预热系统各级旋风筒降阻研究

前言预热器是烧成系统核心设备，其工作状况直接关系到烧成系统能否高效工作。特别是烧成系统提产后，风量大幅度增大，造成预热器出口负压高于设计值，严重影响系统电耗和系统稳定运行。降低预热器系统阻力，提高通风能力是系统优化提升的关键。目前，相当多的生产线已进行了预热器降阻改造，降阻方式较多，技改效果和带来的副作用差别较大。为了找到较好的降阻改造方式，本文从某厂五级预热系统预热器降阻实践出发，结合CFD分析，对各旋风筒降阻方式进行讨论。1 基础数据与分析方法预热器各级旋风筒作用不一样，结构也不尽相同，针对不同的旋风筒需要采用不同的降阻方式。本文将旋风筒从上至下分成三类：C1为一类，C2、C3和C4即中间级为第二类，C5即最末级为第三类，分析其降阻方式的优缺点。1.1基础数据本文研究对象所在系统的基础数据见表1所示。1.2主要分析方法1.2.1物理模型本文分析了第一类旋风筒，也就是C1筒的3种降阻方式，第二类即中间级旋风筒的4种降阻方式，第三类即最末级旋风筒C5的1种降阻方式，即进风口做成斜面的降阻方式。1.2.2网格划分本案例采用混合网格，并用局部尺寸优化进一步提高网格质量，网格歪斜率控制在0.6以下，总网格数在40万左右，满足计算要求，边界层数为5；对旋风筒内一定粉尘浓度的气体进行仿真，但未对生料脱水、生料分解以及部分可燃物燃烧等物理、化学反应对气体的影响进行仿真。2 旋风筒降阻   未改造之前，C1旋风筒见图1所示，进风口面积为5.38m²；窑产量3200t/d时，风速为21.92m/s，旋风筒阻力987Pa，分离效率为93.67%。对C1旋风筒降阻，采取3种形式：进口朝内扩；旋风筒蜗壳顶部提高；进口上部加高，蜗壳不变。C1旋风筒改造前模型图和3种降阻改造形式下的模型图对比见图2所示，速度云图对比见图3所示。2.1进口内侧朝内扩旋风筒进口内侧朝内筒方向扩大（以下简称内扩）300mm，如图2（b）所示。通风面积扩大到6.67m²，速度云图见图3（b）所示，风速降低到17.68m/s；阻力降低到867Pa，阻力降低了120Pa；分离效率降低幅度很大，降低到了84.22%，降低了9.45%。对于C1筒来讲，分离效率很重要，CFD计算和实践表明，内扩会导致分离效率大幅度下降，回灰量和热耗增加。2.2旋风筒蜗壳顶部提高旋风筒蜗壳顶部提高，旋风筒进口高度相应变高，同时增加内筒长度，使内筒底部到进风口底部距离不变，见图2（c）所示。通风面积扩大到8.53m²，速度云图见图3（c）所示，风速降低到13.83m/s；旋风筒阻力降低到836Pa，下降了151Pa；分离效率降低到92.09%，仅下降1.58%。旋风筒阻力下降的同时，分离效率降幅不大。2.3进口上部加高，蜗壳其余部分不变进风口保持顶盖蜗壳不变，只将进风口抬高600mm，进风口和蜗壳顶部接口做平滑处理，如图2（d）所示。通风面积扩大到8.53m²，速度云图见图3（d）所示，风速降低到13.83m/s；旋风筒阻力降低到861Pa，下降了126Pa；分离效率降低到90.57%，下降了3.1%。

