旋风预热器热效率的研究分析

旋风预热器热效率的研究分析

杨沛浩，刘宁昌

（西安建筑科技大学粉体工程研究所，陕西西安７１００５５）

摘

要：本文综合了专家学者们对旋风预热器热效率

的研究成果，分析说明了分离效率、固气比、系列数、级数、悬浮效率、漏风对热效率的影响情况。

关键词：旋风预热器；熟效率；分离效率；固气比中图分类号：ＴＱｌ７２．６＋２２２４文献标识码：Ａ文章编号：１６７２—４０１ｌ（２０１０）０４—００１６—０４

ＳｔｕｄｙａｎｄＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＣｙｃｌｏｎｅＰｒｅａｈｅａｔｅｒ

ＴｈｅｒｍａｌＥｆｆｉｃｉｅｎｃｙ

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Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｓｕｍｍａｒｉｚｅｓｔｈｅｅｘｐｅｒｔａｎｄｓｃｈｏｌａｒｓ＇ｓ

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０前言

旋风筒自１８８５年Ｏ．Ｍ．Ｍｏｒｓｅ申请发明专利以来，因其结构简单、造价低、维护管理方便、分离效率高、固体颗粒负载适应性强、可在高温下使用等特点，广泛地应用于各行各业。水泥行业所用的旋风预热器就是把单体旋风筒串联起来，作为水泥生料粉的预热（预分解）装置。热效率就是衡量预热器内高温气体和粉体物料热交换进行的程度。

旋风预热器热效率的定义

旋风预热器的热效率指粉体净获得的有效能和加入系统的总有效能之比，一般用山来表示。

山：捡签垒夔堡笪查垫篮一旦炉面漯丽丽丽丽２瓦

式中Ｅ卜出预热器产品所净得的有效能；

乏ＥＰ加入系统的总有效能。

旋风预热器热效率的理论研究分析

多级单系列旋风预热器的研究¨４１

西安建筑科技大学徐德龙院士在１９８４年对旋风预热器

的热效率做了理论研究，从旋风预热器中高温气流和粉体颗粒的换热是在换热管中瞬间完成的基本事实出发，首次从理万方数据

有旋风预热器的合理操作。通过对水泥生料多级单系列旋风预热器系统的分析，论证了增加级数、提高各级旋风预热单大固气比是提高旋风预热器热效率的三大主要途径。其内容简述如下：…

该理论推导基于如下假设：①以大气环境为基态来计算良好，边壁可视为绝热；⑤ｃｐ、ｃ。随温度变化不大。单级Ｋ一固气起始温度比，Ｔｐ０／Ｔ妒ｏＡ—气固热容比，ｃ。／Ｃ，５Ｚ一固气比，ＧＰｏ／Ｇ曲；Ｔ．一环境温度；Ｔ田一气体起始温度。

从式中可以看出巾Ｉ与１１呈一次线性关系。当Ｚ＝

当ｚ＞Ａ（鲁Ｌ专）∽时，单级单系列旋风预热器的热效率

』ｐ０一』ｎ

．叭”一（∥卜瓦＋以■ｉ）：

“２万Ｆ雩雨

．．．一一．！Ｌ生

两级单系列旋风预热器的热效率：

町。叼２（了Ｎ＋÷）（１一Ｋ）町ｌ叼２ｔ虿＋＿ｒ）【１一Ｋ，

１

ｓｏ

１神＂ｓｏ

，’

＾ｒ

Ａ＝争；Ｍ＝导ｂ。

正

通过对两级单系列旋风预热器热效率的分析，可以得体的分离效率（尤其是第一级旋风预热器的分离效率）和加有效能或理想功；②气固两项的热交换足以在换热管中完

成；③过程是稳定的，面ＯＺ＝ｉＯＴ＝百ａＣ＝ｏ；④系统密封和保温

单系列旋风预热器热效率的理论表达式：

巾Ｉ－１１（１一ｋ）／（１＋虿Ａ）［（１＋了ＫＺ）一（乏）（１＋鲁）］

式中１１一总分离效率‘

Ａ（糕尸叭揪她靴Ａ（糕严时，

单级单系列旋风预热器的热效率随着固气比的增加而增加３

随着固气比的增加而减小，对于一定的体系存在着最佳加料量（当Ａ＝１．１３，ＴＩ＝２５℃，Ｔ一＝９００℃，Ｔｐｏ＝４０℃时可得ｚ＝８．６３）。对任何旋风预热器而言，７１≤１，所以

