水泥廠窯頭多管冷卻器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用

1、圖1 多管冷卻器的結(jié)構(gòu)示意圖1-支柱；2-漸擴(kuò)管；3-列管束；4-殼體；5-軸流風(fēng)機(jī)水泥廠窯頭多管冷卻器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用楊如順，呂忠明，田 源（合肥水泥研究設(shè)計(jì)院，安徽 合肥 230051）中圖分類號(hào)：TQ172.622.29 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1671-8321（2013）02-0074-04目前，我國(guó)大多數(shù)預(yù)分解窯生產(chǎn)線都采用篦式冷卻機(jī)冷卻出窯高溫熟料。篦冷機(jī)是一種驟冷式冷卻 機(jī) ， 用 鼓風(fēng)機(jī)向機(jī)內(nèi)分室鼓風(fēng)，使冷風(fēng) 通過鋪

2、在篦 板上的高溫熟料層，進(jìn)行充分的熱交換以達(dá)到急冷熟 料、改善熟料質(zhì)量的目的。通常每冷卻1t熟料產(chǎn)生 1 200~2 500Nm3的余風(fēng)，余風(fēng)中會(huì)夾雜著熟料粉塵， 所以必須對(duì)其進(jìn)行除塵處理。為達(dá)到《水泥工業(yè)大氣 污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》GB4915-2004中規(guī)定“水泥窯篦冷 機(jī)余風(fēng)除塵”排放標(biāo)準(zhǔn)為50mg/Nm3的限值，除塵系統(tǒng) 需要高效、穩(wěn)定的除塵設(shè)備才能實(shí)現(xiàn)。水泥廠窯頭篦冷機(jī)煙氣具有風(fēng)量變化大、溫度變化 大、含塵濃度變化大、粉塵粒度粗、磨

3、琢性強(qiáng)等特性， 在除塵工藝設(shè)計(jì)和設(shè)備選型時(shí)須充分考慮。尤其是溫度特 性，因?yàn)樵诓徽９r時(shí)溫度有時(shí)可達(dá)450℃，在此煙氣 溫度下，就目前環(huán)保除塵技術(shù)，無論是電除塵器還是袋式 除塵器，均無法對(duì)此類煙氣直接進(jìn)行高效收塵，只有通過 改變含塵氣體的溫度和濕度，或粉塵的電性質(zhì)，才能使除 塵設(shè)備對(duì)此類粉塵有高效收塵能力，凈化后的氣體才能達(dá) 到新標(biāo)準(zhǔn)的限值要求。近幾年，對(duì)于新建生產(chǎn)線和環(huán)保改 造，絕大部分都選用高效高溫袋式除塵器，煙氣調(diào)質(zhì)的 主要目的

4、是使煙氣溫度冷卻到250℃以下，以達(dá)到高溫袋 除塵器的進(jìn)氣溫度要求。水泥廠窯頭煙氣治理常用“多 管冷卻器+高效袋式除塵器”的工藝技術(shù)。吹風(fēng)，與其進(jìn)行熱交換，對(duì)管道內(nèi)的高溫?zé)煔膺M(jìn)行強(qiáng)制冷卻。下部集灰斗設(shè)有與之配套的鎖風(fēng)裝置，把降溫過程中 沉降的飛灰顆粒輸送出去。由于采用風(fēng)機(jī)送風(fēng)，可以根據(jù) 室外環(huán)境的變化，調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的風(fēng)量，達(dá)到控制冷卻器出口 溫度的目的。多管冷卻器的結(jié)構(gòu)示意見圖1。1.2 多管冷卻器的原理多管冷卻器是借助管道表面散熱的原

5、理，高溫?zé)煔?從管道內(nèi)通過，通過列管外表面實(shí)現(xiàn)與來自風(fēng)冷系統(tǒng)的 冷風(fēng)或自然風(fēng)的熱交換，從而使管內(nèi)煙氣溫度降低。水泥工業(yè)所使用的多管冷卻器是以其表面對(duì)外散 熱的方式降低所處理介質(zhì)的溫度，但并不改變介質(zhì)的成 分，所以起不到降低介質(zhì)比電阻和吸收部分有害氣體 的作用，但具有一級(jí)收塵功能，通常用于袋式除塵器前 對(duì)所處理氣體進(jìn)行降溫。為提高冷卻器的冷卻速度，一 方面是增大冷卻器的表面積，讓其自然散熱；另一方面 是外部采用軸流風(fēng)機(jī)強(qiáng)制外界空氣通過管體

