高溫高固氣比條件下旋風(fēng)預(yù)熱器分級分離效率的研究

楊沛浩，陳延信，徐德龍

（西安建筑科技大學(xué)粉體工程研究所，陜西 西安 710055）

旋風(fēng)筒自1885年O. M. Morse申請發(fā)明專利以來，因其結(jié)構(gòu)簡單、造價低、維護(hù)管理方便、分離效率高、適應(yīng)性強、可在高溫下使用等特點，廣泛地應(yīng)用于石油、化工、冶金、煤炭、電力、醫(yī)藥和水泥等行業(yè).近年來，隨著水泥工業(yè)生產(chǎn)工藝的不斷發(fā)展，在新型干法水泥懸浮預(yù)熱預(yù)分解技術(shù)中，廣泛采用旋風(fēng)筒作為水泥生料粉的預(yù)熱裝置.旋風(fēng)預(yù)熱器工作的性能是廣大研究者們普遍關(guān)注的問題,研究主要集中在換熱效率、分離效率、阻力損失三方面.關(guān)于總分離效率和分級分離效率，眾多的公司和研究者們展開了各式各樣的研究.

中國石油大學(xué)羅曉蘭[1]等人測定了常溫、固定風(fēng)速下、濃度在0～3000 g/m3范圍內(nèi)旋風(fēng)筒總分離效率和分級分離效率隨固氣比的變化規(guī)律，得出結(jié)論：總分離效率和分級分離效率隨固氣比的增大而提高.巴西坎皮納斯州立大學(xué)Fabi? Lu?s Fassani[2]等人測定了常溫、三種風(fēng)速下、固氣比在0～20范圍內(nèi)總分離效率變化規(guī)律，得出結(jié)論：當(dāng)固氣比小于 12時，總分離效率隨固氣比的增加而提高；當(dāng)固氣比大于 12時，總分離效率隨著固氣比的增加而降低.南京化工大學(xué)陸雷[3]等人在常溫、低固氣比下探討了分級分離效率，并得出了分級分離效率和粒徑之間的關(guān)系式.東南大學(xué)錢付平[4]、電力部熱工研究院許世森[5]、西安交通大學(xué)刁永發(fā)[6]等人研究了低固氣比下、溫度在20～800 ℃范圍內(nèi)旋風(fēng)筒分離性能，得出結(jié)論：隨著溫度的升高分離效率降低.中國石油大學(xué)李文琦[7]等人研究了低固氣比下、溫度在20～600 ℃范圍內(nèi)旋風(fēng)筒分離性能，得出了同錢付平等同樣的結(jié)論，同時得到了高溫下的魚鉤效應(yīng).西安建筑科技大學(xué)楊沛浩[8]等人基于水泥工況研究了溫度在20～800 ℃、固氣比在0～2.5、風(fēng)速在14～24 m/s范圍內(nèi)總分離效率的變化規(guī)律，得出的結(jié)論是：總分離效率隨著入口風(fēng)速的提高而提高，但當(dāng)風(fēng)速大于22 m/s時趨于平緩并開始有下降趨勢；總分離效率隨著固氣比的增大而提高；總分離效率隨著溫度的升高而降低.

綜合國內(nèi)外的研究成果，普遍認(rèn)為：隨著入口風(fēng)速的提高而分離效率提高，隨著風(fēng)速的降低而分離效率降低；當(dāng)固氣比較低時，隨著固氣比的增大分離效率提高，當(dāng)固氣比增加到一定程度時，隨著固氣比的增大分離效率降低，至于轉(zhuǎn)折點有不同的說法；隨著溫度的提高，分離效率下降.旋風(fēng)筒的基本操作參數(shù)有三個：風(fēng)速、固氣比、溫度，大多數(shù)研究者基于常溫或低固氣比下的研究，高溫且高固氣比下的研究還未見有報道.旋風(fēng)預(yù)熱器在高溫下運行，固氣比有提高的趨勢，因此對高溫高固氣比條件下旋風(fēng)預(yù)熱器的性能進(jìn)行研究和探討，無論是對水泥工業(yè)還是其他領(lǐng)域的發(fā)展都將有重要的指導(dǎo)意義.總分離效率是旋風(fēng)預(yù)熱器的重要性能，僅僅用總分離效率難以客觀評價旋風(fēng)預(yù)熱器分離性能的優(yōu)劣，還必須對不同大小顆粒的分離效率即分級分離效率進(jìn)行研究，針對不同溫度、不同風(fēng)速、不同固氣比條件下的分級分離效率進(jìn)行了探索.

