引言

在水泥生產(chǎn)線上，我們對現(xiàn)場風(fēng)機進(jìn)行檢查，會發(fā)現(xiàn)機殼內(nèi)部積聚了大量的粉塵，特別是在進(jìn)氣箱底部、蝸殼底部和葉輪處。由于高溫風(fēng)機、循環(huán)風(fēng)機以及水泥磨循環(huán)風(fēng)機連續(xù)性運行持續(xù)地輸送著含塵氣體，粉塵會附著在葉輪背面，越積越多。機殼內(nèi)葉輪的積灰對風(fēng)機動平衡的影響最大。粉塵一旦堆積過多，會導(dǎo)致風(fēng)送系統(tǒng)輸送效率降低，風(fēng)機振動異常，嚴(yán)重時會因風(fēng)機振動的加劇而使軸承損壞。本文以水泥磨循環(huán)風(fēng)機系統(tǒng)為例，對風(fēng)機葉輪積灰的原因進(jìn)行分析，并提出改善措施。

某水泥粉磨系統(tǒng)配套輥壓機180×160，球磨機Ф4.2 m×13 m，靜態(tài)選粉機V5000、動態(tài)選粉機M5000，旋風(fēng)筒除塵器2×Ф4 300，并配套風(fēng)量Q=340 000 m3/h、全壓P=5 800 Pa、裝機功率710 kW的循環(huán)風(fēng)機。該項目自投入運行后頻繁出現(xiàn)積灰振動：

（1）當(dāng)風(fēng)機空載運行頻率開至50 Hz時，空載振動值為2.5～3.0 mm/s；

（2）在投料運行一個班次8 h內(nèi)，風(fēng)機振動值上升至7.5 mm/s以上造成設(shè)備跳停；

（3）打開檢修門發(fā)現(xiàn)葉輪背面有明顯積灰及進(jìn)氣箱底部有積料情況，見圖1（左邊為葉輪現(xiàn)場積灰情況，右邊為進(jìn)氣箱現(xiàn)場積料情況）。

圖1 葉輪（左）及進(jìn)氣箱（右）積料情況

針對上述問題，本文從風(fēng)機的結(jié)構(gòu)、氣流含塵量、流速以及物料的性質(zhì)等方面進(jìn)行分析。

2.1 風(fēng)機的結(jié)構(gòu)

從設(shè)計上講，風(fēng)機的能效指標(biāo)是第一位的，一般按照給定參數(shù)及配套轉(zhuǎn)速選取最佳葉片安放角度、包角及相關(guān)截面尺寸，但未充分預(yù)料到該系統(tǒng)投入運行后可能出現(xiàn)的極端工況。該循環(huán)風(fēng)機相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

從理論上講，風(fēng)機在輸送含塵氣體時會在葉輪葉片背面形成一定的低壓渦流區(qū)，是理論上的積灰區(qū)域。研究表明，通過對葉輪中氣體流場及粉塵運動規(guī)律的分析，粉塵主要附著于葉片的非工作面，特別是粘附在葉片非工作面（見圖2）的前緣及后緣區(qū)域。因此在不同應(yīng)用場合下選用何種風(fēng)機、何種葉片結(jié)構(gòu)顯得尤為重要。不同的葉片結(jié)構(gòu)會體現(xiàn)出不同的使用性能，機翼型葉片及單板型葉片均對應(yīng)有各自的適用工況。

2.1.1機翼型

受機翼型升力的正向影響，機翼型葉片的設(shè)計效率值較單板型葉片會高出4%～6%，但其結(jié)構(gòu)型式為中空類型，在高粉塵濃度工況下工作面一旦被粉塵磨穿，粉塵進(jìn)入中空腔體會迅速造成動平衡丟失，且這種損傷是不可修復(fù)的。機翼型風(fēng)機雖然有極大的效率優(yōu)勢，若應(yīng)用于高粉塵濃度場合其前提是必須確保抗磨損性能，因此水泥行業(yè)的循環(huán)風(fēng)機一般都避免選用機翼型。

