0 前言

新型干法水泥生產線生料入窯前，首先進入預熱器系統，目的在于與窯內及分解爐內出來的熱煙氣進行換熱，吸收煙氣中含有的大量熱能。換熱過程的動力是溫度差，隨著生料溫度的上升和煙氣溫度的下降，換熱速率會明顯下降，當溫差為零時，換熱就停止了。

歷史上曾經出現過帶一級預熱器的系統，由于僅僅進行一次熱交換，即使換熱管道很長，生料升高的溫度和氣體降低的溫度都是有限的，因此熱耗也較高。要想利用生料回收更多的熱量，降低熱耗，必須采用多級換熱的方法，將上一級換熱后的生料分離出來，與下一級更高溫度的煙氣再次進行熱交換。預熱器的級數越多，換熱的次數越多，熱耗降低得越多。

預熱器的級數并非越多越好，原因是預熱器系統的阻力隨著級數的增加也會增加，會造成電耗的增加。因此在節熱、節電孰重孰輕的問題上要綜合起來考慮，同時還要考慮環保減排的問題。很顯然，在不同國家、或者同一國家的不同地區，煤炭、石油、天然氣等不可再生性能源緊缺程度是不同的，電力條件也是不同的，必須因地制宜地分析預熱器級數問題。

我國的新型干法水泥生產線以五級預熱器帶各種類型的分解爐為主。近幾年人們對五級預熱器出口溫度較高、熱耗較高的問題開始重視，為了繼續回收熱量，許多工廠采用了利用預熱器和篦冷機廢氣去發電的措施，低溫余熱發電技術開始在水泥工廠大量應用。但是，余熱發電技術在節能、投資、環保、占地、工藝操作等方面是否就是最佳選擇呢？根據我國目前的狀況，利用六級預熱分解系統來代替帶低溫余熱發電的五級預熱分解系統，進一步回收窯尾廢氣中的余熱應是大勢所趨。國內已經有水泥專家如天津院俞為民等撰文進行過詳細分析，我們非常贊同文中的觀點。參照該文提供的數據及其它一些資料，以5000t/d規模的生產線為例，低溫余熱發電系統與六級預熱器的技術指標對比見表1。

從上表可以分析出，六級預熱分解系統的節能效果與低溫余熱發電系統的節能效果接近，甚至進一步考慮窯頭余熱利用后，節能效果還優于低溫余熱發電系統，而投資僅相當于低溫余熱發電系統的1/10 左右，且在其它一些技術指標上也具有優勢，因此在水泥工業應用六級預熱分解系統的前景是廣闊的。

本文僅對某公司在六級預熱分解系統開發方面所做的一些工作，以及在LDS 水泥廠1500t/d 水泥熟料生產線技術改造中完成的設計案例作一些介紹。需說明的是，對于規模較小的水泥熟料生產線，由于窯尾框架高度較低，預熱器系統的換熱管道相對較短，其采用六級預熱器的意義反倒更大。此外，對于規模較小的生產線，“麻雀雖小，五臟俱全”，但愿本文能對2500t/d 及其以上規模的水泥熟料生產線六級預熱分解系統的開發設計，起到“拋磚引玉”的作用。

1 降低預熱分解系統

阻力在新建工程設計中，該公司開發的五級預熱分解系統C1 出口壓力為-4500Pa～-4800Pa。增加一級預熱器后，如果沿用以前的設計參數，預熱分解系統C1 出口壓力將會達到-5300Pa～-5600Pa；經優化設計后，正常生產時C1 出口壓力可以控制到-4800～-5100Pa 范圍內。

降低預分解系統阻力損失的關鍵是降低預熱器系統的阻力損失。一般說來，預熱器的阻力損失由四部分構成，即進口阻力損失、內筒及出口阻力損失、旋轉氣流與預熱器內壁的粘滯阻力損失、旋轉氣流由下向上（中央核心風）的折返阻力損失。從設計參數來看，上述阻力損失多多少少都與預熱器的進口、內筒及出口的設計風速有關，也與渦殼、內筒、出風管的結構參數有關，通過合理的設計參數選取，降低上述阻力損失是較為容易做到的。

優化后的預熱器結構形式見圖1 。設計中該公司主要采用了以下一些技術措施。

1.1 進一步降低了各級預熱器的進口風速

由于進口壓力損失與進口風速的平方成正比，因此通過降低進口風速來降低壓力損失的效果是非常明顯的。新設計的預熱器進口面積比以前的進口面積大。（進口風速降低后對分離效率有影響，設計時可以通過擴大渦殼回轉半徑來彌補分離效率的損失）。

