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        預(yù)熱器系統(tǒng)降阻節(jié)能改造原理研究及工程實踐

        2022-03-01 12:26:44潘小平
        江蘇建材 2022年1期
        關(guān)鍵詞:碳酸鹽預(yù)熱器蝸殼

        潘小平

        (溧水天山水泥有限公司,江蘇 南京 210000)

        0 引言

        溧水天山水泥有限公司燒成系統(tǒng)采用了南京院設(shè)計的五級雙系列旋風(fēng)預(yù)熱器、管道式在線分解爐、Ф4.8 m×74 m回轉(zhuǎn)窯、第四代冷卻機(jī)等設(shè)備。目前熟料產(chǎn)量6 400 t/d左右,燒成熱耗759.5 kcal/kg.cl,燒成系統(tǒng)各項指標(biāo)總體運行正常。為進(jìn)一步節(jié)能降耗,以及為適應(yīng)協(xié)同處置生活垃圾后燒成系統(tǒng)的一些工況變化,擬對燒成系統(tǒng)做一次技術(shù)改造。

        1 預(yù)熱器降阻理論分析

        1.1 降阻的理論分析

        預(yù)熱器的阻力來自各級旋風(fēng)筒的壓力損失,壓力損失越少,系統(tǒng)阻力就越小,壓力損失越多,系統(tǒng)阻力就越大。壓力損失是氣體介質(zhì)在流經(jīng)旋風(fēng)筒的過程中形成的動量損失,其大小直接影響熟料燒成過程中的成本和經(jīng)濟(jì)效益。旋風(fēng)筒的壓力損失取決于旋風(fēng)筒內(nèi)部尺寸、結(jié)構(gòu)形式、內(nèi)壁粗糙程度,其數(shù)學(xué)模型關(guān)系見式(1)。

        式中:ΔP—旋風(fēng)筒壓力損失,Pa;ξ—阻力系數(shù),是旋風(fēng)筒進(jìn)出口截面積、漩渦指數(shù)、內(nèi)壁表面粗糙度的函數(shù),無量綱;ρ—進(jìn)入旋風(fēng)筒的混合流體的密度,kg/m3;u—混合流體進(jìn)入旋風(fēng)筒的風(fēng)速,m/s;f(Ci)—混合流體中物料濃度對壓力損失的修正函數(shù),是氣體密度的正比例函數(shù),無量綱。

        從式(1)可以看出,降低旋風(fēng)筒進(jìn)口風(fēng)速,是降低旋風(fēng)筒阻力的有效途徑。本項目在技術(shù)改造采取措施如下:

        (1)外擴(kuò)蝸殼。外擴(kuò)C2~C5旋風(fēng)筒蝸殼以增大進(jìn)風(fēng)口面積。相應(yīng)的旋風(fēng)筒連接風(fēng)管作局部改造,在適當(dāng)降低風(fēng)速、減少阻力損失的同時,增大進(jìn)口氣體的旋轉(zhuǎn)動量矩,提高各級旋風(fēng)筒的分離效率及系統(tǒng)熱效率。改造后的旋風(fēng)筒如圖1所示。

        圖1 旋風(fēng)筒改造示意

        (2)改造預(yù)熱器內(nèi)部的水平段。在原有進(jìn)風(fēng)口水平段底部增加斜板,消除旋風(fēng)筒進(jìn)風(fēng)口水平段,減少積灰,提高系統(tǒng)運行穩(wěn)定性,降低阻力,提高分離效率。

        C1氣體的溫度低、密度大,旋風(fēng)筒阻力大,同時C1的分離效率對出系統(tǒng)的飛灰量影響至關(guān)重要,考慮到公司即將協(xié)同處置生活垃圾、危廢和運行狀況,為保證C1的分離效率,并盡量降低C1的阻力,本次技術(shù)改造擬整體更換C1筒,本體直徑由原來的4~5.0 m改為4~5.6 m,相應(yīng)C2至C1連接風(fēng)管局部改造,C1出口風(fēng)管局部重新設(shè)計,直徑加大。

        1.2 降阻對分離效率的影響分析

        預(yù)熱器系統(tǒng)各級旋風(fēng)筒的分離效率直接影響系統(tǒng)內(nèi)的物料分布和換熱效率,通過水泥工業(yè)大量的理論研究和工程數(shù)據(jù)分析,旋風(fēng)筒的分離效率用數(shù)學(xué)語言可以表達(dá)為式(2)。

