水泥廠窯頭多管冷卻器的設計和應用

1、圖1 多管冷卻器的結構示意圖1-支柱；2-漸擴管；3-列管束；4-殼體；5-軸流風機水泥廠窯頭多管冷卻器的設計和應用楊如順，呂忠明，田 源（合肥水泥研究設計院，安徽 合肥 230051）中圖分類號：TQ172.622.29 文獻標識碼：B 文章編號：1671-8321（2013）02-0074-04目前，我國大多數(shù)預分解窯生產(chǎn)線都采用篦式冷卻機冷卻出窯高溫熟料。篦冷機是一種驟冷式冷卻 機 ， 用 鼓風機向機內(nèi)分室鼓風，使冷風 通過鋪

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

3、琢性強等特性， 在除塵工藝設計和設備選型時須充分考慮。尤其是溫度特 性，因為在不正常工況時溫度有時可達450℃，在此煙氣 溫度下，就目前環(huán)保除塵技術，無論是電除塵器還是袋式 除塵器，均無法對此類煙氣直接進行高效收塵，只有通過 改變含塵氣體的溫度和濕度，或粉塵的電性質，才能使除 塵設備對此類粉塵有高效收塵能力，凈化后的氣體才能達 到新標準的限值要求。近幾年，對于新建生產(chǎn)線和環(huán)保改 造，絕大部分都選用高效高溫袋式除塵器，煙氣調質的 主要目的

4、是使煙氣溫度冷卻到250℃以下，以達到高溫袋 除塵器的進氣溫度要求。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。吹風，與其進行熱交換，對管道內(nèi)的高溫煙氣進行強制冷卻。下部集灰斗設有與之配套的鎖風裝置，把降溫過程中 沉降的飛灰顆粒輸送出去。由于采用風機送風，可以根據(jù) 室外環(huán)境的變化，調節(jié)風機的風量，達到控制冷卻器出口 溫度的目的。多管冷卻器的結構示意見圖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，高溫煙氣 從管道內(nèi)通過，通過列管外表面實現(xiàn)與來自風冷系統(tǒng)的 冷風或自然風的熱交換，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外散 熱的方式降低所處理介質的溫度，但并不改變介質的成 分，所以起不到降低介質比電阻和吸收部分有害氣體 的作用，但具有一級收塵功能，通常用于袋式除塵器前 對所處理氣體進行降溫。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 是外部采用軸流風機強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械風冷 的原理。冷卻器的管束裝在殼體內(nèi)，高溫煙氣從管內(nèi)通 過，用軸流風機將空氣壓入殼體內(nèi)，從管外橫向吹風， 與其進行熱交換，將高溫煙氣冷卻到所需的溫度，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 多管冷卻器的結構、原理及特點1.1 多管冷卻器的結構多管冷卻器是一個框架型鋼結構，并由若干立柱支 撐，上部設有漸擴管，中間是鋼制列管束，下部設集灰 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。漸擴管上端設有熱風布風 板，出篦冷機的煙氣進入漸擴管，經(jīng)布風板進入中間的鋼 制列管束。在鋼制列管束的側面設軸流風機，用軸流風 機將常溫空氣壓入鋼制列管束的立管之間，從管外橫向74 中國水泥 2013.2設計研究 Research & Design 機所需壓頭和風量等參數(shù)值進行冷卻器的結構、布置的設計、冷卻風機的選型。 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、風機參數(shù)值計算出冷卻器的實際傳熱系數(shù) “K”值和傳熱溫差（溫壓）Δtm。根據(jù)熱平衡計算公式（C）：F = Q /K ·Δtm計算出已知工況實際所需的冷卻 器傳熱面積F”。如 果 ， 根 據(jù) 計 算 機 逼 近 “ K ” 值 計 算 方 法 應 用軟件得出的冷卻器傳熱面積F ’ （計算公式4）： F’=π·D·L·N）大于根據(jù)熱平衡計算公式（3）： F = Q /K ·Δtm計算出已知

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

10、的冷卻器傳熱面積F”；（6）計算出冷卻器冷風通過阻力P2（選定的冷卻風 機壓頭應大于P2）；（7）計算出熱煙氣通過冷卻器進口阻力Pa、通過 冷卻管進口阻力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）計算出冷卻器的進、出口法蘭尺寸、總功 率、基礎載荷、選定卸灰裝置并完成設計圖紙。同樣 工況下，冷卻器的計算受很多因素影響，如 確定不同成分熱煙氣和冷卻

11、空氣的性能計算參數(shù)、不 同的計算模型準則和方程式等?？傊魏我环N設計 方案都不能說是唯一、最好的選擇。所以，冷卻器設（1）技術參數(shù)和工藝要求（見表1）（2）計算機逼近“K”值計算 一般情況下，按正常和異常兩種情況分別計算。根據(jù)以往經(jīng)驗和上述技術參數(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算，正常情況計算略。運行計算機逼近“K” 值計算應用軟件，分別按要 求輸入表1中的技術參數(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，計算機摸擬運算后 輸出（見表2）冷卻管數(shù)量、高度、排列形式、單臺冷 卻風機所需壓頭和風量等參數(shù)值。為了滿足冷卻風機選型、冷卻器結構布置等要求， 有時，上述輸入、運算需要進行若干次直至滿意為止。（3）設計制圖 計算出冷卻器的進、出口法蘭尺寸、總功率、基礎載荷、選定卸灰裝置并完成設計圖紙。印尼項目窯頭多 管冷卻器提資圖見圖3。（4）風機選型計算 確定冷卻器冷風通過阻力P2值，公式（6）

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

14、)煙氣量/（m3/h） 675 000 用途 窯頭余風 管間距S1×S2 1.5×1.5冷卻形式 錯流 管內(nèi)風速V內(nèi)/（m/s） 10 管阻/Pa 155管外風速V外/（m/s） 2.7 冷風阻力P2/Pa 189 管內(nèi)徑d/mm 81壁厚/mm 4 t2” /℃ 30 進風高/mm 12 500B1×B2/m 11×5 風機/臺 4 總冷風量/（m3/h） 1 136 488單冷風量/（m3/h

15、） 284 122 管長/mm 12 500 管重/kg 307 000管數(shù)/根 2 916 t1’ /℃ 450 t1” /℃ 140表1 原始技術參數(shù)和工藝要求項 目 正常 異常熱煙氣工況風量/（m3/h） 580 000 675 000熱煙氣標況風量/（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