２

２．１

式中Ｎ＝１—１１ｌ＋ｑＩＴｋ；Ｋ＝笋；Ｂ＝争；ｚ＝孚；

出：无论１，和１１：的提高，都对热效率的提高有积极作用，提高１。的作用比提高１１：大；对水泥生料粉旋风预热器而言，当Ｔｔｏ＝９００＇Ｅ，ＴＩ＝２５。Ｃ，ＴＤ０＝４０。Ｃ，Ａ＝１．１３时，Ｚ＝４．０９，巾Ⅱ有最大值。当Ｚ＜４．０９时，随着固气比ｚ的增加热效率递增；当Ｚ＞４．０９时，随着固气比ｚ的增加热效率递减；当１１，＝ｑ：＝ｌ时，两级单系列旋风预热器的热效率比单级单系列旋

论上推导了单级和两级旋风预热器的热效率公式和最大值公式。所提供的理论公式可指导旋风预热器的开发研究和已

风预热器的热效率高２６％。

Ｎ级单系列旋风预热器热效率为：

帅一％Ｇｓｏ（％一■）＋ＣＩＤＧｌ，ｏ（％一Ｌ）

ｍ～

鱼坠！堕：塾！

通过对建立的Ｎ级单系列旋风预热器热效率数学模型的计算机数值计算探讨了各有关变量对热效率的影响。对Ｎ级旋风预热器而言，为了保证出预热器物料具有一定的温度，其系统固气比应在０．９—１．２为宜；系统级数由ｌ级增加到２级，热效率提高幅度比较大，而由５级增加到６级，热效率提高幅度比较小，从经济的角度来看，旋风预热器的级数不宜超过六级；各级旋风筒的分离效率最好大于８４％，尤其第一级的分离效率应大于９２％。

１００９００８０．０

嚣：

ｆ５００《４００

戮

周气比ｚ（ｋｇ（料）／ｋｓ（气））

图ｌ物料温度和系统热图２单级多系列旋风

效率与固气比的关系

预热器系统

通过对五级单系列旋风预热器系统的固气比和热效率的关系研究得出：当固气比Ｚ＜２．０时，固气比对热效率１ｌｒｖ的影响非常敏感，随着ｚ增加审ｖ增加；２≤ｚ≤３．６时，固气比对热效率的影响变得缓慢；当Ｚ＞３．６时，随着ｚ增加审。减小见图１。原国家建材局科技中心孙义橥。２１通过对多级单系列旋风预热器热平衡推导，得出了气流温度分布关系式：

ｔｓ．‘＝————————Ｌ—————１■——————————一［（１一＿｜｝２）＋！警一‰’ｆ＋。ｋ＋。＋％“。（ｔ州＋出。

瓦＋业

‘

田

式中‘“一预热器系统第ｉ级出口气流温度；

ｔｍ．１－ｔ一预热系统第ｉ一１级出口物料温度；

△￡卯一预热器各级出口气流与物料温度差，△￡。＝ｔ“

一‘ｍ．ｆ；

ｉ一自上往下数的预热器序数；ｎ一预热器级数；

ｋ，一每一级预热器的漏风系数，定义为每一级预热器出口与进口气流量之比；

｜ｊ｝Ｉ＝≯≥１；

ｕ０．ｉ

Ｉ｜｝：一每级预热器的表面热损失系数，定义为该级表面热损失与其进口气流中热量之比；

Ｒ腓一第ｎ一１级人口物料与气体的热容比，即按每ｋｇ熟料计算的物料每提高１℃吸收的热量与气流每降低

１℃放出的热量之比，Ｒ们＝丽Ｇｍ・Ｃｍ；

Ｒｕｃ．１＋。一按第ｉ＋１级出口气流量计算的热容比，尺眠¨

Ｇ爪・Ｃｍ

ｑ．ｉ＋・’ｑ’

