提高4000td悬浮预热器热效率的途径 材料无机非金属材料专业毕业设计.docx
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提高4000td悬浮预热器热效率的途径材料无机非金属材料专业毕业设计
武汉理工
毕业设计
设计题目：
提高4000t/d悬浮预热器热效率的途径
系别：
材料工程系
班级：
材料无机非金属材料
姓 名：
指导教师：
2014年5月26日
提高4000t/d悬浮预热器热效率的途径
摘要
悬浮预热器的构成由旋风筒和连接管道（换热管道），具有使气、固二相能充分分散均布、迅速换热、高效分离等功能预热系统的控制对水泥的烧成有着重要的影响，本文综合叙述了对怎样来提高旋风预热器热效率进行了深一步的研究，分析了分离效率、固气比、系列数、级数、悬浮效率、漏风、堵塞对热效率的影响情况为正确处理预热器、分解炉、回转窑和冷却机之间的关系，稳定热工制度、提高热效率、实现优质高产低耗和长期安全运转的生产目的而提出了一些解决办法。
关键词：
旋风预热器；热效率；分离效率；固气比
WaystoImproveThermalEfficiencyof4000t/dSuspensionPreheater
Abstract
Suspensionpreheatercomposedofcycloneandconnectingpipe（heatpipe），withthecontrolofgas，solidphasecanfullydisperseuniformly，rapidheattransfer，efficientseparationoffunctionsofheatingsystemhasanimportantinfluenceonthecementsintering，thispaperdescribeshowtoimprovethethermalefficiencyofcyclonepreheaterforfurtherresearch，analysisoftheseparationefficiency，ratioofsolidtogas，series，seriesnumber，suspensionefficiency，airleakage，blockageeffectsonthermalefficiencyforthecorrecthandlingoftherelationshipbetweenthepreheater，precalciner，rotarykilnandcoolingmachine，thermalsystem，improvethethermalefficiency，realizethestablehighyieldandlowcostthelong-termsafeoperationoftheproductionandputforwardsomesolutions.
Keywords:
cyclonepreheater;thermalefficiency;separationefficiency;solidgasratio
目录
1引言1
2水泥工艺流程方块图2
3悬浮预热器的组成3
3.1悬浮预热器的功能3
3.2悬浮预热器的分类3
4.旋风预热器的工作原理5
4.1旋风预热器的效率指标5
4.2影响旋风预热器换热效率的因素5
4.2.1粉料的悬浮效率5
4.2.2系统固气比6
4.2.3旋风预热器的系列数和级数6
4.2.4气、固相的分离效率7
4.2.5漏风的影响7
5预热器堵塞的原因分析8
5.1结皮造成的堵塞8
5.2回灰的影响8
5.3有害元素的影响8
5.4局部高温造成结皮堵塞8
5.5漏风造成的堵塞9
5.6操作不当造成的堵塞10
5.7外来物造成的堵塞11
5.8设计不当，先天不足造成的堵塞11
6提高悬浮预热器热效率的途径12
6.1使物料充分悬浮12
6.2增加固气比和级数12
