固氣熱交換與固液熱交換的水泥冷卻方法之比較

鄭用琦 黎珀翔

（1.武漢理工大學建材裝備研發(fā)中心，武漢市 430072；2.武漢硅工技術(shù)研究所，武漢市 430072）

0 引 言

出磨水泥溫度高對水泥質(zhì)量的影響程度，及對終端用戶造成的危害已眾人皆知，并愈來愈多地受到水泥企業(yè)的高度關(guān)注，由此出現(xiàn)各種新老不同的水泥冷卻方式和方法，它們無外乎是直接冷卻和間接冷卻兩種類型，目前企業(yè)比較常見的磨內(nèi)噴水冷卻水泥方法屬于直接冷卻；間接冷卻方式的有立筒螺旋式水泥冷卻器、臥式螺旋水泥冷卻器、熱管斜槽式水泥冷卻器、熱管式和水管式流化床水泥冷卻器等冷卻方式，其中使用最早最多的是立筒螺旋式水泥冷卻器，它是一種典型的以水作為冷卻介質(zhì)的間接的熱交換過程，云浮水泥廠和珠江水泥廠曾先后購買過Polysius公司和F.L.Smidth公司的立式螺旋提升冷卻器冷卻出磨水泥，隨后國內(nèi)也出現(xiàn)模仿生產(chǎn)類似的冷卻器投入使用，如：HTL立式螺旋提升水泥冷卻器，VCC立筒式水泥冷卻器。這種冷卻器是一種以水作介質(zhì)逆流運動原理下的間接熱交換器。水泥磨內(nèi)噴水直接冷卻技術(shù)是固液之間熱交換技術(shù)的一種，它早在八、九十年代國外企業(yè)就在應(yīng)用。其余幾種方式由于尚在研發(fā)階段，大面積推廣使用不多，故在此不逐一表述。

本文描述的固氣熱交換水泥冷卻方法是一種直接冷卻方式，它是以零下15～5℃的低溫空氣而非常見的水作為冷卻介質(zhì)，對水泥進行固氣之間直接熱交換的冷卻方法，這是一種國內(nèi)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的全新的冷卻方式。

1 固氣熱交換直接冷卻方式的特點和機理

空氣能量分離（器）技術(shù)是實現(xiàn)該水泥直接冷卻方式的核心，其冷卻機理是由空氣能量分離器產(chǎn)生的一種零下15～5℃的低溫空氣與環(huán)境溫度的空氣混合，形成均衡適宜的亞低溫空氣后，進入到粉狀物料的水泥顆粒周圍，實現(xiàn)與其進行的固氣熱交換。

根據(jù)水泥生產(chǎn)工藝過程及設(shè)備的特點，空氣輸送斜槽是水泥生產(chǎn)企業(yè)使用最為普遍的輸送設(shè)備，其設(shè)備構(gòu)造與輸送物料機理適宜采用該水泥直接冷卻方法，是實現(xiàn)水泥直接冷卻方式方法中性價比最高的方法之一。其冷卻水泥的機理是：空氣能量被分離后產(chǎn)生的低溫氣體與斜槽風機輸出的常溫空氣一并送入斜槽下層的氣箱內(nèi)被混合均勻，形成適宜的亞低溫空氣后，再穿過斜槽透氣層滲透到上面作流態(tài)化運動的水泥顆粒中，從而實現(xiàn)與水泥的熱交換，達到直接冷卻水泥的目的，這種冷卻水泥方式可達到其它間接冷卻方式無法實現(xiàn)的冷卻效果。