1.2 降低了各級預熱器的內筒及出口風速

該措施的降阻原理與上述措施是相同的。設計時將預熱器的內筒直徑和出風管道直徑在合理范圍內進行了擴大。（出風管直徑加大后，還延長了生料在上升管道內的停留時間，提高了換熱效率）。

1.3 進一步擴大了渦殼的回轉半徑，進風口采用等角度變高度斜邊形式

以前該公司設計的預熱器也是三芯偏置，270°大包角的渦殼形式。本次設計在原有參數基礎上，進一步加大了三芯偏置的距離，擴大了渦殼回轉半徑，使氣流旋轉更加的平緩，降低阻力。（渦殼的回轉半徑加大還對分離效率有利。原因是分離效率與進口氣流的旋轉動量矩成正比，它可以彌補因降阻而采用低風速后，對旋轉動量矩造成的損失）。

五邊形進風口斜邊設計成等角度變高度向下傾斜的形式，適應氣體向下旋轉的運動特點，降低下行氣流與渦殼斜邊交線形成夾角而產生的阻力損失。（也能夠減少生料的二次飛揚，提高分離效率）。

1.4 縮短C3、C4、C5 預熱器的內筒長度（必要時還可以取消C4 內筒）

對每一級預熱器而言，內筒長度對預熱器的分離效率和阻力影響是較大的，而且分離效率和阻力常?；槊?，往往同時提高，或同時降低。

六級預熱器疊加在一起是個系統。該公司設計的最終目的是為了獲得一個更好的疊加效果。因此在各級預熱器分離效率的匹配上，采用η1＞η2＞η6＞η3、η4、η5 的匹配方式，和以前的設計參數相比，進一步縮短C3、C4、C5 預熱器的內筒長度，顯著降低這三級預熱器的阻力，進而降低系統的總阻力。

如需進一步降低阻力，還可以取消C4 預熱器的內筒，這個問題在本文第2 節中還有進一步說明。

1.5 分解爐的阻力

在設計中并未刻意考慮降低分解爐的阻力，主要原因是：

（1）分解爐的阻力主要由局部阻力和沿程阻力組成。局部阻力主要指爐底一次噴騰、爐中二次噴騰、爐頂的氣固反彈（如撞頂效應、鵝頸管折流效應等）、三次風旋流等產生的阻力損失，這部分的阻力損失約能占到分解爐總阻力損失的50～60%左右，而且不管爐體直徑大小如何變化，為了保證獲得上述各種效應，局部阻力損失有時是必須的。沿程阻力損失主要和風速有關，由于這部分阻力所占比例較小，尤其是和整個預分解系統相比所占比例更小，因此靠放大爐體直徑、降低斷面風速來減少這部分阻力，減少的幅度有限，反到會帶來工藝布置不合理、土建框架面積和高度增加、甚至塌料等一系列問題，得不償失；

（2）和預熱器不同的是，分解爐的阻力損失符合管道流動的特點，即粉塵濃度低、煙氣密度小、耐火材料表面比較光滑時，阻力損失是比較小的。而預熱器的阻力損失則恰恰相反，當粉塵濃度低、耐火材料表面光滑時，阻力反倒升高。因此對預熱器的研發重點和對分解爐的研發重點應區別開來，為了降低整個系統的阻力損失，就應重點研究六個預熱器的降阻問題；

（3）分解爐主要承擔的是CaCO3 分解功能，應把研發重點放在解決各種煤粉的起燃、生料的均布、提高煤粉燃盡度、延長生料在爐內停留時間等方面，因此對爐的容積，爐的結構（噴騰、旋流、懸浮速度）等設計參數要重視，過分強調低阻方面的設計可能會本末倒置，使爐的功效不能正常發揮。

按照上述思路，分解爐采用的是經優化設計的在線旋流噴騰管道型分解爐（見圖4），為了滿足降低框架高度和框架面積的要求，在以前設計的在線爐基礎上，還適當地提高了爐內的截面風速，減小了爐體的直徑。關于分解爐的設計在第三節中還有敘述。

