水泥冷却

关键词： 单台

水泥冷却（精选四篇）

水泥冷却 篇1

1 C3S、C2S晶体形态及转换

(1) C3S晶体形态大致为:

C3S是在1250℃以上, C2S和f Ca O相互反应下生成的, 高温的形态主要有:

R1:高温斜方六面体形态

M3:含有稳定杂质的单斜晶体

M1:含有的杂质较M3少些, 单斜晶体

快冷有利于生成细颗粒稳定的单斜晶体M3。而慢冷则易生成晶格大, 反应性能差些的M1。

(2) C2S晶体形态大致为:

α1=在1425℃生成, 较稳定。在温度降低过程中, (830~1447℃) 生成α-C2S, 呈薄片

β:在快冷过程中, 形成β-C2S, 呈薄片

γ:在慢冷过程形成γ-C2S粉状, 不能水化

(3) 预分解窑系统装备性能好, 所配套的预热器、分解炉能使入窑生料分解率大于90%, 冷却机入窑二次空气温度大于1000℃, 燃烧器在煅烧热值较高的燃料时, 确保火焰温度高且稳定。此时烧成带一般在距离窑口较近的部位, 熟料在窑内停留时间短, 进入冷却机内快速冷却, 一般均能形成M3C3S和β-C2S晶格, 若C3S晶格小, 有利于水化。

在煅烧工业废物代用燃料时, 由于燃料热值和成分变化较大, 且含水分也高, 此时, 火焰温度低, 火焰长, 烧成带往往后移, 距窑口较长, 熟料在窑内冷却时间长, 冷却速度慢, 此工况与代用燃料的性能、热值、水分等因素有关。若工业废物的热值低且变化, 熟料在此工况下, 易生成大晶格C3S, 且易结大块。大块难冷却, 其内部往往冷却慢, 易形成M1C3S和γ-C2S粉尘。不利熟料水化, 此类熟料强度偏低。

通常, 熟料在1250℃以下慢冷, 部分C3S分解生成C2S和f Ca O, 强度较低。

2熟料在窑内冷却工况

预分解窑内熟料冷却时测得的熟料离窑和二次空气入窑温度在2周时间内的测示见图1。图1所示, 熟料离窑温度是波动的, 从>1100℃至1400℃, 平均温度为1274℃, 而入窑二次空气温度也随熟料离窑温度波动, 从<900℃至<1100℃, 平均温度稍低于1000℃, 波动的原因大致是:

(1) 入窑物料的成分、数量和分解率不均, 熟料煅烧温度也随燃料成分变化而变化, 所生成的熟料温度和颗粒大小也不一致, 易出现温度波动。

(2) 熟料煅烧温度一般超过1450℃, 此温度下, 熟料内C3A、C4AF等熔体仍然存在, 熟料颗粒表面熔体未完全固化, 因而在窑内向下运行速度较慢, 会出现从窑头下落至冷却机的数量减少, 此时, 入窑二次空气温度相应降低, 当熟料下落量增加时, 熟料和二次空气温度相应增加。

(3) 熟料离窑平均温度高达1274℃, 最高接近1400℃, 表面熔体易粘在窑衬上, 形成结圈, 也易在冷却机高温端墙上粘结, 堆积成“雪人”。反之又影响熟料在冷却机内的分布, 使二次空气温度波动。解决的途径是提高熟料易烧性, 生产小晶格C3S熟料, 此外, 可在结皮部位设置空气炮, 打碎“雪人”。

赵艳妍 陈友德编译自

No.3/2015

International Cementreview

水泥熟料冷却过程换热模型的研究 篇2

1 基本换热过程分析

篦冷机内料流、气流运动如图1所示。

换热研究重点为熟料堆积层区, 熟料冷却、热量回收均在该区进行[3]。换热介质包括熟料、气体及空气悬浮物。熟料冷却过程发生的换热包括熟料与气体, 熟料、气体与壁面, 内外壁面及外表面换热等几部分。熟料在篦冷机内流动不存在化学变化, 因此主要是单纯的气固两相流换热物理过程。

