1、1新型干法窑系统中预热器规格配置研究探讨 南京邦齐建材设备工程有限公司 梁镒华 尚亿斌 魏波 张耀智前言：在新型干法窑系统中预热器及分解炉承担着生料预热、碳酸盐分解的重要任务，而这些都是在预热器和分解炉内以悬浮状态下进行的，因而极大地提高了传热效率，为此如何把各部位的风速控制在合理的范围，既能保证物料的良好分散、气固迅速换热，同时又不至于消耗过多的能量，成为设计研究和生产控制中的重要课题。在预分解窑发展初期，欧洲国家的水泥装备公司认为：预热器各部位风速包括连接管道风速不宜太高，预热器截面风速 35m/s，连接管道风速 1620m/s。主张以较低风速，较大的设备规格换取较低的气流阻力和电耗，以降
2、低生产运行费用。而日本早期则主张选用较高的风速，如：连接管道风速 1925m/s，以减小设备规格，降低设备和土建费用。随着石油危机能源价格上涨，生产经验的积累和各国技术交流，高风速的主张已有所改变。随着 80 年代中期新型低压损预热器的问世，预热器阻力降低约 1/3，使选用五级预热器系统的阻力，能够保持在传统四级预热器系统的阻力水平。80 年代以来我国从国外引进诸多技术装备相继投产，90 年代国家建材局组织了有关高等院校和设计研究单位专家对这些装备进行了从机理研究、热工测定、冷模试验，到技术改造等做了大量卓有成效的工作，取得了丰富的经验和成果。本文是在学习的基础上选择 90 年代引进部分 KH
3、D 技术装备和收集部分国内研发有一定代表性的 NSP 窑预热器规格配置案例，试用相同或相当废气量和温度等参数，从计算假想截面风速与系统阻力建立某种联系。进行一些纵向研究分析比较，探索预热器规格配置的发展趋势，仅供学习和研究参考。1. NSP 窑系统中各级预热器的功能和配置原则研究表明：各级预热器在预分解系统中换热作用较小，主要作用是气固分离。而各级分离效率及它们之间的合理匹配对保证系统经济、合理和安全生产至关重要。各级预热器分离效率匹配排序以 1 5 4 3 2 为佳。最上级预热器（即 C1）关系生料粉的外排循环，一般配置规格较大，以降低假想截面风速提高分离效率，并采用双高圆柱筒结构减少生料粉
4、外排，其对系统热效率影响最大；最下级预热器分离效率关系到已分解热物料的内循环，对系统热效率影响也很关键。该级预热器由于气温最高，工况流量最大故在与上一级预热器取规格相同时，假想截面风速较中间级有所偏高，可能成为产能提高的制约因素。若能取较大规格，降低该级截面风速对提高分离效率、系统热效率，以及降低系统阻2力和产能提高更为有利；中间级预热器规格关系系统总压降水平。取较低假想截面风速以保证分离效率和热效率外，对降低系统总阻力有直接影响。2. 预热器阻力的影响因素和对系统总压降的评判依据。预热器阻力除与其结构有关，同时与规格大小，即影响假想截面风速有直接关系。另外系统阻力还与预热器进出口和连接管道取
5、用风速高低等有密切关系。我们为纵向分析比较方便，暂搁置预热器结构、进出口连接管道风速和分解炉等不同的影响。仅从预热器规格即假想截面风速高低作为判别系统阻力的依据。并引入“SP 系统平均假想截面风速”的概念（即各级预热器设计假想截面风速的加权平均值）作为表征性评判 SP 系统设计阻力的参考指标，来相对评估系统阻力水平。具体案例分析比较如下（详见附表一、附表二）3.案例分析比较和评述（1）案例 13（80 年代国外引进技术装备）案例 1: IHI-JD 引进日本 4000t/D 技术装备，当年实测产量 4209t/D 增产幅度 5%，窑有效容积产量较低（3.84.0t/mD） 。配置传统预热器规格
6、较小、阻力较高，SP 系统各级设计选型规格计算假想截面风速 3.544.98m/s，唯 C4偏高为 6.67m/s ，选型规格过小呈系统发展增产的“瓶颈” 。计算 SP 系统平均假想截面风速为 4.84（设计值）5.09（增产5%）m/s 相对比较高，实测系统总压降为-5639Pa，为窑低产量下预分解系统阻力的偏高值，影响系统产能的发挥。在当时是考虑节省投资，而运行电耗相对不低的方案。 （设计产量下系统总压降排名第 11 位）案例 2：MHI-NG 引进日本 4000t/D 技术装备，实测产量 4090t/D，窑有效容积产量低（3.08t/mD） 。SP 系统选型规格大，计算各级预热器假想截面
