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西安建筑科技大学硕士论文 外循环式高固气比分解炉的冷模试验研究 专业：材料学 硕士生：冯云 指导教师：徐德龙院士 陈延害讲师 摘要 外循环式高固气比分解炉具有诸多优点，而通过离心分离的方式选择性地让 大颗粒物料作外部循环，则更能发挥外循环式分解炉独有的优势。基于这一考虑， 本文设计了两种不同型式的外循环式高固气比分解炉，研究了在固气比较高情况 下两种系统的阻力特性和分离效率。并分别对构成系统的外循环装置卧式旋风筒 和旋流分离器的性能进行了测试。同时分析了卧式旋风筒的分级分离效率。 研究结果表明：空载下分解炉截面风速为6 0 8 o m s 时，卧式旋风筒的压力 损失约为8 0 之o o p a ，旋流分离器的压力损失约为6 0 肛1 1 8 0 p a ；外循环式i 型分解 炉系统中“分解炉+ 卧式旋风筒”的压力损失比型外循环分解炉系统中“分解炉 + 旋流分离器”的压力损失低3 0 0 - - 6 0 0 p a ，具备较好的阻力特性。 正常工作条件下，卧式筒的分离效率在3 1 , - 4 8 范围内波动，在结构尺寸比例 一定的情况下，通过设计操作参数可以达到所需的分离效率；对平均粒径为2 4 3 l im 的水泥生料，在固气比较小( z - - o 3 o 4 5 ) 时，卧式筒的分级效率随着生料颗 粒粒径的增大而增加，并且切割粒径均超过7 0 pm ，当固气比较大( z - - o 5 如1 5 9 ) 时，卧式旋风筒的切割粒径d c 5 d 在4 0 l lm ，7 0 hm 范围内波动，实现了粉料中粗物 料的外循环；对于i i 型外循环分解炉系统，在控制旋流分离器的分离效率r lq 0 时，可以实现外循环量相对较小情况下系统的稳定运行。 结合现有的研究结论，本文对分解炉系统内物料的分离与停留时间作了初步 的分析探讨。 本研究得到国家8 6 3 攻关项目( 2 0 0 3 a a 3 3 x 0 6 0 ) “三系列高固气比预热预分 解技术及设备的开发”的资助。 关键词：高固气比；外循环分解炉；阻力损失；分离效率 论文类型：应用基础 屯。缁呖鲨，。毒。也嬲簟净1警争。挚o d，d。争!；奇 西安建筑科技大学硕士论文 ac o l de x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho nt h er e c i r c u l a t i n gc a l c i n e r f o rh i g hs o f i d g a sr a t i o 弓云 日期：2 - “f 2 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的 全部或部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在论文解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 玛云 导师签名稿坼眠日期： 毒彳，多 注：请将此页附在论文首页。 气 ， j 西安建筑科技大学硕士论文 1 绪论 1 1 引言 水泥生产自1 8 2 4 年诞生以来，已经有1 8 0 多年的历史，水泥生产技术历经多 次变革。作为水泥熟料的煅烧设备，从最初的间歇式工作的土立窑，发展到机立 窑，直到1 8 8 5 年出现了回转窑。回转窑的型式和结构也发生过很大变化，曾出现 过窑头扩大、窑尾扩大、两端扩大和直筒型窑，窑尾也曾装设过各种热交换装置。 到1 9 3 0 年德国伯力鸠斯公司研制出了用于半干法生产的立波尔窑，1 9 5 0 年联邦德 国洪堡公司研制成功了悬浮预热窑，特别是1 9 7 1 年日本石j i i 岛公司和秩父水泥公 司研制成功预分解窑后，水泥工业的熟料煅烧技术获得了革命性的突破，并推动 着水泥生产全过程的技术创新。随着悬浮预热技术的突破并成功得以应用，新型 干法水泥的生产技术便应运而生，伴随着生产规模的不断大型化，目前，新型干 法生产技术已成为世界上水泥生产的主导技术。 我国的水泥产量自1 9 8 5 年以来已经连续2 1 年位居世界第一，目前水泥产量 已超过1 0 “亿吨，占世界水泥总产量的4 8 左右，为我国的国民经济及经济建设 的持续发展发挥了其重要的支柱产业作用。与此同时，我们也应高度重视水泥生 产过程中的节能问题，技术和装备的进步已成为节能的永恒主题。我国水泥生产 窑型较多，热耗差别也较大，据统计f i 】，湿法窑约比窑外分解窑多耗能近1 倍， 中空窑能耗是新型干法窑的2 3 倍，机立窑约比窑外分解窑多耗能3 0 ，普通立 窑约比窑外分解窑多耗能近7 0 0 , 4 。由此可见，水泥工业节能的根本途径就是发展 新型于法水泥生产技术，取代落后的湿法、立窑和其他旋窑技术。 新型干法水泥生产技术的核心是悬浮预热预分解技术，它是由各种类型的旋 风预热器与各种不同的预分解方法相结合而发展起来的。所谓预分解技术，也称 窑外分解技术，是指将已经过悬浮预热后的水泥生料在达到分解温度前，进入到 分解炉内与进入炉内的燃料混合，在悬浮状态下迅速吸收燃料燃烧热，使生料中 的碳酸钙迅速分解成氧化钙的技术。