将熟料按照熟料流动方向 (定义为x方向) , 冷却风流动方向 (定义为y方向) , 篦冷机的横向 (定义为z方向) 对其进行三维网格划分, 依据熟料的外部几何特征和物理特征得到熟料的三维网络分布。将划分后的每一网格作为一个单元节点。各单元节点能量及热传递示意图如图2所示。

前一单元节点输出值即为后一单元节点输入值, 最终可获得熟料三维温度分布及热交换模型。

2 质量平衡及热平衡

2.1 质量平衡

图2所示单元质量平衡方程为:

通过熟料层气体的质量方程为:

2.2 热量平衡

对于单元网格焓流和热流具有如下关系方程:

气体:

熟料:H&ci=H&co+qc, g+q&c, w

2.3 熟料与气体间换热

在篦冷机中热交换主要发生在熟料与冷却气体之间, 所以熟料、气体与壁面, 内外壁等之间的热交换不作考虑。

熟料与冷却气体的热交换为对流换热。两者之间热交换可由下式计算:

利用上述质量平衡方程和换热方程可针对每一个单元网格建立质量平衡和热平衡方程组, 最后

得到如下方程组:

3 实验验证

选区某4000t/d水泥生产线生产数据代入本文换热模型迭代计算, 所选取熟料网格划分为150×201×12个网格单元, 温度测量所得熟料层如图3所示, 换热模型计算所得熟料温度如图4所示。

由图3和图4对比可知, 在区域前端模型计算的温度曲线较实测的更为精细, 而在后端模型误差变化较大, 实际生产工艺可知, 后端区域接近二次风口, 受其影响冷却空气的垂直向上运动在此处发上了变化, 因此对模型应该进行局部区域的修正是下一步的研究工作。

4 结语

本文首先阐述了篦冷机内熟料冷却过程的换热特征。通过对熟料进行三维网格划分, 分析了每个单元网格熟料的质量平衡与热平衡方程, 建立篦冷机熟料换热模型。通过实验验证模型的有效性及存在的问题。这将为进一步研究篦冷机的冷却风控制奠定了科学依据。

图4温度计算所得等温线图3温度测量等温线

摘要：通过分析篦冷机熟料换热过程物性特征, 将熟料进行三维网格划分;对每一个网格单元节点建立质量平衡方程和热平衡方程;研究网格节点之间的热流动, 建立三维网络模型表征篦冷机熟料冷却过程熟料、气体及两者之间的热交换。实验表明本文的换热模型能真实反映出熟料换热过程中各特征参数的关系。

关键词：熟料,网格划分,换热模型,热平衡

参考文献

[1]Von wedel, J.A single stage IKNpendulum cooler for 6000 TPD.Ce-ment Industry Technical Conference, 2005 (5) :15～20.

[2]李海滨, 闻严, 刘彬.篦冷机机械流量调节器的设计方法研究[J].机械工程学报, 2004, 40 (9) :171～174.

水泥冷却 篇3

由于水泥在粉磨过程中产生热量,大中型粉磨系统的成品水泥温度一般在100℃以上,即使经过输送和储存之后的出厂水泥温度通常也有80℃以上[1]。特别是辊压机+打散分级机(或V型气流分级机)+高细筛分磨的开路联合粉磨工艺[2,3,4,5,6,7],大型开流磨机即使采取了磨内喷水等降温措施,出磨成品水泥的温度仍高达110~150℃[5,7,8]。水泥温度过高(≥80℃),水泥与外加剂适应性会明显变差[9,10],同时高温水泥极易烫伤施工人员,所以用户十分希望出厂水泥温度能控制在70℃以下,甚至更低。另外生产工艺本身也要求将水泥温度控制在一定范围内,如成品水泥温度长期处于80℃以上,石膏慢性脱水,也会造成水泥假凝[1],水泥温度过高在包装过程中也易损坏包装袋。因此在水泥粉磨过程中对水泥进行冷却处理是十分必要的。

