外循環(huán)式分解爐壓力損失的冷模試驗(yàn)研究

陳延信，王　瓊，田增愿

(西安建筑科技大學(xué)材料與礦資學(xué)院，西安　710055)

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外循環(huán)式分解爐壓力損失的冷模試驗(yàn)研究

陳延信，王瓊，田增愿

(西安建筑科技大學(xué)材料與礦資學(xué)院，西安710055)

外循環(huán)式分解爐是西安建筑科技大學(xué)開發(fā)的新型碳酸鹽分解反應(yīng)爐，在工程應(yīng)用中取得了很好的效果，為進(jìn)一步優(yōu)化反應(yīng)爐的結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)測試了分解爐截面風(fēng)速為5～8 m/s，三次風(fēng)入口風(fēng)速為24 m/s、26 m/s和28 m/s，固氣比Z=0.5的條件下，外循環(huán)式分解爐系統(tǒng)主體段壓力損失和粗分離器壓力損失。結(jié)果表明：系統(tǒng)空載運(yùn)行時(shí)，隨分解爐截面風(fēng)速的增大，分解爐主體段和粗分離器的壓力損失增大；分解爐截面風(fēng)速不變，隨三次風(fēng)入口風(fēng)速的增大，分解爐主體段壓力損失減小。系統(tǒng)投料運(yùn)行時(shí)，隨分解爐截面風(fēng)速的增大，分解爐主體段和粗分離器的壓力損失增大；三次風(fēng)入口風(fēng)速對其壓力損失的影響不大。相比空載運(yùn)行，投料運(yùn)行時(shí)分解爐主體段壓力損失增加約1～1.2倍，粗分離器壓力損失增加約10%～50%。適當(dāng)降低分解爐截面風(fēng)速，是降低分解爐壓力損失的有效手段。

分解爐；壓力損失；冷模試驗(yàn)

1　引　言

外循環(huán)式分解爐通過粗分離器實(shí)現(xiàn)物料的體外循環(huán)，使未分解的粗重物料和未燃燼的煤粉顆粒循環(huán)進(jìn)入分解爐內(nèi)，實(shí)現(xiàn)再分解和燃燒。以此來提高入窯物料的分解率、煤粉燃燼率和增強(qiáng)分解爐的熱工穩(wěn)定性。其熱耗較低，生產(chǎn)規(guī)模大，熟料質(zhì)量高[1,2]。但是外循環(huán)系統(tǒng)中一些具體操作參數(shù)的變化對系統(tǒng)阻力特性的影響還需進(jìn)一步的豐富。因此，在不同分解爐截面風(fēng)速和三次風(fēng)入口風(fēng)速的條件下對外循環(huán)式分解爐空載和投料運(yùn)行時(shí)的壓力損失進(jìn)行了冷模試驗(yàn)，以期為該爐型的優(yōu)化提供參考。

目前，工程上冷態(tài)模型試驗(yàn)廣泛采用的設(shè)計(jì)原則主要有幾何相似、動(dòng)力相似[3]。本試驗(yàn)使用與工業(yè)設(shè)備幾何相似的模型，保證其在自模化區(qū)域內(nèi)能夠模擬出與實(shí)物相似的流動(dòng)狀態(tài)，保證模型系統(tǒng)與工業(yè)原型間的幾何相似、運(yùn)動(dòng)相似和動(dòng)力相似，試驗(yàn)結(jié)果可信度高[4]。

2　試　驗(yàn)

2.1試驗(yàn)裝置及流程

試驗(yàn)裝置見圖1。整個(gè)外循環(huán)式分解爐系統(tǒng)的試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿坎捎糜袡C(jī)玻璃制作，主要無量綱尺寸見表1。窯尾煙氣從分解爐上行管錐體底部進(jìn)入；三次風(fēng)從錐體上部進(jìn)入；分解爐上行管氣流切向進(jìn)入下行管(或粗分離器)，最后從五邊形出口流出。投料運(yùn)行時(shí)，物料由喂料機(jī)喂入投料管，隨氣流進(jìn)入分解爐，經(jīng)旋風(fēng)筒分離后，大量物料進(jìn)入集料斗，少量物料出進(jìn)入袋除塵器被收集。

2.2試驗(yàn)測試系統(tǒng)

試驗(yàn)系統(tǒng)的各測試點(diǎn)分布見圖1。用U型管壓力計(jì)同步測量P1～P5的表壓力。則ΔP21、ΔP32、ΔP43和ΔP54依次為上行管壓力損失、分解爐頂部縮口壓力損失、下行管壓力損失和粗分離器壓力損失。

