6新型干法窑系统中预热器规格配置研究探讨

1 新型干法窑系统中预热器规格配置研究探讨

南京邦齐建材设备工程有限公司 梁镒华 尚亿斌 魏波 张耀智

前言：在新型干法窑系统中预热器及分解炉承担着生料预热、碳酸盐分解的重要任务，而这些都是在预热器和分解炉内以悬浮状态下进行的，因而极大地提高了传热效率，为此如何把各部位的风速控制在合理的范围，既能保证物料的良好分散、气固迅速换热，同时又不至于消耗过多的能量，成为设计研究和生产控制中的重要课题。

在预分解窑发展初期，欧洲国家的水泥装备公司认为：预热器各部位风速包括连接管道风速不宜太高，预热器截面风速3~5m/s，连接管道风速16~20m/s。主张以较低风速，较大的设备规格换取较低的气流阻力和电耗，以降低生产运行费用。而日本早期则主张选用较高的风速，如：连接管道风速19~25m/s，以减小设备规格，降低设备和土建费用。随着石油危机能源价格上涨，生产经验的积累和各国技术交流，高风速的主张已有所改变。随着80年代中期新型低压损预热器的问世，预热器阻力降低约1/3，使选用五级预热器系统的阻力，能够保持在传统四级预热器系统的阻力水平。

80年代以来我国从国外引进诸多技术装备相继投产，90年代国家建材局组织了有关高等院校和设计研究单位专家对这些装备进行了从机理研究、热工测定、冷模试验，到技术改造等做了大量卓有成效的工作，取得了丰富的经验和成果。本文是在学习的基础上选择90年代引进部分KHD技术装备和收集部分国内研发有一定代表性的NSP窑预热器规格配置案例，试用相同或相当废气量和温度等参数，从计算假想截面风速与系统阻力建立某种联系。进行一些纵向研究分析比较，探索预热器规格配置的发展趋势，仅供学习和研究参考。

1. NSP窑系统中各级预热器的功能和配置原则

研究表明：各级预热器在预分解系统中换热作用较小，主要作用是气固分离。而各级分离效率及它们之间的合理匹配对保证系统经济、合理和安全生产至关重要。各级预热器分离效率匹配排序以η1>η5>η4>η3>η2 为佳。最上级预热器（即C1）关系生料粉的外排循环，一般配置规格较大，以降低假想截面风速提高分离效率，并采用双高圆柱筒结构减少生料粉外排，其对系统热效率影响最大；最下级预热器分离效率关系到已分解热物料的内循环，对系统热效率影响也很关键。该级预热器由于气温最高，工况流量最大故在与上一级预热器取规格相同时，假想截面风速较中间级有所偏高，可能成为产能提高的制约因素。若能取较大规格，降低该级截面风速对提高分离效率、系统热效率，以及降低系统阻力和产能提高更为有利；中间级预热器规格关系系统总压降水平。取较低假想截面风速以保证分离效率和热效

2 率外，对降低系统总阻力有直接影响。

2. 预热器阻力的影响因素和对系统总压降的评判依据。

预热器阻力除与其结构有关，同时与规格大小，即影响假想截面风速有直接关系。另外系统阻力还与预热器进出口和连接管道取用风速高低等有密切关系。我们为纵向分析比较方便，暂搁置预热器结构、进出口连接管道风速和分解炉等不同的影响。仅从预热器规格即假想截面风速高低作为判别系统阻力的依据。并引入“SP系统平均假想截面风速”的概念（即各级预热器设计假想截面风速的加权平均值）作为表征性评判SP系统设计阻力的参考指标，来相对评估系统阻力水平。具体案例分析比较如下（详见附表一、附表二）