2 固氣與固液熱交換方式方法的比較

將固氣熱交換直接冷卻方式與常用的立筒螺旋式水泥冷卻器間接冷卻和磨內(nèi)噴水直接冷卻的固液熱交換兩種方法，就其性能特征及應(yīng)用狀況進行對比分析。

2.1 結(jié)構(gòu)形式與冷卻機理

立筒螺旋式水泥冷卻器外形似圓桶狀，由鋼板制成的圓柱型殼體及上、下蓋和進、出料口組成。早在七、八十年代F.L.Smidth公司就生產(chǎn)此類立筒螺旋式水泥冷卻器，內(nèi)部主要為類似于立窯中常用的雙軸攪拌機的螺旋葉片構(gòu)成；水泥從筒體底部沿筒體內(nèi)壁提升至筒體頂部，通過筒壁實現(xiàn)與筒外冷卻水的熱交換；冷卻水由獨立的供水系統(tǒng)提供，包括水泵、冷卻塔、循環(huán)水池和供水管路；冷卻水從筒體頂部周圍自上而下順勢流動形成的淋水墻，底部有集水槽。使用后的冷卻水被收集并送回到水循環(huán)系統(tǒng)中，經(jīng)冷卻后循環(huán)使用。水泥從筒體底部的喂料口進入，由螺旋葉片沿筒體內(nèi)壁提升至頂部的出料口，水泥在被提升的過程中，與筒內(nèi)壁充分接觸，將熱量通過筒壁傳遞給筒壁外向的水墻上，水泥的冷卻過程中與冷卻水的運動方向是一種逆向運動，是一種連續(xù)不斷間接的熱交換過程。

水泥磨內(nèi)噴水技術(shù)早在八、九十年代國外已應(yīng)用，一般由密封水套、單向閥、減壓閥、溫度傳感器、電動閥壓力開關(guān)、調(diào)節(jié)器、潤滑水泵、壓縮空氣、水泵、噴頭等部件組成噴水系統(tǒng)。在出料端,水的噴注是由水泥溫度進行控制的，進料端由擋水板的溫度進行控制，水泥溫度由磨機出料口或噴頭附近的熱電偶進行測量，信號放大后,與調(diào)節(jié)器中的可調(diào)基準信號進行比較，通過調(diào)節(jié)水閥開大或關(guān)小，直到水泥溫度達到要求值為止，擋水板溫度由磨機擋水板內(nèi)的鉑電阻管進行測量，通過調(diào)節(jié)器將此信號與一個可調(diào)的基準信號進行比較，也由調(diào)節(jié)器開大或關(guān)小，直到擋水板的溫度達到所要求的值為止。

固氣熱交換直接冷卻方式對出磨水泥的冷卻是以壓縮空氣作為動力源，通過能量分離器產(chǎn)生的零下15～5℃低溫氣體作為熱交換介質(zhì)，在空氣輸送斜槽的輸送過程中采用直接的熱交換方式，以下簡稱斜槽式。能量分離器產(chǎn)生的低溫氣體被送到斜槽下層的氣箱內(nèi)，與斜槽風機送入氣箱內(nèi)的常溫氣體混合，形成亞低溫的空氣后，一并穿過斜槽透氣層滲透到上面作流態(tài)化運動的水泥顆粒中，從而實現(xiàn)與水泥的直接熱交換，達到快速冷卻水泥的目的。

2.2 相關(guān)方面的綜合比較

水泥冷卻的效果是選擇水泥冷卻方式的主要方面，從表1綜合對比表中可以看出，立筒螺旋式和斜槽式的冷卻效果明顯，溫度下降幅度大，速度快，效率高，水泥溫度110～130℃可下降30℃以上，其中斜槽式有時可達35℃以上，而磨內(nèi)噴水方式的溫度降低至15℃已是極限，若試圖超過極限而加大噴水量將會引起糊磨和結(jié)塊事故。

在系統(tǒng)的安全可靠性方面：立筒螺旋式水泥冷卻器在開始使用的一段時間內(nèi)，效果較好，水泥溫度可下降30℃左右，但隨著時間推移，諸多問題逐漸將暴露出來，最為突出的問題是筒體表面水垢越來越厚，越來越硬，很難清除，導(dǎo)致冷卻效果越來越差；同時筒壁銹蝕現(xiàn)象隨之出現(xiàn)，水泥結(jié)塊現(xiàn)象也頻繁發(fā)生；隨著磨機產(chǎn)量的增大，設(shè)備體積隨之加大，耗水量和動力消耗也增大，從而限制了它的發(fā)展，如今很多企業(yè)對其是丟之可惜，用則無能，處于一種無可奈何的尷尬境地；水泥磨內(nèi)噴水直接冷卻技術(shù)是固液之間熱交換的一種，早在八、九十年代國外已應(yīng)用，后進展緩慢，其主要問題是噴頭等部件組成噴水系統(tǒng)可靠性差，噴頭的霧化不穩(wěn)定，噴頭被水泥包裹糊死且很難發(fā)現(xiàn)，引起事故，是三種方法中安全可靠性最低的；斜槽式要求提供的壓縮空氣是經(jīng)過干燥器后進入到能量分離器中，即使壓縮空氣中有極少量的水分，能量分離器中產(chǎn)生的低溫氣體作為冷卻介質(zhì)在直接與水泥進行的熱交換中，飽和度極低水蒸汽的低溫氣體在與炙熱的水泥熱交換過程中，可將其中的水份析出并融匯到水泥中被石膏顆粒吸收，還能起到抑制石膏脫水現(xiàn)象，這種冷卻方式的安全可靠性方面明顯高于前二種冷卻方式。