1 常用的水泥冷却方式简评

国内外常用的水泥冷却方式有五种:磨机内通风冷却、磨机外淋水冷却、磨机内喷水冷却、选粉机空气冷却和螺旋提升冷却器冷却。磨机内通风冷却主要受磨内最大风速和磨机尺寸等工艺条件的限制,冷却效果较差,目前大型水泥磨基本上已不采用此冷却方式。磨机外淋水冷却由于磨机壁厚,磨内装有衬板,热传导差,冷却效率低,水泥散热慢,所用冷却水量比较大,污染环境,目前大型水泥磨基本上不再采用此冷却方式。降低磨内水泥温度的最佳方式是磨机内喷水冷却,但它对喷水装置技术要求较高,有一定控制难度,特别是国产喷水装置能否长期可靠运行尚有待进一步验证。选粉机空气冷却和螺旋提升冷却器冷却这两种方式适用于冷却成品水泥。选粉机空气冷却方案在磨尾单独设除尘器,增大选粉机用风量,一次、二次和三次风基本上都用新鲜空气的前提下,对降低成品水泥温度有较明显效果[11,12]。它的缺点是一次性投资和运行费用高。目前在台商投资的几个水泥厂中有应用[11,12]。

用螺旋提升冷却器来冷却成品水泥是目前较好的一种方法,国外已广泛使用[13,14],而国内使用厂家则较少。它的冷却效果较好,出冷却器的成品水泥温度能降到70℃以下。该系统容易操作和控制,应用经济性较好。但该冷却器也存在下列缺陷:(1)吨投资和所需工艺空间较大,运行电耗偏高,冷却水用量大。(2)严格要求进冷却器的水泥中无碎球碎段等杂质,否则易造成提升螺旋卡堵,导致其无法正常工作。特别是近年国内应用较多开流筛分磨,尾仓配有大量Φ8mm的微段,磨机运行一段时间后,不可避免会有破碎或磨小的微段从磨尾漏出来,混在出磨水泥中进入下一工序。因此在该冷却器前需配备专门的筛分除渣设备,使工艺系统复杂并进一步加大了投资。(3)该冷却器使用一段时间后,与水流接触的筒体外侧表面会积垢和锈蚀,与水泥接触的筒体内侧表面会生成水泥包裹层,导致水泥冷却效果明显下降。据国外文献[15]介绍,4mm厚的水垢将降低传热系数约30%。(4)因筒体与螺旋叶片之间安装间隙较小,对筒体圆柱度的加工精度要求较高。国外制造商都对筒体内壁进行机械切削加工,而目前国内制造商尚无法做到这一点,所以只能生产小规格这类冷却器,其技术经济指标与国外同类规格产品相差甚远。

为了克服螺旋提升冷却器的缺陷,笔者设想将热管技术和流态化技术结合在一起,研制一种热管式流化床冷却器来冷却水泥,为此制作了模型,并进行了水泥冷却的模拟试验。

2 模型工作原理及基本结构

该冷却器模型外壳由筒体构成,内部布置多组碳钢-水热管。热管是一种高效传热元件,它通过在全封闭真空管内工质的蒸发与凝结来传递热量。高温水泥从顶部入口沿通道进入筒内下部后,被底部透气层吹入的压缩空气充分流态化,流态化后的水泥在上升过程中与热管蒸发段充分接触,其热量迅速传递到筒体外面的冷凝端。热管冷凝端的热量由冷却风机产生的冷却风带走。流态化后的水泥边冷却边上升,最后随气流从顶部出口溢出,经料气分离后被收集起来。同时水泥中可能存在的杂质通过下部专门排渣口排出机外。与螺旋提升冷却器相比,本装置省掉了冷却水系统,且没有回转部件,因而系统简单,运行维护费用降低。图1为该模型示意图。

3 模型的理论计算

3.1 流态化计算要点

(1)气流视在速度

式中:

ν——气流视在速度,m/s;

Vh——流态化空气体积流量,m3/s;

S——模型流态化截面积,m2。

(2)流态化空气质量流量

式中:

G——流态化空气质量流量,kg/s;

ρ——空气密度,kg/m3。

(3)料气输送比

式中:

μ——料气输送比;

GS——水泥质量流量,kg/s。

(4)模型单位截面积输送量GSS

(5)稳定运动时水泥平均速度和气流真实速度

由试验测定得到u/νa=0.823,则

式中:

u——稳定运动时水泥平均速度,m/s;

νa——气流真实速度,m/s;

