窑头窑尾烟气用风冷冷却器技术及应用.doc

水泥窑头窑尾烟气用风冷冷却器技术及应用
合肥水泥研究设计院 毛志伟 杨如顺
一． 概述
干法水泥窑尾的废气，不仅风量大，且温度高，一般在350-400℃，即是最近大部分采用低温余热发电，其温度也在300℃。而窑头熟料篦式冷却器的余风温度，正常时为200℃左右，不正常时可达300-450℃。用于处理这二种工况的袋除尘器，无论采用P84及其混合针刺毡，还是使用各种玻纤袋或玻纤覆膜滤袋，其长期使用的工作温度小于250℃，实际控制在200℃。因此，烟气在入袋除尘器前必须采取适当的降温措施。而目前采用的方法有三种：
1.吸风冷却
在窑尾除尘系统的负压管道上装设一个带有调节阀门的支管，一端与大气相通，靠系统本身的负压将冷空气经支管流入与高温烟气混合而以达到降温目的。这种设施结构简单，调节方便。但是由于吸入冷风烟气量增加，使袋除尘器和窑尾风机负荷增大，另外由于系统负不稳定而影响窑系统的热工温定。这种方法一般在缺水的地方采用，如合肥院在做沙特NAJERAN6000吨/日工程时，就采用了掺冷风来进行袋除尘器入口的烟气降温，故这台除尘器较相同规模的大，达到处理风量160万m3/h。
2.喷雾降温
在窑尾系统中，袋除尘器前设置一个喷雾降温塔，也有在入口管道中设置一套喷雾系统。在塔和管道中雾状喷水与高温烟气直接接触，使得烟气温度降低。这种方法降温效果较好，但投资大，耗水量高，管理复杂，且不易用在窑头降温。
3.排管表面风冷冷却器
同样，在窑头和窑尾系统中，袋除尘器前设置一个多管表面散热器（也称热交换器）。利用表面散热原理，增加烟气与管壁的接触面积，靠自然冷风或强制冷风来降低烟气的温度。采用排管风冷技术后，显示出了它的优点，其工作稳定，无须人工操作，通常情况下只须记录袋除尘器入口温度即可。第一台排管冷却器于1983年用于苏州光华水泥厂Ø2.5×40M分解窑上，系自然对流风冷，排管直径6×Ø600，降温80-100℃，以后在多家立筒型窑上被采用如湖北枝城水泥厂，吉林交通厅水泥厂等采用。自然对流冷空器流速低，换热系数也低（<7卡/米2时℃，或8W/M2K），在小型窑上为避免结构复杂，尚可采用。当在700T/D或规模更大的窑上采用风冷技术时，因采用强制风冷冷却器，其热交换系数可提高到12左右，设计温度降可达150-200℃。1990年度在河北宣化水泥厂、95和2003年南京青龙山二条生产线，2004年巴基斯坦LUCKY水泥厂、及2006年河南义马、山东青州所采用的烟器冷却器即属这一种。

二．风冷冷却器结构
烟气排管风冷却器（简称多管冷却器）是正在发展中的适用于高温袋除尘系统的降温设备，分自然冷却和强制冷却二种。
1． 自然风冷烟气排管冷缺器
结构示意图（1），在干法窑尾框架的高端，是1#旋风筒的出口，离地面40-60M，有的甚至更高，而窑尾风机则装在地面，几十米的高差正好用来安装排管。最早的排管采用6×Ø700，后来改为12×Ø500，增加了散热面积。其热交换系数为6-7W/M2K。另设有一个冷风阀，当温度过高时开启冷风阀，使冷空气掺入烟气，辅助降温。烟气从排管内自上向下通过，冷空气在排管外被加热，自然对流上升。
总的热交换系数可以由下式计算：
K= 1/A， A=1/a1+1/k/б+1/a2
式中：a1------管内烟气与管壁间的给热系数；
a2---管壁与管外冷空气的给热系数。
K与б---管壁材料导热系数与厚度，包括薄层粉尘。只要管壁积灰很少，这一项比例很小可以忽略。