2.1.2單板型

單板型葉片根據(jù)其葉片的彎曲程度大體可分為前向型、直板型及后向型（見圖3，從左到右依次為前向型、直板型、后向型），由于這三種形式的葉片進(jìn)出口安放角、葉片長短及曲率的不同其效率值也是不一樣的。雖然單板葉片的效率值相較機翼型不具備優(yōu)勢，但是單板型葉片抗磨損、現(xiàn)場修補及維護(hù)動平衡方面具備不可替代的優(yōu)勢，是高粉塵濃度工況下的首選葉型。前兩種葉片類型較后向型葉片雖然積灰量較少，穩(wěn)定性較好，但在效率值上會少10%以上。

圖3 前向型、直板型及后向型單板葉片

（1）前向型：效率值較低（60%～75%），葉片按照單圓弧型來設(shè)計，一般使用的壓力較高，轉(zhuǎn)速不低于1 480 r/min，積灰量很大。

（2）直板型：效率值低（65%～73%），葉片型線基本呈一條直線，積灰量較少。

（3）后向型：效率值高（80%～84%）、葉片最長、包角最大是其在單板型葉片中效率最高的主要原因。但是由于其對含塵氣體的攜持作用最強，接觸面積最廣，從本質(zhì)上來講此類型葉片的風(fēng)機若使用在含塵濃度超過120 g/Nm3且濕度較大或溫度極高的工況時，就一定存在積灰的風(fēng)險，即相對易積灰。

另外，直板型葉片出口安放角發(fā)展成90°，就成了徑向型葉片，其效率值最低（58%～68%），葉片型線基本呈一條直線，通過離心力將粉塵沿徑向拋出去，積灰量很少。

總之，效率值越高，積灰量越多；效率值越低，積灰量越少。

2.1.3各葉片結(jié)構(gòu)比較

結(jié)合前述內(nèi)容就不同類型葉輪葉片結(jié)構(gòu)與日常生產(chǎn)及設(shè)備管理密切相關(guān)聯(lián)的效率、積灰、比轉(zhuǎn)速、潛在風(fēng)險、現(xiàn)場修補等5個方面進(jìn)行對比分析，結(jié)果見表2。

表2 各葉片結(jié)構(gòu)性能對比

2.2 氣流含塵量

一般來講，風(fēng)機作為系統(tǒng)中的設(shè)備不會在短時間內(nèi)積聚大量灰塵。若在很短的時間內(nèi)風(fēng)機葉輪及進(jìn)氣箱底部出現(xiàn)大量積灰，說明進(jìn)入風(fēng)機的氣體含塵量偏高。粉塵在風(fēng)機葉片背面上的沉積程度，與風(fēng)機前除塵器結(jié)構(gòu)型式和除塵效率密切關(guān)聯(lián)。水泥磨循環(huán)風(fēng)機前端多采用旋風(fēng)筒除塵設(shè)計，旋風(fēng)筒除塵效率的高低直接影響循環(huán)風(fēng)機進(jìn)口含塵濃度的大小，如發(fā)現(xiàn)循環(huán)風(fēng)機積灰嚴(yán)重時，應(yīng)首先依次對循環(huán)風(fēng)機進(jìn)口到磨機出口工藝段進(jìn)行檢查，對管道上調(diào)節(jié)閥門開度、旋風(fēng)筒內(nèi)部積灰情況和出口風(fēng)速、卸料器運行情況、V型選粉機內(nèi)部積灰情況等進(jìn)行逐一排除，避免因上述流程設(shè)備問題造成系統(tǒng)氣流含塵量異常偏高。

2.3 氣流流速

流速對沉積物的形成有著顯著的影響，這是因為隨著流速的增加，氣流的沖擊力和分離效果增加。當(dāng)氣流在葉輪中改變方向時，黏土塵粒從主流中分離出來，高速撞擊葉輪并粘附其上。風(fēng)機在進(jìn)氣箱的流速不能過低，否則極易在進(jìn)氣箱底部積存有大量的灰塵，使得風(fēng)機運行狀況惡化，比如水泥磨循環(huán)風(fēng)機因進(jìn)氣箱積灰而啟動困難。氣流流經(jīng)風(fēng)機進(jìn)氣箱時，在進(jìn)氣箱的子午截面及垂直于轉(zhuǎn)軸的平面上，流道截面積逐漸收縮，應(yīng)該保持一個適度的加速。經(jīng)過計算原風(fēng)機進(jìn)氣箱進(jìn)口流速Vs=18.4 m/s，在此種工況下該流速算是偏低的。