2 合理確定各級預熱器分離效率

預熱器的分離效率，對抑制系統內生料的循環，具有重要意義。這是保證換熱效率高、熱耗低、產量高的重要技術措施。

該公司希望六個預熱器疊加在一起后具有高的分離效率和低的阻力，因此就不能單純追求每個預熱器的指標都是最優，或者單純追求某單一指標是最優的，否則可能就要付出更多的代價。譬如說，即使每一級預熱器都追求95%以上的分離效率，系統的熱效率也不會提高很多，但系統阻力將會增加1800Pa 以上，電耗增加造成的損失是長年累月的。因此每一級預熱器分離效率的設計，應結合它所在的級數來確定。

公司設計的預熱器分離效率的匹配方式為：η1＞η2＞η6＞η3、η4、η5。（當生料細度不同時，預熱器的分離效率是不同的，本文中提到的分離效率設計依據是生料細度R0.08=16%，R0.2≤1.5%）。設計中采取的技術措施如下：

（1）C1 預熱器的分離效率

由于預熱后的生料由C1 預熱器的逃離，就意味著是從預熱器系統的逃離，因此C1 預熱器相當于抑制系統生料循環的最后一道防線，因此效率應該最高。C1 預熱器設計的分離效率為96%。（C1 預熱器的高效率設計，還能減輕廢氣處理系統的負擔，利于環保減排）。

為保證較高的分離效率，C1 的內筒在所有預熱器中插入是最深的，當然這會帶來阻力增加的趨勢。由于C1 預熱器在最頂部，為解決阻力問題，該公司設計的C1 預熱器假想截面風速是最低的，長徑比是最大的，用以抵消部分因為內筒插入深度深而帶來的阻力增加。實際設計結果是，C1 預熱器在所有預熱器中直徑最大，高度最高。結構形式見圖2。

（2）C2 預熱器的分離效率

C2 預熱器也應設計較高的分離效率，主要原因是C3 以下的預熱器內生料溫度較高，其循環量對系統熱效率影響較大，通過C2 預熱器高效率的設計，能夠使高溫區循環的生料首先經過C2 預熱器高效率收集，然后再經過C1 預熱器更高效率的分離，使高溫區預熱好的生料難以逃離預熱器系統。同時C2 預熱器較高的分離效率還有利于減輕C1 預熱器的收塵負荷，提高C1 預熱器的分離效率。C2 預熱器設計的分離效率為92%。

（3）C6 預熱器的分離效率

預熱器系統內的生料是換熱后的生料，因此除了應減少從系統逃離到廢氣處理系統的生料量以外，該公司還希望生料能盡快入窯，將熱交換得到的熱量盡快帶回窯內，減少生料循環而帶來的熱量損耗，并減少高溫段預熱器的粘結堵塞現象。因此C6 預熱器的分離效率設計為90%。結構形式參見圖3。

（4）C3、C4、C5 的分離效率

預熱器的分離效率隨著內筒的縮短呈下降趨勢，阻力隨著內筒的縮短也呈下降趨勢，但兩者下降的幅度不一樣，分離效率下降幅度小，阻力下降幅度大，當內筒縮短到一定程度后，分離效率下降速度變得緩慢，而阻力的下降依然還明顯。因此在設計中可以考慮犧牲一點點分離效率而換來更低的阻力損失。

按照該公司以前的結構設計參數，對中間級數的預熱器分離效率設計為86～88%，預熱器本體阻力590±30Pa。本次設計和以前的結構參數比較，進一步縮短了內筒的長度，C3、C4、C5 預熱器的分離效率降低至84～85%，每級預熱器的本體阻力將達到470±30Pa 左右（是采用綜合降阻措施后，并非僅縮短內筒）。

在開發過程中，也曾經對C4 預熱器進行過無內筒的設計，以便進一步降低阻力，但在對LDS 廠實際設計中，我們暫時放棄了這個設計方案，而是采用了與C3、C5 預熱器相同的內筒高度。3 降低窯尾框架高度一般情況下，1500t/d 帶五級預熱分解系統的的窯尾框架高度在65 米至70 米之間。增加一級預熱器后，如果還沿用五級時的設計參數，窯尾框架高度將會達到75 米至80 米之間。

本工程優化設計后，窯尾框架總高度為69.0 米，與以前的五級預熱分解系統的高度基本接近。為了降低窯尾框架總高度，該公司主要采取了如下設計方案（見圖4）：

（1）爐頂設鵝頸管，利用鵝頸管的向下折返，來降低六級預熱器的布置標高傳統的一些爐型，如N-KSV、DD、NSF 等爐型，爐的出口在頂部，或頂部的側面，然后直接與最末一級預熱器連接，因此最末級預熱器的布置標高較高，使得預熱器的框架較高。

