水泥熟料篦式冷卻機的技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用研究

華 俊

(合肥水泥研究設(shè)計院有限公司，安徽 合肥 230051)

0 前 言

我國進行水泥冷卻設(shè)備的研發(fā)已經(jīng)經(jīng)歷了較長的時間，水泥冷卻設(shè)備的性能直接影響到水泥的品質(zhì)。在篦冷機投入使用之前，工廠的水泥是通過露天方式進行冷卻的，效率極低。因此，冷卻機的出現(xiàn)使水泥生產(chǎn)走向大規(guī)模的跨越式發(fā)展。

早期的冷卻機包括回轉(zhuǎn)式、振動式和推動式，回轉(zhuǎn)式包括單筒和多筒，由于其無法實現(xiàn)預(yù)分解的功能被淘汰，而振動式由于其占地面積大、二次風(fēng)溫過低也被淘汰出市場。推動式的篦冷機是目前進行水泥熟料冷卻的主要機型，是新型干法水泥線中的核心設(shè)備。第四代的篦冷機設(shè)備在經(jīng)過不斷的技術(shù)改良后，已經(jīng)達到了較好的冷卻效果和熱回收效率。本文就各代篦冷機的研發(fā)和使用情況進行介紹，分析了各代設(shè)備使用時容易出現(xiàn)的問題和后續(xù)研發(fā)的設(shè)備在技術(shù)方面的改進。

表1 各代篦冷機的主要性能指標(biāo)

1 第一代薄料層篦冷機的研發(fā)和應(yīng)用

第一臺篦冷機誕生于立波爾窯的加熱機，但由于其結(jié)構(gòu)和性能的不足，并未普遍應(yīng)用于水泥熟料的生產(chǎn)線。第一代篦冷卻從20世紀(jì)40年代初進入市場，美國的富勒公司為消除水泥熟料形成過程中再結(jié)晶引起的水泥膨脹問題進行了針對性的研發(fā)[1]。

20世紀(jì)80年代，我國正式將第一代篦式冷卻機引進水泥生產(chǎn)線。但該設(shè)備仍存在較多的問題，首先是密封性較差，冷空氣容易從隔倉板中漏出，冷卻效果不好，而且形成的料層較薄(0.2～0.3 m)，料層的厚度不均勻，薄處“吹穿”導(dǎo)致“雪人”“紅河”現(xiàn)象出現(xiàn)。

2 第二代厚料層篦冷機的研發(fā)和應(yīng)用

第二代篦冷機是在第一代篦冷機的基礎(chǔ)上對其結(jié)構(gòu)進行了改良。在20世紀(jì)70年代初第二代篦冷機被研發(fā)出來。第二代的篦冷機被稱為推動式冷卻機，其中推動方式包括水平推動、傾斜推動、復(fù)合推動以及分段組合的推動方式。第二代篦冷機組成其篦床的篦板有兩種，固定篦板和活動篦板，如圖1～2所示。第二代的篦式冷卻機在篦床的斜度、篦床入口的寬度、多室分別供風(fēng)、自動控制系統(tǒng)控制篦速和風(fēng)量等方面進行了改進。但由于第二代篦冷機按照風(fēng)室來劃分冷卻區(qū)域，因此導(dǎo)致冷空氣的分布不合理、料層冷卻不均勻。

圖1 固定篦板

圖2 活動篦板

3 第三代空氣梁可控氣流篦冷機的研發(fā)和應(yīng)用

篦冷機對水泥熟料的冷卻效果和熱回收效率會直接影響到水泥的品質(zhì)，因此，對篦冷機更好的換熱性能的需求促使各國不斷地進行技術(shù)改良。20世紀(jì)80年代由西德的IKN公司發(fā)明的高阻力篦板和新型的充氣方式應(yīng)用于篦冷機，這是第三代充氣梁型篦冷機的雛形。其原理是全面考慮料層在其縱橫方向上的阻力以及料層的溫度分布規(guī)律，將料層劃分為若干個冷卻小單元。這樣做的好處是有針對性地降低料層溫度，節(jié)省冷空氣資源，有效地提高二次風(fēng)溫和三次風(fēng)溫。第三代篦冷機對篦縫也進行了改良，不僅縮小了篦縫寬度而且增加了篦縫數(shù)量，有效地解決了漏料問題。第三代篦冷機形成的料層厚度達到了0.6～0.8 m，這意味著單位產(chǎn)量的提高以及能耗的降低。第三代篦冷機其篦板下具有密閉的空氣梁，實際意義上，該設(shè)備已經(jīng)具備了大規(guī)模水泥生產(chǎn)的實用性。