传统的水泥熟料煅烧方法、燃料燃烧及需热 量极大的碳酸钙分解过程都是在窑内进行的，预分解技术出现后，熟料煅烧所需 的6 0 左右的燃料转移到分解炉内，并将其燃烧热迅速应用于碳酸钙的分解反应 过程中，使入窑生料的碳酸盐分解率达到9 5 左右，这样不仅减少了窑内煅烧带 的热负荷，也大幅度提高了窑系统的生产效率。 由此可见，分解炉设备在预分解窑系统中扮演着一个十分重要的角色，它担 负着预分解系统中繁重的燃烧、换热和碳酸盐的分解任务，这些任务能否在高效 状态下顺利完成，在很大程度上取决于分解炉的类型及其工作性能，所以近年来 各种新型干法技术装备分解炉设备的研制与开发，均是围绕这个目的而进行的。 西安建筑科技大学硕士论文 1 2 本课题的由来和意义 在新型干法预热预分解水泥熟料煅烧工艺中，燃料的燃烧放热过程与生料中 碳酸盐分解的吸热过程，大部分在分解炉中以悬浮态或流化态下极其迅速地进行， 从而使入窑生料的碳酸盐分解率从悬浮预热窑的4 0 左右提高到9 0 以上，甚至 可达9 5 左右。如何使分解炉温度尽可能的降低，入窑生料的分解率更高，从而 使预分解系统的热效率得以进一步提高，如何提高分解炉的热工稳定性，降低n o x 等有害气体的排放量? 要解决上述问题，必须要清楚影响入窑生料分解率的主要因素有哪些方面。 尽管入窑碳酸盐的表观分解率与分解炉中物料在气流中分散程度、颗粒的大小， 分解炉的温度、二氧化碳的分压以及反应时间( 停留时问) 等多种因素有关，但 当在其它因素不变的情况下，如果有意识地延长物料的停留时间，就可以提高分 解率。也就是说，在分解炉尺寸不加大的情况下，利用数倍于成品量的生料在分 解炉再循环，可大大地改善其分解效率和煤粉的燃烧效率，从而实现高固气比分 解炉的构想1 2 。大量的理论研究、工业试验和实践1 3 4 1 表明，通过物料炉外循环的 途径可以大大提高入窑物料的分解率和增强分解炉的热工稳定性。实际上就是通 过外循环途径，延长较大颗粒的物料在系统中的停留时问，从而增大了分解炉系 统的固气比，使分解炉内的热容量增大，进而减弱分解炉内的温度波动。 卧式旋风筒作为众多分离器的一种，它是在2 0 世纪7 0 年代由日本川崎公司 研制开发的，最早用于k s v - 5 窑外分解系统上【卯。对于卧式旋风筒，气流从筒的 一端进入后，围绕卧式圆筒的水平轴线旋转再从另一端的出气口排出，分离出来 的物料经下面的卸料管卸出。卧式旋风筒与普通立式旋风筒相比较，具有减少了 气体入口处气流的冲击压损和锥体底部气流反转向上流动时的涡流损失以及气体 排出内筒处的压力损失，另外还有尺寸小、不易结皮堵塞等优点，但是分离效率 却相对较低。 旋流式分离器利用气流切向进入、旋转，在分离器底端又切向流出进入五级 旋风筒，减少了一般旋风筒的双漩涡流动形态，减少或避免了短路流、纵向漩涡 流、局部涡流和气体折流等现象。减小了系统的压力损失。 根据上述高固气比外循环式分解炉的性能优势，并且若能充分利用卧式旋风 简或旋流分离器的自身特点，经过适当的工艺设计与组合，则可以达到很好的效 果1 5 - 6 1 ，以实现预热预分解技术发展的又一次飞跃。 1 。3 本课题的研究目的及研究内容 因为外循环式高固气比分解炉及卧式旋风筒的诸多优点，并且以前卧式旋风 筒的研究与应用，多是用于预热器系统中的中间几级1 5 1 1 7 1 ，仅起到普通旋风筒的作 用，如果能将卧式旋风筒用于预分解系统，将之与高固气比分解炉合理的组合在 i l i d 。1 0 ， 毒 ， 西安建筑科技大学硕士论文 一起，使通过分解炉的物料经过卧式旋风筒分离，利用其自身的特点分离效率不 高，使未完全分解或部分分解的较粗碳酸钙颗粒、未完全燃烧的较粗燃料颗粒从 物料中分离出来，返回分解炉中继续分解或燃烧，较细颗粒在卧式筒内被气流带 走，从卧式筒出口进入较高分离效率的五级旋风筒分离入窑，返回分解炉中的较 粗颗粒，与新加入的生料和燃料一起继续燃烧和分解，出炉后进入卧式筒进行分 离，如此反复，从而提高了入窑生料的表观分解率和燃料的燃烧效率，并且还可 以避免传统的外循环式分解炉系统中较细的已分解生料颗粒在系统中多次循环， 从而从本质上提高了分解炉的空间利用率。 本课题便是基于上述目的，并受国豸8 6 3 计划匍泪的资助( 2 0 0 3 a a 3 3 x 0 6 0 ) ， 建立了以分解炉、卧式旋风筒为核心的外循环式i 型高固气比分解炉系统的冷态 试验模型，研究固气比、风速对各单体及系统压力损失的影响关系，并对卧式旋 风筒的分级分离效率进行了初步研究；另外，为了进一步掌握卧式旋风筒的阻力 特性和分离性能，引入了旋流式分离器，使之代替卧式旋风筒，从而将外循环式 i 型高固气比分解炉系统改造为外循环式型高固气比分解炉系统，并对外循环 式型分解炉系统的压力损失和分离效率进行了研究，通过对比分析，探求比较 适宜的外循式高固气比分解炉系统，为新技术新设备的研究开发和工程设计提供 依据。 1 j # j ， r 1 ， 西安建筑科技大学硕士论文 2 文献综述 2 1 分解炉研究进展 自从1 9 7 1 年日本石川岛公司和秩父水泥公司开发出第一台s f 分解炉以来， 世界上分解炉技术发展地很快，短短3 0 多年，分解炉得到了不断的发展和完善， 其性能日趋完善。