本次設計采用在線旋流噴騰型的分解爐，在爐頂增加鵝頸管，鵝頸管向下折返到很低位置后與C6 預熱器相連。C6 預熱器的布置標高，以剛好能夠滿足卸料管入窯尾煙室的要求為準，即以剛好保證卸料管的溜角為設計原則。

根據上述設計思路，C6、C5、C4 預熱器整體全部布置在了分解爐頂部出口之下。

（2）設計采用管道式分解爐，提高爐內截面風速由于分解爐、鵝頸管需要占用一定的面積和空間，而且C6、C5、C4 預熱器的位置又低于爐體，意味著至少有三層平面，都要同時考慮布置分解爐、鵝頸管、預熱器。解決這個問題的方案有以下幾種：

方案一是擴大窯尾框架的面積。這種方案會帶來土建投資的顯著增加，而且業主出于各種因素的考慮，要求采用鋼筋混凝土框架結構，當跨距過大時會給土建設計帶來一系列難度；

方案二是將鵝頸管移至框架外面。這也是一種可行的方案，但設備安裝、耐火材料砌筑及生產后的操作、維護不太方便，土建造價高于方案三；

方案三是改變分解爐截面風速的設計，較大幅度地減小分解爐的直徑，讓其能夠充分向空間發展，以較小的框架面積來滿足設計要求。該種方案的土建造價小于方案一和方案二，工藝布置順暢。

設計中經綜合考慮選擇的是方案三，即采用高截面風速的管道爐的設計方法。

（3）減小預熱器的直徑，降低預熱器的有效高度傳統的一些思想認為，預熱器的直徑越大，預熱器的處理煙氣的能力就高，就越容易達到低阻高效的效果。事實上預熱器的阻力和分離效率取決于很多的因素，理論和實踐均證明，預熱器的直徑對上述參數有影響，但不是最主要的因素。影響阻力和分離效率最關鍵的因素是渦殼和內筒的設計。當渦殼和內筒的結構形式和設計參數優化合理時，較小的預熱器直徑，即較高的假想截面風速，仍然可以獲得很好的低阻和高效的效果。我們完成的許多設計工程，在投產后都證明了這一點。

本次設計的預熱器直徑，除C1 外其余各級預熱器的直徑均小于一般同類規模的預熱器直徑。關于預熱器的高度，該公司在設計中還有意加大了長徑比，但由于預熱器直徑減小較多，除C1 外其余各級預熱器的高度均小于一般同類規模的預熱器高度。

（4）預熱器采用歪斜錐體

當預熱器采用正錐體時，錐部與上升管道或爐體互為影響的可能性增大，設備之間的定位距離也要加大，層高相應加大。在設計時，在錐部直徑約3.5m 以下的部位，采用不對稱的歪錐設計，使預熱器系統具有良好的空間重疊布置功能，減小預熱器框架的總高度。

歪斜錐體還有兩個重要作用：一是消除了錐部粉體結拱所需的力學對稱條件，具有防結拱堵塞功能，提高系統運轉率；二是可減少因預熱器內部旋轉氣流折向而造成錐體底部生料的二次飛揚，提高分離效率。

（5）窯頭采用不漏料篦式冷卻機，降低窯頭廠房高度，進而降低窯尾廠房高度我公司開發的不漏料固定篦床式冷卻機，其技術性能遠遠優于第三代推動篦式冷卻機，其工藝布置也比第三代推動篦式冷卻機更加優越。主要原因是該篦冷機完全實現了不漏料，不需要灰斗、卸料鎖風閥、漏料拉鏈機等設備，篦下結構非常簡單，所需的布置空間高度大大小于第三代推動篦式冷卻機，因此可以降低窯頭罩所在平臺的標高，相應地降低窯尾煙室所在平臺的標高，進而降低窯尾廠房的高度。

該公司開發的不漏料篦式冷卻技術在國內十余家水泥廠技術改造和新建工程中得以成功應用，效果都非常好，技術已經非常成熟。4 工程設計布置案例按照上述思路設計的六級旋風預熱分解系統，在該公司進行的LDS 水泥廠1500t/d 技術改造設計中加以采用。燒成系統工藝布置見圖4。

作者：陳曉東 高玉宗 邢桂文 田晨旭

單位：北京四方聯新技術開發有限公司

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