多級(jí)旋風(fēng)預(yù)熱器的溫度分布

1、設(shè)計(jì)研究多級(jí)旋風(fēng)預(yù)熱器的溫度分布天津水泥工業(yè)設(shè)計(jì)研究院朱祖培摘要：本文依據(jù)“理想換熱器”原理，對(duì)不同級(jí)數(shù)的旋風(fēng)預(yù)熱器的氣體溫度分布 進(jìn)行了理論計(jì)算分析，提出了一些基本規(guī)律，闡述了對(duì)選擇適宜級(jí)數(shù)的看法，可供 科研.設(shè)計(jì)棗考。Summary : Based on the principle of nideal heat exchanger"9f the author made here a theareticai calculation and analysis on the distribution of gas temperature in the cyclone suspensio

2、n preheater in different stages Also slated in this article are the opinion of the author regarding the optimal selection oJ the number of preheater stages and some basic law This article can be taken as a re ference in engineering design and scienlif ic research.水泥技術(shù)1990.N?.43© 1994-2013 China

3、 Academic Journal Electronic Publishing House, All rights reserved hllp;/ki.ni水泥技術(shù)1990.N?.43© 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House, All rights reserved hllp;/ki.ni溫差是傳熱過程的動(dòng)力。一切傳熱過程都 以載熱體之間溫度達(dá)到均化而告終°在水泥窯 的旋風(fēng)預(yù)熱器中，物料與氣體以順流方式進(jìn)行 換熱。當(dāng)溫度較低的物料與溫度較高的氣體接 觸時(shí)，料溫逐漸升高，氣溫則逐漸降低，溫差

4、愈來愈小（見圈1）,傳熱速度也漸趨緩慢。 當(dāng)溫度最終趨F平衡，或溫差等于公時(shí)，換熱 也就停止。而要達(dá)到一種料溫超過氣溫的負(fù)效 應(yīng)狀態(tài)，則是不可能的。實(shí)際上在一次換熱中，ffi | m熱禍粧級(jí)的頗漁換熱物料所能達(dá)到的溫度是有限的，同時(shí)，氣體一 次放煤后溫度仍然很高。這種現(xiàn)象在熱力學(xué)上 稱為不可逆性。要將物料加熱到較筒的溫度，或者要使氣 體溫度降得更低以充分利用其熱能，必須采用 多級(jí)換熱的方法。也就是說，將一次換熱后達(dá) 到或接近溫度平衡的物料從氣體中分離出來, 使只勺更禹溫度的氣體相接觸；或者說，使放 熱后仍具有一定溫度的氣體再與較低溫度的物 料相接觸。這樣，由于溫差的存在，換熱就能 夠繼續(xù)進(jìn)行。

5、因此，在采用多級(jí)換熱的情況 下，同樣的氣體溫度可將物料加熱到更離的溫 度。換熱的級(jí)數(shù)愈多，物料所能達(dá)到的溫度也 愈高。在極限情況卜；如果毎一級(jí)換熱都能達(dá) 到溫度卩衡，且換熱級(jí)數(shù)能夠達(dá)到無窮大時(shí)， 物料的最終溫度在理論上町以達(dá)到氣體的原始 溫度。要實(shí)現(xiàn)這一情況必須是極微細(xì)的物料顆 粒高度分散在熱氣流中，瞬時(shí)換熱，瞬時(shí)分 離，物料與氣體逆向流動(dòng)，氣固溫差則始終保 持無窮小。這種理想的逆流換熱過程即熱力學(xué) 所謂的可逆過程，實(shí)際上是不可能實(shí)現(xiàn)的。CEMENT TECHNOLOGY 2.4 1990.人們通常把立筒預(yù)熱器說成是逆流預(yù)熱 器，但實(shí)際情況并非如此。在立筒內(nèi)物料雖然 逆氣流下降，但當(dāng)接近縮口時(shí)

