齊硯勇

（西南科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川綿陽(yáng) 621010）

預(yù)分解窯是當(dāng)今水泥行業(yè)最先進(jìn)的生產(chǎn)工藝。投入運(yùn)行的生產(chǎn)線，產(chǎn)量、能耗卻是千差萬(wàn)別。由于水泥熟料的燒成涉及化學(xué)反應(yīng)與擴(kuò)散；涉及流體、燃燒、傳熱、流動(dòng)，任何一個(gè)過(guò)程、單元都極其復(fù)雜。對(duì)原材料的分析檢驗(yàn)不全面，僅有元素分析。分析結(jié)果不及時(shí)，不能及時(shí)應(yīng)對(duì)指導(dǎo)熱工參數(shù)的調(diào)整?，F(xiàn)有熱工分析檢測(cè)手段基本只涉及溫度、壓力的測(cè)量。大多數(shù)工藝熱工參數(shù)都不能直接獲得。對(duì)預(yù)分解窯系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)不能及時(shí)、準(zhǔn)確的評(píng)估判斷。窯系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制遠(yuǎn)不能令人滿意。

預(yù)分解窯工藝由預(yù)熱器、分解爐、回轉(zhuǎn)窯、冷卻機(jī)、燃燒器熱工設(shè)備子系統(tǒng)組成。每個(gè)子系統(tǒng)正常工作，才能為優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低消耗、低排放打下基礎(chǔ)。利用現(xiàn)有的工藝參數(shù)，對(duì)各子系統(tǒng)進(jìn)行合乎實(shí)際的分析、判斷顯得及其重要。

1 預(yù)熱器的分析與診斷

氣固換熱效率和氣固分離效率高、系統(tǒng)阻力低以及系統(tǒng)密閉性好是一個(gè)優(yōu)秀的旋風(fēng)預(yù)熱系統(tǒng)必須具有的要素。預(yù)熱系統(tǒng)由兩部分組成：旋風(fēng)筒和上下級(jí)旋風(fēng)筒間熱量交換的管道。其中換熱管道的中間部位設(shè)有上一級(jí)的旋風(fēng)筒下料管和鎖風(fēng)閥。鎖風(fēng)閥保證上一級(jí)旋風(fēng)筒進(jìn)行分離的生料可以暢通的進(jìn)入到下一級(jí)換熱的換熱管道，又防止從下一級(jí)旋風(fēng)筒跑出的熱氣流直接經(jīng)過(guò)下料管竄入上一級(jí)旋風(fēng)筒造成的氣流“短路”，同時(shí)避免已經(jīng)發(fā)生過(guò)氣固分離后的生料造成二次飛揚(yáng)，保證了上一級(jí)旋風(fēng)筒的分離效率不被影響。

1.1 影響預(yù)熱器性能的因素

1.1.1 旋風(fēng)筒內(nèi)部流動(dòng)規(guī)律

根據(jù)以下兩類理想的旋流運(yùn)動(dòng)，可得其對(duì)應(yīng)的切向速度分布的表達(dá)式。

①?gòu)?qiáng)制渦：即渦流內(nèi)各點(diǎn)有相同的旋轉(zhuǎn)角速度，就像旋轉(zhuǎn)的剛體一樣。

而實(shí)際流體中的切向速度分布則介于以上二者之間。

1.1.2. 旋風(fēng)筒壓力分布

在旋風(fēng)分離器和旋風(fēng)管分離器中，如果能弄清靜壓和動(dòng)壓間的關(guān)系P和（其中ρ是密度），那么就容易理解分離器內(nèi)的流場(chǎng)和壓力分布。當(dāng)忽略流體摩擦?xí)r，著名的伯努利方程在穩(wěn)態(tài)流動(dòng)時(shí)的表達(dá)式為：

式中，可以看出靜態(tài)壓力項(xiàng)和動(dòng)態(tài)壓力項(xiàng)即方程左邊的第后考常常稱為速度頭。上式為兩側(cè)除以流體密度后的形式。

