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1、六级预热分解系统的开发及工程设计新型干法水泥生产线生料入窑前，首先进入预热器系统，目的在于与窑内及分解炉内出来的热烟气进行换 热，吸收烟气中含有的大量热能。换热过程的动力是温度差，随着生料温度的上升和烟气温度的下降，换 热速率会明显下降，理论上当温差为零时，换热就停止了。历史上曾经有带一级预热器的系统，由于仅仅 进行一次热交换，即使换热管道很长，生料升高的温度和气体降低的温度都是有限的，其回收的热量也是 有限的，难以达到低能耗和高产量的生产效果。因此要想利用生料回收更多的热量，降低热耗，或者说使气体温度降得更低，生料温度升得更高，必须采 用多级换热的方法，将上一级换热后的生料分离出来，与下一级
2、更高温度的烟气再次进行热交换。预热器 的级数越多，换热的次数越多，热耗降低得越多。当然预热器的级数并非越多越好，因为预热器系统的阻力随着级数的增加也会增加，即带来电耗的增加。 因此在节热、节电孰重孰轻的问题上要综合起来考虑，算一笔综合的经济账，同时还要考虑环保减排的问 题。显然在不同国家、或者同一国家的不同地区，煤炭、石油、天然气等不可再生性能源紧缺程度是不同 的，电力条件也是不同的，因此应因地制宜地分析预热器级数问题。这也就能够解释出，为什么在不同的 历史时期、不同的国家和地区，四级、五级、六级预热器系统都有过大量应用的现象。根据我国目前的状况，六级预热分解系统的发展应是大势所趋。有关其在节
3、能环保方面的优势，国内已经 有水泥专家，如天津院的俞为民等进行过详细分析，在此不再赘述。本文仅对我公司在六级预热分解系统 开发方面所做的一些工作，以及在LDS水泥厂1500t/d水泥熟料生产线技术改造中完成的设计案例作一些 介绍。需要说明的是，对于规模小的水泥熟料生产线，由于窑尾框架高度较低，预热器系统的换热管道短 其采用六级预热器的意义反倒更大。此外，对于小规模的生产线， “麻雀虽小，五脏俱全”，但愿本文能对 5000t/d以上规模的水泥熟料生产线六级预热分解系统的开发设计，起到“抛砖引玉”的作用。以下是我公司在开发六级预热分解系统过程中的一些设计思路和技术要点。1 降低预热器系统阻力在新建
4、工程设计中，我公司开发的预热器系统出口压力为-4500Pa-4800Pa。增加一级预热器后，如果沿 用以前的五级预热分解系统的设计参数，预热器系统的出口压力将会达到-5300Pa-5600Pa。本工程优化 设计后，正常生产时预热器系统的出口负压可以控制到-4800-5100Pa范围内。一般说来，预热器系统的操作阻力主要受下述四项因素的影响，即预热器的进口压力损失、内筒及出口压 力损失、旋转气流与预热器内壁的粘滞阻力损失、旋转气流由下向上（中央核心风）的折返阻力损失。从 设计角度来看，上述阻力损失多多少少都与预热器的进口风速和内筒及出口的设计风速有关，也与涡壳、 内筒、出风管的结构参数有关，通过
5、合理的设计参数选取，降低上述阻力损失是较为容易做到的。优化后的预热器结构形式见图 1 。设计中我们主要采用了如下的技术措施：（1）进一步降低了各级预热器的进口风速 由于压力损失与风速的平方成正比，因此通过降低进口风速来降低压力损失的效果也是非常明显的。预热 器的进口面积比以前设计的进口面积进一步增大。（2）降低了各级预热器的内筒及出口风速该措施的降阻原理与上述措施是相同的。设计时将预热器的内筒直径和出风管道直径在合理范围内进行了 扩大。（3）进一步扩大了涡壳的回转半径，进风口采用等角度变高度斜边形式以前我公司设计的预热器涡壳形式也是 270大包角，本次设计在原有参数基础上，加大了三芯偏置的距离