6、，由于遇到商速 氣流，重新被氣流所帶起。物料在噴騰的氣流 中反復(fù)進(jìn)行換熱。立筒缽內(nèi)的物料聚集到一定 濃度后，才通過編口降落到下一缽內(nèi)。因此， 立筒預(yù)熱器的換熱過程并不是真正的逆流過 程；作為多級(jí)換熱，它與旋風(fēng)預(yù)熱器無本質(zhì)k 的差界。相反，由于旋風(fēng)預(yù)熱器內(nèi)氣體與物料 的換熱和分離分別在管逍和旋風(fēng)筒內(nèi)進(jìn)行，兩 者都進(jìn)行得比較允分；而在立筒缽內(nèi)，分散和 分離作用都不夠充分。這可能是立筒預(yù)熱器的 傳熱效率不如旋風(fēng)預(yù)熱器的原因。在旋風(fēng)預(yù)熱器的毎一順流級(jí)中，由于氣體 對(duì)懸浮物料的傳熱充分，使得毎一級(jí)氣體和物 料的出口溫差很小，幾乎與該級(jí)的進(jìn)口溫差沒 有關(guān)系，這就是說，不論氣體和物料的進(jìn)口溫 度或溫差如何，

7、各級(jí)出口溫差都大致相等，最 多不超過30C。雖然預(yù)熱器的毎一級(jí)是順流換熱，但從預(yù) 熱器整體來說則是逆流操作的。對(duì)于逆流預(yù)熱 ，器的傳熱效果可以預(yù)熱器的氣體進(jìn)口溫度與物 料出口溫度之差為標(biāo)志。通常可用溫度系數(shù)來 反映，它的表示式如下：=：斗業(yè)（1）lG0 1 MO式中：溫度系數(shù)，其數(shù)值為0I;tM 預(yù)熱器的物料出口溫度,匕； tG0預(yù)熱器的氣體進(jìn)口溫度,r; tM0預(yù)熱駛的物料進(jìn)口溫度,t:; 溫度系數(shù)的含義是：物料在預(yù)熱器內(nèi)實(shí)際提高 的溫度與最大可能提高溫度Z比。當(dāng)物料出口 溫度tM等丁氣體進(jìn)口溫度tGO時(shí)，=1。這 就是匕述理想的可逆過程。e的大小與預(yù)熱 器的級(jí)數(shù)有關(guān)。為了定性地分析預(yù)熱器級(jí)

8、數(shù)與 其溫度系數(shù)的關(guān)系，在簡(jiǎn)化條件下推導(dǎo)了一組 計(jì)算公式，用來計(jì)算不同級(jí)數(shù)時(shí)溫度分布情 況。推導(dǎo)結(jié)果如下：rG =:1 一 r,（1 -ClGO-AtGQ + Jl 一幾。lM =:（3）1 - r_（l-r，+，）tG-r（l-r，）（tMfl+AtGM）G （4）7T77式中:tG 預(yù)熱器的氣體出口溫度，r；tM 預(yù)熱器的物料出口溫度，t； So 預(yù)熱器的氣體進(jìn)口溫度，V, tMo 預(yù)熱器的物料進(jìn)口溫度，匕；I tGi預(yù)熱器第i級(jí)的氣體進(jìn)口溫度，tMi 預(yù)熱器第i級(jí)的物體出口溫度，GAtGM 預(yù)熱器各級(jí)的氣體和物料的 岀口溫差，V,（秦閱圖2）；tGM =n預(yù)熱器的級(jí)數(shù)；i 自上向下數(shù)的預(yù)

9、熱器的任一 級(jí)，i為1n-l的正整數(shù)；r物料與氣體的熱容比；即按毎公斤 熟料計(jì)算的物料每提高1 r吸收的熱量與氣體毎降低it：放出的熱雖之比, 通常VI。熱容比可按下式計(jì)算：式中：CM 物料的比熱，kJ/kg°C； Cg氣體的比熱，kJ/nA標(biāo)）匕Gm 毎公斤熟料的物料量，kg / kg熟料；Gg 每公斤熟料的氣體量，m（標(biāo)）/kg熟料。各級(jí)溫度關(guān)系及其代號(hào)如圖.2所示。在推導(dǎo)式（2（5）過程中，為簡(jiǎn)化起 見，作了一些假定。首先把預(yù)熱器看成是理想 的單純傳熱裝置，不考慮預(yù)熱過程中實(shí)際存在 的化學(xué)反應(yīng)（脫水脫酸）.漏風(fēng)或筒體輻射熱 損失等' 各級(jí)的分離效率也按相等考慮，艮等 于