這個(gè)方程表明，流場(chǎng)中的靜態(tài)壓力和動(dòng)態(tài)壓力是可以相互轉(zhuǎn)換的。在速度高的地方，靜態(tài)壓力較低。反之亦然。這是很多流量計(jì)的工作原理。例如，皮托管和文丘里管流量計(jì)。在處理渦流問(wèn)題時(shí)，認(rèn)識(shí)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)壓力的相互關(guān)系，顯得尤為重要。

當(dāng)討論氣體旋風(fēng)分離器和旋風(fēng)管分離器時(shí)，第二項(xiàng)與其他兩項(xiàng)相比，顯得無(wú)關(guān)緊要了，這是因?yàn)榱黧w密度較低，且高度差不是非常大。

圖1 旋風(fēng)筒流動(dòng)跡線

圖2 旋風(fēng)筒內(nèi)部壓力分布

從圖2可以看出，錐部壓力與旋風(fēng)筒出口靜壓力相當(dāng)，且略高一些。

圖3 不同直徑顆粒旋風(fēng)筒內(nèi)運(yùn)動(dòng)軌跡

圖3 可以看出，小顆粒的粉塵隨氣流從旋風(fēng)筒出口排出，而大顆粒粉塵碰到邊壁，被收集下來(lái)，從錐部卸料口排出。

1.1.3 分離效率與漏風(fēng)

分離效率η與漏風(fēng)系數(shù)K的關(guān)系如圖4所示。可以看出，當(dāng)K小于2%時(shí)，分離效率變化很小，但當(dāng)K大于2%時(shí)，分離效率開始迅速下降，繼而隨K的增加而陡然下降。當(dāng)K= 4.5%時(shí)，降至30%以下。對(duì)于預(yù)熱器，這是絕對(duì)不允許的。因此，無(wú)論從系統(tǒng)熱效率還是從分離效果來(lái)考慮，旋風(fēng)筒下料口處的漏風(fēng)應(yīng)盡可能控制在2%以下。

圖4 分離效率與漏風(fēng)系數(shù)關(guān)系

1.1.4 各級(jí)旋風(fēng)預(yù)熱器出口溫度

生料在進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯之前會(huì)先后經(jīng)過(guò)各級(jí)旋風(fēng)預(yù)熱器，并且生料會(huì)在旋風(fēng)預(yù)熱器內(nèi)通過(guò)熱交換發(fā)生部分分解反應(yīng)，因此，各級(jí)旋風(fēng)預(yù)熱器出口溫度表征了各級(jí)旋風(fēng)預(yù)熱器的熱交換情況、生料喂料情況和通風(fēng)情況。所以，可以觀察各級(jí)旋風(fēng)預(yù)熱器出口溫度變化的情況，判斷出各級(jí)旋風(fēng)預(yù)熱器的下料情況。

正常情況下，各級(jí)旋風(fēng)預(yù)熱器出口壓力都為負(fù)壓，各級(jí)旋風(fēng)預(yù)熱器出口壓力直接反映了各級(jí)旋風(fēng)預(yù)熱器內(nèi)的通風(fēng)情況，因此，可以通過(guò)對(duì)各級(jí)旋風(fēng)預(yù)熱器出口壓力的變化判斷各級(jí)下料管漏風(fēng)情況、系統(tǒng)漏風(fēng)與堵塞的情況。

表1 5級(jí)懸浮預(yù)熱器良好工作時(shí)出口溫度及各級(jí)出口溫差

實(shí)例1：XW2500t/d生產(chǎn)線預(yù)熱器的分析與診斷。由圖5及表2可以看出：

（1）C1出口溫度達(dá)351℃，說(shuō)明各級(jí)預(yù)熱器工作不良，最終導(dǎo)致熱耗偏高。特別是C1～C4旋風(fēng)筒物料分散不均勻，導(dǎo)致生料與氣體換熱效果不良。

（2）C2出口溫度嚴(yán)重偏低，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)查看，C2測(cè)溫點(diǎn)接近下料點(diǎn)，且撒料板工作不良。由圖5可發(fā)現(xiàn)C2出口溫度比C1出口溫度還低。