6.3增大气、固分离效率12
6.5加强窑的检验管理12
6.6合理配料13
6.7完善工艺设施13
7.结论15
参考文献16
致谢17
1引言
悬浮预热器是实现气（废气）、固（生料粉）之间的高效换热为了提高悬浮预热器热效率应从分离效率、固气比、系列数、悬浮效率、漏风对热效率的影响等方面考虑研究，除此之外还必须最大限度的减少系统漏风，是废气量降低到最低限度。
总的来说预热分解是把生料的预热和部分分解由预热器来完成，代替回转窑部分功能，达到缩短回窑长度，同时使窑内以堆积状态进行气料换热过程已到预热器内在悬浮状态下进行，使生料能够同窑内排出的炽热气体充分混合，增大气料接触面积，传热速度快，热交换效率高，达到提高窑系统生产效率，降低熟料烧成热耗得目的。
（1）物料分散换热80%在入口管道内进行的。
喂入预热管道中的生料，在与高速上升气流的冲击下，物料转折向上随气流运动，同时被分散。
（2）气固分离当气流携带粉料进入旋风筒后，被迫在旋风筒筒体与内筒（排气管）之间的环状空间做旋转流动，并且一边旋转向下运动，由筒体到锥体，一只延伸到锥体的端部，然后转而向上旋转上升，由排气管排出。
（3）预分解预分解技术的出现是水泥煅烧工艺的一次技术飞跃。
他是在预热器和回转窑之间增设分解炉和利用窑尾上升烟道，设燃料喷入装置，使燃料燃烧的放热过程与生料的碳酸盐分解过程的吸热过程，在分解炉内以悬浮态或流体态迅速进行，使入窑生料的分解率达到90%以上。
将原来在回转窑内进行的碳酸盐分解任务，移到分解炉内进行；燃料大部分从分解炉内加入，少部分由窑头加入，减轻了窑内煅烧带的热负荷，延长了衬料寿命，有利于生产大型化；由于燃料于生料混合均匀，燃料燃烧及时传递给物料，使燃烧、换热及碳酸盐分解过程得到优化。
因而具有优质、高效、低耗等一系列优良性及特点。
因此通过一系列措施来提高悬浮预热器热效率在现实生活和生产中具有深远的意义。
2水泥工艺流程方块图
硅石、煤矸石、铜矿渣
石灰石
煤
煤预均化
石灰石预均化
石灰石库
辅料库
煤磨
立磨
煤库
生料均化库
预热器
分解炉
石膏
矿渣，矿粉，石灰石
冷却机
破碎
混合材库
熟料库
水泥磨
水泥均化库
水泥储存库
散装出厂
图2-1水泥工艺流程图
3悬浮预热器的组成
悬浮预热器的主要组成：
旋风筒、连接管道、锁风阀、撒料装置。
连接管道：
承担上下两级旋风筒的连接和气固流的输送任务，同时承担着物料分散、均布、锁风和气、固两相间的换热任务。
锁风阀：
保持下料管经常处于密封状态，防止气流短路、漏风，做到换热管道中的热气流及下料管中的物料“气走气路，料走料路”。
撒料装置：
防止下料管下行物料进入换热管道时的向下冲料，促使下冲物料至下料板后的飞溅、分散排灰阀平衡杆角度及其配重的调整排灰阀摆动的频率越高，进入下一级旋风筒进气管道中的物料越均匀，气流短路的可能性就越小。
排灰阀摆动的灵活程度主要取决于排灰阀平衡杆的角度及其配重。
根据经验，排灰阀平衡杆的位置应在水平线以下150左右。
因为这时平衡杆和配重的重心距同时增大。
力矩增大，阀板复位所需时间缩短，排灰阀摆动的灵活程度可以提高。
至于配重，应在冷态时初调，调到用手指轻轻一抬，平衡杆就起来，一松手平衡杆就复位。
热态时，只需对个别排灰阀作微量调整即可。
3.1悬浮预热器的功能
主要功能在于充分利用回转窑及分解炉内排出的热气流中所具有的热焓加热生料，使之进行预热及部分碳酸盐分解，然后进入分解炉或回转窑内继续加热分解，完成熟料煅烧任务。
因此它必须具备以下三大功能：
⑴气固二相充分分散均匀。
⑵迅速换热。
⑶高效分离。
3.2悬浮预热器的分类
悬浮预热器主要有旋风预热器及立筒预热器两种。
现在立筒预热器已趋于淘汰。
预分解窑采用旋风预热器作为预热单元装备。
构成旋风预热器的热交换单元设备主要是旋风筒及各级旋风筒之间的联接管道（亦称换热管道）。
旋风预热器系由旋风筒及上、下两级旋风筒间的连接管道所组成。
