高温高固气比条件下旋风预热器分级分离效率的研究

杨沛浩，陈延信，徐德龙

（西安建筑科技大学粉体工程研究所，陕西 西安 710055）

旋风筒自1885年O. M. Morse申请发明专利以来，因其结构简单、造价低、维护管理方便、分离效率高、适应性强、可在高温下使用等特点，广泛地应用于石油、化工、冶金、煤炭、电力、医药和水泥等行业.近年来，随着水泥工业生产工艺的不断发展，在新型干法水泥悬浮预热预分解技术中，广泛采用旋风筒作为水泥生料粉的预热装置.旋风预热器工作的性能是广大研究者们普遍关注的问题,研究主要集中在换热效率、分离效率、阻力损失三方面.关于总分离效率和分级分离效率，众多的公司和研究者们展开了各式各样的研究.

中国石油大学罗晓兰[1]等人测定了常温、固定风速下、浓度在0～3000 g/m3范围内旋风筒总分离效率和分级分离效率随固气比的变化规律，得出结论：总分离效率和分级分离效率随固气比的增大而提高.巴西坎皮纳斯州立大学Fabiό Luίs Fassani[2]等人测定了常温、三种风速下、固气比在0～20范围内总分离效率变化规律，得出结论：当固气比小于 12时，总分离效率随固气比的增加而提高；当固气比大于 12时，总分离效率随着固气比的增加而降低.南京化工大学陆雷[3]等人在常温、低固气比下探讨了分级分离效率，并得出了分级分离效率和粒径之间的关系式.东南大学钱付平[4]、电力部热工研究院许世森[5]、西安交通大学刁永发[6]等人研究了低固气比下、温度在20～800 ℃范围内旋风筒分离性能，得出结论：随着温度的升高分离效率降低.中国石油大学李文琦[7]等人研究了低固气比下、温度在20～600 ℃范围内旋风筒分离性能，得出了同钱付平等同样的结论，同时得到了高温下的鱼钩效应.西安建筑科技大学杨沛浩[8]等人基于水泥工况研究了温度在20～800 ℃、固气比在0～2.5、风速在14～24 m/s范围内总分离效率的变化规律，得出的结论是：总分离效率随着入口风速的提高而提高，但当风速大于22 m/s时趋于平缓并开始有下降趋势；总分离效率随着固气比的增大而提高；总分离效率随着温度的升高而降低.

综合国内外的研究成果，普遍认为：随着入口风速的提高而分离效率提高，随着风速的降低而分离效率降低；当固气比较低时，随着固气比的增大分离效率提高，当固气比增加到一定程度时，随着固气比的增大分离效率降低，至于转折点有不同的说法；随着温度的提高，分离效率下降.旋风筒的基本操作参数有三个：风速、固气比、温度，大多数研究者基于常温或低固气比下的研究，高温且高固气比下的研究还未见有报道.旋风预热器在高温下运行，固气比有提高的趋势，因此对高温高固气比条件下旋风预热器的性能进行研究和探讨，无论是对水泥工业还是其他领域的发展都将有重要的指导意义.总分离效率是旋风预热器的重要性能，仅仅用总分离效率难以客观评价旋风预热器分离性能的优劣，还必须对不同大小颗粒的分离效率即分级分离效率进行研究，针对不同温度、不同风速、不同固气比条件下的分级分离效率进行了探索.

1 实验设置

1.1 实验流程及其装置

实验物料采用陕西泾阳声威水泥厂水泥生料粉，中位粒径为16.77 μm，水分含量0.9 %.旋风预热器结构示意图见图 1，结构尺寸见表 1，实验流程及其装置见图 2.实验模型用不锈钢材1Cr18Ni9Ti制作而成，热风炉内浇注耐火材料，换热管和旋风预热器外敷100 mm厚矿棉保温层，燃料为液化天然气.

1.2 实验测试内容

如图2所示，试验系统各测试点（A, B, C, D, E,F）通过热电偶、差压变送器、压力变送器输出信号(1～5V 标准电压信号)，送入采集卡转换成数字信号，采集系统按给定的要求采集各通道信号，并传输到微机通过Labview软件实时显示和储存，储存的数据可调用分析.