6、，使管體內(nèi) 高溫氣流快速降溫。多管冷卻器就是采用間接機(jī)械風(fēng)冷 的原理。冷卻器的管束裝在殼體內(nèi)，高溫?zé)煔鈴墓軆?nèi)通 過，用軸流風(fēng)機(jī)將空氣壓入殼體內(nèi)，從管外橫向吹風(fēng)， 與其進(jìn)行熱交換，將高溫?zé)煔饫鋮s到所需的溫度，如圖1 所示。被加熱了的熱空氣有的加以利用，有的直接放散1 多管冷卻器的結(jié)構(gòu)、原理及特點(diǎn)1.1 多管冷卻器的結(jié)構(gòu)多管冷卻器是一個(gè)框架型鋼結(jié)構(gòu)，并由若干立柱支 撐，上部設(shè)有漸擴(kuò)管，中間是鋼制列管束，下部設(shè)集灰 斗，安裝有灰斗、絞刀、分格

7、輪等回灰裝置，在完整的框 架內(nèi)部放置一定數(shù)量的管束。漸擴(kuò)管上端設(shè)有熱風(fēng)布風(fēng) 板，出篦冷機(jī)的煙氣進(jìn)入漸擴(kuò)管，經(jīng)布風(fēng)板進(jìn)入中間的鋼 制列管束。在鋼制列管束的側(cè)面設(shè)軸流風(fēng)機(jī)，用軸流風(fēng) 機(jī)將常溫空氣壓入鋼制列管束的立管之間，從管外橫向74 中國(guó)水泥 2013.2設(shè)計(jì)研究 Research & Design 機(jī)所需壓頭和風(fēng)量等參數(shù)值進(jìn)行冷卻器的結(jié)構(gòu)、布置的設(shè)計(jì)、冷卻風(fēng)機(jī)的選型。 其次，在已知的工況條件下，根據(jù)已確定的冷卻管參數(shù)值和冷卻

8、風(fēng)機(jī)參數(shù)值計(jì)算出冷卻器的實(shí)際傳熱系數(shù) “K”值和傳熱溫差（溫壓）Δtm。根據(jù)熱平衡計(jì)算公式（C）：F = Q /K ·Δtm計(jì)算出已知工況實(shí)際所需的冷卻 器傳熱面積F”。如 果 ， 根 據(jù) 計(jì) 算 機(jī) 逼 近 “ K ” 值 計(jì) 算 方 法 應(yīng) 用軟件得出的冷卻器傳熱面積F ’ （計(jì)算公式4）： F’=π·D·L·N）大于根據(jù)熱平衡計(jì)算公式（3）： F = Q /K ·Δtm計(jì)算出已知

9、工況實(shí)際所需的冷卻器傳熱面 積F”，說明冷卻器的設(shè)計(jì)符合已知工況的降溫要求。冷卻器的降溫保險(xiǎn)系數(shù)計(jì)算公式（5）：Δf =（F’-F”）/F”。一般情況下，Δf應(yīng)大于0.4。 具體計(jì)算步驟是：（見冷卻器計(jì)算機(jī)計(jì)算框圖1）（1）計(jì)算出熱煙氣對(duì)冷卻管內(nèi)壁的對(duì)流放熱系數(shù)α 1；（2）計(jì)算出冷卻空氣對(duì)冷卻管外壁的對(duì)流傳熱系數(shù)α2；（3）計(jì)算出冷卻器的實(shí)際傳熱系數(shù)“K”值；（4）計(jì)算出冷卻器的實(shí)際傳熱溫差（溫壓）Δtm；（5）計(jì)算出已知工況實(shí)際所需

10、的冷卻器傳熱面積F”；（6）計(jì)算出冷卻器冷風(fēng)通過阻力P2（選定的冷卻風(fēng) 機(jī)壓頭應(yīng)大于P2）；（7）計(jì)算出熱煙氣通過冷卻器進(jìn)口阻力Pa、通過 冷卻管進(jìn)口阻力Pb、通過冷卻管阻力Pc、通過冷卻管出 口阻力Pd、通過冷卻器出口阻力Pe以及冷卻器總阻力P（P=Pa+Pb+Pc+Pd+Pe）；（8）計(jì)算出冷卻器的進(jìn)、出口法蘭尺寸、總功 率、基礎(chǔ)載荷、選定卸灰裝置并完成設(shè)計(jì)圖紙。同樣 工況下，冷卻器的計(jì)算受很多因素影響，如 確定不同成分熱煙氣和冷卻