2.4 C1旋风筒3种降阻形式的综合点评C1旋风筒降阻，采用内扩方式（即进风口内侧向内筒方向扩大），分离效率下降非常大，严重影响到系统热耗，并使回灰量大量增加，实践中即使增加喂料量，进入下一级的生料量并不一定增长。所以进风口内侧向内筒方向扩大的方式降阻，不适合C1筒技改，建议不用。通过提高旋风筒蜗壳顶部的方式降阻，在使阻力降低的同时，很好地兼顾了分离效率，投资省，施工难度较小。进口上部加高，蜗壳不变，施工量比整体抬高顶盖略小，但是降阻效果比整体提高蜗壳差一些，分离效果下降较多。如果是蜗壳顶部受空间限制无法提高，则可以采用这种降阻方式。3 中间级旋风筒降阻中间级旋风筒降阻以C2筒为例。未改造之前，原始尺寸见图4所示，进风口面积为8.05m²，窑产量3200t/d时，风速为20.61m/s，旋风筒阻力1134 Pa，分离效率为91.69%。对C2筒降阻，采取4种形式：进风口朝外扩600；进风口朝外扩600，蜗壳顶部提高600；内扩200；进口上扩600，蜗壳顶部不变。C2旋风筒改造前模型图和4种降阻改造形式下的模型图对比见图5，速度云图对比见图6。3.1进风口外侧向外扩大旋风筒进风口外侧向外扩大600mm，如图5（b）所示。通风面积扩大到10.88m²，速度云图见图6（b）所示，风速降低到15.29m/s；阻力降低到1009Pa，降阻125Pa；分离效率为89.19%，降低2.5%，但仍可以满足中间级旋风筒对分离效率的要求。这种降阻方式能够满足大部分旋风筒的降阻要求。3.2进风口外扩并提高蜗壳顶部将旋风筒蜗壳顶部提高600mm，同时将进风口外侧向外扩600 mm，相应加长内筒，如图5（c）所示。通风面积扩大到12.39m²，速度云图见图6（c）所示，进口风速降低到13.43m/s；旋风筒阻力降低到834Pa，下降了300Pa；分离效率降低到88.13%，下降了3.56%。相比只将进风口外侧向外扩大的技改方式，分离效率降低了1.06%，降幅不大。当窑系统产量比较高，旋风筒比较小的情况下，需要降阻较多，可以采用这种降阻方式，以最大程度地降低旋风筒阻力。3.3进风口内侧向内扩大将旋风筒进风口内侧向内筒方向扩200mm，如图5（d）所示。通风面积扩大到8.89m²，速度云图见图6（d）所示，进口风速降低到18.66m/s；旋风筒阻力降低到1108Pa，阻力降低26Pa。分离效率降低到90.95%，下降了0.74%。这种降阻方式，降阻幅度小，无法满足对降阻要求较大的生产线。3.4进口上部加高，蜗壳其余部分不变将旋风筒进风口上部提高600mm，蜗壳其余部分不变，进风口提高部分和蜗壳顶部接口做平滑处理，如图5（e）所示。通风面积扩大到9.41m²，速度云图见图6（e）所示，进口风速降低到17.63m/s；旋风筒阻力降低到912Pa，降低了222Pa；分离效率降低到88.36%，降低了3.33%。阻力下降的同时，分离效率下降较多；在降阻技改时，如果是该级蜗壳受空间限制无法提高，则可以采用这种降阻方式。3.5中间级旋风筒降阻策略建议中间级（一般是C2~C4级）旋风筒不要求太高的分离效率，而是要求阻力要小。针对这个特点，结合上述研究成果，中间级降阻策略建议如下:（1）旋风筒进风口朝外扩大是最有效的降阻方式，分离效率损失最小，工程量也不大，推荐使用；（2）当系统对降阻要求很高时，需要提高旋风筒蜗壳并将进风口外侧向外扩大，这样可以最大限度的扩大旋风筒进口面积，同时可维持分离效率保持在88%以上；（3）如果因为旋风筒蜗壳向上提高的空间受到限制，则可以采用进口上抬，蜗壳其余部分不变的方式。特点是工程量小，但分离效率损失大。如果整个预热器各级旋风筒都要降阻，那么只能有一级采用这种方式，不能同时采用，否则分离效率太低，降低预热器换热效率。（4）旋风筒进口内侧向内扩时，工程量虽然小，但是分离效率损失很大，当分离效率低于88%时，不建议采用内扩方式降阻。4 末级旋风筒降阻末级旋风筒，对案例项目来说，为C5旋风筒。未改造之前，C5旋风筒原始尺寸见图7所示，其CFD分析见图8所示。最末级旋风筒跟中间级最大的区别，是末级旋风筒的进风管是从上而下的。由图8（c）和图8（d）可以看出，由于气流是自上而下，C5的高风速区域位于旋风筒蜗壳下半部分，这些高风速区域是C5阻力的主要来源。C5筒的降阻也是要消除这些高风速部分。推荐C5降阻方式是将鹅颈管和旋风筒连接的部分做成斜面，模型图见图9（a）所示。技改前原模型的进风口面积9.15m²，阻力1009 Pa，分离效率89.56%，技改后进风口面积14.01m2，阻力857Pa，降阻152Pa；分离效率85.26%，分离效率降低了4.3%。技改后CFD分析图见图9所示。由图9（b）、9（c）看出，由于消除了鹅颈管到C5筒进口的急弯，鹅颈管到旋风筒流场变的顺畅，下半部分的高风速区消失，压力损失下降，分离效率可控，是一种非常合适的降阻方式。5 结束语本文通过对某厂五级预热器系统的旋风筒进行降阻改造分析，得出以下结论：（1）第一级旋风筒对分离效率要求高，降阻必须在满足分离效率的前提下进行；（2）中间级旋风筒位于第一级和最末级旋风筒中间，分离效率可以适当低一点，因此可以尽可能降低风速，以最大程度地降低阻力；（3）由于最末级旋风筒的进风方向是从上到下，和其它各级旋风筒有所不同，进风口做成斜面可取得较好的降阻效果；（4）不管是哪一级旋风筒，应尽量避免采用进风口内侧向内扩的方式降阻，这个方法虽然施工量小，但是阻力降低较少，分离效率降低较多。——作者：金越1，杨再成2，李毅2，王祥利2——单位：1.北川中联水泥有限公司；2.川渝西南水泥有限公司

——来源：《新世纪水泥导报》2023年6期

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