6、扩大了涡壳回转半径，使气流旋转更加的平缓。五边形进风口斜边设计成等角度变高度向下倾斜的形式， 适应气体向下旋转的运动特点。此外，涡壳的回转半径加大对分离效率是有利的。因为分离效率与进口气流的旋转动量矩成正比，它可以 弥补因降阻而采用低风速对旋转动量矩造成的损失。图1优化后的预热器结构形式示意图（以C2为例）（4）缩短 C3、C4、C5 预热器的内筒长度对每一级预热器而言，内筒长度对预热器的分离效率和阻力影响是较大的，而且分离效率和阻力常常互为 矛盾，往往同时提高，或同时降低。六级预热器叠加在一起是个系统。我们设计的最终目的是为了获得一个更加理想的叠加效果。因此在各级 预热器分离效率的匹配上，采
7、用nin2n6n3、n4、n5的匹配方式，和以前的设计参数相比，大幅度缩 短 C3、 C4、 C5 预热器的内筒长度，显著降低这三级预热器的阻力，进而降低系统的总阻力。根据投产后的生产情况，如需进一步降低阻力，还可以取消C4预热器的内筒，这个问题在本文1.2中还有 进一步说明。2 合理确定各级预热器分离效率预热器的分离效率，对抑制系统内生料的循环，具有重要意义。这是保证换热效率高、热耗低、产量高的 重要技术措施。但是，对每一级预热器而言，不能单纯追求每个个体的指标都是最优，或者单纯追求某单一指标最优。例 如针对本次设计的项目而言，如果每一级预热器都追求很高的分离效率，系统阻力将会增加1800P
8、a以上。 因此每一级预热器分离效率的设计，应结合它所在的级数来确定。我公司设计的预热器分离效率的匹配方式为：nin2n6n3、刑、n5。当生料细度不同时，预热器的分 离效率是不同的，本文中提到的分离效率设计依据是生料细度R0.08=16%, R0.2W1.5%。设计中采取的技术 措施如下：（1）C1 预热器的分离效率因为预热后的生料由该级预热器的逃离，意味着是从预热器系统的逃离，因此 C1 预热器相当于抑制系统 生料循环的最后一道防线，因此效率应该最高。 C1 预热器设计的分离效率为 96%。为保证较高的分离效率， C1 的内筒在所有预热器中是插入最深的，当然这会带来阻力增加的趋势。由于 C1
9、预热器在最顶部，为解决阻力问题，我们设计的C1预热器假想截面风速是最低的，长径比是最大的， 用以抵消部分因为内筒插入深度深而带来的阻力增加。实际设计结果是，C1预热器在所有预热器中直径是 最大的，高度也是最高的。结构形式参见图 2。图2 C1预热器结构形式示意图2)C2 预热器的分离效率C2预热器也应设计较高的分离效率，主要原因是C3以下的预热器生料温度较高，其循环量对系统热效率 影响已经较大，通过C2高效率的设计，能够使高温区循环的生料首先经过C2预热器高效率收集，然后再 经过C1预热器更高效率的分离，使高温区预热好的生料最终很难逃离预热器系统。同时C2预热器较高的 分离效率还有利于减轻C1
10、预热器的收尘负荷，提高C1预热器的分离效率。C2 预热器设计的分离效率为 92%。(3) C6预热器的分离效率预热器系统内的生料是换热后的生料，因此除了应减少从系统逃离到废气处理系统的生料量以外，我们还 希望生料能尽快入窑，将热交换得到的热量再带回窑内，减少热量的循环损耗，并防止高温段的粘结堵塞 问题。因此C6预热器的分离效率设计为90%。结构形式参见图3。图 3 C6 预热器结构形式示意图(4) C3、C4、C5 的分离效率预热器的分离效率随着内筒的缩短呈下降趋势，阻力随着内筒的缩短也呈下降趋势，但两者下降的幅度不 一样，分离效率下降幅度小，阻力下降幅度大，当内筒缩短到一定程度后，分离效率下
11、降速度变得缓慢， 而阻力的下降依然还明显。按照我公司以前的结构设计参数，对中间级数的预热器分离效率设计为 86%88%，预热器本体阻力 60030Pa。本次设计和以前的结构参数比较，进一步缩短了内筒的长度，C3、C4、C5预热器的分离效率 降低至84%，但每级预热器的本体阻力将达到48030Pa左右。在开发过程中，也曾经对C4预热器进行过无内筒的设计，以便进一步降低阻力，但在对LDS厂实际设计 中，我们暂时放弃了这个设计方案，而是采用了与C3、C5预热器相同的内筒高度。待本项目投产后，我 公司根据生产情况再行确定是否采用此方案。3 降低窑尾框架高度一般情况下，1500t/d带五级预热分解系统的
