定的强 度），并能把砂、石等材料牢固地胶结在一起的而且具有其他一些性 能的水硬性胶凝材料。水泥生产要经过“二磨一烧”（即生料磨、水泥窑和水泥磨），其 中，水泥窑系统是将水泥生料在高温下烧成为水泥熟料的热工设备， 是水泥生产中一个极为重要的关键环节。新型干法水泥回转窑系统是以悬浮预热技术和窑外分解技术为 核心，以NSP窑（或称：PC窑）为主导的水泥熟料烧成系统。没有分解炉的新型干法水泥回转窑系统叫做SP窑，有分解炉的 新型干法水泥
2、回转窑系统叫做NSP窑，在一些欧美国家也将NSP窑称 为PC窑，即预分解窑。窑外分解窑的工作原理为：（分别从料、煤、风的角度论述）第一，生料粉从第1级旋风筒和第2级旋风筒之间的联接管道加 入，加入的生料进入联接管道内后马上被分散在上升气流中，从而被 携带到第1级旋风筒（简称C1）内，在旋风筒内利用离心力的作用进 行气固分离后，废气被排走，而生料粉被再一次加到C2和C3之间的 联接管道内，然后再一次被携带到C2内进行气固分离。这样依次类推，生料粉依次通过各级旋风筒及其联接管道。生料 粉每与上升的气流接触一次，就经过一次剧烈的热交换，从而生料粉 被一次一次地预热升温，废气则被一次一次地冷却降温，从
3、而达到回 收废气余热来预热生料。当生料达到一定温度，会发生一定程度的碳 酸盐分解（小部分分解，因为废气的热焓不足以使其发生大量分解）。出c4的预热生料进入分解炉，在分解炉内完成大部分碳酸钙的 分解，分解反应所需热量来自于分解炉内的燃料燃烧。分解后的生料 与废气再一起进入C5内，经c5完成气固分离后，生料入回转窑内煅 烧，再经过一系列物理化学反应后，最终烧成为水泥熟料。出窑后熟 料再经过冷却机冷却后被送到熟料库内。熟料、石膏、混合材按一定 比例在水泥磨内混合粉磨后就成为水泥。第二，来自煤磨的煤粉被分成二部分，小部分煤粉（大约45%-30%） 被送到窑头喷入回转窑内燃烧，燃烧后产生的高温烟气供给回
4、转窑内 煅烧水泥熟料所用；大部分煤粉（大约55%-70%）被气力输送到分解 炉内燃烧，以供给预热生料中碳酸钙分解所需的大量热量。第三，燃料燃烧所需的助燃空气被分成三部分，第一部分来自窑 头的鼓风机，称为一次风。一次风主要作用是：携带从窑头煤粉仓下 来的煤粉经喷煤管高速喷入回转窑内高效燃烧来保持喷出火焰有一 定的“刚度”（平、顺、直）另外两个部分助燃空气来自熟料冷却机 内的预热空气，分别称为二次风和三次风。二次风从窑头进入回转窑 内成为窑头煤粉燃烧的主要助燃空气（另外少量的助燃空气是一次 风）。三次风通过专门设立的三次风管进入分解炉成为分解炉内煤粉 燃烧所需的主要助燃空气。二次风和三次风的预热温
5、度不受限制，温度越高越好；而一次风 不允许被预热，否则温度较高的一次风会使煤粉中的挥发份在喷煤管 中提前逸出，从而可能造成煤粉爆炸。因此，二次风的比例越多越好， 即在能够保证一次风携带煤粉并以一定的动量喷入回转窑内的前提 下，一次风的比例越低越好。此外，出窑废气（简称：窑气）、出炉 废气（简称：炉气）一起又到悬浮预热器内逐级预热生料。1.2悬浮预热器悬浮预热是为了实现气（废气）、固（生料粉）之间的高效换热， 从而达到提高生料温度，降低排出废气温度的目的。悬浮预热器曾经 有旋风预热器和立筒预热器之分。立筒预热器已经淘汰。因此，关于 悬浮预热器只介绍旋风预热器。1.2.1旋风预热器的工作原理旋风预
6、热器是由若干级换热单元所组成。每一级换热单元都是由 旋风筒及其联接管道所构成。一个换热单元必须同时具备以下三个功 能：第一，生料粉在废气中的分散与悬浮；第二，气、固相之间的换 热；第三，气、固相的分离，气流被排走，生料粉被收集。旋风预热器的工作原理是：生料粉进入联接管道后，随即便被上 升气流所冲散，使其均匀悬浮于气流中。由于悬浮态时气固之间的接 触面积极大，对流换热系数较高，因此换热速度极快，完成有效换热 只需要0.02-0.04s。当气料流到达旋风筒时，气固之间的温度差已 经很小，所以气固之间的换热主要是在联接各个旋风筒的联接管道中 进行，所以有人干脆将其称为“换热管道”。而旋风筒的主要功能