圖5 XW廠預(yù)熱器溫度

表2 XW旋風(fēng)筒出口溫度與溫差

實(shí)例2：TR4000t/d 生產(chǎn)線窯尾截圖見圖6，旋風(fēng)筒出口溫度及負(fù)壓見表3。

由圖可以看出：TR窯尾旋風(fēng)筒存在以下問(wèn)題： 1級(jí)筒下料點(diǎn)撒料板工作不良，料分散不良，2級(jí)筒出口溫度長(zhǎng)期偏低，熱交換差，導(dǎo)致1級(jí)筒出口溫度偏高。具體由圖6及表3可看出：

（1）C1A、C1B錐部壓力均比出口低；

（2）C2A錐部壓力低于出口壓力；

（3）C3B錐部壓力低于出口壓力；

（4）C4A、C5A錐部壓力低于出口壓力；

（5）C5B錐部壓力低于出口壓力：出現(xiàn)錐部壓力低于出口壓力（一般錐部壓力采樣點(diǎn)在錐部出口上部1.5m左右），說(shuō)明旋風(fēng)筒分離效率低，由翻板閥漏風(fēng)或者整體拉風(fēng)不足所致。

（6）5級(jí)筒下料管溫度長(zhǎng)期比出口高。可能有兩種原因：a、煤粉燃燒不完全，在5級(jí)筒錐部能看到火星。b、5級(jí)筒撒料板毀壞，導(dǎo)致4級(jí)筒喂入物料撒料不均勻，導(dǎo)致5級(jí)出口溫度偏低。

圖6 TR窯尾截圖

表3 2013年3月測(cè)得的 TR旋風(fēng)筒出口溫度、負(fù)壓與溫差

實(shí)例3：運(yùn)行狀況優(yōu)秀的5000t/d生產(chǎn)線的旋風(fēng)筒溫度與壓力情況見圖7，表4，表5。

圖7 LS 5000t/d 預(yù)熱器截圖

表4 LS 旋風(fēng)筒溫度與溫差

表5 LS 旋風(fēng)筒溫度、壓力

實(shí)例4: 優(yōu)秀的2500t/d生產(chǎn)線的旋風(fēng)筒溫度，壓力分布狀況，見圖8及表6。

圖8 MS 窯尾中控截圖

表6 MS 旋風(fēng)筒溫度壓力分布

1.1.5 高溫風(fēng)機(jī)拉風(fēng)情況

通過(guò)考察高溫風(fēng)機(jī)入口負(fù)壓、變頻轉(zhuǎn)速、電機(jī)配置、運(yùn)行電流，對(duì)系統(tǒng)總拉風(fēng)大小進(jìn)行分析判斷。

圖9 WC 2500t/d生產(chǎn)線中控截圖

圖10 LL 2500t/d生產(chǎn)線中控截圖

圖11 CJ 2500t/d 窯中控截圖

表7 高溫風(fēng)機(jī)電流與負(fù)壓產(chǎn)量關(guān)系

1.1.6 預(yù)熱器出口氣體成分

實(shí)例1: PE預(yù)熱器、分解爐出口氣體成分的具體數(shù)據(jù)見表8：

表8 PE預(yù)熱器、分解爐出口氣體成分

該生產(chǎn)線各級(jí)旋風(fēng)筒CO濃度高、波動(dòng)大。C5～C1漏風(fēng)逐漸增大。SO2逐漸降低。分解爐NOx含量較高。該系統(tǒng)拉風(fēng)不穩(wěn)定，煤在分解爐中燃燒不完全。

實(shí)例2：DZ預(yù)熱器、分解爐出口氣體成分見表9：

表9 DZ預(yù)熱器、分解爐出口氣體成分 %

由表9可以看出，煙室CO含量超過(guò)儀器量程，窯內(nèi)通風(fēng)嚴(yán)重不足，煤粉燃燒不完全。C5～C1漏風(fēng)逐漸增多。NOx全部從分解爐中產(chǎn)生。