今天，分解炉主要朝着适应不同燃料品种、提高入窑分解率及 简化炉体结构等方向发展。根据分解炉在预分解系统中所处的位置可知，它既是 一个燃烧炉，又是一个换热器，同时也是一个反应器，具有燃料燃烧、气固换热 和碳酸盐分解等多种功能，承担着气固两相输送、混合、分散、换热和化学反应 的多项任务，经过这一系列过程之后，出分解炉生料的分解率可达9 5 左右。 世界各大水泥公司通过对不同的分解炉型进行相互借鉴，取长补短，以使炉 内流场和温度场分布更趋均匀，燃料燃烧更加充分，气体和物料在炉内停留时间 得以延长，从而使燃料在炉内燃烧更充分、生料分解率提高到9 0 9 5 ，甚至更 高，减轻了窑内过渡带的热负荷，有利于缩短窑的规格和使生产大型化，大幅度 提高窑系统的生产效率。 2 1 1 分解炉的发展历程 根据分解炉的工作原理和主要特征大致可将其分为三类嗍：圆筒式、流化床式 和烟道式分解炉。国内外解炉的发展历程见示意图2 1 。 4 毒 西安建筑科技大学硕士论文 图2 1 分解炉发展过程示意图 2 1 2 目前工业应用比较成熟的主要炉型 在过去的短短三十多年内，国内外各水泥公司、设备制造公司以及研究开发 部门已开发应用的分解炉型超过三十多种，截至目前，各系列分解炉中应用比较 成熟的炉型主要有c d c 型、d d 型、新型r s p 型、s l c - d 型、+ e p a 型、n - m f c 型、p y r o t o p 型、p r e p o i - a s - m s c 型等炉型。各主要炉型结构见下列示意图2 2 图 2 1 3 i s l i g l i t o | 【1 1 1 ： i 时簋t t 髯产，h o ， 图2 4d 蟛j - 解窑系统 5 l ， 西安建筑科技大学硕士论文 二i i i 暑i i i i i 宣宣；i ；i i i i ；i i 互；i j 暑i i i 审暑；i i i i i ；笛；ii ii 图2 5r s p 预分解炉窑系统 图2 6 新型r s p 分解炉 镭 # 图2 9m f c 炉结构图 图2 1 0 p y r o c l o n - r - l o w n o x 分解炉 图2 1 1f y r o t o p 型炉工艺布置图 6 西安建筑科技大学硕士论文 毯 图2 1 2p r e p o la s - i s ( ；炉多级燃烧低i o 系统图2 1 3p r e p o la s - m s c 分解炉 2 1 3 几种典型分解炉的基本特点 ( 1 ) s i m d t h 系列分解炉 s i m d t h 系列分解炉大致经历了“f l s 原型分解炉一f l s 改型分解炉一s l c s 型炉一s l c s x 分解炉一s l c - d 分解炉”这几个发展阶段。s l c d 分解炉以前的几 种炉型的气体流型基本为纯喷腾流，结构简单，压力损失偏高，高速喷射流虽有 利于生料粉的分散，但单纯的喷腾容易使粉料短路，物料均布情况不十分理想且 在炉内停留时间较短，料气停留时间比值较小，一般在2 5 3 4 之间，容积利用 率低。s l c - d 分解炉是丹麦史密斯公司在2 0 世纪9 0 十年代末期研发成功的，又 称为离线下引式分解炉，该公司把s l c s x 分解炉底部燃烧室旋转至顶上而头部朝 下，气流不再是向上气流而是向下气流，顶部分解室同窑的上升管道组合为一个 分解室段节、而与窑的烟室和最下一级旋风筒连接，与r s p 炉相似。并且向下气 流是环绕垂直中心线的旋转气流，较以前的纯喷腾流有所改进。 它充分吸收了r s p 炉的成功经验，有利于低质煤粉的点火预燃；又因为它是 采用三次风来提升生料，故倒数第二级旋风筒卸生料点可以很低，这样不妨碍分 解炉增大容积，同时各级旋风筒也可放得较低，因而可降低预热器塔架的高度。 ( 2 ) r s p 分解炉 r s p 炉的煤粉着火在纯空气中，着火条件稳定，但s c 室内煤粉的燃烧基本是 在中心区域进行，高速旋流产生的巨大离心力使部分煤粉迅速冲向壁面附近，因 而燃烧反应与碳酸盐分解反应完成程度不高，需要利用m c 室来补偿s c 室内化学 反应完成程度低的不足，炉内化学反应两步到位的组合设计理论上比较合理，但 s c 室的旋流强度过大，物料和煤粉贴壁现象过分严重，这种旋流会延伸到m c 室， 出现旋流后效应，偏料或死角严重，从而使系统运行恶化【i 习。 ( 3 ) s f 系列分解炉 s f 系列分解炉大概经历了“s f 分解炉一n s f 分解炉一c - s f 分解炉”这几个 发展阶段，气体流型为旋( 流) 喷( 腾) 复合型分解炉，喷腾有利于纵向分散， 7 西安建筑科技大学硕士论文 旋流有利于横向均布和延长生料的停留时间，二者合理组合能改善分解炉系统的 气体流动状态和气固间混合效果。c d c 分解炉是我国成都建材设计院在吸取了s f 、 n s f 、c s f 炉型成功经验的基础上开发出来的。c d c 炉将c s f 炉出口涡室加高， 采用了类似d d 炉出口的径向出口方法，增加了气料流在炉体顶部回流和返混， 改善了炉体顶部流场，延长了气料停留时间；另外保留了炉体中部的缩口，使气 体进入顶部炉体产生喷腾效果，使气料混合均匀和停留时间加长。