1 實驗設(shè)置

1.1 實驗流程及其裝置

實驗物料采用陜西涇陽聲威水泥廠水泥生料粉，中位粒徑為16.77 μm，水分含量0.9 %.旋風(fēng)預(yù)熱器結(jié)構(gòu)示意圖見圖 1，結(jié)構(gòu)尺寸見表 1，實驗流程及其裝置見圖 2.實驗?zāi)Ｐ陀貌讳P鋼材1Cr18Ni9Ti制作而成，熱風(fēng)爐內(nèi)澆注耐火材料，換熱管和旋風(fēng)預(yù)熱器外敷100 mm厚礦棉保溫層，燃料為液化天然氣.

1.2 實驗測試內(nèi)容

如圖2所示，試驗系統(tǒng)各測試點（A, B, C, D, E,F）通過熱電偶、差壓變送器、壓力變送器輸出信號(1～5V 標(biāo)準(zhǔn)電壓信號)，送入采集卡轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，采集系統(tǒng)按給定的要求采集各通道信號，并傳輸?shù)轿C通過Labview軟件實時顯示和儲存，儲存的數(shù)據(jù)可調(diào)用分析.

圖1 旋風(fēng)預(yù)熱器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure schematic diagram of the cyclone preheater

圖2 旋風(fēng)預(yù)熱器分級分離效率實驗流程及其裝置示意圖Fig.2 The experimental process and equipment of the fractional collection efficiency of cyclone preheater1- Hot blast stove; 2- Feeder; 3- settling chamber; 4- Cyclone; 5- Orifice plate flow meter; 6-Dust collector; 7- Control Valve; 8- Fan; 9- Collecting Box

實驗預(yù)設(shè)旋風(fēng)預(yù)熱器入出口平均溫度分別為15 ℃（常溫）、200 ℃、 400 ℃、600 ℃、800℃，旋風(fēng)預(yù)熱器入口風(fēng)速分別為14 m/s、16 m/s、18 m/s、20 m/s、22 m/s、24 m/s，旋風(fēng)預(yù)熱器入口固氣質(zhì)量比分別為 0.5、1.0、1.5、2.0、2.5，合計 150個實驗點，每個實驗點由不同溫度、不同風(fēng)速、不同固氣質(zhì)量比所構(gòu)成.

2 實驗結(jié)果及其分析

2.1 分析計算公式

分級分離效率

式中:SoX為旋風(fēng)預(yù)熱器捕集到的平均粒徑為x，粒徑范圍在Δx內(nèi)的粉體顆粒質(zhì)量；SiX為進(jìn)入旋風(fēng)預(yù)熱器平均粒徑為x，粒徑范圍在Δx內(nèi)的粉體顆粒質(zhì)量；So為旋風(fēng)預(yù)熱器捕集到的粉體顆?？傎|(zhì)量；Si為進(jìn)入旋風(fēng)預(yù)熱器的粉體顆粒總質(zhì)量；Xdxo為旋風(fēng)預(yù)熱器捕集到的平均粒徑為x，粒徑范圍在Δx內(nèi)的粉體顆粒質(zhì)量與旋風(fēng)預(yù)熱器捕集到的粉體顆?？傎|(zhì)量之比；Xdxi為進(jìn)入旋風(fēng)預(yù)熱器的平均粒徑為x, 粒徑范圍在 Δx內(nèi)的粉體顆粒質(zhì)量與進(jìn)入旋風(fēng)預(yù)熱器的粉體顆?？傎|(zhì)量之比.

2.2 實驗結(jié)果及其分析

在不同的實驗點下對從取料器所獲取的物料進(jìn)行粒度分析，與原料粒度分布做對比，根據(jù)分級分離效率的計算公式計算出分級分離效率并作圖，見圖3-圖8.