2 篦冷機(jī)診斷分析

2.1 離心風(fēng)機(jī)的診斷分析

2.1.1 離心風(fēng)機(jī)型號(hào)

風(fēng)機(jī)型號(hào)為：C 4-72-1 1 No.8C 右90°；C：風(fēng)機(jī)用途為排塵（一般可省略不寫）， 4：風(fēng)機(jī)在最高效率點(diǎn)時(shí)的全壓系數(shù)乘10后的化整數(shù)，72：風(fēng)機(jī)在最高效率點(diǎn)時(shí)的比轉(zhuǎn)數(shù), 1：進(jìn)口為單吸入，1：設(shè)計(jì)順序，1表示第一次 ，No.8：風(fēng)機(jī)機(jī)號(hào)，即葉輪直徑D2=800mm ，C：風(fēng)機(jī)傳動(dòng)方式（共有A－F六種）， 右： 旋轉(zhuǎn)方向（從原動(dòng)機(jī)側(cè)看）， 90：出風(fēng)口位置與水平線夾角。

2.1.2 離心風(fēng)機(jī)性能

風(fēng)機(jī)的全壓p是由靜壓pst和動(dòng)壓pd兩部分組成。離心風(fēng)機(jī)全壓值上限僅為1500mm（14710Pa），而出口流速可達(dá)30m/s左右；且流量Q（即出口流速v2）越大，全壓p就越小。因此，風(fēng)機(jī)出口動(dòng)壓不能忽略，即全壓不等于靜壓。例如，當(dāng)送風(fēng)管路動(dòng)壓全部損失（即出口損失）的情況下，管路只能依靠靜壓工作。為此，離心風(fēng)機(jī)引入了全壓、靜壓和動(dòng)壓的概念。

風(fēng)機(jī)的動(dòng)壓定義為風(fēng)機(jī)出口動(dòng)壓，即

風(fēng)機(jī)的靜壓定義為風(fēng)壓的全壓減去出口動(dòng)壓，即

風(fēng)機(jī)的全壓等于風(fēng)機(jī)的靜壓與動(dòng)壓之和，即

以上定義的風(fēng)機(jī)全壓p，靜壓pst和動(dòng)壓pd2，不但都有明確的物理意義，而且也是進(jìn)行風(fēng)機(jī)性能試驗(yàn)、表示風(fēng)機(jī)性能參數(shù)的依據(jù)。

2.1.3 比轉(zhuǎn)數(shù)

風(fēng)機(jī)比轉(zhuǎn)數(shù)在風(fēng)機(jī)的選型中有重要作用，特別是對(duì)于種類繁多的離心風(fēng)機(jī)無(wú)量綱性能曲線的選型更為方便。風(fēng)機(jī)比轉(zhuǎn)數(shù)的概念同水泵比轉(zhuǎn)數(shù)，比轉(zhuǎn)數(shù)在應(yīng)用中的意義也相同。

