回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)線窯尾系統(tǒng)技術(shù)改造的設(shè)計要點(diǎn)
預(yù)熱器系統(tǒng)的形式有多種，但構(gòu)成預(yù)熱器系統(tǒng)的單元只有旋風(fēng)預(yù)熱器和立筒預(yù)熱器兩種，即所有的預(yù)熱器系統(tǒng)都是由這兩種設(shè)備中的一種單獨(dú)組成或兩種混合組成。由于立筒預(yù)熱器內(nèi)部生料分散效果不好，分離效率低，換熱效率明顯低于旋風(fēng)預(yù)熱器。因此對于立筒預(yù)熱器窯的生產(chǎn)線，可以采取淘汰立筒、更換旋風(fēng)預(yù)熱器的改造方案；對于旋風(fēng)預(yù)熱器窯生產(chǎn)線，主要是通過技術(shù)改造，進(jìn)一步提高預(yù)熱器系統(tǒng)的換熱效率和分離效率，降低系統(tǒng)阻力。因此本文只介紹各種預(yù)熱器系統(tǒng)改造為旋風(fēng)預(yù)熱器系統(tǒng)時的設(shè)計要點(diǎn)。旋風(fēng)預(yù)熱器系統(tǒng)帶各種類型的分解爐后，就是通常所說的窯尾預(yù)分解系統(tǒng)。分解爐承擔(dān)了燒成系統(tǒng)中大多數(shù)的燃燒、換熱、碳酸鹽分解任務(wù)。分解爐的形式有很多種，但工作原理大同小異，并無本質(zhì)上的區(qū)別，目的都是加強(qiáng)生料與燃料的分散、混合、均布，燃料燃燒速度快、燃燒完全，生料中的碳酸鹽能迅速吸熱、分解，產(chǎn)生的廢氣能迅速排出系統(tǒng)。但需要研發(fā)設(shè)計人員注意的是，技術(shù)改造時應(yīng)根據(jù)不同企業(yè)的具體條件，對分解爐的結(jié)構(gòu)形式和各種參數(shù)進(jìn)行因地制宜的選擇和設(shè)計。由于不同地區(qū)的氣象、地理等自然條件不同，原燃材料的理化特性不同，因此不能簡單地照搬照抄圖紙，而是應(yīng)該針對各種條件進(jìn)行認(rèn)真研究，進(jìn)行個性化的技術(shù)改造設(shè)計。我公司在從事技術(shù)改造工程設(shè)計中都是按照上述原則進(jìn)行的。
1 旋風(fēng)預(yù)熱器系統(tǒng)技術(shù)改造設(shè)計要點(diǎn)
1.1 旋風(fēng)預(yù)熱器的假想截面風(fēng)速
預(yù)熱器的假想截面風(fēng)速，表征了預(yù)熱器柱體單位有效截面積處理工況氣體量的能力。假想截面風(fēng)速的提高，意味著旋風(fēng)預(yù)熱器直徑的減小，從提高預(yù)熱器的分離效率來講是有利的，為利用原有的設(shè)施（設(shè)備、土建框架等）進(jìn)行技術(shù)改造創(chuàng)造條件。不利的方面則是，隨著截面風(fēng)速的提高，系統(tǒng)阻力有增大的趨勢。
早期的預(yù)熱器設(shè)計，其假想截面風(fēng)速較低，大都在3~5m/s之間。從近期的技術(shù)改造實(shí)踐來看，有些工廠的截面風(fēng)速已顯著提高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出了上述數(shù)值。理論和實(shí)踐均證明，通過預(yù)熱器的高效低阻技術(shù)的運(yùn)用，尤其是通過對渦殼和內(nèi)筒的優(yōu)化設(shè)計，可以保證高截面風(fēng)速的預(yù)熱器系統(tǒng)在低阻力下運(yùn)行，并保證系統(tǒng)具有高的分離效率。
經(jīng)過我公司進(jìn)行技術(shù)改造后的部分工廠，隨著產(chǎn)量大幅度提高，系統(tǒng)處理的煙氣量顯著增大，但預(yù)熱器系統(tǒng)的有效直徑并未放大，或放大得很少，節(jié)省了總投資（設(shè)備、耐火材料、土建等）。
上述事實(shí)并非說明假想截面風(fēng)速越高越好，只是說明技術(shù)改造過程中會遇到各種各樣的情況，不要墨守陳規(guī)使改造方案受到很大的局限，造成投資浪費(fèi)。