Ｃ。～物料的比热；Ｃ。一气体的比热；

万方数据

Ｇ。一每ｋｇ熟料的物料量；

ｃ。，Ｇ“＋１一第ｎ级、第ｉ＋ｌ级出口每ｋｇ熟料的气流

量；

ｑ一旋风筒分离效率。

通过对上式的分析得出：提高分离效率１１可降低预热器出口气流温度，即提高热效率。在正常情况下，多级旋风预热器气流温度分布规律是：越往上数，各级问的气流温度差越大（当漏风过大时会出现异常现象）；各级分离效率对气流温度或热效率的影响程度是从下到上依次加大，最上一级影响程度最大。分离效率对热效率的影响程度正比于该级的传热量。孙义橥又从预热器系统出口气流中粉尘量和分离效率的关系对热效率进行了分析。预热器系统出口气流中粉尘量和分离效率的关系式为：

两级预热器：ｅ＝与宅专ｊ三翥≯；

三级预热器：

，，

，７３＋（１一＿，７２）（１一，７３）＋（１一可２）（１一｜，７３）Ｇ。．３ｕ４一（１一田ｌ一１７ｌ町２）７７３＋（１一叼１）（１一’７２）（１一ｒ／３）

×（１一＇７１）；

四级预热器：

几Ｉ

叼３一叩４＋（１一叼２）（１一，７３）＋（１一田２）（１一，７３）Ｇ。．４ｒａ一

（１一叼ｌ＋，７ｌ７＂／２），７３＇７４＋（１一，７Ｉ）（１一叩２）（１一田３）

Ｘ（１一，７１）５

五级预热器：

．

％一

聊圻５＋（１一＇７２）（１一，１３）［１一（１一佻）舶】＋（１—１７２）（１一，１３）（１一ｎ４）（１一佻）巳ｊ

（１一们＋ｒｈｒ】２）ｒ１３铂叩５＋（１一口Ｉ）（１一，】２）（１一Ｗ３）［Ｉ一（１一仍）仉］

×（１一ｒｈ）；

式中Ｇ∞、Ｇ。、Ｇ叫、Ｇ茚一分别为ｃ２、Ｃ３、ｃ４、Ｃ５级入口气流

‘中粉尘量与喂料量之比；

瓯一预热器系统出口（Ｃ。出口）气流中粉尘量与喂料量之比；

，７，、叩：、嘞、＇７。、仉一依次为ｃ。、ｃ２、ｃ３、ｃ４、ｃ５旋风筒分离效率。从分离效率与出口粉尘量的关系分析，得出和气流温度分布关系分析相同的结论。因此各级分离效率的设置，对于预热器窑如最低一级有较多的分解反应则是，７ｌ＞佻＞田２＞仇＞’７４。对于在线预分解炉窑，其最低一级由于传热量很少，应是叩１＞’７：＞协＞田。＞，７，，对于离线分解炉窑如窑尾烟气中有较多热量供物料分解，其设置应与预热器窑相同，即，７。＞仉＞＇７２

＞仉＞玑ｏ

２．２旋风预热器级数和系列数与热效率的研究

旋风预热器系列数与热效率的研究西安建筑科技大学粉体工程研究所肖国先等人对多系列旋风预热器做了理论研究（假设理想分离，其余同２．Ｉ）。在现有的串联多级旋风预热器系统中，固气比绝大多数小于Ｉ。因为旋风预热器往往是作为回转窑或反应器的余热利用装置，粉体加入量往往受窑产量、燃烧产物生成量所限制，依靠单纯地提高系统固气比有一定难度。若将进入旋风预热器的气体分成均等的气流通过并行的多系列预热器，全部粉体物料从一个系列到另一个系列以串流形式通过所有旋风预热器，即串行料流通过多股并行气流，见图２。在保证系统固气比不变的前提下，可使每个旋风预热器单体的固气比提高数倍，这样就提高了每个旋风预热器单体的换热效率，从而大幅度提高系统的热效率【４Ｊ。