7、则是完成气固相的分离和固相生料粉的收集。旋风筒的工作原理是：气流携带生料粉以切线方向、高速进入旋 风筒，从而被迫在圆筒体与排气管之间的圆环柱内呈旋转运动，而且 是一边旋转，一边向下运动，从圆筒体到锥体，一直延伸到锥体的端 部，并反射旋转向上，最后气流从排气管排出。向下旋转的气流为外 旋流，向上旋转的气流为内旋流。旋转运动使粉料受到离心力，由于 粉料的密度大，在离心力作用下，粉料向边壁运动并沿边壁下滑后经 锥体端部排出，从而完成气固相的分离和固相生料粉的收集。为了避免排出的粉料被下一级管道内逆流上升的气流吹起而造 成“二次飞扬”，从而降低气固分离效率，所以在下料管上要有锁风 阀（也称：翻板阀或闪
8、动阀）。锁风阀目前常用单板式、双板式。需 要指出：由于上数第1级旋风筒CE常强调其气固分离效率要高， 所以C1的下料管上往往设置有两道锁风阀，而其他级旋风筒上则只 设置一道锁风阀。另外，关于如何克服旋风筒内部旋风（有人形象地称为“龙卷风”） 的风尾在旋风筒锥体内引起的“二次飞扬”问题，人们还常常采用以 下措施：第一，延长旋风筒的长度，使其大于旋转气流的自然长度， 从而避免旋转气流的二次卷吸；第二，在旋风筒的锥体部分，采用隔 离膨胀仓技术；第三，在旋风筒锥体部分，设置隔离导向锥。影响旋风筒气固分离效率的主要因素有： 旋风筒直径：筒径越小，分离效率越高。 旋风筒进风口：进风口结构应保证进风沿切向入
9、筒、减小涡流干扰。进风口形状现在多采用多边形。进风口尺寸应保证进口风速在 15-25m/so 排气管（也称:出风管或出口导管，简称：内筒或套筒）的尺寸及其插 入深度，一般来说，内筒的直径越小，插入深度越深，旋风筒的气固 分离效率越高。 旋风筒的高度：增加高度有利于气固分离效率的提高。当然，除上述4个主要因素以外，其它因素（像粉料颗料的大小、 气流中的粉料浓度、锁风阀的严密程度等）也都会对旋风筒的气固分 离效率有一定的影响。除了气固分离效率以外，旋风筒的另一个重要的性能指标就是它 的流体阻力损失（水泥行业中常叫做压损，即压强损失）。一般说来，强调分离效率的提高会引起旋风筒压损的提高，由于 压损的
10、提高会增加整个系统的电耗，所以，具体设计和生产时，要统 筹考虑气固分离效率和电耗这两个指标，并兼顾考虑其他一些因素， 以综合效益最优者为最佳。1.2.2影响旋风预热器换热效率的因素关于旋风预热器的换热效率，应主要考虑以下三个因素：粉料 在管道内的悬浮状况；气、固之间的换热效果；气、固相的分离 程度。1.2.2.1粉料在管道内的悬浮一般生料粉是成股地从加料口加入，向下有一个冲力，当遇到 向上的气流时，部分粉料会被气流带起，折面向上而悬浮于高温气流 之中，料股中间的料粉继续下冲，又被气流冲散、被上升气流带起， 也悬浮于高温气流中。如果有部分粉料未被气流冲散，则不能够悬浮 于高温气流中而会短路落入下
11、级旋风筒内，失去了进一步受热的机 会，这会大幅度降低换热效率。为了防止这种现象发生，在设计时着 应该重考虑以下几点措施： 选择合理的喂料位置为了充分利用联接管道的长度，延长气、固之间的热交换时间， 喂料点宜靠近联接管道的起端，但必须以加入的料粉能良好悬浮、不 短路落料为前提。喂料点距出风管起始端应大于1m，此距离还与来 料落差、来料均匀程度、内筒插入深度以及管道风速有关。 选择适当的管道风速一般要求风速在10-25m/s之间，通常大于15m/s。可在悬浮区 局部缩小管径，使气体局部加速以增大冲击力。 在喂料口加装撒料装置在喂料口处加装撒料装置后，当粉料喂入管道内下冲时，首先撞 击在撒料装置上，