c d c 炉有在线 式和离线式两种，其最大特点是可根据原燃料需要来增大炉容，也可增设“鹅颈 管道”，以满足燃料燃烧及物料分解需要，据成都院试验，c d c 分解炉与连接风管 内物料总停留时间可达1 5 8 秒。 ( 4 ) k s v 系列分解炉 k s v 系列分解炉经历了“k s v 分解炉一n k s v 分解炉”两个发展阶段，该系 列分解炉与s f 系列分解炉都是旋( 流) 喷( 腾) 复合型分解炉，两种气流的合 理组合能改善分解炉系统的气体流动状态和气固间混合效果，但在n s f 和n k s v 炉内的气体流场尚未能合理组合旋流与喷腾两种流动效应，物料的均布情况不够 理想，操作的敏感性较大，也还存在一定不足【”】。 ( 5 ) d d 型分解炉 d d 炉因为开发较晚，故吸取了其它分解炉的经验，特别是n k s v 分解炉的经 验。d d 炉在炉顶设置气料反弹室，有利于气料产生搅拌和混合，增加气料在炉内 停留时间，达到燃料完全燃烧和改善热交换，防止n k s v 炉内的偏流现象；并且 d d 炉下部对称的三次风进风管以及顶部两根出风管，都是向炉中心径向方向安装 ( 而n k s v 炉是切线方向安装) ，有利于产生良好喷腾和降低炉内压力损失。由于 d d 炉是直接安装在窑尾烟室上，中间无连接管道，窑气与径向送入的三次风形成 交叉流动，其压力损失很小，煤粉喷嘴布置方式使炉内锥体部分具有一定的还原 n o x 功能，利于环保，由于增加了径向扰动，在达到较好分散和均布效果的情况 下可以达到较高的料气停留时间比值( k 他= 4 8 ) ，但气体流场仍然基本是喷射流， 分解炉的空间利用率还有可能进一步提高【1 4 l 。 ( 6 ) m f c 型分解炉 m f c 型分解炉即流化床式分解炉，是日本三菱重工和三菱矿业及水泥公司在 2 0 世纪8 0 年代中期开发研制的，它经历了第一代、第二代和第三代。m f c 分解 炉是由流化床( 密相) 和悬浮床( 稀相) 所组成的复合型分解炉，在流化床中煤 粉停留时间长，可以在低温和低过剩空气系数( a 1 o ) 下操作，进入窑尾上升 烟道的出炉气体，利用窑气的剩余0 2 产生二次燃烧，使生料粉进一步分解，这种 串联分步到位的流程可以减少系统总的排气量，使总体能耗降低，但密相流化床 化学推动力较弱，反应完成程度很低，且使用高压低温流化风，会造成能耗增加。 ( 7 ) 管道式分解炉 西安建筑科技大学硕士论文 管道式分解炉主要有德国洪堡公司的p y r o c l o n 系列分解炉和伯力鸠斯公司的 p r e p o l 系列分解炉，这两个系列的管道式分解炉是通过大幅度延长窑尾与最下一级 旋风筒之间的上升烟道改进而成的。其基本特点是压力损失很低，气流速度较高， 物料分散良好，但气体与物料基本为活塞流，料气停留时间比值很低( 一般仅1 8 2 2 ) ，空间利用率很差，需要很大的容积才能保证燃烧和分解反应所需的停留时间。 2 1 4 国内分解炉发展概况 ( 1 ) 我国预分解窑技术的研发从2 0 世纪7 0 年代开始，第一台烧油的预分解 窑于1 9 7 6 年在四平石岭水泥厂投产；以煤为燃料的预分解窑于1 9 8 0 年及1 9 8 1 年 分别在邳县和本溪水泥厂投产。这些预分解窑系统的分解炉都是引进国外的s f 、 r s p 和k s v 分解炉技术。 ( 2 ) 1 9 8 3 年，我国从国外成套引进的大型4 0 0 0 t d 级预分解生产线冀东水泥 厂，采用的是n s f 分解炉；1 9 8 5 年投产的宁国水泥厂采用的是m f c 型第二代分 解炉；1 9 8 6 年我国自行研制和建设的2 0 0 0 t d 级预分解窑生产线江西水泥厂采用 的是l i s p 型分解炉。随后所引进和建设的预分解窑生产线中也采用了s l c 型、 p y r o c l o n - r 型、d d 型、n - k s v 型、n m f c 型、s l c s 型、p - r - l o w n o x 型、p - a s c c 型等分解炉型。 ( 3 ) 2 0 世纪9 0 年代中期，特别是新世纪以来，我国天津，南京、成都、合 肥等建材设计院在消化吸收国外引进技术和总结实践经验的基础上开发出了许多 新型的分解炉设备，如t d f 型、t s d 型、t w d 型、t f d 型、t s f 型、n c s s t 型、 c d c 型等新型分解炉 9 1 。 2 1 5 分解炉冷模试验研究 对分解炉的研究，在冷模方面的研究较多，其中南京工业大学研发的d s w 型 分解炉【1 3 1 ，南京化工大学研发的s w - s 型和s w c 型分解炉旧，成都院研发的c d c 型分解炉f 1 0 1 ，南京院开发的n c s & s - p 型【1 6 j 分解炉，大多是通过冷模试验进行研 究的；另外，南京化工大学的李昌勇等人对洛阳水泥厂的n k s v 分解炉【1 7 1 、陆雷 等人对r f c 分解炉【1 8 1 、西安建筑科技大学的嵇鹰等人对n s - 2 a 型分解炉系统【1 9 1 均做过冷模试验研究。但这些冷态模拟研究大多只是围绕分解炉的单体本身的特 性进行研究，而将分解炉与卧式旋风筒有机组合成外循环式高固气比分解炉系统 进行研究的文献还未曾见到。 