a1 和 a2 与气体成份等许多参数有关，但主要因素是气体流速，流速愈高则给热系数愈高，管内流速比管外自然对流的流速高很多，管内的给热系数也比管外高，因此自然风冷的热阻在管外。自然对流速度大约为2—3m/s。其给热系数一般小于9，总的换热系数为6-7W/M2K。如果把外部空气流速提高，如10M/S，可以把总的给热系数提高到11-12。为达此目的，可以采用强制双冷技术。
有了K系数，则散热面积计算如下；
F=Q/K（T1-T2）；
F—散热面积；
Q—烟气通过冷却器后降低到所需温度时的放热量；
（T1-T2）--烟气温度与环境气温的平均差。
2.强制风冷
用风机将冷空器气以较高速度从排管外流过是强制风冷技术的特点。高温烟气从顶部进入冷却排管内部，从底部排出。冷风在管外流过。流向可以是从一侧流向另一侧，即错流式，也可以由下向上，即逆流式。错流式的结构示意见上图C。由于冷空气流动方向垂直于排管，连续地绕管外壁流动产生许多涡流，在这种气流条件下给热系数较高，因此冷却器的体积也可做得较小。
由于窑尾烟气粉尘细，浓度大，容易堵塞风管，因此排管直径不能太小，我们采用Ø200- Ø300，通过计算发现，当管径小于Ø120时，错流式冷却器的冷风量必须很大，此时需选到合适的风机，只有采用逆流型，即冷空气由下方流向上方，冷风的参数才比较合适。另外，有时虽然采用了较高的冷风速度，但外壁给热系数还比较低，为提高总的换热系数，我们在外管表面加上几个散热翅片，使总的换热系数可达到13-14W/M2K。
3.应用实例
（1）.宣化水泥厂窑尾冷却器
窑系统为；700/日窑尾分解窑，采用玻纤袋除尘器，处理风量：160000m3/h，过滤面积；5500m2。
冷却器设备；逆流向上，且带翅片。
设备自重：48T
烟气流量： 70000 Nm3/h
烟气进口温度： 360-380℃
烟气出口温度： 200-220℃
冷风动力； 45-50 kw
并装有远动电动冷风阀，当进入袋除尘器烟气温度过高时开启，在一般情况下全闭。与采用喷雾增湿塔相比，其投资相仿，而突出的优点是稳定、可靠、管理简单。
当窑尾1#筒烟气温度下降时，可以不用管它，当温度升高时，在一般情况下也可不用管它，达到450℃时，出冷却器风温大约为260℃，而这种情况只有在窑尾喂料不正常时才会出现，短时间内中控室就会调整，并还可打开冷风阀，放入一些冷空气来降低温度。
（2）.南京三龙水泥股分有限公司窑尾冷却器
窑系统为: 1800吨/日新型干法窑尾分解窑,窑尾处理风量:350000m3/h,采用了玻纤袋除尘器CXS(Ⅱ)900-2×8(F),过滤面积;14400m22003年投运至今。
多管冷却器型式；逆流向上，且带翅片；
管子规格：Ø 200×24500 144根
散热面积：3108 m2
采用8台风机，动力；88kw，设备重量：95吨
烟气流量： 150000 Nm3/h
烟气进口温度： 360-380℃
烟气出口温度： 200-220℃
见下面照片

（3）.浙江富阳水泥有限公司
新型干法5000吨/日窑头篦冷机余风除尘系统，采用CDMC低压长袋脉冲袋除尘器。
多管冷却器型式；错流，细管，且防磨
技术性能要求：处理风量为752000m3/h，
烟气进口温度： 300℃（正常工况）-450℃（异常工况）
烟气出口温度： 130℃（正常工况）-180℃（异常工况）

多管冷却器： 阻力：600Pa（正常）-1000（异常）
系统漏风率；<2%。
散热面积：6288M2 ，
管子规格和数量；Ø86×12000，1386根
采用了12台轴流风机，每台冷风量：330000M3/H，37KW，总动力444KW
采用PLC控制能实现自动联锁控制并能控制冷风开关，变频器根据温度自动调节风机转速功能。
设备总重量；265吨
随后的河南义马5000吨/日，山动青州6000吨/日均采用了这种冷却器。可见下面照片

总之，多管冷却器的稳定性和管理简单等优点非常明显，已经成为窑头窑尾袋除尘器系统配套的常规备。