空气冷却器在水泥工业的设计与应用

张建国，郑金平，王凤新，喻宏祥

空气冷却器在水泥工业的设计与应用

张建国，郑金平，王凤新，喻宏祥

空气冷却器是利用空气作为冷却介质将热介质冷却到所需温度的设备，已在水泥工业中得到应用。窑头废气流一般温度在200℃以上，工艺不稳定时能达到450℃。气流不仅温度高，含尘浓度也大，粉尘颗粒度比较大，易磨损所接触的介质。窑头的废气流进入窑头收尘器前必须经降温达到使用要求。本文主要论述了水泥工业中窑头空气冷却器的选型计算及运行维护的重点。

空气冷却器；水泥；窑头；降温

空气冷却器（以下简称“空冷器”）是利用空气作为冷却介质将热介质冷却到所需温度的设备。空冷器在20世纪30年代出现后，经多次改进已广泛应用于大型石化企业。近些年来，由于新型干法水泥生产线的推广，空冷器开始在水泥工业中得到应用，并取得较好的经济效益。新型干法水泥以悬浮预热和预分解技术为核心，热气流主要分为窑头和窑尾两股废气。由于这两股热气流所含粉尘的物性不一致，所采取的降温措施不一样。其中，由于窑尾废气所含粉尘的粘度较大，含尘量达到100g/m3，不适合用空冷器管束热交换（容易导致换热管的堵塞），因此本文主要探讨空气冷却器在水泥工业窑头热气上的应用。

1　水泥工业窑头废气的特点

窑头废气流主要来自冷却熟料的篦冷机，一般温度在200℃以上，工艺不稳定时能达到450℃。窑头废热气流不仅温度高而且含尘浓度大（达30g/m3以上），粉尘颗粒度比较大，易磨损所接触的介质。为了达标排放，窑头采用袋式除尘器是大势所趋。而窑头袋式除尘器滤料由于使用温度及窑头粉尘特性（粉尘颗粒大，易磨损，不能使用玻纤滤料）的限制，目前常用滤料为Nomex，在长期使用条件下要求含尘气流温度＜200℃，因此窑头的废气流进入窑头收尘器前必须经降温达到使用要求。

降温的措施方案：

（1）余热发电

水泥工业是一个高耗能的产业，每年消耗大量电力，增加了很多成本支出。将从窑头篦冷机出来的废热气流的热量转换为电能加以利用，符合国家的以热定电的产业节能政策。目前很多水泥旧生产线和新上的生产线都加配了窑头余热发电设备。虽然窑头废气经过余热发电后，气流温度能达到200℃以下，但这只是在正常生产工艺条件下。一旦窑头烧成工艺出现异常情况或余热发电设备出现故障，窑头废气温度无法确保低于200℃进入袋收尘器，将导致高温气流烧毁窑头袋收尘器的滤袋，造成整个工艺生产线停产，带来巨大的经济损失。

（2）喷水

在篦冷机喷水，降低窑头废气的温度也是一个较好的措施。但如果温度控制不好将导致篦冷机的结垢，影响篦冷机自身冷却熟料的效果。另外喷水会使工业用水增加，将给缺水地区造成负担。即使在水资源丰富的地区使用水冷，热流的排放本身也是一种对地表水和地下水的热污染，会破坏生态平衡。

（3）空气冷却器

对比以上两种方案，空气冷却器使用空气作为冷却介质将热气流冷却到所需要的温度，可节省大量工业用水，具有较高的经济环保性。如果无余热发电设备，配置空气冷却器，可以降低窑头废气温度，保证窑头袋收尘器的安全性；如果有余热发电设备，配置空气冷却器，可以在余热设备故障或工艺异常条件下使用，同样能保证窑头袋收尘器的安全性。

2　空气冷却器的设计条件

2.1确定空气的设计温度与气象参数

确定空气的设计温度，也是风机的进口温度，对空冷器的传热计算及经济性的评比具有重要影响。空气的设计温度一般选取当地夏季每年不保证五天的日平均干球温度或当地最热月的月平均温度。

气象参数要求取得最冷月的月平均温度和当地的大气压及空气的其他物理参数。这些参数可用于换热计算及冷却风机的选型。

2.2确定管内热气流的性质及参数

确定热气流的物理性质包括定性温度下的流量、比热容、密度、运动粘度、传热系数以及在进出口温度下热焓、普朗特数等。

确定热气流在管内的速度。由于窑头废气含尘浓度大，易磨损管壁，在长期使用情况下，管内含尘热气流的入口风速应＜20m/s。

确定热气流的降温范围，正常工艺条件下，窑头废气温度从250℃降到120℃（冷却到＜120℃，代价比较昂贵）；异常工艺条件下，窑头设计温度从450℃（高于450℃为工艺事故）降到200℃。

3　空气冷却器的设计方案

在详细的工艺计算前，须进行方案设计。计算空冷器所需要的换热面积，风机总换热风量，从而确定空冷器的规格和风机的型号、数量，以及在不同工艺和气象条件下风机风量的调节方式。

3.1确定空冷器布置方式

空冷器按布置方式可分为立式、水平式、斜顶式和V型多边式等。

立式的占地面积比水平式和其他方式小，但是高度比较高，壳体稳定性要求比较严格。

按通风方式可分为鼓风式、引风式和自然通风式。

鼓风式是指空气先经过风机叶片驱动，再穿过管束，其优点是结构简单，安装维修方便。

引风式是指空气穿过管束后再由风机叶片引出，气流穿过管束分布比较均匀，操作稳定性好。但缺点是风机置于管束空气出口处，直接受热空气影响，要求叶片和传动装置耐热性能好。风机的维护和运行比较困难。

