水泥熟料篦式冷卻機技術的新突破與改造研究

田 藝

（合肥水泥研究設計院有限公司， 安徽 合肥 230051）

0 引言

生料預熱、預分解以及熟料的燒成和冷卻，這三個是新型干法水泥不可缺少的三個重要的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，生產(chǎn)線如圖1 所示。水泥熟料冷卻機是一種可以使熟料冷卻的機器，它的主要功能就是使熟料驟冷，并且在這同時，還能對高溫熟料進行回收、輸送，起著非常重要的作用。用于新型干法水泥系統(tǒng)的主流冷卻機就是篦冷機，是現(xiàn)在水泥產(chǎn)業(yè)的重要機器。想使篦冷機在冷卻換熱中達到最佳狀態(tài)，就需要改進技術，而解決這一問題，則成為目前各單位需要重點解決的問題。

圖1 新型干法水泥生產(chǎn)線

1 篦式冷卻機的工作原理

篦式冷卻機是篦冷機的全稱，如圖2 所示，這個機器分為固定段、高溫段、中溫段、低溫段這幾個部分，通常來說當窯燒成任務進行完以后，高溫的熟料會從窯口落出，在篦床上達到驟冷，這時的溫度大約為1300～1400℃。固定段是高溫熟料首先會進入的部分，在熟料快速冷卻后，再次進入高溫段，這是通過重力的作用。然后再繼續(xù)向前推進，分別進入中溫段和低溫段，在出料時溫度則是65℃+環(huán)境溫度。

圖2 篦冷機工作原理圖

冷卻設備中的篦冷機是水泥生產(chǎn)線上最為重要的，從功能上來講，可以劃分為三個區(qū)域，分別是驟冷區(qū)、熱回收區(qū)和冷卻區(qū)。這三個區(qū)域，在生產(chǎn)工作中最重要，驟冷區(qū)則是其中的重中之重。驟冷區(qū)有兩個作用，一是在保證熟料質(zhì)量的情況下使熟料達到驟冷，使其他的礦物質(zhì)無法生成；二是在窯爐中集中燃燒燃料，并且篦冷機要始終保持高回收率[1]。

2 非常規(guī)污染物煙氣Hg 等在新型干法水泥窯中進行控制

2.1 能源代替

機器運作時，在回轉(zhuǎn)窯這一部分會產(chǎn)生一些較為危險的物質(zhì)。但是這些物質(zhì)可以被吸收，熟料和物料在這各環(huán)節(jié)起到重要作用。歐洲將這一成效運用到水泥行業(yè)，使它的地位得到顯著提高，尤其是在能效這一方面。在歐洲有很多地區(qū)，他們在工作時不僅用常用燃料，還會用到替代燃料，這其中包括固體以及液體的再生燃料。表1 列出了歐盟國家水泥窯爐替代燃料的種類[2]。一些歐盟國家使廢物燃料和常用類型的燃料達到共同使用，他們采取這一措施是為了能更好地控制能源、并且能夠持續(xù)發(fā)展工業(yè)，而且這一趨勢持續(xù)增加，使廢物燃料的使用量越來越多。在中國，煤炭一直是水泥行業(yè)的主要燃料來源，煤炭在水泥產(chǎn)業(yè)的使用量更是超過全國總需求的10%，但是廢物燃料相對煤炭燃燒的比率遠遠低于歐盟國家，占比率不足1%。

表1 歐盟國家用于水泥窯爐燃料的廢物種類

2.2 清潔新型干法水泥的生產(chǎn)技術

我們想要淘汰那些落后的生產(chǎn)工藝，就需要先推廣先進的技術。這樣可以在有效排除污染物的基礎上，達到節(jié)能、節(jié)約資源的目的。能耗是否有所降低，質(zhì)量是否有所保障以及勞動率的高低、投資是否合理化，這些都是我們對生產(chǎn)力是否先進的評判標準。而整個生產(chǎn)水平的發(fā)展和提高，我們從原料到開采直到出廠，就能看出現(xiàn)在水泥工業(yè)的發(fā)展與進步。為了可持續(xù)發(fā)展，我們需要在源頭治理，從而降低大氣污染物的排放。