圖3 15℃-14m/s下的分級分離效率Fig.3 Fractional collection efficiency under 15℃-14m/s

圖4 15℃-16m/s下的分級分離效率Fig.4 Fractional collection efficiency under 15℃-16m/s

圖5 15℃-18m/s下的分級分離效率Fig.5 Fractional collection efficiency under 15℃-18m/s

圖6 15℃-20m/s下的分級分離效率Fig.6 Fractional collection efficiency under 15℃-20m/s

圖7 15℃-22m/s下的分級分離效率Fig.7 Fractional collection efficiency under 15℃-22m/s

圖8 15℃-24m/s下的分級分離效率Fig.8 Fractional collection efficiency under 15℃-24m/s

如圖3-圖8所示：在常溫15 ℃時，不同風(fēng)速下，粒徑dp≤3μm時，粒徑越小分級分離效率越高，隨著粒徑的增大分級分離效率逐漸降低，粒徑在3μm附近分級分離效率達(dá)到低點，其后隨著粒徑的增大，分級分離效率又逐漸增大.在常溫15 ℃時，不同風(fēng)速下，dp≥30 μm時生料被100 %收集.臨界粒徑隨著風(fēng)速的提高逐漸從 30 μm 減小到 20 μm.在常溫15 ℃時，同一風(fēng)速下，臨界粒徑隨著固氣比的增加逐漸減小.總之，臨界粒徑隨著入口風(fēng)速的提高而減小，隨著固氣比的增大而減小，這也就是旋風(fēng)筒總分離效率隨著入口風(fēng)速的提高而增大，隨著固氣比的增加而增大的原因.

圖9 200℃-14m/s下的分級分離效率Fig.9 Fractional collection efficiency under 200℃-14m/s

圖10 200℃-16m/s下的分級分離效率Fig.10 Fractional collection efficiency under 200℃-16m/s

圖11 200℃-18m/s下的分級分離效率Fig.11 Fractional collection efficiency under 200℃-18m/s

圖12 200℃-20m/s下的分級分離效率Fig.12 Fractional collection efficiency under 200℃-20m/s

圖13 200℃-22m/s下的分級分離效率Fig.13 Fractional collection efficiency under 200℃-22m/s

圖14 200℃-24m/s下的分級分離效率Fig.14 Fractional collection efficiency under 200℃-24m/s

如圖9-圖14所示：在200 ℃時，不同風(fēng)速下，粒徑dp≤3μm時，粒徑越小分級分離效率越高，隨著粒徑的增大分級分離效率逐漸降低，粒徑在3μm附近分級分離效率達(dá)到低點，其后隨著粒徑的增大，分級分離效率又逐漸增大，粒徑在 12μm 和32μm左右時出現(xiàn)兩次低點.在200 ℃時，不同風(fēng)速下，粒徑dp≥50μm時生料被100 %收集.臨界粒徑隨著風(fēng)速的提高逐漸減小，隨著固氣比的增大逐漸減小.

圖15 400℃-14m/s下的分級分離效率Fig.15 Fractional collection efficiency under 400℃-14m/s

圖16 400℃-16m/s下的分級分離效率Fig.16 Fractional collection efficiency under 400℃-16m/s

圖17 400℃-18m/s下的分級分離效率Fig.17 Fractional collection efficiency under 400℃-18m/s

圖18 400℃-20m/s下的分級分離效率Fig.18 Fractional collection efficiency under 400℃-20m/s

圖19 400℃-22m/s下的分級分離效率Fig.19 Fractional collection efficiency under 400℃-22m/s

圖20 400℃-24m/s下的分級分離效率Fig.20 Fractional collection efficiency under 400℃-24m/s

如圖15-圖20所示：在400 ℃時，不同風(fēng)速下，粒徑dp≤2 μm時，粒徑越小分級分離效率越高，隨著粒徑的增大分級分離效率逐漸降低，粒徑在2～3 μm附近分級分離效率達(dá)到低點，其后隨著粒徑的增大，分級分離效率又逐漸增大.在400 ℃時，不同風(fēng)速下，當(dāng)粒徑dp≥50 μm時生料被100 %收集.臨界粒徑隨著風(fēng)速的提高逐漸減小，隨著固氣比的增加逐漸減小.