2.4 物料的性質(zhì)

沉積通常是以灰塵的混合物方式形成的，抽樣檢驗表明，通常情況下，黏土和堿金屬化合物可以促進(jìn)沉積物的形成。黏質(zhì)塵粒高速撞擊葉片的前緣，沉積物（通常來自黏土）就會形成了堅硬牢固的且不易揮發(fā)的塊狀物。風(fēng)機進(jìn)口氣流中塵粒的水分越大，在葉片上積聚的速度就會越快。與此同時，當(dāng)氣體中含有黏性較大的顆粒時，葉片的積灰速度會加快且積灰程度也會加重。

風(fēng)機作為水泥生產(chǎn)中一項重要的拉（或鼓）風(fēng)設(shè)備，部分系統(tǒng)受工藝設(shè)計及當(dāng)?shù)匚锪嫌绊懀斐缮倭匡L(fēng)機內(nèi)部不可避免地出現(xiàn)積灰現(xiàn)象。結(jié)合上述相關(guān)分析，就水泥磨循環(huán)風(fēng)機的積灰問題提出以下解決辦法。

3.1 正確選用風(fēng)機

目前水泥生產(chǎn)常用配套離心風(fēng)機從結(jié)構(gòu)上可分為：雙吸雙支撐、單吸雙支撐及單吸懸臂式三種；從葉片結(jié)構(gòu)則可分為：單板型和機翼型（見圖4）。

圖4 離心風(fēng)機的葉片結(jié)構(gòu)

對于水泥廠中的含塵系統(tǒng)，選用不同結(jié)構(gòu)型式的風(fēng)機及葉片結(jié)構(gòu)對實際使用效果均會造成一定程度的影響。關(guān)于風(fēng)機的選用，需綜合考慮：

（1）穩(wěn)定性：雙吸雙支撐＞單吸雙支撐＞懸臂式；效率值：機翼型＞單板型；

（2）積灰量：單板型＞機翼型；抗磨損：單板型（堆焊/耐磨板）＞機翼型；

（3）含塵量：對含塵（一般設(shè)計值為80～120 g/Nm3）工藝段風(fēng)機的選用需遵循少/不積灰、振動值小，穩(wěn)定性好、效率值較高的原則。在目前的主流設(shè)計中應(yīng)以雙吸/單吸雙支撐的為首選，且葉片型式盡量采用單板型。因此，從表1可知，該系統(tǒng)循環(huán)風(fēng)機的結(jié)構(gòu)型式及葉型能滿足現(xiàn)場使用需求。

3.2 提高進(jìn)氣箱流速

該循環(huán)風(fēng)機為徑向進(jìn)氣箱結(jié)構(gòu)，氣體的流動方向為先徑向后軸向，產(chǎn)生了一個90°的轉(zhuǎn)彎，尤其是在進(jìn)氣箱的底部形成了一定的渦流區(qū)。該循環(huán)風(fēng)機進(jìn)氣箱流速偏低，后期在此類風(fēng)機設(shè)計中可以將其提升至24 m/s以上。基于以上分析，針對該循環(huán)風(fēng)機可以在進(jìn)氣箱內(nèi)部增加斜板，使進(jìn)氣箱內(nèi)部底部截面積迅速變小，含塵介質(zhì)的流速快速增加，使料塵更容易被帶入機殼內(nèi)部，隨著葉輪的旋轉(zhuǎn)帶出，圖5綠色板所示即為內(nèi)部增加的斜板。