7、风速最低（2.843.66m/s） 。计算 SP 系统平均假想截面风速仅为 3.04m/s，是所有案例中最低的。实测系统总阻力仅为-3482Pa（MFC 分解炉半离线布置） ，窑系统阻力最低增产潜力大。是节能、降低生产运行费用，但相对设备和土建投资增加的方案。 （设计产量下系统总压降最低，排名第 1 位）案例 3：FLS-SC 采用新型预热器阻力降低约 1/3，本案采用小规格高假想截面风速（4.867.03m/s） ，计算 SP 系统平均假想截面风速为 6.33m/s 最高。实测系统总压降为-6072Pa ， 设计产量：2000t/D 实测 1861t/D。是考虑节省投资但影响产能发挥（当时分
8、解炉运行存在问题） ，且运行费用相对偏高的方案。 （是设计产量下系统总压降最高，排名第 12 位）3（2）案例 46（90 年代引进 KHD 技术装备）案例 4: KHD-新疆天水（海拔 1100m） 设计产量：20002300t/D 窑容积产量4.65.3t/mD。SP 系统高海拔选型规格较大，系统阻力较低。假设按出 C1废气量：1.526Nm/kg 计算各级预热器假想截面风速低（2.533.75m/s） ，计算 SP 系统平均假想截面风速指标为 3.24m/s。2000T/D 时系统总压降-5200Pa 左右，考虑管道分解炉（长 96M 截面风速 12.2 m/s）阻力约-930Pa 。则
9、 SP 系统阻力仅为-4270 Pa 左右，是在高海拔条件下考虑节能、降低运行费的方案。但设备和土建框架较大（30%） 故投资相对增加。 （设计产量下仅考虑系统总压降水平排名第 2 位）KHD86 年报价（海拔：100m）预热选型配置：C 1：2-4.33m，C 2-5:1-6.7m 设计产量 2000t/D 时计算 SP 系统平均假想截面风速为 3.69m/s。(海拔：1000m)预热器选型配置：C1：2-4.53m，C 2-5:1-7.0m 设计产量 2000t/D 时计算 SP 系统平均假想截面风速为3.53m/s，系统总压降阻力均较低。案例 5：KHD-台花莲 设计产量：4800530
10、0t/D 增产幅度 10%，超短窑有效容积产量高（5.46.0t/mD）SP 系统选型考虑省投资，规格偏小，在设计产量 4800 t/D 时计算各级预热器设计截面风速为 3.52-4.64 m/s，计算 SP 系统平均假想截面风速为 4.08 m/s，较 86 年新疆报价设计平均截面风速 3.523.69 m/s 系统阻力略高。验收考核：4853t/D 正常生产 5000t/D 系统阻力-4700PA，是考虑增产幅度不大节省投资的方案。 （设计系统阻力水平排名第 7 位）案例 6：KHD京阳 设计产量：5000 t/D 目前达 6800 t/D 增产幅度大（36%） 超短窑有效容积产量高达 6
11、.3 t/mD ，是当前国际先进指标。SP 系统选型规格较大，设计产量 5000 t/D 计算平均假想截面风速 3.52 m/s，系统阻力低。增产 36% 达 6800 t/D 时设计各级预热器截面风速仅为 3.745.54 m/s，计算系统平均假想截面风速为 4.79 m/s，尚低于 JD（案例 1）5.10 m/s 的水平。是考虑在超高产条件下，保持节能、降低运行费用的方案。但土建框架大 1 倍以上，设备和土建投资费用增高。 （设计系统总压降水平排名第 3位）（3）案例：712（90 年代以来国内研发部分技术装备）案例 7：TC-浙裕廊 设计产量 2500t/D 目前产量：3350t/D
12、增产幅度 34% 窑有效容积产量达 5.5t/mD。SP 系统配置规格在产量 25003200 t/D 时，计算平均假想截面风速 4.335.54m/s 系统总压降在相对合理范围电耗适中。随着系统产量提高 2011 年达43350t/D 系统阻力偏高 -5900Pa 运行电耗偏高，是增产 30%左右兼顾省投资和运行费用相对合理的选型方案。SP 系统采用双系列布置紧凑窑尾框架未见增大，土建投资相对较省。（设计系统阻力适中排名第 8 位）案例 8：NC-浙余姚 设计产量 2500t/D 目前产量：3450t/D 增产幅度 38% 窑有效容积产量达 5.65t/mD。SP 系统选型配置规格略小，在产