表1　分解爐主要結(jié)構(gòu)無量綱尺寸

圖1　分解爐幾何模型Fig.1　Geometrical model of precalciner

2.3試驗(yàn)控制

整個(gè)系統(tǒng)由離心風(fēng)機(jī)提供動(dòng)力，在負(fù)壓狀態(tài)下運(yùn)行，試驗(yàn)前，詳細(xì)檢查系統(tǒng)每個(gè)可能漏風(fēng)的環(huán)節(jié)，尤其是保證各連接法蘭和卸料鎖風(fēng)閥處的密封良好。試驗(yàn)時(shí)，分為空載運(yùn)行和投料運(yùn)行，設(shè)定的分解爐截面風(fēng)速為5～8 m/s，三次風(fēng)入口風(fēng)速Ui為24 m/s、26 m/s和28 m/s。投料運(yùn)行時(shí)，對喂料機(jī)進(jìn)行實(shí)物標(biāo)定，對應(yīng)于每個(gè)分解爐截面風(fēng)速，調(diào)節(jié)喂料機(jī)的給料速率，使系統(tǒng)的固氣比Z保持為0.5 kg(solid)/ kg(gas)。

3　結(jié)果與討論

為突出主要因素，本文僅給出對外循環(huán)式分解爐系統(tǒng)壓力損失起主導(dǎo)影響作用的兩段壓力損失(ΔP21和ΔP54)的變化規(guī)律。

3.1空載條件下分解爐分段壓力損失的變化

圖2a為空載條件下分解爐主體段的壓力損失(ΔP21)?？梢钥闯?，隨分解爐截面風(fēng)速的增大，分解爐主體段壓力損失逐漸增大；Ui=8 m/s時(shí)的壓力損失是Ui=5 m/s時(shí)的壓力損失的2倍左右?？梢?，適當(dāng)降低分解爐截面風(fēng)速，是降低分解爐壓力損失的有效手段。

分解爐截面風(fēng)速相同時(shí)，隨三次風(fēng)入口風(fēng)速的增大，分解爐主體段壓力損失相對減?。划?dāng)三次風(fēng)入口風(fēng)速Ui=24 m/s時(shí)分解爐主體段的壓力損失最大。這是因?yàn)檫M(jìn)入分解爐內(nèi)的氣體來自兩路，一是三次風(fēng)，其進(jìn)入爐內(nèi)的方式為切向進(jìn)入；二是來自回轉(zhuǎn)窯的煙氣，其從分解爐正下方進(jìn)入爐內(nèi)，進(jìn)入分解爐后流動(dòng)通道截面積迅速增大。在分解爐倒錐體的上部，兩路流體混合，形成噴騰+旋轉(zhuǎn)的上升氣流。當(dāng)爐體的結(jié)構(gòu)尺寸一定，分解爐截面風(fēng)速一定時(shí)，三次風(fēng)入口風(fēng)速越大，則流體的旋轉(zhuǎn)效應(yīng)越強(qiáng)烈，同時(shí)，來自窯尾煙室的氣流風(fēng)速相應(yīng)越小，其噴騰效應(yīng)越弱。二者此消彼長，最終的疊加效應(yīng)導(dǎo)致上述結(jié)果。對于采用外循環(huán)式高固氣比分解爐的水泥熟料燒成系統(tǒng)，由于尾煤比例比傳統(tǒng)的干法水泥生產(chǎn)線更高，在同等設(shè)備規(guī)格的情況下，三次風(fēng)的風(fēng)量較大，風(fēng)速較高，窯尾煙氣量較少，風(fēng)速較低，因此有利于降低爐體的壓力損失。

圖2b為系統(tǒng)空載條件下粗分離器壓力損失(ΔP54)。可以看出，三次風(fēng)入口風(fēng)速對粗分離器壓力損失的影響很小，這是因?yàn)槿物L(fēng)進(jìn)入分解爐后和煙氣匯合噴騰旋流而上經(jīng)頂部縮口改變方向，切向旋轉(zhuǎn)進(jìn)入下行管到達(dá)粗分離器，此時(shí)由三次風(fēng)最初產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)流對其影響作用已經(jīng)不明顯。粗分離器的壓力損失隨分解爐截面風(fēng)速增大而增大，Ui=8 m/s時(shí)的壓力損失超出Ui=5 m/s時(shí)的壓力損失的2倍以上，這是因?yàn)榉纸鉅t截面風(fēng)速增大后，導(dǎo)致粗分離器入口的氣流旋流速度變大，動(dòng)能損失增大，因而壓力損失變大。

比較圖2a與圖2b，空載運(yùn)行時(shí)相同操作參數(shù)下，粗分離器的壓力損失高于分解爐主體段的壓力損失。

圖2　空載運(yùn)行分解爐壓力損失(a)分解爐主體段壓力損失;(b)粗分離器壓力損失Fig.2　Pressure drop of precalciner in no-load(a)pressure drop in main sector of percalciner;(b)pressure drop of separator

3.2投料條件下分解爐分段壓力損失的變化

圖3a與圖3b分別為系統(tǒng)投料運(yùn)行時(shí)分解爐主體段壓力損失(ΔP21)和粗分離器壓力損失(ΔP54)。隨分解爐截面風(fēng)速的增大，分解爐主體段壓力損失和粗分離器壓力損失都逐漸增大，Ui=8 m/s時(shí)的壓力損失大約是Ui=5 m/s時(shí)的壓力損失的2.5倍左右。但是三次風(fēng)入口風(fēng)速對分解爐主體段壓力損失的影響有所減弱。原因可能是對于噴騰效應(yīng)，由于粉料的加入，在粉料下沖，分散、向上加速過程中產(chǎn)生局部的能量耗散顯著增強(qiáng)；同時(shí)，粉料在爐內(nèi)存在富壁效應(yīng)，在爐體內(nèi)壁處產(chǎn)生相對較厚的湍流底層，削弱了流體旋轉(zhuǎn)流動(dòng)產(chǎn)生的附加壓力損失。