12、被冲散后并折向，再被上升气流进一步冲散而充分 悬浮。撒料装置的主要作用在于防止下料管内下行物料进入换热管道 时发生向下冲料，以及促使下冲物料冲至下料装置后发生飞溅、分散。 撒料装置主要有两种类型：一是板式撒料器（也称：撒料板）；二是 撒料箱（也称：撒料盒）。 注意来料的均匀要求均匀喂料，而且要求下料管的翻板阀灵活、严密，当来料多 时，它能起到一定的缓冲作用；当来料少时，还能够有效地防止系统 内部漏风。因此，有人提出了高频脉动喂料法，这无论是从传热学的 角度来看还是从来料均匀的角度来看，都是合理的。1.2.2.2气、固相之间的换热对于旋风预热器内气、固相之间的悬浮态传热，由于废气温度不 是太高，
13、相对来说，辐射换热量不是太大，因此，换热方式以对流换 热为主（约70% -80%）。这样，根据传热学的有关公式，得：Q = a F （tg-tm）（kW）式中，Q气、固相之间的换热量（也称：换热速率），kW或 kJ/s；a气、固相之间的换热系数（包括对流和辐射，以对 流为主）；F气、固相之间的接触面积，m2；tg-tm气、固二相之间的平均温度差，C。受各种因素影响和限制，a和（tg-tm）允许波动的幅度都不大。 因此，影响气、固相之间换热速率的最敏感因素是接触面积F。对于生料粉来说，由于生料磨将其磨得很细，因此其比表面积很 大，一般为2500-3500cm2/g。假如它在气流中的分散程度不同，
14、则其 暴露的表面积也会有很大的差异，因此，气、固相之间的悬浮换热效 果在很大程度上取决于生料在气流中的分散程度。需要指出：悬浮态气固相之间的换热速度极快，尤其固相刚刚加 入到气相后的加速段，经过0.02-0.04s的时间，气固相之间就可以 达到温度的动态平衡。这时，再增加气固相之间的接触时间，其意义 已经不大，所以这时只有实现气、固相分离进入下一个换热单元，才 能强化气、固相传热。这就是为什么旋风预热器系统需要若干个换热 单元相串联的真正缘故所在。串联级数越多，换热效果越好，但相应整个系统的流体阻力也会 增大，因而电耗也就会随之增加，到底几级换热单元串联最为合理， 以后探讨。有人提出的高频脉动
15、喂料方法，可以达到固相生料不断变 速的效果，从而能够充分利用“固相加速初始段”气固换热效率高的 这一悬浮态换热的特点。1.2.2.3气、固相的分离实现气、固相之间的有效换热且在低成本下运行是悬浮预热系统 的最终目的。但是气流中生料的分散与悬浮，气固换热、气固分离是 相互联系、相互制约的。我们可以向以下几个方向努力：开发新 型高效、低压损的旋风筒；开发新型换热管道；开发新型锁风 阀；开发新型撒料装置；重视气固比的影响。以上几条已经成为当代窑外分解系统研制开发和竞争的主要课 题。人们越来越清楚地认识到，只有旋风预热器系统现代化，才能为 窑外预分解系统的最佳匹配打下坚实的基础，进而才能够充分地发挥
16、悬浮预热技术和窑外预分解技术应有的优势。1.2.3各级旋风预热器性能的配合以下是关于各级旋风筒几个影响因素对整个预热器系统热效率 影响的讨论。1.2.3.1各级旋风筒气固分离效率n C的影响假如简单地从传热学角度考虑（越往下，气体温度越高），各级 旋风筒的气固分离效率n C对预热器系统热效率影响的顺序是：n c5n c4n c3n c2n q，但是，若考虑到排出粉尘量的影响最大（出了的生料就出 了整个预热器系统而成为飞损的粉尘，从而增加料耗、热耗以及收尘 器的负担），所以，n q的重要性应大于其他各级。所以应改为：n Cin C5n cn cn c?由此可看出：中间几级旋风筒对气固分离效率的要求相对较低， 这就使得我们可以在降低压损方面多采取改进措施，因为降低