12、的窑尾框架高度在65米至70米之间。增加一级预热器后，如 果沿用以前的五级预热分解系统的设计参数，窑尾框架高度将会达到75米至80米之间。本工程优化设计后，窑尾框架总高度为69.0米，与以前的五级预热分解系统的高度相当。为了降低窑尾框架总高度，我们主要采取了如下设计方案（见图 4）：（1）炉顶设鹅颈管，利用鹅颈管的向下折返，来降低六级预热器的布置标高。传统的一些炉型，如 N-KSV、DD、NSF 等炉型，炉的出口在顶部，或顶部的侧面，然后直接与最末一级预热器连接，因此最末级预热器的布置标高较高，使得预热器的框架较高。本次设计采用在线旋流喷腾型的分解炉，在炉顶增加鹅颈管，鹅颈管向下折返到很低位置
13、后与 C6 预热器 相连。 C6 预热器的布置标高，以刚好能够满足卸料管入窑尾烟室的要求为准，即以刚好保证卸料管的溜角 为设计原则。根据上述设计思路， C6、C5、C4 预热器整体全部布置在了分解炉顶部出口之下。（2）设计采用管道式分解炉，提高炉内截面风速由于分解炉、鹅颈管需要占用一定的面积，而且 C6、C5、C4 预热器的位置又低于炉体，意味着至少有三 层平面，都要同时考虑布置分解炉、鹅颈管、预热器。解决这个问题的方法有以下几种：一是扩大窑尾框架的面积，很显然地，这种方案会带来土建投资的显著增加；而且业主出于各种因素的考 虑，要求采用钢筋混凝土框架结构，当跨距过大时会给设计带来一系列难度；二
14、是将鹅颈管移至框架外面，这也是一种可行的方案。但设备安装、耐火材料砌筑及生产后的操作、维护 不太方便，土建造价高于方案三；三是改变分解炉和鹅颈管内截面风速的设计，较大幅度地减小分解炉和鹅颈管的直径，让其能够充分向空 间发展，以较小的框架面积来满足设计要求。该种方案的土建造价小于方案一和方案二，工艺布置顺畅。设计中经综合考虑选择的是方案三，即采用高截面风速的管道炉的设计方法。（3）减小预热器的直径，降低预热器的有效高度。传统的一些思想认为，预热器的直径越大，预热器的处理烟气的能力就高，就越容易达到低阻高效的效果。 事实上预热器的阻力和分离效率取决于好多的因素，理论和实践均证明，预热器的直径对上述
15、参数有影响， 但不是最主要的因素。影响阻力和分离效率最关键的因素是涡壳和内筒的设计。当涡壳和内筒的结构形式 和设计参数优化合理时，较小的预热器直径，即较高的假想截面风速，仍然可以获得很好的低阻和高效的 效果。我们完成的许多工程实践都证明了这一点。本次设计的预热器直径，除 C1 外其余各级预热器的直径均小于国内同类规模的预热器的直径。关于预热 器的高度，我们在设计中还有意加高了长径比，但由于预热器直径减小较多，除 C1 外其余各级预热器的 高度均小于国内同类规模的预热器的高度。（4）预热器采用歪斜锥体当预热器采用正锥体时，锥部与上升管道或炉体互为影响的可能性增大，设备之间的定位距离也要加大，层高
16、相应加大。在设计时，在锥部直径约3.5m以下的部位，采用不对称的歪锥设计，使预热器系统具有良 好的空间重叠布置功能，减小预热器框架的总高度。歪斜锥体还有两个重要作用：一是具有防结拱堵塞功能，提高系统运转率。这是因为具有对称性结构的锥 体内部，在排料过程中往往会出现结拱现象，导致生料堵塞，而通过将锥部改变为歪斜型式，形成锥部不 对称的流场设计，克服了锥部粉体结拱所需的力学对称条件；二是可减少因预热器内部旋转气流折向而造 成锥体底部生料的二次飞扬，提高分离效率。（5）窑头采用不漏料固定篦床式篦冷机，降低窑头厂房高度，进而降低窑尾厂房高度我公司开发的不漏料固定篦床式冷却机，其技术性能远远优于第三代推动篦式冷却机，其工艺布置也比第 三代推动篦式冷却机更加优越。主要原因是该篦冷机完全实现了不漏