2 2 旋风分离器的理论基础 2 2 1 旋风分离器工作机理 旋风分离器之所以能够分离气流中的细小颗粒，是因为颗粒在强旋流的流场 9 西安建筑科技大学硕士论文 内受到离心力的作用。它使密度比空气大的颗粒向外运动至旋风器器壁，然后再 沿器壁向下作重力滑移到排料口。对于标准的逆流旋风器( 具有通常所说的槽形 或管形入口，见图2 1 4 ) ，通过进口结构的设计迫使含尘气流切向进入旋风器内产 生旋转运动。含尘气流在作旋转运动的同时沿旋风器的外侧空间向下运动。在旋 风器的锥体段，气流被迫进入内部区域，然后沿轴向向上运动，通过排气管排出。 一般认为，旋风器内的流场为“双旋涡”结构，即轴向向下运动的外旋涡和向上 运动的内旋涡。 图2 1 4 具有切向进口的逆流式筒锥形旋风器示意图 2 2 2 流场分析 ( 1 ) 旋风分离器内部气体流动概况 在旋风分离器内部，细小的固体颗粒离散地分布在高速旋转运动的连续气流 中，气固两相呈悬浮态。由于旋风分离器内气流所承载的粉体的浓度较低，粒径 较小，因此，气相的行为对固体颗粒的运动起着重要的作用，决定着颗粒的运动 状态。各种不同的旋风分离器由于几何形状、结构尺寸与操作参数的不同，其内 部的气体流场也不同。 大量的理论与试验研究表明伫蚴】：含固体颗粒的气体在旋风分离器内的流动 形态决定了颗粒的运动规律和分离过程的机理。以典型的立式旋风分离器为例进 行说明，其本体构造比较简单，如图2 1 5 所示。 l o 西安建筑科技大学硕士论文 l 一入口管2 一圆筒体3 - - 圆锥体4 一集料斗 5 一捧出管6 一顶盖 图2 1 5 典型旋风分离器构造 图2 1 6 主流模型 含尘气流由入口管1 切向进入旋风分离器内后，其绝大部分沿器壁自圆筒体2 ， 由上向下呈螺旋线朝圆锥体3 流动。当达到锥体底部附近时，即以同样的旋转方 向，从中心区域由下反转而上，继续作螺旋形运动，最后经排出管5 排出。而固 体和颗粒在气流中由于受到离心力的作用，迅速向器壁运动，并靠入口速度的动 量和向下的重力，随气流沿器壁向下作螺旋运动，通过圆锥体落入集料斗4 ，然后 由此排出。自入i e i 管l 流入的气流中的另- - + 部分，则向旋风分离器顶盖6 流动， 然后再沿排出管外侧向下流动，当达到排出管下端时，即反转向上，随中心气流 一同从排出管排出。分散在这一部分的上旋流气流中的固体颗粒，也随同一起被 带走。以上旋风分离器内的气体流动一般称为旋风分离器内气体流动的。主流”， 如图2 1 6 所示 旋风分离器内气体的流动通常将旋转向下的外圈气流称为外旋流，它同时具 有低速向心的径向运动；而将旋转向上的内圈气流称为内旋流，r q 夕l 旋流的旋转 方向是相同的。外旋流转变为内旋流的锥项附近区域一般称为回流区。 根据以上对旋风分离器内部气体流动规律的分析，可以将旋风分离器内的气 体流动看成是“双螺线流动”；又可以根据旋风分离器内所有的流体虽都向同一方 向旋转，但是靠近外筒壁面的流体是向下流动的，靠近中心的流体是向上流动的 现象，看成是“双旋涡流动”。 ( 2 ) 旋风分离器内部流场的研究与分析 旋风分离器的理论研究是在对其内部流体的流动规律认识不断深入的基础上 进行的，因此对旋风分离器的内部流场的研究十分重要自从二十世纪中叶前， ? 西安建筑科技大学硕士论文 荷兰学者t e r l i n d e n 首先提出了对旋风分离器内部流场及压力场的实测成果后，在 日本、德国等国的一些学者也相继在各自的模型上开展了这方面的系列研究 2 4 1 ，我 国在二十世纪七十年代也开始了旋风分离器纯气流场的速度及压力分布的测试分 析。 从国内外大量的实测结果和理论分析来看，流场的分布比较一致，即旋风分 离器的内部流场是一个三元流场，若按切向速度u 来分，可分为外环的有势准自 由涡区和核心的有旋准强制涡区弘5 1 。有势流是质点流速场中不形成微小质团转动 的流动，又称无涡流；有旋流是质点流速场中形成微小质团转动的流动，又称有 涡流；自由涡中的流体微团只有绕涡心的公转，而无绕自身中心轴的自转，是无 旋的圆周运动；强制涡中的流体微团不仅绕涡心作圆周运动，微团本身还作旋转 运动，是有旋的圆周运动。它们的分界面近似是一圆柱面或是锥度很小的类似倒 锥形：若按轴向速度v 来分，可分为外侧的下行流区域和中心的上行流区域，二 者的交界面即为轴向分速度为零的轴向滞留面，它为一倒锥面，并且近似地是一 个与旋风分离器的锥壳同顶同轴的倒锥面，该轴向滞留面与前述的两个涡流区的 分界面不相一致。显然下行流区域中的流动规律对气固分离起着重要的作用。由 于旋风分离器的结构尺寸和操作条件不同，下行流区域中既可以有准自由涡区， 又可以有准强制涡区( 如图2 1 7 所示) ，在这两个涡流区的交界部分( 过渡区) ，切 向速度会最大，这对固体颗粒的分离起着极为重要的作用。 1 - - 准自由涡与准强制涡的分界面 2 - - 下行流与上行流的分界面 图2 1 7 流场示意图图2 1 8 次流模型 颗粒在旋风分离器内的运动，从理论上分析时仅仅考虑了离心力场，但实际 情况是除造成由切向速度和轴向速度的两个分量构成的离心力场的“双旋涡主流 1 2 西安建筑科技大学硕士论文 动型态”以外，还存在某些局部的，非主体气流的流动，一般称为“次流”，它是 由轴向速度v 与径向速度w 所构成的，对旋风分离器的性能，尤其是对其分离效 率影响较大，这些次流型态( 如图2 1 8 所示) 主要有：短路流；纵向旋涡流；外层旋 涡中的局部涡流；颗粒在壁面上的“反弹”；底部夹带【2 5 1 。 