旋风筒本体的组成部分有圆柱体、圆锥体、进口管道、出口管道、内筒及下料管等。
连接管道上部与上级旋风筒进口管道、下部与下级旋风筒出口管道相连接；中间适当部位有上级旋风筒的下料管与之连接；在上级旋风筒下料管内的适当部位装设有锁风阀，作用在于既保持上级旋风筒分离出的生料能够畅通的通过进入换热管道，又能最大限度地防止下级旋风筒出来的热气流经下料管短路窜入上级旋风筒，造成已被分离的生料粉二次飞扬，降低上级旋风筒的分离效率；在上级旋风筒下料管最下部与换热管道的连接部位还设有撒料装置，目的在于使上级旋风筒下来的生料粉进入换热管道时，由于重力作用冲在撒料器上飞溅起来，使生料粉能够迅速分散、均布在下级旋风筒出来的热气流之中，提高换热效率。
追根溯源，作为旋风预热器的主要组成部分的旋风筒，是在普通的旋风收尘器的基础上借鉴发展过来的。
悬浮预热器的主要功能在于充分利用回转窑及分解炉内排出的炽热气流中所具有的热焓加热生料，使之进行预热及部分碳酸盐分解，然后进入分解炉或回转窑内继续加热分解，完成熟料烧成任务。
因此它必须具备使气、固两相能充分分散均布、迅速换热、高效分离等三个功能。
只有兼备这三个功能，并且尽力使之高效化，方可最大限度地提高换热效率，为全窑系统优质、高效、低耗和稳定生产创造条件。
旋风预热器的功能在于物料在炽热气流中的分散、均布、气固换热和分离。
其性能优劣主要表现在是否具有较高的换热效率、分离效率，较低的阻力和良好的密闭性能以减少内、外漏风等。
两者的共同点在于保持低压损状态下能具有较高的气固分离效率。
而不同点则在于，旋风收尘器不具备换热功能，而应具备尽可能高的气固分离功能；而对旋风预热器中的主要设备旋风筒来讲，由于它是由多级换热单元所组成，物料系由多级预热单元逐级加热，因此只要保持其给定的气固分离效率和一定的换热作用即完成了应有的任务。
所以它在旋风预热器系统中，视所在的不同预热器级别，具有不同的气固分离效率目标，而其本身结构亦有差异。
从而使得含尘气流最后得到分离。
气流和粉尘的不同物理特性，主要表现在一个是气态物质，质量较小，容易变形；另一个是固态物质，质量较大，不易变形。
所以，当含尘气流受离心力作用，向旋风筒内壁浓缩时，它所受到的离心力较气体大，因此粉尘在力学上有条件将气流挤出，而浓缩于筒壁，而气流则贴附于粉尘层上。
当含尘气流运动时，粉尘给气流一个作用力，可局部改变气流的运动状态；同时气流也给粉尘一个反作用力，这就是气流对粉尘的阻力。
这个阻理论分析及科学实验均说明，影响旋风筒流体阻力及分离效率主要有两大因素，一是旋风筒的几何结构，二是流体本身的物理性能。
由于作为用于水泥工业悬浮预热装置的旋风筒，其所处理的含尘气流的物理性能大致确定；下面有我们来详细讲解旋风预热器的工作原理及怎样提高其效率。
4.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。
4.1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。
4.2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：
4.2.1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。
4.2.2系统固气比
固气比的影响，其系统的热效率随系统固气比的变化经历了这样一个过程：
在低固气比下，热效率随固气比的提高迅速提高，然后随着固气比的增加缓慢增加至一峰值，越过峰值后，热效率随着固气比反而有所下降。
在给定条降下，系统热效率的峰值对应的固气比值为Z=3.35。
目前，许多旋风预热器的固气比Z的值都小于1。
因此，为了充分利用热气体的热焓，有必要再一定范围内提高系统的固气比。
但是，从固气比与物料出温度上看，固气比的增加将降低物料的出口温度，如此的出口温度是不能满足煅烧的工艺要求的。