3.案例分析比较和评述

（1）案例1~3（80年代国外引进技术装备）

案例1: IHI-JD引进日本4000t/D技术装备，当年实测产量4209t/D 增产幅度5%，窑有效容积产量较低（3.8~4.0t/m³·D）。配置传统预热器规格较小、阻力较高，SP系统各级设计选型规格计算假想截面风速3.54~4.98m/s，唯C4偏高为6.67m/s ，选型规格过小呈系统发展增产的“瓶颈”。计算SP系统平均假想截面风速为4.84（设计值）5.09（增产5%）m/s相对比较高，实测系统总压降为-5639Pa，为窑低产量下预分解系统阻力的偏高值，影响系统产能的发挥。在当时是考虑节省投资，而运行电耗相对不低的方案。（设计产量下系统总压降排名第11位）

案例2：MHI-NG引进日本4000t/D技术装备，实测产量4090t/D，窑有效容积产量低（3.08t/m³·D）。SP系统选型规格大，计算各级预热器假想截面风速最低（2.84~3.66m/s）。计算SP系统平均假想截面风速仅为3.04m/s，是所有案例中最低的。实测系统总阻力仅为-3482Pa（MFC分解炉半离线布置），窑系统阻力最低增产潜力大。是节能、降低生产运行费用，但相对设备和土建投资增加的方案。（设计产量下系统总压降最低，排名第1位）

案例3：FLS-SC采用新型预热器阻力降低约1/3，本案采用小规格高假想截面风速（4.86~7.03m/s），计算SP系统平均假想截面风速为6.33m/s最高。实测系统总压降为-6072Pa ， 设计产量：2000t/D 实测1861t/D。是考虑节省投资但影响产能发挥（当时分解炉运行存在问题），且运行费用相对偏高的方案。（是设计产量下系统总压降最高，排名第12位）

（2）案例4~6（90年代引进KHD技术装备）

案例4: KHD-新疆·天水（海拔1100m） 设计产量：2000~2300t/D 窑容积产量

3 4.6~5.3t/m³·D。SP系统高海拔选型规格较大，系统阻力较低。假设按出C1废气量：1.526Nm³/kg计算各级预热器假想截面风速低（2.53~3.75m/s），计算SP系统平均假想截面风速指标为3.24m/s。2000T/D时系统总压降-5200Pa左右，考虑管道分解炉（长96M截面风速12.2

m/s）阻力约-930Pa。则SP系统阻力仅为-4270 Pa左右，是在高海拔条件下考虑节能、降低运行费的方案。但设备和土建框架较大（30%） 故投资相对增加。（设计产量下仅考虑ＳＰ系统总压降水平排名第2位）

KHD86年报价（海拔：100m）预热选型配置：C1：2-φ4.33m，C2-5:1-φ6.7m 设计产量2000t/D时计算SP系统平均假想截面风速为3.69m/s。(海拔：1000m)预热器选型配置：C1：2-φ4.53m，C2-5:1-φ7.0m 设计产量2000t/D时计算SP系统平均假想截面风速为3.53m/s，系统总压降阻力均较低。

案例5：KHD-台·花莲 设计产量：4800~5300t/D 增产幅度10%，超短窑有效容积产量高（5.4~6.0t/m³·D）SP系统选型考虑省投资，规格偏小，在设计产量4800 t/D时计算各级预热器设计截面风速为3.52-4.64 m/s，计算SP系统平均假想截面风速为4.08 m/s，较86年新疆报价设计平均截面风速3.52~3.69 m/s系统阻力略高。验收考核：4853t/D正常生产5000t/D系统阻力-4700PA，是考虑增产幅度不大节省投资的方案。（设计系统阻力水平排名第7位）

案例6：KHD·京阳 设计产量：5000 t/D 目前达6800 t/D 增产幅度大（36%） 超短窑有效容积产量高达6.3 t/m³·D ，是当前国际先进指标。SP系统选型规格较大，设计产量5000 t/D 计算平均假想截面风速3.52 m/s，系统阻力低。增产36% 达6800 t/D时设计各级预热器截面风速仅为3.74~5.54 m/s，计算系统平均假想截面风速为4.79 m/s，尚低于JD（案例1）5.10 m/s的水平。是考虑在超高产条件下，保持节能、降低运行费用的方案。但土建框架大1倍以上，设备和土建投资费用增高。（设计系统总压降水平排名第3位）