11、空氣的性能計(jì)算參數(shù)、不 同的計(jì)算模型準(zhǔn)則和方程式等?？傊魏我环N設(shè)計(jì) 方案都不能說是唯一、最好的選擇。所以，冷卻器設(shè)（1）技術(shù)參數(shù)和工藝要求（見表1）（2）計(jì)算機(jī)逼近“K”值計(jì)算 一般情況下，按正常和異常兩種情況分別計(jì)算。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)和上述技術(shù)參數(shù)、工藝要求可以判定，該冷 卻器只要異常情況滿足，正常情況肯定能滿足。所以， 此處僅需按異常情況計(jì)算，正常情況計(jì)算略。運(yùn)行計(jì)算機(jī)逼近“K” 值計(jì)算應(yīng)用軟件，分別按要 求輸入表1中的技術(shù)參數(shù)和工

12、藝要求、冷卻形式、冷卻 管內(nèi)、外流速、直徑、壁厚等數(shù)值，計(jì)算機(jī)摸擬運(yùn)算后 輸出（見表2）冷卻管數(shù)量、高度、排列形式、單臺(tái)冷 卻風(fēng)機(jī)所需壓頭和風(fēng)量等參數(shù)值。為了滿足冷卻風(fēng)機(jī)選型、冷卻器結(jié)構(gòu)布置等要求， 有時(shí)，上述輸入、運(yùn)算需要進(jìn)行若干次直至滿意為止。（3）設(shè)計(jì)制圖 計(jì)算出冷卻器的進(jìn)、出口法蘭尺寸、總功率、基礎(chǔ)載荷、選定卸灰裝置并完成設(shè)計(jì)圖紙。印尼項(xiàng)目窯頭多 管冷卻器提資圖見圖3。（4）風(fēng)機(jī)選型計(jì)算 確定冷卻器冷風(fēng)通過阻力P2值，公式（6）

13、。2 P2=￡·u max·CN·ρ/2 =189（Pa）式中：￡—阻力系數(shù)；CN—冷風(fēng)方向管束修正系數(shù)； umax—管束間冷卻氣流風(fēng)速， m/s； ρ—空氣密度，kg/m 3。（6）計(jì)、計(jì)算的最終目的就是確保上述計(jì)算步驟中第5、6、7 條滿足要求。4 設(shè)計(jì)計(jì)算案例下面以印尼LHOKNGA水泥廠的窯頭多管冷卻器的設(shè)計(jì) 和計(jì)算為例進(jìn)行介紹。76 中國(guó)水泥 2013.2表2 計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)據(jù)(其他部分?jǐn)?shù)據(jù)略

14、)煙氣量/（m3/h） 675 000 用途 窯頭余風(fēng) 管間距S1×S2 1.5×1.5冷卻形式 錯(cuò)流 管內(nèi)風(fēng)速V內(nèi)/（m/s） 10 管阻/Pa 155管外風(fēng)速V外/（m/s） 2.7 冷風(fēng)阻力P2/Pa 189 管內(nèi)徑d/mm 81壁厚/mm 4 t2” /℃ 30 進(jìn)風(fēng)高/mm 12 500B1×B2/m 11×5 風(fēng)機(jī)/臺(tái) 4 總冷風(fēng)量/（m3/h） 1 136 488單冷風(fēng)量/（m3/h

15、） 284 122 管長(zhǎng)/mm 12 500 管重/kg 307 000管數(shù)/根 2 916 t1’ /℃ 450 t1” /℃ 140表1 原始技術(shù)參數(shù)和工藝要求項(xiàng) 目 正常 異常熱煙氣工況風(fēng)量/（m3/h） 580 000 675 000熱煙氣標(biāo)況風(fēng)量/（Nm3/h） 254 876 254 876入口溫度/℃ 350 450入口濃度/（g/m3） 1 000 1 000出口溫度/℃ 130 140環(huán)境溫度/℃ 30 30冷卻管阻