回转窑生产线窑尾系统技术改造的设计要点

  预热器系统的形式有多种，但构成预热器系统的单元只有旋风预热器和立筒预热器两种，即所有的预热器系统都是由这两种设备中的一种单独组成或两种混合组成。由于立筒预热器内部生料分散效果不好，分离效率低，换热效率明显低于旋风预热器。因此对于立筒预热器窑的生产线，能采用淘汰立筒、更换旋风预热器的改造方案；对于旋风预热器窑生产线，主要是通过技术改造，进一步提升预热器系统的换热效率和分离效率，降低系统阻力。因此本文只介绍各种预热器系统改造为旋风预热器系统时的设计要点。

  旋风预热器系统带很多类型的分解炉后，就是通常所说的窑尾预分解系统。分解炉承担了烧成系统中大多数的燃烧、换热、碳酸盐分解任务。分解炉的形式有很多种，但工作原理大同小异，并无本质上的区别，目的都是加强生料与燃料的分散、混合、均布，燃料燃烧速度快、燃烧完全，生料中的碳酸盐能迅速吸热、分解，产生的废气能迅速排出系统。但需要研发设计人员注意的是，技术改造时应根据不同企业的具体条件，对分解炉的结构及形式和各种参数进行因地制宜的选择和设计。

  由于不一样的地区的气象、地理等自然条件不同，原燃材料的理化特性不同，因此不能简单地照搬照抄图纸，而是应该要针对各种条件进行认真研究，进行个性化的技术改造设计。我公司在从事技术改造工程设计中都是按照上述原则进行的。

  预热器的假想截面风速，表征了预热器柱体单位有效截面积处理工况气体量的能力。假想截面风速的提高，意味着旋风预热器直径的减小，从提高预热器的分离效率来讲是有利的，为利用原有的设施（设备、土建框架等）进行技术改造创造条件。不利的方面则是，随着截面风速的提高，系统阻力有增大的趋势。

  早期的预热器设计，其假想截面风速较低，大都在3~5m/s之间。从近期的技术改造实践来看，有些工厂的截面风速已明显提高，远远高出了上述数值。理论和实践均证明，通过预热器的高效低阻技术的运用，尤其是通过对涡壳和内筒的优化设计，能够保证高截面风速的预热器系统在低阻力下运行，并保证系统具有高的分离效率。

  经过我公司做技术改造后的部分工厂，随着产量大幅度提高，系统处理的烟气量显著增大，但预热器系统的有效直径并未放大，或放大得很少，节省了总投资（设备、耐火材料、土建等）。

  上述事实并非说明假想截面风速越高越好，只是说明技术改造过程中会遇到各种各样的情况，不要墨守陈规使改造方案受到很大的局限，造成投资浪费。

  早期预热器的进口型式为矩形，技术改造中可改进为五边形或菱形进口，此外下级预热器上升管道至进风口段可由原来的水平布置改进为倾斜布置，且将倾斜角加大，均可以有效的预防积灰，减少阻力，防止塌料。

  进口与预热器柱体可采用等高度变角度或等角度变高度过渡连接，而后种过渡连接方式更能适应进入预热器后的旋转气流向下运动的需要，同时使在涡壳区域分离的生料在气流带动下沿涡壳壁滑落至筒体和锥体，因而降低阻力损失，提高分离效率。

  在合理的速度区间内提高进口风速会提高分离效率，但过高时会引起二次飞扬的加剧，分离效率反而降低。通过对部分工厂改造

  前的旋风预热器进口风速的反求，我们得知进口风速值就已超过合理范围，说明早期的设计参数存在不合理之处。理论和实践均证明，进口风速对操作阻力的影响远大于对分离效率的影响，因此在不明显影响分离效率，以及优化进口涡壳形式减少生料沉积现象的前提下，适当降低进口风速，可作为有效的降阻措施之一。