3 水泥行業(yè)節(jié)能降耗

3.1 優(yōu)化篦冷機結(jié)構

以T 公司為例，該公司采取積極的工程測試，從篦板的結(jié)構到固定、活動篦床之間的高差，進行優(yōu)化更改，從這一方面入手，降低用電能耗，同時可以減少運作時篦床的阻力。為了提高熟料熱量的回收利用效率，可以引進中置輥式破碎技術，從而使冷卻劑熟料溫度降低，粉末系統(tǒng)電耗降低[3]。根據(jù)圖3 的CFD 模擬技術，可以清晰地看到物料和氣流分布規(guī)律在篦冷機內(nèi)部的狀態(tài)，為優(yōu)化篦冷機的內(nèi)部結(jié)構提供技術上的支持。

圖3 篦冷機內(nèi)空氣和熟料溫度場分布

3.2 粉磨技術提升

粉磨節(jié)能降耗技術有許多獨一無二的特點，例如粉磨效率高、操作簡單等。如今這項技術終于達到成熟，尤其是生料輥磨粉磨技術，它的節(jié)能效果十分明顯，有利于降低能耗，且比一般的系統(tǒng)低15%～30%，磨機的外形如圖4。這個項目于2012 年正式投入運行，但是由于早期的技術并不健全，存在許多問題，并未全面投行，而后通過對選粉機、磨盤進行改造而逐漸完善這項技術[3]。

圖4 生料輥磨外形圖

3.3 水泥生產(chǎn)過程中控制能源消耗

提高企業(yè)能源調(diào)度和有效進行節(jié)能控制都需要在水泥生產(chǎn)過程控制能耗，而這也是國內(nèi)外研究者都在關注的焦點。改造篦冷機以及控制篦冷機的工況，都是水泥生產(chǎn)消耗研究的兩個重要方向。一般采用熱力學和動力學的數(shù)學模型來研究在運行中的篦冷機的狀態(tài)。而能量的消耗是基于水泥生產(chǎn)的每個環(huán)節(jié)的消耗。針對國家提出的綠色大背景下，對于水泥生產(chǎn)的節(jié)能減耗還需要再進一步增強。

4 針對篦冷機的冷卻換熱分析

4.1 換熱受到風速的影響

目前已經(jīng)做了大量關于風速、熟料粒徑以及篦板供風等試驗，得到了風速越快、換熱阻力就會越小的結(jié)果。由于氣固間對流熱阻受到篦下風速的影響，這些都是會影響到篦冷機中的空氣與高溫熟料冷卻換熱的因素。并且上下層熟料隨著冷空氣的進入，總體呈現(xiàn)的趨勢是先驟降再趨于平緩。但因為水泥生產(chǎn)是流動性的，數(shù)據(jù)的準確性還需要再不斷進行重復性試驗[1]。

4.2 換熱受到粗、細料的影響

粗、細料不均造成的冷卻問題一直都存在，粗、細料不均是重要的一點，如圖5。這個問題的概念早在1983 年就被馮·韋伯先生提出了[1]，被稱為高阻力篦板。但直到現(xiàn)在，由于技術不足，缺乏足夠的知識支撐等因素，這一問題仍未得到解決。細料層和熟料層的風量分布不均，并且熟料層的換熱效果更差。這些都是由于粗、細料的離析造成的，這一點令熟料的冷卻和換熱被嚴重影響。

圖5 粗細料分布示意圖

4.3 換熱受到篦縫寬度的影響

不同的熟料篦冷機在工作時，它們的換熱是有差距的。一般來說，工作正常的篦冷機，基本處于950℃左右。性能較好的篦冷機，二、三次的風溫可以達到1050～1100℃。篦板的篦縫是可以直接影響到篦板的通風面積[1]，篦縫越寬，冷風就會從篦縫處進入，它的存在則造成了冷卻換熱變差。

5 結(jié)束語

綜上所述，針對篦冷機這一水泥生產(chǎn)線降耗的核心，我們可以了解到，中國作為世界消耗水泥最大的國家之一，需要嚴格控制水泥污染物的排放，對非常規(guī)的污染物排放要進行嚴格控制。只有這樣才能確保水泥行業(yè)的可持續(xù)性發(fā)展，使水泥行業(yè)加速向綠色行業(yè)進行轉(zhuǎn)型。在經(jīng)濟迅速發(fā)展的今天，如果我們想要及時轉(zhuǎn)變經(jīng)濟發(fā)展方式，就需要進行技術的創(chuàng)新，只有新型干法技術不斷進步，才能對水泥的節(jié)能消耗提出更加合理有效的要求，從而達到我們的目標。我們需要利用水泥窯爐協(xié)同處理廢棄物，使水泥行業(yè)積極采取措施有效降低生產(chǎn)的能耗，全面實現(xiàn)向“集約型、無害型、減量型、資源型”[4]的轉(zhuǎn)化。