为此，可以将二种关系联合起来，选取一个适当的结合点，在预热温度满足的条件下，采取必要的措施提高系统的固气比。
不同系统的固气比下不同系列的级数对出预热器气体温度和热效率的影响，对于系统的固气比Z=1，不同级数系统的废气出口温度都呈下降趋势，但是相对而言，三系列的出口温度最低，双系列的其次，但系列的最高。
当系统的固气比提高至Z=2时，系统废气出口还是最低，单系列最高。
4.2.3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。
表4-1热效率与系列数的关系
系列数
热效率%
1
40
2
48
3
52
4
56
表4-1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，热效率增幅增加，增加的幅度较低。
4-2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，对于多系统悬浮预热器而言双系列预热器系统比较经济。
表4-2物料气体温度与系列数的关系
系列数
气体温度（℃）
物料温度（℃）
1
500
520
2
455
560
3
420
580
4
400
600
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。
4.2.4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。
4.2.5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。
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。
5预热器堵塞的原因分析
悬浮预热器的构成由旋风筒和连接管道（换热管道），具有使气、固两相能充分分散均布、迅速换热、高效分离等功能，预热系统的控制对水泥的烧成有着重要的影响。
预热系统堵塞，不仅会扰乱窑的热工制度，降低熟料产量和质量，影响窑的运转率，而且处理起来费时费力，甚至对人身安全造成危害。
所以，预热系统要以预防为主，根据预热系统的工艺特点、装备水平，制定相应的操作规程，正确处理预热器、分解炉、回转窑和冷却机之间的关系，稳定热工制度、提高热率、实现优质高产低耗和长期安全运转的生产目的。
5.1结皮造成的堵塞
结皮是高温物料在烟室、上升管道、各级（主要为三、四级）旋风筒锥体内壁上粘结的一层层硬皮，严重的地方呈圈状缩口。
阻碍了物料的正常运行，粘结和烧熔交替，使皮层数量和厚度渐渐增加，影响窑内通风、改变了预热器内物料与气流的运行速度和方向，最后导致堵塞。
5.2回灰的影响
窑尾袋收尘（含增湿塔）收下来的物料，已经经过高温物理化学反应，这种物料重新进入预热器时，很容易造成物料及早分解，提前出现液相，来不及到达窑内，在预热器内形成熔融状态，粘附在旋风筒内壁上，形成结皮，严重时导致堵塞。
这种情况主要在窑尾系统温度偏高，回灰掺入不均匀或掺入量过大时发生。
因此，那些旋风收尘器收尘效率不高，袋收尘收下回灰又未进生料储存均化系统，而直接从提升机等入窑的，更应加强操作。
同时也很有必要对回灰掺入系统进行调整和改造。
5.3有害元素的影响
原燃料中有害元素K、Na、Cl、S等含量高时，大量出现的碱便会从烧成带高温区挥发出来，进入气相与其它组分发生反应，首先与氯和二氧化硫反应，随气流带至窑尾系统，温度降低后，以硫酸盐和氯化物的形态冷凝在原料上。
这种沉淀物在较低温度下出现熔融相，形成微细熔体，然后发生固体颗粒的固结。
它们通过多次高温挥发，低温凝聚循环和附着作用，粘附在预热器、分解炉及联接管道内形成结皮，若处理不及时，继续循环粘附，最终导致堵塞。
5.4局部高温造成结皮堵塞
窑尾局部高温，这是形成结皮的关键因素。
窑尾系统中如果产生局部高温，一方面促进生料和燃料中有害组分的挥发及冷凝循环，并使内循环发生的区域进一步扩大;另可能使液相提前出现，把生料粘附在衬料的内壁而形成结皮。