2 2 3 阻力损失 ( 1 ) 阻力损失构成与表述 旋风器的阻力损失印，又称压降，一般可分为三部分：a 、进口损失；b 、分 离空间的损失；c 、出口损失( 排气管内的损失) 。 以上三项能量损失对于旋风器捕集分离并不是都起作用。有些能量对捕集分 离起有效作用，有些则纯属消耗性的能量，如出口能量损失对于粉尘的捕集分离 起不到作用，则属于此类。而进口能量损失与旋涡流场的能量损失则既有有效能 量也有消耗性能量。进口损失、分离空间的损失及出口损失在总损失中所占的比 例不同。进口损失同其他损失相比，可忽略不计，至少在切向进口的旋风器中是 这样。旋风器分离空间中的能量损失比较高，其主要原因在于分离空间限制旋流 强度：壁面的摩擦损失越大，导致旋流强度越弱。但这部分壁面损失在总阻力损 失中并不起支配作用。排气管中的能量损失所占的比例是最大的，在直流和逆流 式切向入口两种旋风器中，排气管中的损失可能比其他两种损失高一个数量级 但应注意一个例外情况，在高含尘浓度的初级或“粗分离”旋风器中，壁面摩擦 阻力引起的壁面能量损失则占总阻力损失的重要部分，而涡核和排气管中的阻力 损失所占比例相对降低 2 6 1 。摸清它们之间的比例关系，尽量增加有效能量，压缩 消耗性能量是对旋风器作理论研究与科学试验的最终目的。 整个旋风器或某个单体的压降( 不包括提升管即换热管) 印，正比于或者非 常近似地正比于体积流量的平方，这与所有具有湍流流动的工艺设备中的情况相 同。将流量换算成入口截面风速砷，即有：印2 孝肪2 ，其中手为以入口截面 风速为基准的阻力损失系数。这是我国目前设计制造单位最习惯最常用的表示方 法，本文后面所研究的各单体的阻力特性均是采用这种形式来求得阻力特性系数 的。 ( 2 ) 影响阻力损失的因素 根据理论分析和试验研究，将影响旋风器压力损失的主要因素归纳如下几 点： 1 ) 旋风器的结构形式相同( 相对尺寸相同) 时，其绝对尺寸大小对阻力损 失影响很小。就是说，在一定范围内，同一形式旋风器的几何尺寸相似放大或缩 小时，阻力损失基本不变； 西安建筑科技大学硕士论文 2 ) 阻力损失与进口速度的平方成正比，因而风量增大时阻力损失随之增大； 3 ) 旋风器内部有叶片、突起和支持物时，对气流的摩擦压力增大，但旋风 器的压损却降低了。这是因为内部障碍物使气流的旋转速度降低，故阻力损失降 低： 4 ) 旋风器的相对尺寸对压降影响较大，对一般旋风器而言，随进口面积和 排气管直径减小而增大，随圆筒和圆锥部分增长而减小； 5 ) 入口粉尘浓度对压降的影响是很大的，随着粉尘量的增加，旋风器内的 粉料与粉料之间，粉料与器壁之间的相互摩擦增大，进而降低运转速度而减小筒 体部分的阻力损失。 2 2 4 分离效率 作为旋风分离器技术性能的另一个重要指标，分离效率始终受到研究人员的 重视。分离效率常常与阻力损失构成诸矛盾中的主要矛盾。分离效率的概念分为 分级分离效率与总分离效率，两者既有区别而又有联系。在工业过程中，总分离 效率通常是一个最常用的评价指标。但是，对表征某个具体旋风器本身的分离性 能而言，这个指标并不全面说某旋风分离器的分离效率是百分之多少，这在表 示其分离性能方面是没有意义的，因为分离效率是对进入分离器的整个粉料群而 言的，它不仅随分离器的不同而变化，而且对于同一种分离器，还取决于颗粒的 粒径及密度。 颗粒在旋风分离器内受到离心力的作用后，不同粒径的颗粒均以不同的分离 速度向器壁运动，且打在器壁的不同位置上，在一定条件下被分离的与不被分离 的颗粒大小的界限就是该旋风分离器分离能力的标志旋风分离器的分离在理论 上是一个理想化的陡降切割，即在切割粒径d 。处的分级效率曲线将是一条垂直线 ( 如图2 1 9 ) 作为这一分界的颗粒直径，叫做“临界粒径”。事实上，任何分离 ( 或分级) 装置都不能造成这样截然的粒度分割，原因很多，其中主要有【2 刀： 1 ) 同样尺寸的颗粒，既可以被捕集，也可以被带出，这取决于它们在入口 处的起始位置： 2 ) 由于一般的流体湍流所引起颗粒的湍流扩散，因内部壁面粗糙和表面的 不整齐而进一步增强，从而导致颗粒返混； 3 ) 如果旋风分离器下部截面没有进行仔细设计，旋风分离器的底部位置或 灰斗中已经分离的、粒径大于如的颗粒，也许会被重新夹带； 4 ) 粒径小于d 。的颗粒也许会粘附在大粒径的颗粒上而被分离下来； 5 ) 在旋风分离器内也会出现颗粒磨损。 另外还有颗粒间的静电和分子的引力作用等等，从而使得不同大小颗粒的分 离效率是逐渐变化的( 如图2 1 9 所示) ，随着粒径的增大，该曲线逐渐趋近于1 0 0 1 4 西安建筑科技大学硕士论文 ，从而以1 0 0 的效率被分离的离子的直径称为“临界粒径”( d c ) ，又由于它是 逐渐趋近于1 0 0 的，故“临界粒径”只是个理论概念，实际上很难确定其确切数 值。另一方面，由于分级效率为5 0 的颗粒的直径可在分级效率曲线上准确的找 到，且试验发现理论上的预测值与实际测得的值极相近，因此，在一般情况下， 通常所说的分级就是令分级效率为5 0 的颗粒粒径为临界粒径，即上面提到的 d 。