ρS——水泥密度,kg/m3。

(6)单位模型长度内水泥量qs和空气量q

(7)模型内水泥密度ρas和空气密度ρA

(8)模型内料气混合物密度ρSA

3.2 热平衡计算要点

模型的热管排列形式设计成等边三角形。热管选用水为工质,管壳材料为20号锅炉无缝钢管。

3.2.1 计算传热量Q

(1)热料气混合物平均温度

式中:

tfh——热料气混合物平均温度,℃;

t1h——热料气混合物进口温度,℃;

t2h——热料气混合物出口温度,℃。

(2)热料气混合物放出热量

式中:

Qh——热料气混合物放出热量,k W;

CC——热料气混合物平均温度时的质量热容,k J/(kg·℃)。

(3)冷却气流吸收热量

式中:

Qc——冷却气流吸收热量,k W;

η——散热损失率(包括加热段和冷却段)。

3.2.2 冷却气流出口温度及对数平均温差

(1)冷却气流出口温度

式中:

t1c——冷却气流进口温度,℃;

t2c——冷却气流出口温度,℃;

Vc——冷却气流体积流量,m3/s;

ρLA———冷却气流平均温度时空气密度,kg/m3;

CLA——冷却气流平均温度时空气的质量热容,k J/(kg·℃)。

(2)冷却气流平均温度tfc

(3)对数平均温差Δtm

3.2.3 求总传热系数UH

(1)管束最小流通截面积

式中:

NFAh——热侧管束最小流通截面积,m2;

NFAc——冷侧管束最小流通截面积,m2;

ST——热管之间中心距,m;

do——热管外径,m;

le——模型内热管长度,m;

lc——模型外热管长度,m;

B——迎风面热管根数。

(2)最大质量流速

式中:

Gmaxh——热侧最大质量流速,kg/(m2·s);

Gmaxc——冷侧最大质量流速,kg/(m2·s)。

(3)求雷诺准数Re

式中:

Reh——热侧雷诺准数;

Rec——冷侧雷诺准数;

μh——热料气混合物平均温度时黏度,kg/(m·s);

μc——冷却气流平均温度时黏度,kg/(m·s)。

(4)求换热系数

式中:

hh——热侧料气混合物换热系数,W/(m2·℃);

hc——冷侧气流换热系数,W/(m2·℃);

λh——热料气混合物平均温度时导热系数,W/(m·℃);

λc——冷却气流平均温度时导热系数,W/(m·℃);

Prh——热料气混合物平均温度时普兰德数;

Prc——冷却气流平均温度时普兰德数。

(5)求单位长度热管管外总表面积Aph

(6)求污垢热阻ry及管壁热阻rw

式中:

ryh——热侧污垢热阻,m2·℃/W;

δy——污垢层厚度,m;

λy——污垢层导热系数,W/(m·℃)。

冷侧污垢热阻ryc可略去不计。

式中:

rw——金属管壁热阻,m2·℃/W;

δw———管壁厚度,m;

λw———管材导热系数,W/(m·℃)。

(7)求总传热系数

式中:

UH——总传热系数,W/(m2·℃);

rwh——热侧金属管壁热阻,m2·℃/W;

rwc——冷侧金属管壁热阻,m2·℃/W;

Ahh——热侧管外总表面积,m2;

Ahc——冷侧管外总表面积,m2;

Awh——热侧管中径为基准的圆管面积,m2;

Awc——冷侧管中径为基准的圆管面积,m2;

Ayh——热侧管污垢层外径为基准的圆管面积,m2;

Aih——热侧管内表面积,m2;

Aic——冷侧管内表面积,m2;

hhHP——以Aih基准的热管内部蒸发传热系数,W/(m2·℃);

hcHP——以Aic基准的热管内部冷凝传热系数,W/(m2·℃)。

3.2.4 求加热侧总传热面积AHh

3.2.5 求所需热管数n

4 模拟试验

4.1 第一次试验

试验用模型技术参数见表1。模型的试验数据见表2。试验结果表明:当水泥进口温度为101~121℃,平均进口温度为111.8℃时,水泥出口温度为76~89℃,平均出口温度为82.8℃。

4.2 第二次试验

根据第一次试验结果,决定在其它条件不变的情况下,通过加大料气混合物侧的供气流量,来观察水泥进出口温度变化情况。具体的试验数据见表3。试验结果表明:当水泥进口温度为103~124℃,平均为112.5℃时,水泥出口温度为72~87℃,平均为79.4℃。