图３表示单级旋风预热器热效率与系列数的关系。由图３可见：系列数增加，系统热效率增加。由单系列到双系列，热效率增加了４．８％；若系列数每再增加１列，热效率增幅≤２％，热效率增加的幅度较低。图４表示单级旋风预热器物料温度、气体温度与系列数的关系。由图４可知，增加预热器系列数，物料温度升高，气体温度下降。由单系列到双系列，出口气体温度下降约４５℃，再增加系列数，物料和气体温度变化缓慢。由此可知，对于多系列旋风预热器系统而言，双系列预热器系统比较经济。

５０

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１

２

３

４

系列数

图３热效率与系列数的关系

图４物料和气体温度与

系列数的关系

旋风预热器级数与热效率的研究从广义的观点看，预热器级数愈多，愈接近可逆换热，系统热损失愈小。单双系列预热器级数与热效率关系如图５所示。系统热效率随级数的增加而增大，但增大的幅度随级数增加而减小。对双系列旋风预热器来说，系统由２级变为３级时，热效率增加６％，３级增至４级时，热效率再增加３％，而５级后，再增加级数，热效率增加约１％。增加预热器级数将会提高系统阻力，增加电耗，增加窑尾高度，增大一次性投资。所以双系列系统级数不宜超过５级。但若级数在３级以下，热效率过低，级数也不能低于３级，适宜级数为３级～５级‘引。

７５

７０

堡６５

篓６０

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２

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级效Ⅳ

…ｎｙａｓｈ一一Ｇ∞一Ｐｏｗｄｅｒ

图５级数与热效率的关系

图６五级三系列系统流程图

２．３五级三系列旋风预热器的研究悼Ｊ

固气比对预热系统热效率的影响西安建筑科技大学粉体工程研究所陈延信等人对五级三系列旋风预热器（见图６）热效率做了理论研究（假设同２．１），其系统热效率随系统固气比的变化经历这样一个过程：在低固气比下，热效率随固气比的提高迅速提高，然后随着固气比的增加缓慢增加至一峰值，越过峰值后，热效率随固气比的增加反而有所下降。在给定条件下，系统热效率峰值对应的固气比值为Ｚ＝３．３５。目前，许多旋风预热器的固气比ｚ的值都小于１。因此，为了充分利用热气体的热焓，有必要在一定范围内提高系统的固气比【５】。但是，从固气比与物料出

万方数据

口温度的关系上看，固气比的增加将降低物料的出口温度。图７显示：在热效率达到峰值Ｉｌ，＝０．９２７时，物料出１２１温度仅为３９７．６６ｏＣ。在工业过程中，通常对物料的出Ｉ＝Ｉ温度有较高的要求，如此低的物料出口温度一般是不能满足煅烧工艺要求的。为此，可以将两种关系联合起来，选取一个恰当的结合点，在预热温度满足要求的条件下，采取必要的措施提高系统的固气比。

分离效率对系统热效率的影响

为分析某一级旋风筒

的分离效率对系统热效率的影响，采取的方法是：固定其他各级旋风筒的分离效率（１１，＝０．９．５，－ｑ２＝０．９０，－ｑ３＝０．９０，－ｑ。＝０．９０，－ｑ，＝０．９０），变化该级分离效率，使其从０到０．９９

连续变化，其中同一级的三个旋风筒的分离效率保持一致。计算得到的五级三系列系统热效率随各级旋风筒分离效率变化的关系，如图８所示。从图８可以看出，随着分离效率的增加，系统热效率相应提高，在分离效率较低时，增

幅更加显著。对比各条曲线，可以看出对于第一级旋风筒，

在分离效率变化的整个区间内，系统热效率变化明显，尤其是当－ｑ，＜０．６时，分离效率极大地影响着系统的热效率。对于其他各级旋风筒，在分离效率１１。＞０．６时，对系统热效率的影响基本相当；在分离效率１１；＜０．６时，从第二级旋风筒到第五级旋风筒的分离效率对系统热效率的影响程度逐渐减弱¨ｊ。