图1 旋风预热器结构示意图Fig.1 Structure schematic diagram of the cyclone preheater

图2 旋风预热器分级分离效率实验流程及其装置示意图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

实验预设旋风预热器入出口平均温度分别为15 ℃（常温）、200 ℃、 400 ℃、600 ℃、800℃，旋风预热器入口风速分别为14 m/s、16 m/s、18 m/s、20 m/s、22 m/s、24 m/s，旋风预热器入口固气质量比分别为 0.5、1.0、1.5、2.0、2.5，合计 150个实验点，每个实验点由不同温度、不同风速、不同固气质量比所构成.

2 实验结果及其分析

2.1 分析计算公式

分级分离效率

式中:SoX为旋风预热器捕集到的平均粒径为x，粒径范围在Δx内的粉体颗粒质量；SiX为进入旋风预热器平均粒径为x，粒径范围在Δx内的粉体颗粒质量；So为旋风预热器捕集到的粉体颗粒总质量；Si为进入旋风预热器的粉体颗粒总质量；Xdxo为旋风预热器捕集到的平均粒径为x，粒径范围在Δx内的粉体颗粒质量与旋风预热器捕集到的粉体颗粒总质量之比；Xdxi为进入旋风预热器的平均粒径为x, 粒径范围在 Δx内的粉体颗粒质量与进入旋风预热器的粉体颗粒总质量之比.

2.2 实验结果及其分析

在不同的实验点下对从取料器所获取的物料进行粒度分析，与原料粒度分布做对比，根据分级分离效率的计算公式计算出分级分离效率并作图，见图3-图8.

图3 15℃-14m/s下的分级分离效率Fig.3 Fractional collection efficiency under 15℃-14m/s

图4 15℃-16m/s下的分级分离效率Fig.4 Fractional collection efficiency under 15℃-16m/s

图5 15℃-18m/s下的分级分离效率Fig.5 Fractional collection efficiency under 15℃-18m/s

图6 15℃-20m/s下的分级分离效率Fig.6 Fractional collection efficiency under 15℃-20m/s

图7 15℃-22m/s下的分级分离效率Fig.7 Fractional collection efficiency under 15℃-22m/s

图8 15℃-24m/s下的分级分离效率Fig.8 Fractional collection efficiency under 15℃-24m/s

如图3-图8所示：在常温15 ℃时，不同风速下，粒径dp≤3μm时，粒径越小分级分离效率越高，随着粒径的增大分级分离效率逐渐降低，粒径在3μm附近分级分离效率达到低点，其后随着粒径的增大，分级分离效率又逐渐增大.在常温15 ℃时，不同风速下，dp≥30 μm时生料被100 %收集.临界粒径随着风速的提高逐渐从 30 μm 减小到 20 μm.在常温15 ℃时，同一风速下，临界粒径随着固气比的增加逐渐减小.总之，临界粒径随着入口风速的提高而减小，随着固气比的增大而减小，这也就是旋风筒总分离效率随着入口风速的提高而增大，随着固气比的增加而增大的原因.

图9 200℃-14m/s下的分级分离效率Fig.9 Fractional collection efficiency under 200℃-14m/s

图10 200℃-16m/s下的分级分离效率Fig.10 Fractional collection efficiency under 200℃-16m/s

图11 200℃-18m/s下的分级分离效率Fig.11 Fractional collection efficiency under 200℃-18m/s

图12 200℃-20m/s下的分级分离效率Fig.12 Fractional collection efficiency under 200℃-20m/s

图13 200℃-22m/s下的分级分离效率Fig.13 Fractional collection efficiency under 200℃-22m/s

图14 200℃-24m/s下的分级分离效率Fig.14 Fractional collection efficiency under 200℃-24m/s

如图9-图14所示：在200 ℃时，不同风速下，粒径dp≤3μm时，粒径越小分级分离效率越高，随着粒径的增大分级分离效率逐渐降低，粒径在3μm附近分级分离效率达到低点，其后随着粒径的增大，分级分离效率又逐渐增大，粒径在 12μm 和32μm左右时出现两次低点.在200 ℃时，不同风速下，粒径dp≥50μm时生料被100 %收集.临界粒径随着风速的提高逐渐减小，随着固气比的增大逐渐减小.