（3）案例：7~12（90年代以来国内研发部分技术装备）

案例7：TC-浙·裕廊 设计产量2500t/D 目前产量：3350t/D 增产幅度34% 窑有效容积产量达5.5t/m³·D。SP系统配置规格在产量2500~3200 t/D时，计算平均假想截面风速4.33~5.54m/s 系统总压降在相对合理范围电耗适中。随着系统产量提高2011年达3350t/D 系统阻力偏高-5900Pa 运行电耗偏高，是增产30%左右兼顾省投资和运行费用相对合理的选型方案。SP系统采用双系列布置紧凑窑尾框架未见增大，土建投资相对较省。（设计系统阻力适中排名第8位）

4 案例8：NC-浙·余姚 设计产量2500t/D 目前产量：3450t/D 增产幅度38% 窑有效容积产量达5.65t/m³·D。SP系统选型配置规格略小，在产量2500~3000 t/D计算SP系统平均假想截面风速4.58~5.50 m/s，系统总压降在相对合理范围电耗适中。2011年产量达3450 t/D 计算系统平均假想截面风速高达6.32 m/s系统阻力＞-7000Pa，电耗增高。它是增产20%左右兼顾省投资和运行费相对合理的选型方案。预热器单系列工艺布置紧凑，设计单位产品占窑尾框架容积小为7.5m³/t·D ，相对节省设备和土建投资。（设计系统阻力水平适中排名第10位）

案例9：BQ-陕·满意 设计产量5000~6000t/D 增产幅度20% 窑有效容积产量：4.6~5.5

t /m³·D ，SP系统设计选型规格加大，计算系统平均假想截面风速4.01~4.82m/s 系统总压降有明显降低。高产量5600 t/D时系统阻力-5300Pa， 单位产品占土建框架容积较小为6.8 m³/t·D，是窑系统产能中等水平时，投资和运行费用较省的方案（设计系统阻力水平排名第6位）

案例10：西安建筑科技大学·粉体所-陕·阳山庄 设计产量2500~3592t/D 增产幅度大为44% 窑有效容积产量：4.1~5.9 t /m³·D 。 窑尾系统采用新工艺：高固气比双列交叉换热对降低热耗、提高系统热效率取得成功。假设出C1废气量1.450Nm³/kg和出C1气温260℃计，预热器各级设计假想截面风速2.39~4.34m/s ， 计算SP系统平均假想截面风速3.68 m/s，系统阻力较低，接近KHD-京阳（案例6）系统阻力设计水平。在高产3592 t/D时计算SP系统平均假想截面风速仅为5.03 m/s ， 系统阻力较低，电耗相对较省，但系统较复杂。土建框架与当前较好水平比约大60%以上。设备、土建投资增大。（设计系统阻力水平排名第4位）

案例11：BQ-宁夏·胜金（二期）（海拔：1580m） 设计产量2500~3300t/D窑有效容积产量：4.1~5.4 t /m³·D ，由于海拔影响SP系统选型规格加大， 假想截面风速2.88~4.93

m/s 计算2500t/D时SP系统平均假想截面风速4.49 m/s，目前产量达3000 t/D，系统总压降现场反馈-6000Pa左右，是高海拔条件下兼顾建设投资和运行费的方案。

案例12：BQ-优化方案 设计保证产量起点提高2700~3500T/D 增产幅度30% SP系统选型加大，并加大C5保证分离效率和提高热效率外，有效降低SP系统平均假想截面风速为3.79 m/s（2500t/D时），系统阻力较低，当高产3500t/D时平均假想截面风速为5.31 m/s 系统阻力尚在相对合理范围。是超高产条件兼顾节能和投资省的方案。（设计系统阻力水平排名第5位）