        式中,η總—總分離效率,%;ηi—任意粒徑的某顆粒分離效率,%;K,θ—旋風(fēng)筒內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)系數(shù),無量綱;dp—顆粒粒徑,mm;dp∞—顆粒粒徑中的最大值,mm;f(dp)—顆粒粒徑分布函數(shù),無量綱。

        從公式(2)可以看出,旋風(fēng)筒的分離效率影響因素復(fù)雜,當(dāng)進(jìn)口顆粒粒徑分布穩(wěn)定,且固氣比一定時,旋風(fēng)筒的高徑比越大、內(nèi)筒高度越大、氣體溫度越低,則分離效率越高;但當(dāng)入口風(fēng)速小于18 m/s時,進(jìn)口風(fēng)速越大,分離效率越高。然而,本項目為了降低旋風(fēng)筒的阻力,降低了旋風(fēng)筒入口風(fēng)速,且各級旋風(fēng)筒入口風(fēng)速小于18 m/s,即如果蝸殼直徑不變的情況下,相當(dāng)于降低了粉塵顆粒在旋風(fēng)筒內(nèi)的線速度,使得顆粒進(jìn)入蝸殼后的旋轉(zhuǎn)動量矩降低,從而降低收塵效率。在本項目的技術(shù)改造過程中,因降低入口風(fēng)速而引起收塵效率小幅下降,適當(dāng)加大了旋風(fēng)筒的蝸殼尺寸,確保顆粒進(jìn)入旋風(fēng)筒后有著較高的動量矩,從而最終確保分離效率。

        旋轉(zhuǎn)動量矩是表征顆粒在旋風(fēng)筒內(nèi)旋流強(qiáng)度的重要參數(shù),也是確保分離效率的關(guān)鍵參數(shù),其基本定義如式(3)所示。

        式中,L—顆粒的旋轉(zhuǎn)動量矩,kg/(m·s);u—切向速度,m/s;r—起始徑向半徑(蝸殼半徑),m;ρ—氣體密度,kg/m3。

        從式(3)可以看出,當(dāng)顆粒切向速度降低時,增大蝸殼直徑,同樣可以確保動量矩的不變,從而確保旋風(fēng)筒的分離效率,本項目技術(shù)改造設(shè)計過程中,在有限的結(jié)構(gòu)空間內(nèi),盡可能地增大蝸殼尺寸,從而在旋風(fēng)筒入口風(fēng)速降低的前提下,提升收塵效率。

        1.3 降阻對換熱效率的影響分析

        旋風(fēng)筒在預(yù)熱器內(nèi)的主要任務(wù)是完成氣固分離,其換熱量僅占預(yù)熱器系統(tǒng)總換熱量的20%左右。本次技術(shù)改造,通過改變旋風(fēng)筒入口風(fēng)速,從而增加了生料粉在旋風(fēng)筒內(nèi)的停留時間,有利于氣固換熱,但影響換熱效率的關(guān)鍵參數(shù)是固氣比,即生料粉與熱氣流的比例。大量數(shù)據(jù)表明,增加預(yù)熱器系統(tǒng)內(nèi)的固氣比,能顯著提高氣固換熱效率。圖2是固氣比與換熱效率的關(guān)系,從圖2中可以看出,在氣體流量(窯尾廢氣量)一定、旋風(fēng)筒入口風(fēng)速一定的前提下,適當(dāng)增加喂料量反而有利于提高換熱效率,這也為本技術(shù)改造項目的提產(chǎn)創(chuàng)造了條件。

        圖2 旋風(fēng)筒固氣比對換熱效率的影響

        影響旋風(fēng)筒換熱效率的另一個因素是返混度,返混度是反映物料在流經(jīng)某一容器時停留時間的離散程度,返混度是停留時間的無因次函數(shù)。返混度越高,換熱效率越低,而在某個風(fēng)速范圍區(qū)間內(nèi),風(fēng)速越低,返混度越小。因此,適當(dāng)降低旋風(fēng)筒進(jìn)口風(fēng)速,有利于降低返混度,也有利于氣固傳熱。

        此外,本技術(shù)改造項目增大了預(yù)熱器旋風(fēng)筒和分解爐的總外表面積,但分解爐采用納米板,降低了分解爐本體散熱,據(jù)統(tǒng)計對比,筒體表面溫度較硅酸鈣板下降15°,降低了散熱量。

        2 分解爐擴(kuò)容理論分析

        本項目技術(shù)改造前分解爐爐容約2 050 m3,熟料產(chǎn)量6 400 t/d,爐內(nèi)氣體停留時間約為5.2 s,增加分解爐的爐容,增加煤粉在爐內(nèi)的燃燼率、后續(xù)可燃垃圾在爐內(nèi)的燃燒和利于碳酸鹽的分解,也為后續(xù)熟料產(chǎn)能的提升提供潛力。分解爐是燒成系統(tǒng)的核心裝備,其主要功能是為煤粉燃燒和碳酸鹽分解提供場所的反應(yīng)器,截面風(fēng)速和停留時間是設(shè)計分解爐的兩大重要參數(shù)。