图15 400℃-14m/s下的分级分离效率Fig.15 Fractional collection efficiency under 400℃-14m/s

图16 400℃-16m/s下的分级分离效率Fig.16 Fractional collection efficiency under 400℃-16m/s

图17 400℃-18m/s下的分级分离效率Fig.17 Fractional collection efficiency under 400℃-18m/s

图18 400℃-20m/s下的分级分离效率Fig.18 Fractional collection efficiency under 400℃-20m/s

图19 400℃-22m/s下的分级分离效率Fig.19 Fractional collection efficiency under 400℃-22m/s

图20 400℃-24m/s下的分级分离效率Fig.20 Fractional collection efficiency under 400℃-24m/s

如图15-图20所示：在400 ℃时，不同风速下，粒径dp≤2 μm时，粒径越小分级分离效率越高，随着粒径的增大分级分离效率逐渐降低，粒径在2～3 μm附近分级分离效率达到低点，其后随着粒径的增大，分级分离效率又逐渐增大.在400 ℃时，不同风速下，当粒径dp≥50 μm时生料被100 %收集.临界粒径随着风速的提高逐渐减小，随着固气比的增加逐渐减小.

图21 600℃-14m/s下的分级分离效率Fig.21 Fractional collection efficiency under 600℃-14m/s

图22 600℃-16m/s下的分级分离效率Fig.22 Fractional collection efficiency under 600℃-16m/s

图23 600℃-18m/s下的分级分离效率Fig.23 Fractional collection efficiency under 600℃-18m/s

图24 600℃-20m/s下的分级分离效率Fig.24 Fractional collection efficiency under 600℃-20m/s

图25 600℃-22m/s下的分级分离效率Fig.25 Fractional collection efficiency under 600℃-22m/s

图26 600℃-24m/s下的分级分离效率Fig.26 Fractional collection efficiency under 600℃-24m/s

如图21-图26所示：在600 ℃时，不同风速下，粒径dp≤3μm时，粒径越小分级分离效率越高，随着粒径的增大分级分离效率逐渐降低.粒径在3μm附近分级分离效率达到低点，其后随着粒径的增大，分级分离效率又逐渐增大，在dp=20μm左右出现一次低点.当粒径dp≥50μm时生料被100 %收集.临界粒径随着风速的提高逐渐减小，随着固气比的增加逐渐减小.

图27 800℃-14m/s下的分级分离效率Fig.27 Fractional collection efficiency under 800℃-14m/s

图28 800℃-16m/s下的分级分离效率Fig.28 Fractional collection efficiency under 800℃-16m/s

图29 800℃-18m/s下的分级分离效率Fig.29 Fractional collection efficiency under 800℃-18m/s

图30 800℃-20m/s下的分级分离效率Fig.30 Fractional collection efficiency under 800℃-20m/s

图31 800℃-22m/s下的分级分离效率Fig.31 Fractional collection efficiency under 800℃-22m/s

图32 800℃-24m/s下的分级分离效率Fig.32 Fractional collection efficiency under 800℃-24m/s

如图27-图32所示：在800 ℃时，不同风速下，粒径dp≤3μm时，粒径越小分级分离效率越高，随着粒径的增大分级分离效率逐渐降低，粒径在3μm附近分级分离效率达到低点，其后随着粒径的增大，分级分离效率又逐渐增大，在dp=20μm左右又出现一次低点.在800 ℃时，不同风速下，当粒径dp≥30μm时生料被100 %收集.临界粒径随着风速的提高逐渐减小，随着固气比的增加逐渐减小.

3 结论

(1) 生料颗粒直径dp≤1μm时，分级分离效率很高，随着颗粒直径的增大，分级分离效率先降后升，呈现出弯钩曲线，“鱼钩效应”很明显.说明当物料颗粒直径dp≤1μm时，由于小颗粒间的团聚作用或小颗粒粘附在大颗粒表面的原因，所以被收集下来的可能性反而较高.

(2) 粒径的分级分离效率出现2～3次低点，一方面可能由于风速的波动引起的，另一方面有可能是颗粒碰撞分裂或高温下的爆裂引起的，“二次鱼钩效应”值得进一步深入研究.

(3) 临界粒径随着风速提高而减小，随着固气比的增加而减小，和其它研究者的结论是一致的.

(4) 对比不同温度下的分级分离效率，可以发现：随着温度的升高，临界粒径先增大后降低，400～600 ℃时临界粒径较大，800 ℃时临界粒径反而较小，这是和众多研究者不同的地方.这说明600 ℃以下时，温度升高，气体粘度增加，有阻碍细微颗粒分离的作用；当温度在600 ℃以上时，细微颗粒的热团聚作用显然更突出,从而使临界粒径反而变小.

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