产生局部高温的原因，主要有如下两方面。
⑴.煤粉的不完全燃烧。
窑头或分解炉中的煤粉由于多种原因（如燃煤的灰分大、设备超负荷运转、分解炉结构不合理）燃烧不完全时，就可能到窑尾或低级旋风筒中去燃烧，从而产生局部高温。
导致煤粉进入预热器内的渠道有三:
一是由分解炉至末级旋风筒，再由上升管道上移;二是由分解炉经次末级旋风筒下料管失灵的翻板阀上窜;三是因窑内煤粉燃烧不完全，被带至窑尾和窑尾废气一起进入预热器内，局部高温，再加有害成分作用，就很容易形成高温结皮堵塞。
⑵.喂料量波动。
喂料量忽大忽小时，很容易打乱预热器、分解炉和窑的正常工作；而且操作具有滞后性，往往不能随喂料量的变化及时加减燃量。
因此很容易出现料小不减煤甚至短期断料不减煤状况，由此造成窑尾系统温度偏高而形成结皮。
5.5漏风造成的堵塞
漏风是窑外分解窑的一大克星，预分解系统的漏风不仅降低旋风筒分离效率，增加热耗，而且还是造成预热器系统堵塞的一个重要原因。
因当预热器漏进冷风时，物料温度和分解率会降低，为维持生产系统排风必须加大，因而废气量增大，循环负荷加大，导致入窑生料温度下降，能耗上升；而且冷风与热物料接触，很容易使热物料冷凝而粘附在系统的内壁而产生结皮；此外被带到窑尾或预热器中的煤粉遇到新鲜冷风，燃烧速度加快，会产生局部高温而形成结皮。
同时，因窑、炉用风比例失调，窑内通风差，导致窑内结圈、结球频繁。
⑴内漏风造成的堵塞
当旋风筒的排灰阀（也称锁风阀）因烧坏或失灵时，下一级旋风筒的热气流会经过下料管通过排灰阀漏入上一级旋风筒内，这种漏风称为内漏风。
各级预热器下料管的排灰阀关闭不严、烧坏或失灵，不能很好地起到锁风作用，不仅旋风筒收尘效率降低，而且会引起短路、塌料和堵塞。
因为下料管排灰阀锁风不严，下一级气体就会从下料管内经过，使预热器内收集下来的物料又重新上升，不能顺利排出，造成内循环。
由于下料口处风速高，不达到一定的数量，物料不会沉降，但一旦物料过多具备了沉降的条件，便是一大股落下，造成下料不均，分散状况不好，导致堵塞。
⑵外漏风造成的堵塞
外漏风是指从系统外漏入系统内的冷空气。
它主要是从各级旋风筒的检查门、下料管排灰阀轴、各联接管道的法兰、预热器顶盖、各测量点等处漏入。
旋风预热器内气流运动复杂，加上粉粒粒度分布较宽，使其内部的物料运动更加复杂，随机性较大。
若系统密封不好，漏入冷风，改变了物料在预热器内的运动轨迹，降低了其旋转运动速度，离心甩向壁面的离心力降低，部分物料随气流回到上一级，造成物料循环，最终堆积堵塞。
另一方面，冷风漏入与热物料接触，极易造成物料冷热凝聚，粘附在预热器筒体壁上，导致结皮或产生大块，卡死下料管或排灰阀造成堵塞。
5.6操作不当造成的堵塞
⑴投料不及时
当分解炉点火，达到投料温度（900℃）时，一定要及时投料，否则会造成系统温度偏高，且因此时料量较小，更易造成结皮。
⑵开停窑时排风量不当。
因故需停料停窑时，排风量不能大辐度减少，否则很容易使物料因风速过小沉积在管内（主要在水平管），造成堆积。
重新开窑投料时，开始排风量过小，堆积的物料不能被顺利带走，随着下料量的不断增加，管内物料堆积增多，严重时也会导致堆积堵塞。
⑶下料量与窑速不同步。
窑运转不正常，热工制度不稳定，需预打小慢车或慢转窑时，减料不及时很容易因喂料量与窑速不同步，造成物料在窑尾烟室堆积。
这时即使窑仍在运转，但堆积在窑尾的物料不能够很快输送出去，堆积的物料受高温熔融粘附在窑尾烟室内壁，在烟室与窑连接处形成棚料现象，造成烟室及上一级预热器堵塞。
⑷排风量控制不当。
排风量过大时，预分解系统气流速度较高，物料在预热器内被甩向壁面的离心力较大，物料沿壁面旋转下落速度降低，物料与高温气流接触时间相对较长，易粘糊在预热器内壁上，形成从松到实的层状覆盖物，造成堵塞；
当排风量过小
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