０．Ｏ２．０４．０６．０８．０１０．０

Ｓｏｌｉｄ－ｇａｓ

ｍ∞ｒａｔｉｏＺ／ｋｇ，ｋｇ

Ｓｅｐｅｒａｔｅｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ＇７

图７热效率和物料出口

图８系统热效率随分离

温度随固气比的变化

效率的变化

２．４多级多系列和混合系列的研究冲１

单系列、双系列和三系列分别指每级预热器有１个、２个和３个旋风筒，而混合系列是指预热器的第一级与最后一级均为单筒，其余的中间级为双筒。假设同２．１，原始数据：ｔ一

＝９００℃；Ｔ曲＝３０℃；ｔ．＝２０ｑＣ；Ｃｓ＝１．２９ｋＪ／（ｋｓ・ｏＣ）ｉＣｐ＝

１．０５８

Ｕｔ（ｋｇ・ｏＣ）；ｍＩ＝０．９６；－ｑ２＝０．９３；－ｑ３＝１１４＝Ｔ１５＝

０．９０。

不同系统固气比下不同系列的级数对出预热器气体温度和热效率的影响如图９所示，对于系统固气比Ｚ＝１，不同级数系统的废气出口温度都呈下降趋势，但是相对而言，三系列的出口温度最低，双系列其次，单系列最高。当系统固气比提高至Ｚ＝２时，系统废气出１３温度相应都有明显的降低，降幅达到１８０℃，而且三系列出口温度仍是最低，单系列最高。

从图１０可知，在固气比Ｚ＝１的条件下，随着系统级数的增加，系统的热效率逐渐增大，但增大趋势随着级数的增加也逐渐变缓。当系统固气比Ｚ＝２时，系统的热效率比固气比Ｚ＝１时有明显的增大，增大趋势也随着级数的增加逐渐变缓。对于６级以上的系统，级数的增加对系统的热效率影响降低。所以，增大系统的固气比，能大大地

优化系统的换热效果，使系统热效率有明显的提高。

．

Ｉ－单系列（Ｚ＝１）◆一单最刊（Ｚ－２）一一

●－职系列（Ｚ＝ｉ）４－联系列（Ｚ＝２）－－

．

Ａ－三最列（Ｚ＝Ｉ）

｝一三系列（Ｚ；２）

■●▲，一单理三漶幕幕摹台副列列采汜晓犯列

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级数／Ⅳ

圈９不同５＇１废气出口温度比较

图ｌＯ不同系列热效率比较

２．５悬浮效率对旋风预热器热效率的影响¨ｏ

由单元换热的工作原理可知，在旋风预热器中，气固之间热交换量的８０％甚至９０％是在旋风筒入口管道内瞬间进行的，前提条件是粉体物料充分均匀分散悬浮于气流中。粉体物料成股地从加料口加人，由于惯性，有一个向下的冲力，当遇到由下向上的气流时，部分物料被气流冲散带起向上悬浮于气流中，部分料股中间的物料继续下冲，又被下面的气流冲散，转而向上悬浮。如果较大料股中间的粉料或料团，在下冲一定距离后仍不能被冲散浮起，一旦离开下级的内筒，由于气体流速锐减，这部分物料将不能悬浮，失去了在上级筒中的预热机会，这样将降低物料的预热效果。

悬浮效率的定义ｐＪ：加人物料被气流冲散浮起进人该级旋风筒的质量百分数，以字母ｆ表示。如图１１所示，￡＝（ｍ２＋ｆ２一ｆＩ）／ｍｌ。

假设：①旋风筒内换热效果极好，预热后达到气固温度相等的平衡状态；⑦气体介质、物料和飞灰的比热在同一级旋风筒中的差别忽略不计。通过质量平衡和热量平衡计算，求出物料出口平均温度ｉ。和ｔ露。图１２是以某厂五级单系列旋风预热器中的第四级为例，可见旋风筒加料时的悬浮效率直接影响到物料的整体预热效果。当旋风筒的分离效率１１＝０．８时，悬浮效率由１．０下降到０．４，物料预热温度下降了３７．９℃，这相当于物料在这级筒中的可能温升（１１０．１℃）下降了３４．４％，同时旋风筒排出的气体温度升高了３５．６℃，废气热损失增加了９０ｋｌ／ｋｇ熟料左右。