，也叫切割粒径。 图2 1 9 颗粒粒径分级效率 一般提供的是对于某种试验粉体物料的“分级效率曲线”，即给出旋风分离器 对不同大小粒子的分离效率。由于影响分离过程的某些因素无法预知其规律性， 因此，在特定条件( 旋风分离器类型、结构尺寸、分离特性、入口风速、固气比 等) 下，只有通过冷模试验才可获得分离器的分级效率。 ( i ) 总分离效率 总分离效率可定义为： 坍= 茄觥端鬻燃x 1 0 0 协d 1 1 单位时间内进入旋风器内的物料总质量 ( 2 一】) 此分离效率是指对所有入口粉体颗粒的综合效率，并未反映出粉体颗粒各个 细度级别的性能，所以分级分离效率也经常是一个需要测定的重要指标。 ( 2 ) 分级分离效率 分级分离效率的定义为： = 茹需戮焉慕瓣篇篇x 1 0 0 纶 1 。 单位时间内进入旋风器的给定粒径范围内的物料总质量 f 2 一 由于分级分离效率只取决于旋风器本身性能及某一很窄粒径范围内颗粒本身 的性质，所以用它来衡量旋风器性能更为合适 ( 3 ) 总分离效率与分级分离效率之间的关系 西安建筑科技大学硕士论文 总分离效率与分级分离效率二者的关系： 对于旋风器的总分离效率一般可通过试验测定得到，可以用分级分离效率 ，7 ( 占) 或研及处理粉料的质量分散度( 占或粒径分布频率啦来表示： 巩= f 玎( 彩 或 珊2 蕃仇m ( 2 _ 3 ) 旋风器的分级分离效率很难直接从试验中测定，但是可以通过试验测定的总 效率和加入料及收下料的粒度组成计算而得，计算公式口羽如下； 。圳蝴 4 ， 式中：鲥匕一收下料中给定粒径范围内的颗粒的累积含量，； 加入科中给定粒径范围内的颗粒的累积含量，。 ( 4 ) 影响分离效率的因素 根据理论分析和试验研究，将影响旋风器分离效率的主要因素归纳如下几 点： 1 ) 旋风器的结构形式( 即相对尺寸) 对分离效率影响很大。例如排气管管径 减小时，分离效率提高； 2 ) 旋风器的绝对尺寸增大，即进行几何相似放大后，分离效率降低； 3 ) 在一定范围内提高入口流速，即增加处理气体量，分离效率随之提高，但 若流速过高，可能增强返混，影响了粉尘的沉降，反而导致效率下降； 4 ) 在入口浓度增高时，多数情况是分离效率略有提高，但有时却略有下降， 这可能与旋风器的结构形式及粉尘粘附性等有关，总的来说，入口含尘浓度对效 率影响不大，一般可以忽略； 5 ) 粉尘的真密度和粒径增大，会使分离效率明显提高； 6 ) 灰斗的气密性对分离效率影响较大，在运行时保证灰斗严密不漏气，是特 别重要的。 2 3 卧式旋风筒研究进展 卧式分离器大致可分为卧式旋风筒和方形卧式分离器两种，卧式旋风筒由于 其低压损和分离效率不高的特点而多被用于预热系统作为中间级分离设备，但方 形卧式分离器由于其较高的分离效率和相对于常规分离器在布置上的优势而多用 于电站锅炉的技术改造嘲。 卧式旋风筒是在2 0 世纪7 0 年代由日本川崎公司研制开发的，最早用于k s v 一5 窑外分解系统的c 3 、c 4 级旋风筒上嘲，见图2 2 0 。 1 6 西安建筑科技大学硕士论文 鹿。l 图2 2 0k s v 一5 预分解窑系统 卧式旋风筒与普通立式旋风筒比较，它减少了气体入口处的冲击压损，减少 了立式筒锥体底部气流反转向上流动时的涡流损失，以及气流排出内筒时的压力 损失。据早期资料【3 0 l 介绍，卧式旋风筒具有以下特点： 1 ) 处理能力大。卧式旋风简直径一般仅为立式简直径的6 0 左右，而内部流 速却为立式筒的l 2 倍。 2 ) 尺寸小，压力损失低。含尘气体切向进入卧式筒，在设备中以一种特定方 式的流动旋向出口，这种简单的流动方式可使压力损失下降到立式筒的5 0 ，筒的 高度还可以降低3 0 左右 3 ) 具有合适的分离效率。 4 ) 不易结皮、堵塞。卧式筒内部被较高速气流所覆盖，使结皮机率减少，从 而不易堵塞。 关于卧式旋风筒的工作机理，研究 6 1 认为含尘气流从简的一端进入后，围绕卧 式圆筒的水平轴线旋转再从另一端的出气口排出，分离出来的物料经下面的卸料 管卸出。卧式旋风筒是一种新型的旋风预热设备，它与立式旋风筒在结构和性能 上都有很大区别。在立式旋风筒中，气体在下旋至出口附近，由于速度增大产生 了向上旋转的气流，形成外层下行、内层上行的气体双层旋转流动结构。当颗粒 在外层运动时，有的颗粒在切向速度产生的离心力作用下被甩到器壁，这些颗粒 有的由于反弹而被弹回至气流中，有的在外层，有的在内层。外层中有的颗粒没 能克服径向速度的作用而到内层气流中，内层中的颗粒由于内层气流的旋转作用， 把有的颗粒向外甩出，剩下的排出然而，卧式旋风筒的有效体积部分为柱形， 流场分布没有立式旋风筒复杂，主要为切向速度，而且具有较好的分布规律。当 颗粒在其中运动时，在切向速度产生的离心力作用下被甩向器壁，有的被捕集， 有的被反弹回来被留下的颗粒，由于螺旋中心气柱几乎没有什么旋转，反弹回 的颗粒和在径向速度作用运动的颗粒随气体在出口处排出，因而分离效率低 1 7 西安建筑科技大学硕士论文 立式旋风筒在出口处由下行变成上行，由于负压的存在，难免要产生二次扬 尘，而卧式旋风筒内的气体由于作螺旋运动，二次扬尘的现象不很严重。