4.3 第三次试验

根据第一、二次试验结果,决定将热管束由垂直式布置改为倾斜式布置,热管与水平倾角为20°,其它条件同第二次试验,以观察水泥的进出口温度变化情况。具体的试验数据见表4。试验结果表明:当水泥进口温度为103~125℃,平均为112.6℃时,水泥出口温度为67~77℃,平均为72.2℃。

4.4 结果分析和讨论

(1)当料气混合物侧的平均供气量从3.316m3/min(表1平均值)加大到4.126m3/min(表2平均值),即增加24.4%后,在水泥的平均进口温度基本不变前提下,水泥的平均出口温度下降了3.4℃,即下降4.1%。增大供气量后,空气对水泥直接冷却效果虽增强,但料流上升速度加快,使水泥与热管的接触时间缩短,热管的传热效果下降,两者增减效果部分抵消。说明料气混合物侧供气量变化对冷却水泥温度的影响较小。

(2)当热管束由垂直布置改为倾斜布置后,在水泥的平均进口温度基本不变前提下,水泥的平均出口温度下降了10.6℃,即下降了12.8%。说明热管束的布置形式对冷却水泥温度的影响较大。

(3)热管的传热效率没有预期的高,水泥的冷却效果有待进一步提高。虽然水泥温度下降的影响因素较多,但笔者初步认为主要影响因素如下:水泥的进口温度较低(约110℃),流态化后散状水泥的导热性能较差,导致热管热传输动力不足,热传导效率下降。

(4)高浓度水泥料流对热管的冲刷磨损程度,即普通碳钢热管的使用寿命,由于试验时间较短,尚未得到有关数据。

(5)长期使用后水泥对热管束可能产生的包裹,导致其热阻增大,传热效率下降,这一现象尚未得到验证。

5 下一步研究

考虑到热管式流化床水泥冷却器模型试验受试验场地、资金、技术条件等多种因素制约,获得的试验数据有限且不完整,几年前笔者也曾探索过在计算机上进行仿真模拟试验的可能性。受当时软件技术水平限制,此项研究工作未能深入下去。近年来市场上推出的CAE和CFD分析软件已日趋成熟,能达到很高分析精度,功能也越来越强大。下一步研究重点是在计算机上进行尽可能真实的仿真模拟试验。我们的分析研究对象是流体和粉体二相流状态、粉体和固体接触传热以及固体传热过程。具体研究思路是利用ABAQUS、STAR-CD及STAR-CCM+等固体、流体分析软件进行建模,模拟该冷却器内流态化后水泥连续流动过程及向热管热传导(流固耗合换热)过程。在此基础上进行多变量数值模拟试验和定量求解分析。在积累较多的试验数据后,利用i SIGHT和FIPER等设计优化软件对该冷却器进行优化设计,找出高性能、高可靠性、又成本低廉的设计方案,在此基础上再进行工业性试验。

摘要：通过将热管技术和流态化技术相结合,提出了冷却高温水泥的新型模型,在理论计算的基础上进行了实物模拟试验,试验结果表明:供气量变化对水泥的冷却效果影响较小,热管束的布置形式对水泥的冷却效果影响较大。当热管束采用倾斜布置且水泥进口温度平均为112.6℃时,水泥平均出口温度可降至72.2℃。

水泥冷却 篇4

1 变频切换循环水泵的电气配置和工艺要求

该项目中, 汽轮发电机为11.5MW, 冷却水的流量约为4 500~6 000t/h, 水泵选型为流量1 500t/h, 扬程20m, 配电动机功率为160kW。根据经验, 11.5MW单条线冷却水泵最大配置为4台水泵电动机工作, 1台备用, 为满足水量基本上至少得有两三台在工频下工作, 所以可以只采用2台变频器。但如果选择1台变频器拖4台水泵, 另外1台变频器只对最后1台水泵, 就需要做成非标的2台变频器配电柜。如果电动机容量小的话, 这种方法是合理的。但现在用的是容量较大的160kW水泵电动机, 若做成一拖四的非标柜, 则柜内有电抗器、接触器等元件, 加上电气距离的最低安全要求, 非标柜宽度需要1m以上, 这样开关成套厂做起来比较困难, 而且我们设计方也很难形成模块化的原理图。因此, 我们最后采用一拖三和一拖二的2种形式, 即2台变频器分别拖动3台和2台电动机。变频器选用西门子MM430系列, 容量160kW, 额定电流302A。其控制原理见图1。