图１１悬浮效率示意图图１２悬浮效率与物料平均温度和出口气体温度的关系

由此不难推断，如果综合五级旋风筒的这一因素，其影响将是非常显著的。因此，为了使物料充分预热，提高旋风预热器系统的热效率，使物料迅速充分均匀悬浮必须采取以下措施：合理选择加料位置；合理选择管内风速；加撒料装置；保证来料均匀。

万方数据

２．６漏风对热效率的影响

旋风预热器的漏风分内漏风和外漏风。内漏风是下一级的废气通过锁风不严的翻板阀，自旋风筒出料口倒流入上一级旋风筒，它虽不增加系统总风量，但超过一定限度时，将对该筒的分离效率有明显影响，内漏风量超过２％

时，旋风筒的分离效率开始明显降低，将引起系统热效率的恶化。

外漏风是从预热器系统之外进入预热器系统之内的冷

空气。冷空气漏入不但会降低热气流温度，还会降低固气比。冷空气的漏人虽能使预热器出口气流温度下降，但由于气流量增加，其带走的热量（热损失）却是增加的。以三级单、双系列外漏风对系统热效率的影响为例，见图１３。随着外漏风系数增大，单、双系列热效率下降，热效率下降与漏风系数基本呈线性关系，漏风系数每增加２％，热效率下降约１％。当漏风系数为１０％时，与不漏风相比，热效率下降为５％。因此应加强设备管理，严防冷空气的漏入，以免降低系统热效率和增加系统处理风量一Ｊ。

图１３外漏风系数对系统热效率的影响

根据以上对旋风预热器热效率的综合研究分析，得出以下结论：①严防漏风；②强化物料分散，使物料迅速充分均匀悬浮；③对于水泥行业所使用的单系列旋风预热器系统，级数不宜超过六级，各级旋风筒的分离效率最好大于８４％，第一级的分离效率应大于９２％；④旋风预热器系统双系列比较经济，适宜级数为３级一５级。

［ＩＤ：５９５０］

参考文献［１］

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１９９８，（４）．

［３］

李昌勇，胡道和．各级预热器特性对系统热效率影响的计算与分析［Ｊ］．南京化工学院学报，１９８８，（２）．

［４］肖国先，徐德龙，嵇鹰．高固气比下粉体预热器系统的热效率研究［Ｊ］．粉体技术，１９９８，４（２）．

［５］陈延信，胡程茹，徐德龙．三系列悬浮预热系统热效率的理论研究［Ｊ］．西安建筑科技大学学报，２００７，３９（６）．

［６］夏国涛，李志，徐德龙．旋风预热器预热过程的模拟研究［Ｊ］．海南大学学报自然科学版，２００５，２３（３）．

［７］郑育新．不同分离效率下悬浮效率对旋风简中物料预热效果的影响［Ｊ］．

３结束语

旋风预热器热效率的研究分析

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：

杨沛浩， 刘宁昌， YANG Peihao， LIU Ningchang西安建筑科技大学粉体工程研究所,陕西西安,710055四川建材

SICHUAN BUILDING MATERIALS2010,36(4)

参考文献(7条)

1. 郑育新 不同分离效率下悬浮效率对旋风简中物料预热效果的影响

2. 夏国涛;李志;徐德龙 旋风预热器预热过程的模拟研究[期刊论文]-海南大学学报(自然科学版) 2005(03)3. 陈延信;胡亚茹;徐德龙 三系列悬浮预热系统热效率的理论研究 2007(06)4. 肖国先;徐德龙;嵇鹰 高固气比下粉体预热器系统的热效率研究 1998(02)5. 李昌勇;胡道和 各级预热器特性对系统热效率影响的计算与分析 1988(02)6. 孙义燊 多级旋风预热器热效率分析 1998(04)7. 徐德龙 水泥悬浮预热预分解技术理论与实践 2002

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