自然通风式是依靠自然对流进行换热，效率比较低。

综合以上考虑，在水泥工业中优先选用立式鼓风式（轴流风机）空冷器布置方式。

3.2确定空冷器管箱的排列方式

管箱的布置分为顺排和交叉排管束两种方式。顺排时冷却空气从比较平直的管间隙中流动；而在交叉排中，冷却空气不得不在曲折的流道中迂回流动，扰动更大些。水泥工业中推荐采用交叉排布置的空气冷却器。交叉排换热强于顺排，且在相同换热面积下，交叉排布置更紧凑，节省了占地空间。但是交叉排的阻力系数略大于顺排。经长期实践统计和计算，在正常工艺条件下，相同处理风量的交叉排空冷器的阻力比顺排空冷器大20%左右。

3.3热负荷的计算

确定热气流在降温范围内，所带入的热负荷与带出的热负荷，两者差值即为需要交换的热负荷。

3.4空气出口温度的估算

空气出口温度与传热系数、管束结构等因素有关。提高空气出口温度，可增加风的利用效率，减少风机风量和数量，但会导致传热效率的降低，造成换热面积的增加。因此合理地估算空气出口温度对初步计算所需的换热面积具有重要影响。

3.5计算空冷器的总传热系数

结合估算的空气出口温度以及热气流的降温范围，确定在这些定性条件下的热介质和空气的物理参数，通过传热学公式计算出总传热系数。

3.6传热温差的计算

窑头空冷器的传热温差包括热废气的传热温差和空气的传热温差。传热温差采用对数平均温差法计算。

3.7计算传热面积

由热负荷、总传热系数和传热温差计算空冷器所需要的传热面积。

3.8空冷器管内的阻力计算和管外空气阻力的计算

空冷器的管内阻力包括冷却管的沿程阻力、进出口局部阻力和冷却管内的灰阻。

管外空气阻力与管束的布置方式和管外的空气风速有关。

3.9风机的选型

由需要交换的热量和空气的进出口温差（非对数传平均温差），计算所需要的总冷却风量。管外空气阻力即是风机的最小全压。根据管束的布置确定风机的单台风量。

根据单台风机风量和风机的传动方式（直联或皮带）计算单台风机的额定功率。

另外，根据管内介质的性质和温度控制的要求及气象参数，可以选择调节风机叶片角度或采用变速风机。

4　空气冷却器的控制要求

4.1安全性

窑头空气冷却器是保证窑头袋收尘器运行的可靠保证，因此窑头空冷器准确及时的启动是工艺安全运行的重要保障。但由于工艺操作的复杂性、不确定性和人为造成的失误，窑头空气冷却器的开启在控制上不仅要有中控人员的手动开启功能还应有自动开启功能。自动开启功能应根据窑头空冷器入口温度来判定。入口温度的判定由设置在空冷器入口处的两个热电偶来确定，并以两个热电偶所取的最大温度值作为中控控制空冷器的依据。

4.2降低能耗

窑头空气冷却器一般配置数台至十几台的轴流风机（风量更小的风机可以配置到几十台），这些轴流风机长期使用，能耗非常大。尤其是在有余热发电情况下，部分热气流进入空冷器，轴流风机全部打开，会造成电能的浪费。可以通过空冷器入口温度来调节控制部分轴流风机的开启与停止，降低空冷器运行的能耗。即，当入口温度低于某一设定值时，预先选定的部分轴流风机便停止转动；而当温度高于另一个定值时，所停转的风机开启。

5　空气冷却器的运行与维护

（1）在水泥厂应用空冷器的长期实践中我们发现，即使中控操作窑头热气流全部进入余热锅炉中，由于阀门在高温下的腐蚀和膨胀，仍会有少部分含尘热气流进入空气冷却器。因此窑头空冷器的排灰泄灰系统必须持续运行，以防排灰泄灰系统的堵塞。

（2）空冷器正常运行过程中，须用日志和报告记录出错的信息，并对其进行过程追踪，以保证所有的操作正确有序地进行。定期在轴流风机旁和DCS显示器的屏幕菜单上检查轴流风机的运行信号。按要求对运行参数做细微调整，以避免错误信号引起的停机并防止运行组件的损害。

（3）定时检查并记录温度数据，与正常温度相比较，可以及时发现系统错误。为保证空冷器在无故障的情况下连续运行，应执行适当的检修程序。

［1］GB/T 15386-1994，空冷式换热器［S］.

［2］赖周平，张荣克.空气冷却器［M］.北京：中国石化出版社，2010.

［3］赵振南.传热学［M］.北京：高等教育出版社，2002.

［4］张荣克.我国高寒地区空冷器的应用-热风循环湿式空冷器［J］.石油化工设备技术，1997，（5）.■

Design and Application of Air Cooler in Cement Industry

Zhang Jianguo，Zheng Jinping，Wang Fengxin，Yu Hongxiang
（Sinoma Technology&Equipment Group Co.，Ltd.，Tianjin 300400，China）

Air cooler，which has been applied in the cement industry，is a device using air as the cooling medium to cool the heat medium to the required temperature.Generally the temperature of the kiln head exhausted airflow is up to 200℃，even reaches 450℃when the process is unstable.The airflow has the character of high temperature and dust concentration and its dust particle size is relatively large，so it is easy to wear the contacted media.The kilnhead exhausted airflow must be cooled to reach requirements before entering into kilnhead dust collector.This paper mainly discusses the selection and computing for the kilnhead air cooler and focus on the operation and maintenance of it in the cement industry.

air cooler；cement；kilnhead；cool

TQ172.622.29

A

1001-6171（2015）04-0050-03

通讯地址：中材装备集团有限公司，天津300400；

2014-11-16；编辑：赵莲