        煤粉燃燼所需的時間,與煤粉粒徑、溫度、氧氣分壓等參數(shù)有關(guān),計算過程較為復(fù)雜,通常分解爐內(nèi)的煤粉燃燼率達(dá)到100%時約需要1~2 s。分解爐內(nèi)的碳酸鹽主要是指碳酸鈣,還有少量碳酸鎂,根據(jù)碳酸鹽分解反應(yīng)的縮核模型和熱力學(xué)條件,可以推導(dǎo)出碳酸鹽分解反應(yīng)所需的時間,見公式(4)。

        式中,τ—碳酸鹽分解時間,s;dp—碳酸鹽顆粒平均粒徑,m;PCO2、PCO20—分解爐內(nèi)CO2氣體的分壓和飽和分壓,Pa;k—反應(yīng)動力學(xué)常數(shù),是溫度的函數(shù),無量綱;Φ—碳酸鹽縮核分解率,%。

        從公式(4)可以看出,強(qiáng)化碳酸鹽分解的措施有三個:①提高爐內(nèi)反應(yīng)溫度;②降低爐內(nèi)CO2分壓或濃度;③降低生料粉的細(xì)度。根據(jù)公式(3)結(jié)合碳酸鹽分解反應(yīng)動力學(xué)常數(shù)可以計算出在880℃、平均粒徑為35μm的碳酸鹽、分解率達(dá)到95%時,需要的反應(yīng)時間為5.7 s。

        本項目擬在確保分解爐斷面風(fēng)速為8~10 m/s的前提下,增加分解爐的容積,適當(dāng)提高物料在爐內(nèi)的停留時間,詳見圖3。將分解爐柱體加長,更換出風(fēng)管,加大直徑,改造后的分解爐爐容約2 700 m3,相對原分解爐,爐容增加650 m3。同等產(chǎn)量下,分解爐內(nèi)氣體停留時間為6.8 s,為熟料的提產(chǎn)以及協(xié)同處置生活垃圾可燃物的充分燃燒提供了余量,同時也降低了分解爐進(jìn)出口的阻力損失,有利于整個燒成系統(tǒng)的降阻。

        圖3 分解爐擴(kuò)容改造示意

        3 工程實踐效果

        本次技術(shù)改造完成后,對比了改造前后預(yù)熱器分解爐的相關(guān)壓力參數(shù),具體結(jié)果見表1。從表1可以看出,預(yù)熱器出口負(fù)壓下降了1 100 Pa左右,從預(yù)熱器出口到煙室的壓差由改造前的5 659 Pa下降至4 753 Pa,降阻效果明顯。此外,對預(yù)熱器出口的含塵濃度也進(jìn)行了對比測試,改造前的含塵濃度為85 g/Nm3左右,改造后的含塵濃度為30 g/Nm3左右,達(dá)到了國際先進(jìn)水平,本次旋風(fēng)筒和分解爐的結(jié)構(gòu)改造,大幅提升了收塵效率。

        表1 技術(shù)改造前后預(yù)熱器負(fù)壓情況

        4 結(jié)論

        (1)在確保收塵效率和換熱效率的前提下,本項目的降阻效果十分明顯,且能確保熟料產(chǎn)質(zhì)量以及燒成系統(tǒng)的其他工藝參數(shù)的穩(wěn)定。

        (2)旋風(fēng)筒進(jìn)出口壓差、換熱效率、分離效率,以及各級旋風(fēng)筒的串并聯(lián)等因素,相互制約相互關(guān)聯(lián),必須經(jīng)過嚴(yán)格的理論計算才能平衡好各影響因素,從而取得節(jié)能降耗的總體效果。

        (3)本次技術(shù)改造還對翻板閥、撒料箱、澆筑料等裝備和材料的形式做了改進(jìn),總體也有利于燒成系統(tǒng)的降阻。

        (4)從技術(shù)改造后的總體效果來看,可以達(dá)到以下指標(biāo):產(chǎn)量提升至6 700 t/d,單位熟料標(biāo)準(zhǔn)煤耗降低1 kg/t.cl,同等產(chǎn)量及條件下,預(yù)熱器系統(tǒng)阻力降低大于1 000 Pa,單位熟料電耗降低0.5 kwh/t.cl。

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