因而立 式旋风筒中的短路流、纵向旋涡流、外层旋流中的局部涡流等现象在卧式旋风筒 中几乎没有。另外，卧式旋风筒的流场分布具有一定的对称性。气体束在旋风筒 内做螺旋运动，径向速度可忽略不计。 对于卧式旋风筒的系统研究资料，由于日本川崎公司对其开发的卧式旋风预 热器技术的专利保护，所以关于卧式旋风筒的开发过程、结构尺寸参数等详细资 料的公开报道的文献并不多，国内关于这方面的研究也只是通过探索性试验，摸 索原始卧式旋风筒的设计结构与操作参数，并在一定的操作条件下，对单体设备 的技术特点、工作机理作定性和定量的研究，并进行客观的评述，以期能够指导 卧式旋风筒的设计研发工作。其中比较系统的研究有9 0 年代初南京化工学院曹百 言的硕士毕业论文 3 0 l ，他根据仅有文献资料中的卧式旋风筒的轮廓示意图，见图 2 2 1 ，设计了卧式旋风筒雏形一h c 一i 型的结构形式，通过冷态模型试验建立起 性能曲线，寻找结构改进途径，再通过多方面的对比试验，求得合理的结构与操 作参数，以求得复原结构形式合理、技术性能良好的卧式旋风筒。通过对所建立 的试验模型从分级分离效率、压力损失、气体流场测试和生料停留时间分布几个 方面的研究，经过改进最终建立了性能比较优良的卧式旋风筒- h c 一型的结构 形式，见图z 2 2 。但是该研究目的仍偏向于探求分离效率比较高( 其模型分离效 率为8 0 9 6 左右) 的卧式旋风筒而使之用于预热器系统中代替立式旋风筒，若用于外 循环式分解炉的预分解系统中还有待于进一步研究。 另外，关于卧式分离器的研究还有方形卧式分离器的研究网【3 i i 、弯道型富集 层取出式分离器1 3 2 的研究，分别见图2 2 3 、图2 2 4 ，并且有人还提出了将弯道型 富集层取出式分离器应用于预热预分解窑系统改造的大胆设想 3 2 1 。总之，关于卧 式旋风筒在水泥预热预分解系统方面应用的研究仍然不多。 图2 2 1日本川崎重工开发的卧式旋风筒轮廓示意图 1 8 西安建筑科技大学硕士论文 图2 2 2 南京化工学院开发的h c 型卧式旋风筒 图2 2 4 弯道富集层取出式分离器 2 4 外循环式分解炉的研究进展 2 4 1 外循环式分解炉的研究概况 水泥工业分解炉内物料的分解率主要受分解炉内温度、生料粉颗粒的分散度、 分解炉中的c 如分压以及生料粉颗粒在炉中的停留时间等因素的影响，在其他条件 保持相对稳定的情况下，如果有意识的延长物料在分解炉内的反应停留时间，则 可以达到提高生料分解率的目的。正是基于上述目的，所以在分解炉设备的研究 开发过程中，无论是在线式还是离线式分解炉，是圆筒式、管道式还是流化床式 1 9 。 一一 _ 西安建筑科技大学硕士论文 分解炉等等，它们都是围绕这个目标展开的。 关于外循环分解炉方面的研究，根据文献介绍，进行研究过的公司或单位有 美国的f u l l e r 公司【3 3 1 【3 4 1 、天津水泥工业设计研究院 3 5 3 6 1 3 7 1 【3 8 】、德国的洪堡维达 格公司【3 9 1 和西安建筑科技大学粉体工程研究所1 3 1 4 0 等多家单位，前几家单位的研 究工作重点或者是循环分离器的性能，或者循环分料装置的性能，或者从理论上 进行简单的推导，而西安建筑科技大学粉体工程研究所自上世纪8 0 年代以来，分 别从理论、试验和工业实践等方面比较系统的研究了物料外循环，通过对高固气 比分解炉系统的研究，提出了物料外循环率与入窑物料分解率之间的关系表达式， 并对热效率也进行了探讨，其高固气比预热预分解技术已成功应用于多家水泥生 产线，效果良好。 2 4 2 外循环式分解炉的特点 关于前人的“物料外循环”方案及循环分料控制装置，我们可以直接从几个 比较典型的工艺布置及结构示意图2 2 5 图2 3 0 进行比较。从这些图中可以看到 它们具有下面两个共同特点： 1 ) 。物料外循环”的实现或者通过分流装置直接分料实现，或者经过中间分 离器将较粗物料分离后再经过分流装置分料来实现外循环。但是通过分料装置所 分得的入窑料与入炉料料量的比例很难把握，并且入窑部分的物料中也含有大量 的未完全分解的碳酸钙颗粒和较粗未完全燃烧的焦炭颗粒，这样势必增加了回转 窑的热负荷；另外，通过分料装置分入分解炉内的物料中也含有大量的己分解氧 化钙颗粒、未完全分解的较细碳酸钙颗粒以及其它较细颗粒，这样也影响了分解 炉的空间利用率。 2 ) “物料外循环”系统中均含有必不可少的装置一分料装置。这样分料装置 的工作性能及运行成本就是影响外循环系统的关键因素。实际应用中，无论是工 艺复杂的流化床分流装置，还是结构简单的分料阀装置，它们都是在高温的环境 中进行工作的，所以对材质的要求较高，并且高温情况下各调节装置的灵活性也 受到很大的限制。 1 粒子分选装置；2 流化床输送装置；3 ，5 分漉装置；4 分解炉 图2 2 5f u l l e r 公司的外循环系统 西安建筑科技大学硕士论文 图2 2 6 带p y r o t o p 旋风筒的p y r o c | o n 分解炉示意图 图2 2 7 中国建材研究院采用的炉外循环方案 口 图2 2 8 最简单的分料装置一挡料板 图2 2 9 中国建材院研发的比例分料器 卜分科部分；2 - 回料部分；3 4 t 料部分；4 -