風(fēng)機(jī)比轉(zhuǎn)數(shù)的計(jì)算公式為

式中：n——轉(zhuǎn)速,rpm；

Q——流量,m2/s；

p20——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的風(fēng)機(jī)全壓，mmH2O。

表10 比轉(zhuǎn)數(shù)與葉輪形狀和性能曲線關(guān)系

2.1.4 風(fēng)機(jī)的性能曲線

從上述各風(fēng)壓的概念出發(fā)，按照性能曲線的一般表示方法，風(fēng)機(jī)應(yīng)具有5條性能曲線。

（1）全壓與流量關(guān)系曲線（p-Q曲線）；

（2）靜壓與流量關(guān)系曲線（pst-Q曲線）；

（3）軸功率與流量關(guān)系曲線（N-Q曲線）；

（4）全壓效率與流量關(guān)系曲線（η-Q曲線）；

（5）靜壓效率與流量關(guān)系曲線（ηst-Q曲線）。

5條性能曲線中，pst-Q曲線與ηst-Q曲線是有別于水泵的兩條性能曲線。

全壓效率計(jì)算方法同水泵，即

式中：p——全壓，N/m2；

Q——流量，m3/s；

N——軸功率，W。

靜壓效率ηst定義為風(fēng)機(jī)的靜壓有效功率與風(fēng)機(jī)的軸功率之比，即

離心風(fēng)機(jī)性能曲線如圖12所示。

圖12 典型后向葉輪離心通風(fēng)機(jī)的性能曲線

圖13 5-48型離心通風(fēng)機(jī)的無(wú)量綱性能曲線

2.1.5 轉(zhuǎn)速與風(fēng)機(jī)性能關(guān)系

2.2 篦冷機(jī)診斷分析

我們截取了FM廠窯頭的中控畫面見圖14，風(fēng)機(jī)風(fēng)量、壓力的有關(guān)情況進(jìn)行分析見圖15、16。

圖 14 FM窯頭中控截圖

圖15 FM篦冷機(jī)風(fēng)機(jī)銘牌風(fēng)量與工況風(fēng)量

圖16 FM篦冷機(jī)風(fēng)機(jī)銘牌壓力與工況壓力

根據(jù)圖14～圖16可以看出，F(xiàn)M廠幾乎所有風(fēng)機(jī)的工況全壓都低于風(fēng)機(jī)的銘牌全壓，但風(fēng)量大大低于銘牌風(fēng)量，風(fēng)機(jī)處于低效率狀態(tài)。由于如篦冷機(jī)風(fēng)量不夠，導(dǎo)致出篦冷機(jī)熟料溫度高，達(dá)到250℃。頭牌余風(fēng)溫度達(dá)450℃，三次風(fēng)溫度僅830℃。

實(shí)例2：WS4000t/d 生產(chǎn)線篦冷機(jī)運(yùn)行狀態(tài)診斷，其窯頭截圖見圖17和風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)見表11。

由圖17及表11可知，5706、5708、5710風(fēng)機(jī)為粗料邊、阻力小、風(fēng)量大、風(fēng)溫度低。而細(xì)料側(cè)風(fēng)機(jī)5705、5707、5709阻力大、風(fēng)量小、風(fēng)機(jī)電流小，熟料冷卻不好?？傮w二、三次風(fēng)溫度低。

圖17 WS 窯頭中控截圖

表11 WS篦冷機(jī)風(fēng)機(jī)標(biāo)定結(jié)果

熟料在篦冷機(jī)內(nèi)部堆積狀態(tài)見圖18。

圖18 窯轉(zhuǎn)向、篦冷機(jī)熟料分布示意圖

實(shí)例3：DS 5000t/d 生產(chǎn)線篦冷機(jī)風(fēng)機(jī)標(biāo)定結(jié)果見表12，中控畫面截圖見圖19。

圖19 DS 篦冷機(jī)中控截圖

由表12可以看出，5706全壓達(dá)到銘牌壓力，但標(biāo)況風(fēng)量低于銘牌風(fēng)量，葉輪磨損、風(fēng)機(jī)效率降低；

表12 DS篦冷機(jī)風(fēng)機(jī)標(biāo)定結(jié)果

5707、5709b全壓超過(guò)銘牌壓力，但標(biāo)況風(fēng)量大大低于銘牌風(fēng)量，篦冷機(jī)料層阻力太大，風(fēng)機(jī)不能勝任，應(yīng)更換壓力大的風(fēng)機(jī)；

5712、5714、5715、5717全壓未達(dá)到銘牌壓力，但標(biāo)況風(fēng)量低于銘牌風(fēng)量，葉輪磨損、風(fēng)機(jī)效率降低；

5708b、5709b、5710b出口壓力均比相對(duì)應(yīng)的另一側(cè)壓力高，為細(xì)料側(cè)，相應(yīng)風(fēng)量小。

圖20為1、2室風(fēng)壓力，存在壓力波動(dòng)大現(xiàn)象，壓力突降、突升常有發(fā)生，熟料層存在吹穿現(xiàn)象，也可能存在細(xì)粉塌料等狀態(tài)。

圖20 DS篦冷機(jī)1、2室壓力