圖3　投料運(yùn)行分解爐壓力損失(a)分解爐主體段壓力損失;(b)粗分離器壓力損失Fig.3　Pressure drop of precalciner on load(a)pressure drop in main sector of precalciner;(b)pressure drop of separator

比較圖3a與圖3b，投料條件下，分解爐主體段的壓力損失高于粗分離器的壓力損失。這與空載運(yùn)行是相反的。相比于空載運(yùn)行，投料運(yùn)行時(shí)分解爐主體段壓力損失增加約1～1.2倍，粗分離器壓力損失增加約10%～50%。

3.3建議與展望

(1)系統(tǒng)投料運(yùn)行時(shí)，粉體在爐內(nèi)存在富壁效應(yīng)，分解爐主體段壓力損失較大。在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中可考慮改變分解爐主體段圓柱外形，在適當(dāng)部位增加0°～5°傾斜角，以破壞富壁效應(yīng);

(2)粗分離器入口氣料速度以及旋流度是影響其壓力損失的主要因素，后續(xù)實(shí)驗(yàn)中，可改變粗分離器錐體截面積及偏心程度進(jìn)行研究;

(3)冷模實(shí)驗(yàn)只是獲得感性認(rèn)識，可借助流體數(shù)值模擬對紊亂且不直觀的流場問題進(jìn)行更深入的分析。

4　結(jié)　論

(1)系統(tǒng)空載運(yùn)行時(shí)，隨分解爐截面風(fēng)速的增大，分解爐主體段和粗分離器的壓力損失逐漸增大。分解爐截面風(fēng)速Ui=8 m/s時(shí)的壓力損失是Ui=5 m/s時(shí)的壓力損失的2倍左右，因此，適當(dāng)降低分解爐截面風(fēng)速，是降低分解爐壓力損失的有效手段。隨三次風(fēng)入口風(fēng)速的增大，分解爐主體段壓力損失有所減小;

(2)系統(tǒng)投料運(yùn)行時(shí)，隨分解爐截面風(fēng)速的增大，分解爐主體段和粗分離器的壓力損失增大；Ui=8 m/s時(shí)的壓力損失大約是Ui=5 m/s時(shí)的壓力損失的2.5倍左右。三次風(fēng)入口風(fēng)速對其壓力損失影響有所減弱;

(3)對比系統(tǒng)空載運(yùn)行，投料運(yùn)行時(shí)分解爐主體段壓力損失增加約1～1.2倍，粗分離器壓力損失增加約10%～50%;

[1]李輝，徐德龍，馮紹航，等．循環(huán)率對循環(huán)流化床分解爐性能的影響(英文)[J].西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2005,37(1):16-23．

[2]徐德龍，肖國先，程福安，等．再論 21 世紀(jì)中國水泥工業(yè)的科技進(jìn)步(Ⅰ)[J].西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2004,36(1):1-10．

[3]陳思維．窯尾預(yù)分解系統(tǒng)冷模流場研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)學(xué)位論文，2005．

[4]李之光．熱力設(shè)備模型基礎(chǔ)[M]．北京：國防工業(yè)出版社，1972;125．

Cold Model Experiment of Pressure Drop in the External Circulating Precalciner

CHEN Yan-xin，WANG Qiong，TIAN Zeng-yuan

(School of Material Science and Engineering,Xi'an University of Architecture and Technology,Xi'an 710055,China)

External circulating precalciner devised Xi'an university of architecture and technology is the new type of decarbonation reactor.Good results have been achieved in the engineering application.In order to further optimize the structure of the precalciner,pressure drop in main sector of precalciner and separator are studied on no-load and load under the conditions that section wind velocity are 5-8 m/s,tertiary-air velocity are 24 m/s,26 m/s and 28 m/s and the solid-gas ratio is 0.5. The results show that:on no-load,pressure drop of both increases with section wind velocity increasing,pressure drop in the main sector of precalciner decreases with tertiary-air velocity increasing.On load,pressure drop in main sector of precalciner and separator increases with section wind velocity increasing,the change of tertiary-air velocity has little effect on the pressure drop of both.Compared to no-load,the pressure drop in main sector of precalciner increases about 1-1.2 times,and the pressure drop of separator increases about 10%-50%.Reducing the section wind velocity properly is the effective method to reduce the pressure drop of precalciner.

precalciner;pressure drop;cold model experiment

教育部高校回國人員扶持基金(2011457)

陳延信(1974-)，男，副教授.主要從事新型干法水泥工藝研究和難選鋁土礦的資源化開發(fā)方面的研究。

TU522

A

1001-1625(2016)02-0573-04