13、量 25003000 t/D 计算 SP 系统平均假想截面风速 4.585.50 m/s，系统总压降在相对合理范围电耗适中。2011 年产量达 3450 t/D 计算系统平均假想截面风速高达 6.32 m/s 系统阻力-7000Pa，电耗增高。它是增产 20%左右兼顾省投资和运行费相对合理的选型方案。预热器单系列工艺布置紧凑，设计单位产品占窑尾框架容积小为 7.5m/tD ，相对节省设备和土建投资。 （设计系统阻力水平适中排名第 10 位）案例 9：BQ-陕满意 设计产量 50006000t/D 增产幅度 20% 窑有效容积产量：4.65.5 t /mD ，SP 系统设计选型规格加大，计算系统
14、平均假想截面风速4.014.82m/s 系统总压降有明显降低。高产量 5600 t/D 时系统阻力-5300Pa， 单位产品占土建框架容积较小为 6.8 m/tD，是窑系统产能中等水平时，投资和运行费用较省的方案（设计系统阻力水平排名第 6 位）案例 10：西安建筑科技大学粉体所-陕阳山庄 设计产量 25003592t/D 增产幅度大为 44% 窑有效容积产量：4.15.9 t /mD 。 窑尾系统采用新工艺：高固气比双列交叉换热对降低热耗、提高系统热效率取得成功。假设出 C1废气量 1.450Nm/kg 和出 C1 气温 260计，预热器各级设计假想截面风速 2.394.34m/s ， 计算
15、 SP 系统平均假想截面风速 3.68 m/s，系统阻力较低，接近 KHD-京阳（案例 6）系统阻力设计水平。在高产 3592 t/D 时计算 SP 系统平均假想截面风速仅为 5.03 m/s ， 系统阻力较低，电耗相对较省，但系统较复杂。土建框架与当前较好水平比约大 60%以上。设备、土建投资增大。 （设计系统阻力水平排名第 4 位）案例 11：BQ-宁夏胜金（二期） （海拔：1580m） 设计产量 25003300t/D 窑有效容积产量：4.15.4 t /mD ，由于海拔影响 SP 系统选型规格加大， 假想截面风速2.884.93 m/s 计算 2500t/D 时 SP 系统平均假想截面
16、风速 4.49 m/s，目前产量达 3000 t/D，系统总压降现场反馈-6000Pa 左右，是高海拔条件下兼顾建设投资和运行费的方案。案例 12：BQ-优化方案 设计保证产量起点提高 27003500T/D 增产幅度 30% SP 系统选型加大，并加大 C5保证分离效率和提高热效率外，有效降低 SP 系统平均假想截面风速5为 3.79 m/s（2500t/D 时） ，系统阻力较低，当高产 3500t/D 时平均假想截面风速为 5.31 m/s 系统阻力尚在相对合理范围。是超高产条件兼顾节能和投资省的方案。 （设计系统阻力水平排名第 5 位）（4）预热器系统规格合理配置纵观国内研发案例最上级为
17、提高分离效率为 95%，选用两个小规格长圆柱筒型预热器。假想截面风速取低值（2.43.9 m/s）已成共识；最下级重视分离效率和热效率重要性也得到认可。具体做法有以下两种：一种是与其上一级取相同规格（如案例 8、9、11） 。由于气温高工况风量最大，其假想截面风速比中间级偏高，虽减少设置规格，但对系统阻力稍有影响，特别是窑产能再提高将受一定制约。第二种是单独取用大规格（案例 7、10、12） ，这样对提高分离效率、系统热效率和降低总压降，特别对适应系统产能的提高更为有利；中间级在保证分离效率和热效率条件下，取较小规格主要考虑省投资，系统阻力和运行费用略有增加（如案例 1、3、7、8） ，但对窑
18、产能进一步提高或成为不利因素。KHD 公司最下级与中间级均选用相同较大规格预热器（案例 4、5、6） 。除考虑提高分离效率、热效率和降低系统阻力节能外，还给系统带来较大的发展潜能。BQ-优化方案（案例 12）在此基础上再加大最下级规格必然会取得更好的效果。（5）预分解系统与回转窑生产能力合理匹配NSP 窑系统中预分解系统包括：预热器系统（下同）与回转窑是一个相互相承的统一整体，要求以窑产量为中心，预分解系统能力平衡匹配，不能互为“瓶颈”影响系统产能的有效发挥。80 年代中后期，NSP 系统还处于相对低水平的发展阶段，当时窑有效容积产量仅为 3.04.0t/mD 水平，其预分解系统能力匹配从省投