圖21 600℃-14m/s下的分級分離效率Fig.21 Fractional collection efficiency under 600℃-14m/s

圖22 600℃-16m/s下的分級分離效率Fig.22 Fractional collection efficiency under 600℃-16m/s

圖23 600℃-18m/s下的分級分離效率Fig.23 Fractional collection efficiency under 600℃-18m/s

圖24 600℃-20m/s下的分級分離效率Fig.24 Fractional collection efficiency under 600℃-20m/s

圖25 600℃-22m/s下的分級分離效率Fig.25 Fractional collection efficiency under 600℃-22m/s

圖26 600℃-24m/s下的分級分離效率Fig.26 Fractional collection efficiency under 600℃-24m/s

如圖21-圖26所示：在600 ℃時，不同風(fēng)速下，粒徑dp≤3μm時，粒徑越小分級分離效率越高，隨著粒徑的增大分級分離效率逐漸降低.粒徑在3μm附近分級分離效率達(dá)到低點，其后隨著粒徑的增大，分級分離效率又逐漸增大，在dp=20μm左右出現(xiàn)一次低點.當(dāng)粒徑dp≥50μm時生料被100 %收集.臨界粒徑隨著風(fēng)速的提高逐漸減小，隨著固氣比的增加逐漸減小.

圖27 800℃-14m/s下的分級分離效率Fig.27 Fractional collection efficiency under 800℃-14m/s

圖28 800℃-16m/s下的分級分離效率Fig.28 Fractional collection efficiency under 800℃-16m/s

圖29 800℃-18m/s下的分級分離效率Fig.29 Fractional collection efficiency under 800℃-18m/s

圖30 800℃-20m/s下的分級分離效率Fig.30 Fractional collection efficiency under 800℃-20m/s

圖31 800℃-22m/s下的分級分離效率Fig.31 Fractional collection efficiency under 800℃-22m/s

圖32 800℃-24m/s下的分級分離效率Fig.32 Fractional collection efficiency under 800℃-24m/s

如圖27-圖32所示：在800 ℃時，不同風(fēng)速下，粒徑dp≤3μm時，粒徑越小分級分離效率越高，隨著粒徑的增大分級分離效率逐漸降低，粒徑在3μm附近分級分離效率達(dá)到低點，其后隨著粒徑的增大，分級分離效率又逐漸增大，在dp=20μm左右又出現(xiàn)一次低點.在800 ℃時，不同風(fēng)速下，當(dāng)粒徑dp≥30μm時生料被100 %收集.臨界粒徑隨著風(fēng)速的提高逐漸減小，隨著固氣比的增加逐漸減小.

3 結(jié)論

(1) 生料顆粒直徑dp≤1μm時，分級分離效率很高，隨著顆粒直徑的增大，分級分離效率先降后升，呈現(xiàn)出彎鉤曲線，“魚鉤效應(yīng)”很明顯.說明當(dāng)物料顆粒直徑dp≤1μm時，由于小顆粒間的團(tuán)聚作用或小顆粒粘附在大顆粒表面的原因，所以被收集下來的可能性反而較高.

(2) 粒徑的分級分離效率出現(xiàn)2～3次低點，一方面可能由于風(fēng)速的波動引起的，另一方面有可能是顆粒碰撞分裂或高溫下的爆裂引起的，“二次魚鉤效應(yīng)”值得進(jìn)一步深入研究.

(3) 臨界粒徑隨著風(fēng)速提高而減小，隨著固氣比的增加而減小，和其它研究者的結(jié)論是一致的.

(4) 對比不同溫度下的分級分離效率，可以發(fā)現(xiàn)：隨著溫度的升高，臨界粒徑先增大后降低，400～600 ℃時臨界粒徑較大，800 ℃時臨界粒徑反而較小，這是和眾多研究者不同的地方.這說明600 ℃以下時，溫度升高，氣體粘度增加，有阻礙細(xì)微顆粒分離的作用；當(dāng)溫度在600 ℃以上時，細(xì)微顆粒的熱團(tuán)聚作用顯然更突出,從而使臨界粒徑反而變小.

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