变频器连接在水泵电动机上, 如果需要增加水泵电动机时, 由Siemens PCS过程控制系统给出信号来控制增加电动机。由于季节性的变化, 在夏天时, 可以4台循环水泵电动机全部工频工作。在冬天时, 可以3台工频, 1台变频运行。虽然是四用一备的方案但在实际运行中要求, 备用的电动机不是固定的某一台, 而是需要5台轮流成为备用电动机。

控制方案为中控室优先, 当变频器故障时, 可以就地启动或者停止水泵电动机 (直接启动) , 就算变频器故障也不影响工艺要求, 电厂可以正常运作。当然, 也可以根据用户需要, 设计成就地优先的控制方式。

2 变频切换循环水泵的控制切换方案原理

该项目循环水泵投切方式是根据现场情况的需要, 由带有Profi Bus总线接口的Siemens PCS系统控制变频与工频之间的切换, 调试时设定切换时间为600ms。

变频器首先连接在第一台电动机上对其进行启动, 变频器停止输出设置为自由停车。通过Profi Bus输入/输出信号给PCS系统中的PLC, 由PLC控制切换过程。切换开始前, 确保该电动机的电动阀是关闭的状态, 而且变频器的输出端不能连接电源, 也不能运行中带负载脱闸, 切换的过程应该按程序进行。具体原理如下:当变频器带第一台电动机频率达到50Hz时, 将这台水泵电动机切换到工频运行然后变频器停止输出, 由PLC切除变频接触器, 延时600ms (时间以现场调试为准, 用来减小电动机中的残余电压与电源电压的冲击) 后, 再切换到工频接触器。利用水泵的惯性, 将第一台电动机切换到工频, 切换完成后再打开第一台电动机的电动阀, 这样切换完成。根据需要再将变频器连接到第二台水泵电动机, 切换过程如同第一台水泵电动机。这样依次下去完成全部电动机的切换。根据循环水泵电动机工艺的要求, 也可以始终保持有一台电动机由变频控制。这种情况下停电动机时, 先停工频电动机, 切换工频泵时, 先关闭电动阀, 后停车, 这样为了防止有“水锤”现象产生。

3 控制过程中保护方案

变频柜里的远程启动继电器可以在PCS上位机里做内部连锁, 各个电动机变频启动都是互锁保护。低压室抽屉柜里放工频接触器和Siemens 3UF7电动机保护器, 由于电动机保护器软件里没有常闭接点, 所以在程序里“取反”来代替。电动机保护器与PCS总线系统连接。现场就地加急停按钮, 作为紧急停车时使用。在该项目中, 设计为中控优先的现场按钮方式即所有的信号都进PCS总线系统。如果需要也可设计成就地优先控制方式, 只需加一个转换开关盒, 采取现场和远程的控制方式。就算PCS出现故障, 也可以手动来控制工艺流程。保护回路 (电流检测、接地保护和过载等) 基本上都可以通过Profibus总线系统连接起来, 实时监控电动机和变频器的运行, 使余热发电运行更安全。

4 电路接线及切换时注意事项

1) 接线时

变频器断电时才允许把PROFIBUS模板插入变频器, 或者取出模板;模板与变频器是通过RS485或者SUB-D插座连接, 不能用电缆连接;总线电缆必须是屏蔽电缆, 屏蔽层必须与模板D型插座外壳相连;模板从变频器下面插入, 不需要单独供电源;3UF7电动机保护器常开接点“取反”与急停信号串联。

2) 切换时

电动机由变频切换到工频时, 变频器立即关闭而电动机的电流不会立即改变, 所以可以切换到工频工作。但由于有残余电压, 要延迟一些时间才能切换, 这个时间可以现场调试 (600ms) , 保证电源电压和残余电压冲击最小。值得注意的是:必须按照程序来切换, 投入时, 先启动电动机, 然后再开电动阀, 切除时, 要先关闭电动阀, 然后再停机。

5 调试和应用中的问题解决情况