10、1。因而通泣各級(jí)預(yù)熱器的氣體和物料最均水泥技術(shù)1990.N?.43© 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House, All rights reserved hllp;/ki.niIMimmIm t(K)圖2預(yù)熱器各級(jí)溜度代號(hào)為tOc其次，假定所有各級(jí)的熱容比J為一 常數(shù)，即對(duì)各級(jí)采用統(tǒng)一的平均比熱。此外, 假定預(yù)熱器各級(jí)氣體和物料的出口溫差 AtGM均相等。匕述假定雖給計(jì)算結(jié)杲帶來一定的偏差, 但不致改變各級(jí)預(yù)熱器溫度分布的基本規(guī)律。應(yīng)用式(2) (5)可以計(jì)算不同級(jí)數(shù)預(yù) 熱器的代體或物料他出口溫度；以及預(yù)

11、熱器任 一級(jí)的氣體進(jìn)口或物料出口溫度。式中的級(jí)數(shù) n僅指預(yù)熱器的級(jí)數(shù)，不包括分解級(jí)。在預(yù)分 解窯中，最卜-級(jí)旋風(fēng)筒實(shí)際是分解爐的組成 部份。因此，對(duì)于通常的4級(jí)預(yù)分解窯，預(yù)熱 器本身只有3級(jí)。在應(yīng)用該組公氏計(jì)算時(shí)，應(yīng) 取 n = 3。應(yīng)用上述公式計(jì)算了最多達(dá))0級(jí)的不同 級(jí)數(shù)預(yù)熱器。曲于不包括分解級(jí)讓算中規(guī)定 預(yù)熱器的氣體進(jìn)口溫度(00=9001：；物料進(jìn) 口溫度lMo=50ro假定毎級(jí)換熱后代體與物 料的溫差均為10Co-熱容比r取0.80 (平均取 CM- 1.09, Gm= 1.5, CG= 1.46, Gg=1.4)0 IF算結(jié)果列于表1中，為使計(jì)算 結(jié)果更加直觀起見.根據(jù)表1數(shù)字繪成

12、曲線圖 (見圖3, 4)o從衣1和圖3町以看出，多級(jí)旋風(fēng)預(yù)熱器的氣休出口溫度tG隨級(jí)數(shù)n 的增加而降低。但是，預(yù)熱器的 級(jí)數(shù)愈多、毎增加一級(jí)所能降低 的氣體出口溫度愈少。例如.當(dāng) 級(jí)數(shù)由1級(jí)增加到2級(jí)時(shí),tG由 527C降低到404t,共降低 123上；而級(jí)數(shù)山2級(jí)增加到3 級(jí)時(shí)，tG雖進(jìn)一步降低到 345*C,但這時(shí)所增加的一級(jí)僅 能便氣體出口溫度降低591'。 從圖3也可以看出，如預(yù)熱器的 級(jí)數(shù)很少，毎增加一級(jí)使氣體出 口溫度急劇降低，但當(dāng)級(jí)數(shù)增加 到某一數(shù)值以后，氣體出口溫度 降低的程度人為減少，曲線明顯 趨緩。級(jí)數(shù)增加到10級(jí)時(shí).匕雖 然仍有降低.但所增加的一級(jí)僅 能降低4aC

13、o這時(shí)，預(yù)熱器氣體 出口溫度仍高達(dá)2441。計(jì)算衣 明，耍使氣體出口溫度進(jìn)一步降 低是很困難的。在這種情況下, 進(jìn)一步增加預(yù)熱器級(jí)數(shù)，不再右 實(shí)際意義。圖4表示了不同級(jí)數(shù)預(yù)熱器各水泥技術(shù)1990.2.45 © 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House, All rights reserved. htlp;/水泥技術(shù)1990.2.45 © 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House, All rights reserve