圖5 進(jìn)氣箱改進(jìn)示意圖

3.3 降低風(fēng)機運行轉(zhuǎn)速

當(dāng)葉輪發(fā)生積灰的時候，在同等含塵及積灰量的前提下，葉輪轉(zhuǎn)速越高因不平衡量造成的振動值就越大，結(jié)合水泥廠實際操作要求，當(dāng)轉(zhuǎn)速大于1 000 r/min，振動值≥6.3 mm/s軸承振動報警，振動值≥11 mm/s時軸承振動跳閘。因此，從降低轉(zhuǎn)子部件的允許不平衡量角度出發(fā)，含塵風(fēng)機的運行轉(zhuǎn)速越低，其葉輪容許的不平衡量就越大。對于部分廠家在風(fēng)機設(shè)計選型時若沒有更好的解決措施，可以適當(dāng)考慮降低風(fēng)機配套電機的設(shè)計轉(zhuǎn)速，對于工頻運行的風(fēng)機可適當(dāng)考慮增加調(diào)速裝置。該循環(huán)風(fēng)機運行頻率大約為47 Hz，通過改變?nèi)~輪氣力模型在增大葉輪出力后，將風(fēng)機運行頻率降低至43 Hz以下，則可以提升風(fēng)機運行的穩(wěn)定性。

3.4 改變?nèi)~型設(shè)計方法

改善措施的基本前提是兼顧效率與積灰風(fēng)險，需要重點關(guān)注其葉輪型線的設(shè)計。當(dāng)氣流的休止角和葉輪葉片進(jìn)口角一致時，氣流的氣動效果最好，且當(dāng)葉片出口角增大時，灰塵的粘附率越低。通過增大葉輪葉片的進(jìn)口角度及出口角度，可增大灰塵粘到葉輪葉片非工作面上的難度，使葉片非工作面本身變得更不容易積灰。具體改進(jìn)措施是：將葉片包角降低至40°～45°，葉片出口安放角增大至44°～47°，根據(jù)性能需求采用對數(shù)螺旋線重新設(shè)計的葉型可以在不大幅度降低效率的前提下有效降低風(fēng)機葉輪的積灰風(fēng)險。

以該循環(huán)風(fēng)機710kW配套電機為例，當(dāng)風(fēng)機自身運行效率提升10%，其本質(zhì)就是在同風(fēng)量風(fēng)壓下節(jié)電率約等于10%，可粗略估算該風(fēng)機每小時節(jié)約電量為71 kWh。若按照年運行5 000 h計算，則每年節(jié)約電量=小時節(jié)電量×年運行時間=71×5 000=3.55×105kW。因此新葉型的設(shè)計需要兼顧穩(wěn)定性與效率值，葉輪的設(shè)計對高粉塵濃度工況下使用的水泥磨循環(huán)風(fēng)機至關(guān)重要。

3.5 加強物料水分的控制

該生產(chǎn)線主要生產(chǎn)P·O42.5級硅酸鹽水泥，脫硫石膏占比5%～8%，石灰石水分1.3%～1.8%，脫硫石膏水分12%～15%，石膏占比及水分均偏大。脫硫石膏占比和及其水分的偏高是造成進(jìn)入風(fēng)機物料水分偏高的主要因素，可將脫硫石膏綜合外在水分通過一定時間的晾曬控制在9%以內(nèi)，以此來降低氣體含塵的黏性，從而降低葉片的積灰速度。

綜上所述，離心風(fēng)機的效能受多個參數(shù)互相影響，結(jié)構(gòu)型式、葉型設(shè)計、轉(zhuǎn)速匹配都會對現(xiàn)場的使用產(chǎn)生一定的影響；當(dāng)風(fēng)機因積灰而頻繁振動時，需同時從多個方面進(jìn)行排查，風(fēng)機的運行受系統(tǒng)布置、工藝操作、物料理化特性等方面的影響較大；對于水泥磨循環(huán)風(fēng)機，盡量不采用機翼型葉輪。采用單板型葉輪時，除了優(yōu)化風(fēng)機進(jìn)氣箱、降低運行轉(zhuǎn)速外，同樣對葉輪的優(yōu)化設(shè)計需要兼顧風(fēng)機效率與積灰風(fēng)險；系統(tǒng)運行的狀態(tài)、離心風(fēng)機的設(shè)計以及工藝系統(tǒng)的匹配程度均會影響到系統(tǒng)運行電耗及臺產(chǎn)的指標(biāo)。作為設(shè)備廠家將高效離心風(fēng)機應(yīng)用在水泥行業(yè)的節(jié)能降耗中去，更好地服務(wù)企業(yè)，降本增效，挖掘潛能，是值得一直追求的目標(biāo)。

作者：薛建康

來源：《上海瑞晨環(huán)保科技股份有限公司》

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