在水泥冷卻的規(guī)模上看，立筒螺旋式最大冷卻水泥量為110t/h，三種方式中為最低，而斜槽式一般不受任何條件限制，可隨磨機產(chǎn)量而定，最高可達450t/h，見表1。

表1 三種水泥冷卻方式的綜合對比

從設(shè)備維護量和操作工作量兩個方面來看：立筒螺旋式由于體積大結(jié)構(gòu)復(fù)雜，筒外壁易結(jié)水垢、筒內(nèi)壁水泥易結(jié)露引起水泥結(jié)皮硬化、球段碎渣易卡住螺旋葉片需經(jīng)常清理；設(shè)備的銹蝕和磨損大，尤其是在設(shè)備磨損或局部損壞后的滲水，進入水泥中存在的事故隱患導(dǎo)致增大維護量；磨內(nèi)噴水方式的結(jié)構(gòu)特征與工作方式?jīng)Q定了它的系統(tǒng)維護量和操作工作量，由于這種方式以水作為冷卻介質(zhì)直接與水泥進行熱交換，噴水量的控制在量的把握上要求十分準確，量大會產(chǎn)生事故，量小則影響冷卻效果，因此要求設(shè)備自始至終應(yīng)保持較高的完好率，在操作中要盡心盡責，不可有絲毫疏忽，噴入磨內(nèi)的水份雖防止了石膏脫水現(xiàn)象，但也增大了磨內(nèi)空氣的水蒸汽飽和度，磨內(nèi)氣體出磨后與風管接觸易引起結(jié)露現(xiàn)象，進入袋式收塵器會堵塞收塵袋，噴頭上容易形成結(jié)球影響霧化效果，堵塞形成滴水現(xiàn)象，水密封部件的磨損老化及測溫控制系統(tǒng)的靈敏程度等方面的維護檢查是形成增大了設(shè)備維護量和操作工作量的因素；斜槽式由于其工作原理簡單，設(shè)備采用緊固封閉式結(jié)構(gòu)特點，除每隔半個月左右注少量潤滑油外，不需要進行維護，系統(tǒng)在操作過程中只有開啟和關(guān)閉動作，沒有其他需要看護的工作量，因此其設(shè)備維護量和操作工作量為最小。

從單位水泥投資額和系統(tǒng)改造工作量方面比較，后二種的優(yōu)勢比前一種明顯；在動力消耗上，磨內(nèi)噴水方式較其他兩種方式優(yōu)勢明顯，而以立筒螺旋式為最高，其原因不僅耗電量為其他兩種方式的2～4倍，且耗水量也大到2～2.8噸/噸水泥，這對于北方缺水地區(qū)來說是不得不考慮的。

3 結(jié) 語

綜上所述，在目前諸多水泥冷卻方法中，立筒螺旋式在前十年企業(yè)使用較為普遍，磨內(nèi)噴水方式次之，但由于立筒螺旋式弊病和缺點太多，已逐步被淡出裝備市場。磨內(nèi)噴水方式雖然在企業(yè)使用能尚存至今，也是不得已而為之，由此便催生出一些新的冷卻方式和方法，能量分離器的斜槽式冷卻方法是目前唯一的固氣熱交換直接冷卻的方式，它在性價比方面所表現(xiàn)出來的優(yōu)勢已經(jīng)逐步被眾多企業(yè)所接受，是一種值得推廣的水泥冷卻方法。