回轉窯生產(chǎn)線窯尾系統(tǒng)技術改造的設計要點
預熱器系統(tǒng)的形式有多種，但構成預熱器系統(tǒng)的單元只有旋風預熱器和立筒預熱器兩種，即所有的預熱器系統(tǒng)都是由這兩種設備中的一種單獨組成或兩種混合組成。由于立筒預熱器內部生料分散效果不好，分離效率低，換熱效率明顯低于旋風預熱器。因此對于立筒預熱器窯的生產(chǎn)線，可以采取淘汰立筒、更換旋風預熱器的改造方案；對于旋風預熱器窯生產(chǎn)線，主要是通過技術改造，進一步提高預熱器系統(tǒng)的換熱效率和分離效率，降低系統(tǒng)阻力。因此本文只介紹各種預熱器系統(tǒng)改造為旋風預熱器系統(tǒng)時的設計要點。旋風預熱器系統(tǒng)帶各種類型的分解爐后，就是通常所說的窯尾預分解系統(tǒng)。分解爐承擔了燒成系統(tǒng)中大多數(shù)的燃燒、換熱、碳酸鹽分解任務。分解爐的形式有很多種，但工作原理大同小異，并無本質上的區(qū)別，目的都是加強生料與燃料的分散、混合、均布，燃料燃燒速度快、燃燒完全，生料中的碳酸鹽能迅速吸熱、分解，產(chǎn)生的廢氣能迅速排出系統(tǒng)。但需要研發(fā)設計人員注意的是，技術改造時應根據(jù)不同企業(yè)的具體條件，對分解爐的結構形式和各種參數(shù)進行因地制宜的選擇和設計。由于不同地區(qū)的氣象、地理等自然條件不同，原燃材料的理化特性不同，因此不能簡單地照搬照抄圖紙，而是應該針對各種條件進行認真研究，進行個性化的技術改造設計。我公司在從事技術改造工程設計中都是按照上述原則進行的。
1 旋風預熱器系統(tǒng)技術改造設計要點
1.1 旋風預熱器的假想截面風速
預熱器的假想截面風速，表征了預熱器柱體單位有效截面積處理工況氣體量的能力。假想截面風速的提高，意味著旋風預熱器直徑的減小，從提高預熱器的分離效率來講是有利的，為利用原有的設施（設備、土建框架等）進行技術改造創(chuàng)造條件。不利的方面則是，隨著截面風速的提高，系統(tǒng)阻力有增大的趨勢。
早期的預熱器設計，其假想截面風速較低，大都在3~5m/s之間。從近期的技術改造實踐來看，有些工廠的截面風速已顯著提高，遠遠高出了上述數(shù)值。理論和實踐均證明，通過預熱器的高效低阻技術的運用，尤其是通過對渦殼和內筒的優(yōu)化設計，可以保證高截面風速的預熱器系統(tǒng)在低阻力下運行，并保證系統(tǒng)具有高的分離效率。
經(jīng)過我公司進行技術改造后的部分工廠，隨著產(chǎn)量大幅度提高，系統(tǒng)處理的煙氣量顯著增大，但預熱器系統(tǒng)的有效直徑并未放大，或放大得很少，節(jié)省了總投資（設備、耐火材料、土建等）。
上述事實并非說明假想截面風速越高越好，只是說明技術改造過程中會遇到各種各樣的情況，不要墨守陳規(guī)使改造方案受到很大的局限，造成投資浪費。
1.2 進口型式和進口風速
早期預熱器的進口型式為矩形，技術改造中可改進為五邊形或菱形進口，此外下級預熱器上升管道至進風口段可由原來的水平布置改進為傾斜布置，且將傾斜角加大，均可以防止積灰，減少阻力，防止塌料。
進口與預熱器柱體可采用等高度變角度或等角度變高度過渡連接，而后種過渡連接方式更能適應進入預熱器后的旋轉氣流向下運動的需要，同時使在渦殼區(qū)域分離的生料在氣流帶動下沿渦殼壁滑落至筒體和錐體，因而降低阻力損失，提高分離效率。
在合理的速度區(qū)間內提高進口風速會提高分離效率，但過高時會引起二次飛揚的加劇，分離效率反而降低。通過對部分工廠改造前的旋風預熱器進口風速的反求，我們發(fā)現(xiàn)進口風速值就已超過合理范圍，說明早期的設計參數(shù)存在不合理之處。理論和實踐均證明，進口風速對操作阻力的影響遠大于對分離效率的影響，因此在不明顯影響分離效率，以及優(yōu)化進口渦殼形式減少生料沉積現(xiàn)象的前提下，適當降低進口風速，可作為有效的降阻措施之一。
1.3 旋風預熱器的渦殼