14、d. htlp;/不同級(jí)數(shù)預(yù)熱器的溫度分布表1tCo=900V, tMo = SOC, AtcMlOC,r 二 0.80級(jí)n12345678910冗體出口溫度,tG527404345310288273262254248244 1 19006805725104704434234093993919007546706)657955353351950«900798732688656633616603900825775739712693678900844805776754738G900858827804786tG7900867843825lGM900875856kw900880900物料出門盤

15、虧tM517670744788815R34c 848857X65870溫度系數(shù)，e0.550.730.820.870.900.920.940.950.960.965氣體總溫度降 Atc373496555590612627638646652656毎級(jí)氣體平均溫度條山G37324818514812210591817266級(jí)的氣體溫度分布情況。該圖表明，級(jí)數(shù)愈 的效益愈低。多，曲線相距愈密，說明屈增加一級(jí)所能獲得但是，值得注意的是，當(dāng)預(yù)熱器的級(jí)數(shù)增 4 CEMENT TECHNOLOGY No.4 1990.© 1994-2013 China Academic Journal Electr

16、onic Publishing Housv. All rit*hts reserved, ki.nelI 2 3 456789 IC碩熱器級(jí)數(shù)，n圖3預(yù)熱器級(jí)數(shù)與氣體或物料出溫度的關(guān)系高熱容比f的數(shù)值，有利于增加預(yù)熱器的級(jí) 數(shù)。當(dāng)r = 0.8時(shí)，級(jí)數(shù)超過34級(jí)，曲線就 趨于平緩；而當(dāng)時(shí)，曲線較陡部份延伸 到56級(jí)，因此，按照冃前條件，多級(jí)懸浮 預(yù)熱器采，用34級(jí)（不包括分解級(jí)）是合適 的；但在進(jìn)一步降低阻力、并提髙固氣比的條 件下，也可考慮使預(yù)熱器增加到5級(jí)或更多。圖5表示預(yù)熱器各級(jí)氣固.出口溫差 Sm對(duì)出預(yù)熱器氣體溫度Ig的影響。從圖5 看出.，出口溫差的影響較熱容比r的影 響要小。圖6表

17、示了計(jì)算的10級(jí)預(yù)熱器水泥技術(shù)1990.2.45 © 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House, All rights reserved. htlp;/水泥技術(shù)1990.2.45 © 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House, All rights reserved. htlp;/碩熱器級(jí)數(shù)，n口Q 盡爲(wèi) U93拴 L%搖«水泥技術(shù)1990.2.45 © 1994-2013 China Acade

18、mic Journal Electronic Publishing House, All rights reserved. htlp;/預(yù)熱器各級(jí)序號(hào)，圖4預(yù)熱器級(jí)數(shù)與其溫度分布的關(guān)系 加到10級(jí)時(shí)，物料出口溫度g可提高到 87or,更接近于氣體進(jìn)口溫度tGo=900t：的 水平。溫度系數(shù)可提高到0.965。同時(shí)，隨 看級(jí)數(shù)的增加，氣體總溫度降也增加，但毎一 級(jí)的平均溫度降卻減少了。例如，對(duì)于4級(jí)預(yù) 熱器的毎級(jí)平均溫度降為148,.而10級(jí)時(shí) 僅為66t0毎級(jí)氣體平均溫度降的減少意味 看在各級(jí)換熱中減少了溫差傳熱的炯損失，也 就是降低了過程的不可逆性。因此，增加換熱 級(jí)數(shù)對(duì)丁提商溫度系數(shù)有理論意義。但在實(shí)際 應(yīng)用中，增加換熱級(jí)數(shù)將提福系統(tǒng)阻力、從而 提高了電耗。同時(shí)，還將增加塔樓高度，增力I 了投資，并捉商物料運(yùn)輸成本。為了改褲多級(jí) 換熱，研制低阻力、