  对旋风预热器涡壳的改造，是保证预热器系统具有低阻力和高分离效率的重要技术保证。预热器的操作阻力和分离效率是一对矛盾体，通过涡壳的优化是保证预热器系统低阻和高效得以兼顾的因素之一。主要改造原理是：为保证旋风预热器有较高的分离效率，其进口的气体旋转动量矩一定要达到一定的要求。如前所述，为降低旋风预热器阻力，需要降低预热器的进口风速，而为了能够更好的保证预热器的分离效率，在可能的空间内增大旋风预热器的涡壳回转半径，使旋转动量矩不变或提高，来保证低阻高效技术在预热器改造中得以成功运用。

  技术改造中，普遍采用的是多心偏置、大包角、特殊曲线型式的涡壳。这种涡壳的优势还有利于减小颗粒向筒壁移动的距离，增加了气流通向排气中心的距离，减少短路现象，提高分离效率。

  改造时加大内筒直径是降低阻力的重要措施。传统的预热器内筒直径大约是预热器有效直径的0.45~0.5倍左右。大涡壳形式的旋风预热器为增大内筒提供了可能。模型试验和生产实践均表明，内筒直径由小变大时，当不超过某一临界点时，阻力损失一直迅速减小，而分离效率的降低相对来说还是比较缓慢。因此，在保证一定分离效率的前提下，尤其是对于中间级的旋风预热器，选用较大直径的内筒有利于系统阻力的降低，而对整个预热系统的分离效率影响很小。需注意的是，内筒直径不能无限制的增大，当内筒与进风口内侧的延长线相切甚至相交后，即内筒直径超过某一临界点后，分离效率将迅速降低，且气体对内筒的冲刷加剧，磨损加快。

  延长内筒的插入深度是提高分离效率的重要措施，但随着内筒的加长，系统的阻力也随之提高。对于整个预热器系统，我们追求的是全系统的低阻高效，因此对于每一个单体预热器，在改造时能够使用不同的技术手段来强化或淡化某些参数的设计，降低改造的投资和难度。模型试验和生产实践表明，在特定条件下，内筒直径不变，内筒插入深度延长一倍后，分离效率基本不变，有载阻力却增加了30%以上。因此在改造中，对于中间级的预热器，重点从降低系统的阻力损失方面出发，可尽可能地选择插入浅的内筒。此外，由于一级预热器的分离效率对提高整个预热分解系统的分离效率和热效率，减轻废气处理系统的负担至关重要，对第一级预热器的改造，可重点从提高分离效率的角度来考虑，对内筒直径和插入深度，可进行超常规设计。

  技术改造中，目前广泛采用的内筒结构及形式是悬挂分片式圆内筒，内筒中心线与预热器柱体中心线重合。而早期采用的偏心设置的内筒、异型内筒（扁圆或靴型）和整流降阻器等结构及形式和部件，虽然在理论研究中有较好的低阻效果，但设备制作和维护复杂，在长期恶劣的工况下易变形损坏、寿命短，有时难以发挥应有的作用，且部件的掉落还会造成机械性的堵塞，一般情况下可不采用。

  早期的老式旋风预热器阻力较大，根本原因在于旋风预热器进口切向气流与内部旋转气流的碰撞干扰，使气、固两相流的流场一直在变化。在改造中通过增设导流板，能够大大减少上述碰撞干扰效应，稳定流场，缩短气流在旋风预热器内的行程，降低气流循环量，以降低旋风预热器阻力。

  导流板太短，降阻作用不明显，太长反倒明显影响分离效率，甚至还会增加阻力。由于导流板的降阻作用在特定条件下才显而易见，因此在技术改造中，当可以方便地对涡壳、内筒做改造时，通过采取合理的涡壳、内筒结构及形式和合理的工艺参数，可以显著地降低系统的阻力，其产生的效果变化同样明显，而不一定一定要采用导流板，毕竟增加部件后使预热器结构变得复杂，增加维护环节，在长期恶劣工况下可能会变形损坏，反倒会给系统运转率带来不良影响。反之，如果对传统形式的预热器系统不可以进行大的技术改造时，采用导流板也不失为一种有效的技改措施。