對旋風預熱器渦殼的改造，是保證預熱器系統(tǒng)具有低阻力和高分離效率的重要技術保證。預熱器的操作阻力和分離效率是一對矛盾體，通過渦殼的優(yōu)化是保證預熱器系統(tǒng)低阻和高效得以兼顧的因素之一。主要改造原理是：為保證旋風預熱器有較高的分離效率，其進口的氣體旋轉動量矩必須達到一定的要求。如前所述，為了降低旋風預熱器阻力，需要降低預熱器的進口風速，而為了保證預熱器的分離效率，在可能的空間內增大旋風預熱器的渦殼回轉半徑，使旋轉動量矩不變或提高，從而保證低阻高效技術在預熱器改造中得以成功運用。
技術改造中，普遍采用的是多心偏置、大包角、特殊曲線型式的渦殼。這種渦殼的優(yōu)勢還有利于減小顆粒向筒壁移動的距離，增加了氣流通向排氣中心的距離，減少短路現(xiàn)象，提高分離效率。
1.4 內筒
旋風預熱器的內筒對分離效率和系統(tǒng)阻力的影響程度也很大。
改造時加大內筒直徑是降低阻力的重要措施。傳統(tǒng)的預熱器內筒直徑大約是預熱器有效直徑的0.45~0.5倍左右。大渦殼形式的旋風預熱器為增大內筒提供了可能。模型試驗和生產(chǎn)實踐均表明，內筒直徑由小變大時，當不超過某一臨界點時，阻力損失一直迅速減小，而分離效率的降低相對比較緩慢。因此，在保證一定分離效率的前提下，尤其是對于中間級的旋風預熱器，選用較大直徑的內筒有利于系統(tǒng)阻力的降低，而對整個預熱系統(tǒng)的分離效率影響很小。需注意的是，內筒直徑不能無限制的增大，當內筒與進風口內側的延長線相切甚至相交后，即內筒直徑超過某一臨界點后，分離效率將迅速降低，且氣體對內筒的沖刷加劇，磨損加快。
延長內筒的插入深度是提高分離效率的重要措施，但隨著內筒的加長，系統(tǒng)的阻力也隨之提高。對于整個預熱器系統(tǒng)，我們追求的是全系統(tǒng)的低阻高效，因此對于每一個單體預熱器，在改造時可以采用不同的技術手段來強化或淡化某些參數(shù)的設計，降低改造的投資和難度。模型試驗和生產(chǎn)實踐表明，在特定條件下，內筒直徑不變，內筒插入深度延長一倍后，分離效率基本不變，有載阻力卻增加了30%以上。因此在改造中，對于中間級的預熱器，重點從降低系統(tǒng)的阻力損失角度出發(fā)，可盡量選擇插入淺的內筒。此外，由于一級預熱器的分離效率對提高整個預熱分解系統(tǒng)的分離效率和熱效率，減輕廢氣處理系統(tǒng)的負擔至關重要，對第一級預熱器的改造，可重點從提高分離效率的角度來考慮，對內筒直徑和插入深度，可進行超常規(guī)設計。
技術改造中，目前廣泛采用的內筒結構形式是懸掛分片式圓內筒，內筒中心線與預熱器柱體中心線重合。而早期采用的偏心設置的內筒、異型內筒（扁圓或靴型）和整流降阻器等結構形式和部件，雖然在理論研究中有較好的低阻效果，但設備制作和維護復雜，在長期惡劣的工況下易變形損壞、壽命短，有時難以發(fā)揮應有的作用，且部件的掉落還會造成機械性的堵塞，一般情況下可不采用。
1.5 導流板
早期的老式旋風預熱器阻力較大，主要原因在于旋風預熱器進口切向氣流與內部旋轉氣流的碰撞干擾，使氣、固兩相流的流場不斷變化。在改造中通過增設導流板，可以減少上述碰撞干擾效應，穩(wěn)定流場，縮短氣流在旋風預熱器內的行程，降低氣流循環(huán)量，以降低旋風預熱器阻力。
導流板太短，降阻作用不明顯，太長反倒明顯影響分離效率，甚至還會增加阻力。由于導流板的降阻作用在特定條件下才比較明顯，因此在技術改造中，當可以方便地對渦殼、內筒進行改造時，通過采取合理的渦殼、內筒結構形式和合理的工藝參數(shù)，可以顯著地降低系統(tǒng)的阻力，其產(chǎn)生的效果變化同樣明顯，而不一定必須采用導流板，畢竟增加部件后使預熱器結構變得復雜，增加維護環(huán)節(jié)，在長期惡劣工況下可能會變形損壞，反倒會給系統(tǒng)運轉率帶來不良影響。反之，如果對傳統(tǒng)形式的預熱器系統(tǒng)不能進行大的技術改造時，采用導流板也不失為一種有效的技改措施。
1.6 旋風預熱器的高度
氣體由旋風預熱器入口至排風管出口的運動過程類似于“龍卷風”，其風尾有機會進入旋風預熱器的錐部卸料管口處，將分離下來的生料再次卷起，隨中央風帶出旋風預熱器，降低系統(tǒng)的分離效率。傳統(tǒng)的旋風預熱器，其旋風預熱器高度H（圓柱體高度h1+圓錐體高度h2）與有效直徑Di的比值偏小。在改造中，結合原有的設備、框架結構尺寸，應盡可能地使改造后各級旋風預熱器進口中心線到排料口的長度大于“龍卷風”長度（即旋風自然長），使風尾遠離卸料管口。