1.2 進(jìn)口型式和進(jìn)口風(fēng)速
早期預(yù)熱器的進(jìn)口型式為矩形，技術(shù)改造中可改進(jìn)為五邊形或菱形進(jìn)口，此外下級預(yù)熱器上升管道至進(jìn)風(fēng)口段可由原來的水平布置改進(jìn)為傾斜布置，且將傾斜角加大，均可以防止積灰，減少阻力，防止塌料。
進(jìn)口與預(yù)熱器柱體可采用等高度變角度或等角度變高度過渡連接，而后種過渡連接方式更能適應(yīng)進(jìn)入預(yù)熱器后的旋轉(zhuǎn)氣流向下運(yùn)動的需要，同時使在渦殼區(qū)域分離的生料在氣流帶動下沿渦殼壁滑落至筒體和錐體，因而降低阻力損失，提高分離效率。
在合理的速度區(qū)間內(nèi)提高進(jìn)口風(fēng)速會提高分離效率，但過高時會引起二次飛揚(yáng)的加劇，分離效率反而降低。通過對部分工廠改造前的旋風(fēng)預(yù)熱器進(jìn)口風(fēng)速的反求，我們發(fā)現(xiàn)進(jìn)口風(fēng)速值就已超過合理范圍，說明早期的設(shè)計參數(shù)存在不合理之處。理論和實(shí)踐均證明，進(jìn)口風(fēng)速對操作阻力的影響遠(yuǎn)大于對分離效率的影響，因此在不明顯影響分離效率，以及優(yōu)化進(jìn)口渦殼形式減少生料沉積現(xiàn)象的前提下，適當(dāng)降低進(jìn)口風(fēng)速，可作為有效的降阻措施之一。
1.3 旋風(fēng)預(yù)熱器的渦殼
對旋風(fēng)預(yù)熱器渦殼的改造，是保證預(yù)熱器系統(tǒng)具有低阻力和高分離效率的重要技術(shù)保證。預(yù)熱器的操作阻力和分離效率是一對矛盾體，通過渦殼的優(yōu)化是保證預(yù)熱器系統(tǒng)低阻和高效得以兼顧的因素之一。主要改造原理是：為保證旋風(fēng)預(yù)熱器有較高的分離效率，其進(jìn)口的氣體旋轉(zhuǎn)動量矩必須達(dá)到一定的要求。如前所述，為了降低旋風(fēng)預(yù)熱器阻力，需要降低預(yù)熱器的進(jìn)口風(fēng)速，而為了保證預(yù)熱器的分離效率，在可能的空間內(nèi)增大旋風(fēng)預(yù)熱器的渦殼回轉(zhuǎn)半徑，使旋轉(zhuǎn)動量矩不變或提高，從而保證低阻高效技術(shù)在預(yù)熱器改造中得以成功運(yùn)用。
技術(shù)改造中，普遍采用的是多心偏置、大包角、特殊曲線型式的渦殼。這種渦殼的優(yōu)勢還有利于減小顆粒向筒壁移動的距離，增加了氣流通向排氣中心的距離，減少短路現(xiàn)象，提高分離效率。
1.4 內(nèi)筒
旋風(fēng)預(yù)熱器的內(nèi)筒對分離效率和系統(tǒng)阻力的影響程度也很大。
改造時加大內(nèi)筒直徑是降低阻力的重要措施。傳統(tǒng)的預(yù)熱器內(nèi)筒直徑大約是預(yù)熱器有效直徑的0.45~0.5倍左右。大渦殼形式的旋風(fēng)預(yù)熱器為增大內(nèi)筒提供了可能。模型試驗(yàn)和生產(chǎn)實(shí)踐均表明，內(nèi)筒直徑由小變大時，當(dāng)不超過某一臨界點(diǎn)時，阻力損失一直迅速減小，而分離效率的降低相對比較緩慢。因此，在保證一定分離效率的前提下，尤其是對于中間級的旋風(fēng)預(yù)熱器，選用較大直徑的內(nèi)筒有利于系統(tǒng)阻力的降低，而對整個預(yù)熱系統(tǒng)的分離效率影響很小。需注意的是，內(nèi)筒直徑不能無限制的增大，當(dāng)內(nèi)筒與進(jìn)風(fēng)口內(nèi)側(cè)的延長線相切甚至相交后，即內(nèi)筒直徑超過某一臨界點(diǎn)后，分離效率將迅速降低，且氣體對內(nèi)筒的沖刷加劇，磨損加快。
