摘 要：本研究基于螺旋形减阻器理论，提出在C1旋风筒内筒增设导流板的优化方案。通过CFD模拟与工业试验验证，结果表明，导流板通过抑制旋流动能损失，旋风压损显著降低，分离效率略微下降。验证了导流板作为简化螺旋形减阻器的技术可行性与经济性，为水泥行业节能技改提供依据。

关键词：预热器；旋风筒内筒；导流板；螺旋形减阻器；压损

0 引言

在水泥生产过程中，旋风筒作为预热器系统的重要组成部分，其性能直接关系到整个生产线的能效与运行成本，其压损与分离效率的平衡优化是行业难题。传统设计中，内筒气流以旋流-轴向混合流动为主，导致显著的湍流阻力损失。白崇功、陆雷等研究表明，螺旋形减阻器通过抑制旋流动能可降低阻力20%～40%，但分离效率可能下降。中材国际工程股份有限公司通过工程实践提出，简化导流板设计可兼顾减阻与效率稳定性(效率损失＜1%)。基于此，提出导流板优化方案，并验证其工业适用性。

01 方案确定

某水泥厂的C1旋风筒平均压损维持在1400Pa左右，而预热器出口的压损则高达5300～5500Pa。这一较高的压损水平不仅增加了电耗，还对整个生产线的能效产生了不利影响。

本研究的技术方案基于螺旋形减阻器理论，在内筒加装螺旋形减阻器可降低压损40%，同时分离效率仅下降＜1%。然而，传统螺旋形减阻器结构复杂、成本较高，且需定制化改造内筒，限制了其在工业场景的推广。

为了进一步提高旋风筒的性能，减少系统阻力，部分水泥厂已经开始尝试在内筒中增加导流叶片的设计。导流叶片作为一种有效的流动控制手段，能够引导气流更加顺畅地通过旋风筒，从而减少涡流和回流现象，降低压损。

基于上述背景，选择导流板简化方案，其技术优势包括：

(1)理论可行性，导流板通过引导气流由旋流主导转为轴向主导，抑制强制涡区能量耗散，符合螺旋形减阻器的核心原理。

(2)工程适配性，采用螺旋导流板设计(图1结构设计图)，可适配现有内筒结构，无需改造预热器主体，改造工作量小，成本低。

图1 结构设计图

(3)风险可控性，导流板与内筒采用焊接连接，支持快速切割拆卸恢复原设计，规避改造的不可逆风险。

02 CFD模拟

通过CFD模拟技术对C1旋风筒内筒结构优化进行初步验证，根据现场的实际运行情况进行模拟，初步验证该优化的影响。模拟分析条件见表1，增加旋流叶片效果模拟见图2。

表1 模拟分析条件

图2 CFD模拟照片

(1)图2采用速度矢量绝对值上色，见比例尺；

(2)大颗粒物料运行轨迹速度，见最外侧深红色轨迹，改造前后变化不大；

(3)旋风筒入口处内侧与内筒之间无效区域紊流情况，改造前后显著减少；

(4)内筒内部区域改造后，由于旋转风向被抑制，内筒内部区域外侧风速显著降低，由图上可见浅红色高速区域显著减少，浅蓝色低速区域增多；

(5)内筒内部外侧空白无效区域，改造后明显减少，内筒空间利用率上升。

03 结果与分析

3.1 压损降低

模拟结果显示，内筒出口平均风速降低约20%，这一数据直接验证了导流叶片在减少气流通过旋风简时阻力方面的有效性。通过控制旋流速度并降低其速度，导流叶片能够显著降低气流在旋风筒内部流动过程中的能量损失，从而提高整体流动效率。阻力损失(压损)由达西-魏斯巴赫公式计算得到：

可知在其他条件不变的情况下，风速降低时，压损与风速的平方成正比，综合整个系统推测此次改造可降低压损10%左右。

3.2 气流路径优化

CFD模拟结果进一步揭示了导流叶片如何有效地优化旋风筒内的气流路径。导流叶片的引入显著减少了死区和回流及紊乱现象，这些现象在旋风筒中往往会导致气流不畅、增加压损，并降低颗粒物的沉降和分离效率。通过引导气流更加顺畅地通过旋风筒，导流叶片的设计成功地避免了这些不利现象的发生，从而提高了旋风筒的整体性能。

3.3 分离效率稳定性验证

安装导流板后，C1旋风筒的分离效率没有明显地降低。减阻装置对分离效率的影响主要取决于外旋流区切向速度的保留程度"。导流板显著降低了效率损失，抑制了内旋涡区湍动能耗散，同时保留外旋流区的切向速度，确保颗粒离心分离效果。通过CFD模拟提取导流板安装前后旋风筒不同区域的切向速度分布，见图3。

图3 切向速度分布

(1)外旋流区(4～6)：改造后切向速度均值由17.8m/s略微下降至17.6m/s(降幅1.1%)，仍维持较高水平，表明外旋流区离心力场未显著削弱。

(2)内旋涡区(1～3)：切向速度均值由10.1m/s降至8m/s(降幅20.8%)，强制涡强度显著降低，验证了导流板对旋流动能的抑制作用。导流板通过轴向流引导，抑制了内旋涡区的旋流动能，但外旋流区切向速度基本保留，确保颗粒离心分离效果。

04 试验验证

为了验证模拟结果的准确性，在该水泥厂进行C1旋风筒内筒优化，现场安装见图4，安装后前后对比数据见表2。

图4 安装照片

表2 安装前后对比数据

经过实际安装试验验证与CFD模拟结果的对比分析，我们得出以下结论：

导流叶片的加入确实导致C1旋风筒的压损有。所下降，实际下降幅度与模拟预测的10%整体趋势一致，证实了导流叶片在减少气流阻力、降低能量损失方面的有效性。这一结果进一步强化了模拟结果的可靠性，表明CFD模拟技术在预测旋风筒性能优化方面有一定的准确性。

05 结论

综上所述，通过实际安装试验与CFD模拟结果的对比分析，本研究验证了导流板作为简化螺旋形减阻器的技术可行性与经济性，为水泥行业预热器系统的节能技改提供了科学依据与实践指导。未来研究可进一步优化导流板结构参数，探索其在更高风速或更复杂工况下的性能表现。

有关本文：

作者：马峰

单位：安徽海螺川崎装备制造有限公司

来源：水泥工程2025年第4期