19、资考虑取用较小规格与回转窑能力相匹配，无可非议在当时是合理的。但随着技术进步，各国分解炉研制逐步完善，新型低阻预热器的问世，生产操作管理水平的提高，特别是 90 年代末 KHD-京阳技术装备引进投产，系统产量取得较大突破。NSP 新型超短窑 5.2X61、P3.5 ，设计产量 5000t/D 提高到 6800 t/D 增产幅度达 36%，窑有效容积产量：4.66.3t/mD 以上的国际领先水平，给人们留下深刻的印象和很大的启示。期间国内技术装备的生产运行和研制也逐步取得新进展，从案例 7、8 两个老厂在原有技术装备基础上，加强生产的精细化操作管理水平逐步提高，窑容积产量目前达到 5.5t/mD
20、 以上的先进水平。但由于当时预分解系统选型偏小，配套系统生产能力不足的矛盾显现。造成系统阻力偏高，电耗增大，呈超负荷、强化生产的状态，并影响系统产量的进一步提高。目前新研制技术装备如：NC-江西宏6盛玉华 4.3X60、P4.0、L/D14 n3.8r/min 计算物料停留时间：18.4min， 设计产量3200t/D ，2010.11 达标产量 3300t/D，窑有效容积产量 4。6 t/mD。由于选择中斜度加大直径和缩短长径比，计算降低窑实际运行功耗为 1.54kwh/t， 计算单位产品装机功率为 2.17kw/t 。与传统窑相比降低了运行电耗 20%。窑速高对缩短物料停留时间改善烧成热工
21、制度达到薄料快烧有利。但 SP 系统（C 2-C5）规格配置偏小，虽省投资但将影响窑系统产能的有效发挥；TC 唐山泓泰 4.4X50 新型超短窑 P3.5， 系统设计产量从 3000 t/D 提高到 4000t/D（2010 年 10 月） 。窑有效容积产量达到 4.66.25t/m.D 新水平，操作窑速提到 4.1 r/min。窑内物料停留时间缩短为 16.6min，实现薄料层快速烧成取得新进展。计算单位产品实际运行功耗为 1.5KWH/T，单位产品装机功率为 2.11KW/T。与传统窑相比运行电耗省 22%。结语：1. 从理论研究到生产实践都证明，国内 NSP 窑系统技术装备发展水平即将进
22、入一个新时代。窑型发展除 NC 新研发斜度 4%大直径长径比 14 三支承窑和两院均研发 P3.5 的新型超短窑外应有新拓展。可根据条件研发中斜度、大直径、小长径比，并缩短物料窑内停留时间，以提高过度带升温速率，优化烧成热工制度，实现薄料层快速烧成並进一步取得增产节能的效果。新设计窑有效容积产量高指标应达到 6.0t/m.D 以上，窑单位产品装机功率应达到2.2kw/t.cl 的节能水平。2提高窑尾预分解系统的预烧能力，适应窑有效容积产量潜能提高的新要求，选择较大规格分解炉、预热器系统合理匹配，以降低气流阻力和电耗，降低生产运行费用。新设计低阻力预热器除结构和辅助装置研究外，进出口管道风速应适
23、度降低。建议：预热器假想截面风速 36m/s，进口风速：1722 m/s，出口风速：1418 m/s，换热管道风速 1420 m/s；SP 系统平均假想截面风速高产时应控制在 5 m/s 左右，不宜超过太多。以保证窑高产量条件下，予分解系统总压降水平为-5500Pa 左右，同时精心研究工艺布置的简捷、紧凑合理，以降低窑尾框架投资，实现增产、节能、低投资、高效益运行，达到生产、经营效益的进一步优化。7注：数据计算详见参考文献 2参改文献：1. 梁镒华 再谈新型干法回转窑技术进步提高过度带升温速率，优化烧成热工制度J水泥工程 2011（5）2. 梁镒华 NSP 窑设计参数优化及对传动功耗影响的计算和分析探讨J水泥工程2011（6）3. 梁镒华 再论新型干法回转窑的优化设计与增产节能J水泥工程 2010（2）4. 梁镒华 新型干法回转窑的设计与增产节能J水泥工程 2009（3）5. 熊会思 新型干法烧成水泥熟料技术装备设计、制造、安装与使用M北京：中国建材工业出版社 20046. 陈全德、陈晶、崔素萍等水泥预分解技术与热工系统工程M北京：中国建材工业出版社 1997.2012.05.08