延長內(nèi)筒的插入深度是提高分離效率的重要措施，但隨著內(nèi)筒的加長，系統(tǒng)的阻力也隨之提高。對于整個預(yù)熱器系統(tǒng)，我們追求的是全系統(tǒng)的低阻高效，因此對于每一個單體預(yù)熱器，在改造時可以采用不同的技術(shù)手段來強(qiáng)化或淡化某些參數(shù)的設(shè)計，降低改造的投資和難度。模型試驗(yàn)和生產(chǎn)實(shí)踐表明，在特定條件下，內(nèi)筒直徑不變，內(nèi)筒插入深度延長一倍后，分離效率基本不變，有載阻力卻增加了30%以上。因此在改造中，對于中間級的預(yù)熱器，重點(diǎn)從降低系統(tǒng)的阻力損失角度出發(fā)，可盡量選擇插入淺的內(nèi)筒。此外，由于一級預(yù)熱器的分離效率對提高整個預(yù)熱分解系統(tǒng)的分離效率和熱效率，減輕廢氣處理系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)至關(guān)重要，對第一級預(yù)熱器的改造，可重點(diǎn)從提高分離效率的角度來考慮，對內(nèi)筒直徑和插入深度，可進(jìn)行超常規(guī)設(shè)計。
技術(shù)改造中，目前廣泛采用的內(nèi)筒結(jié)構(gòu)形式是懸掛分片式圓內(nèi)筒，內(nèi)筒中心線與預(yù)熱器柱體中心線重合。而早期采用的偏心設(shè)置的內(nèi)筒、異型內(nèi)筒（扁圓或靴型）和整流降阻器等結(jié)構(gòu)形式和部件，雖然在理論研究中有較好的低阻效果，但設(shè)備制作和維護(hù)復(fù)雜，在長期惡劣的工況下易變形損壞、壽命短，有時難以發(fā)揮應(yīng)有的作用，且部件的掉落還會造成機(jī)械性的堵塞，一般情況下可不采用。
1.5 導(dǎo)流板
早期的老式旋風(fēng)預(yù)熱器阻力較大，主要原因在于旋風(fēng)預(yù)熱器進(jìn)口切向氣流與內(nèi)部旋轉(zhuǎn)氣流的碰撞干擾，使氣、固兩相流的流場不斷變化。在改造中通過增設(shè)導(dǎo)流板，可以減少上述碰撞干擾效應(yīng)，穩(wěn)定流場，縮短氣流在旋風(fēng)預(yù)熱器內(nèi)的行程，降低氣流循環(huán)量，以降低旋風(fēng)預(yù)熱器阻力。
導(dǎo)流板太短，降阻作用不明顯，太長反倒明顯影響分離效率，甚至還會增加阻力。由于導(dǎo)流板的降阻作用在特定條件下才比較明顯，因此在技術(shù)改造中，當(dāng)可以方便地對渦殼、內(nèi)筒進(jìn)行改造時，通過采取合理的渦殼、內(nèi)筒結(jié)構(gòu)形式和合理的工藝參數(shù)，可以顯著地降低系統(tǒng)的阻力，其產(chǎn)生的效果變化同樣明顯，而不一定必須采用導(dǎo)流板，畢竟增加部件后使預(yù)熱器結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，增加維護(hù)環(huán)節(jié)，在長期惡劣工況下可能會變形損壞，反倒會給系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)率帶來不良影響。反之，如果對傳統(tǒng)形式的預(yù)熱器系統(tǒng)不能進(jìn)行大的技術(shù)改造時，采用導(dǎo)流板也不失為一種有效的技改措施。
1.6 旋風(fēng)預(yù)熱器的高度
氣體由旋風(fēng)預(yù)熱器入口至排風(fēng)管出口的運(yùn)動過程類似于“龍卷風(fēng)”，其風(fēng)尾有機(jī)會進(jìn)入旋風(fēng)預(yù)熱器的錐部卸料管口處，將分離下來的生料再次卷起，隨中央風(fēng)帶出旋風(fēng)預(yù)熱器，降低系統(tǒng)的分離效率。傳統(tǒng)的旋風(fēng)預(yù)熱器，其旋風(fēng)預(yù)熱器高度H（圓柱體高度h1+圓錐體高度h2）與有效直徑Di的比值偏小。在改造中，結(jié)合原有的設(shè)備、框架結(jié)構(gòu)尺寸，應(yīng)盡可能地使改造后各級旋風(fēng)預(yù)熱器進(jìn)口中心線到排料口的長度大于“龍卷風(fēng)”長度（即旋風(fēng)自然長），使風(fēng)尾遠(yuǎn)離卸料管口。