在西方國家相繼推出第三代篦冷機后，我國在20世紀(jì)90年代初進行了第三代篦冷機的研發(fā)，天津水泥工業(yè)設(shè)計研究院采用了國外篦冷機的高阻力篦板和空氣梁技術(shù)研發(fā)制造出TC篦冷機。TC篦冷機中進行氣固交換的高溫熟料層的高溫區(qū)采用的是固定篦板和活動充氣梁技術(shù)，高溫區(qū)的5～10排的固定篦板成15°，前段3°，后段水平方向。在中溫區(qū)采用的是高阻尼低漏料篦板，低溫區(qū)采用的是富勒改進型篦板。第三代篦冷機在結(jié)構(gòu)上的變化主要是高阻尼充氣式篦板充氣梁，其中固定式篦板供風(fēng)由固定分配的風(fēng)管提供，活動篦板供風(fēng)由活套式分配風(fēng)管提供。而中溫區(qū)篦板和低溫區(qū)篦板的供風(fēng)通過篦冷機空氣室的供風(fēng)來完成。我國第三代篦冷機采用的是吹式破碎機，而國外第三代篦冷機設(shè)備選擇的是輥式破碎機。就目前的應(yīng)用狀況而言，水泥日產(chǎn)量700～1 000 t的生產(chǎn)線中第三代篦冷機僅包含固定篦板以及一段篦床，日產(chǎn)量達到2 000～3 500 t，增加一段篦床。而日產(chǎn)在3 500～10 000 t，篦冷機擁有三段篦床。

和第二代篦冷機相比，第三代篦冷機的單位篦床面積產(chǎn)量達到了40～50 t/(m2·d)以上，增加了10 t/(m2·d)。第三代篦冷機廣泛應(yīng)用于水泥燒成系統(tǒng)中，其熱回收效率達到了73%以上。第三代篦冷機由于采用了空氣梁、高阻尼篦板和高壓風(fēng)機，增強了冷卻風(fēng)的穿透能力，因此增加進行冷卻的料層厚度。第三代篦冷機的二次風(fēng)溫從二代篦冷機的600℃～900℃上升為1 000℃～1 200℃，提高了熱效率。第三代國產(chǎn)TC型、NC型、KC型篦冷機被廣泛應(yīng)用于日產(chǎn)量1 000～10 000 t的新型干法水泥生產(chǎn)線上。第三代的篦冷機通過自動控制實現(xiàn)篦速、風(fēng)量和窯壓三元參數(shù)的穩(wěn)定，并實現(xiàn)了篦冷機篦下壓力、供風(fēng)系統(tǒng)壓力和活動風(fēng)管壓力的實時監(jiān)測，大大提高了篦冷機的運轉(zhuǎn)率

4 第四代交叉棒推動式篦冷機的研發(fā)和應(yīng)用

1997年史密斯公司推出了第四代SF型推動棒式篦冷機。第四代篦冷機將熟料的冷卻和輸送分開進行，采用了固定篦床和MFR。我國在21世紀(jì)初期也進行了第四代篦冷機的研發(fā)，天津院、成都院、合肥院都有所創(chuàng)新。比起第三代篦冷機，新型篦冷機有著更高的熱回收效率、高運轉(zhuǎn)率和低磨損率，且更加便于安裝和維修。合肥院開發(fā)的WHEC步進式篦冷機比第三代國產(chǎn)篦冷機在加工質(zhì)量、運行參數(shù)、總體指標(biāo)上都有了明顯的進步。第四代篦冷機在結(jié)構(gòu)方面的改變主要如下。

1)安裝了余熱發(fā)電裝置，可進行篦冷機風(fēng)量的合理分配。在安裝余熱發(fā)電裝置之后，篦冷機的三次風(fēng)主要是進行余熱發(fā)電，同時其尾部廢氣的溫度有相應(yīng)降低，提升了電能的運用效率，節(jié)約了煤粉。

2)第四代篦冷機的尾部結(jié)構(gòu)使用了輥式破碎機，其對熟料進行破碎時可達25 mm以下，減小了粉塵濃度。

3)第三代控制流篦冷機采用的是活動篦板，冷空氣通過風(fēng)機至篦下風(fēng)室和高溫段的空氣梁，再經(jīng)由篦板穿透熟料層。此過程中篦床料層厚度不均勻，容易導(dǎo)致料層薄的地方通風(fēng)多，料層厚的地方通風(fēng)少而且活動篦板容易導(dǎo)致漏料竄風(fēng)。二次風(fēng)和三次風(fēng)溫難以提高。而第四代篦冷機采用固定篦板，通過推桿推動熟料前行。冷空氣被風(fēng)機送至具有自動調(diào)節(jié)閥的篦板后穿透熟料層。通過自動調(diào)節(jié)閥來調(diào)節(jié)風(fēng)量解決了料層厚度不均勻的難題，不易造成漏料竄風(fēng)。而且第四代推桿式篦冷機能夠大幅提高二次風(fēng)溫和三次風(fēng)溫。

4)我國研發(fā)的第四代篦冷機對耐磨鋼板進行了改造，通過對篦縫大小的把控以及耐熱復(fù)合鋼板的鋪設(shè)保證了冷空氣風(fēng)量的均勻性。篦板的篦縫是通過激光切割機床切割的，這保證了篦床質(zhì)量的穩(wěn)定性和使用壽命。

5)第四代篦冷機通過“固定篦板的通風(fēng)單元+推動棒結(jié)構(gòu)的輸送單元”使得篦冷機出口處的熟料溫度與環(huán)境溫度之差保持在了65℃左右，熱回收效率提高到了78%。其鏈斗輸送機結(jié)構(gòu)節(jié)省了設(shè)備費用，提高了運轉(zhuǎn)率并降低了其維護成本。減少了余風(fēng)排風(fēng)機的風(fēng)量，安裝方便，第四代的篦冷機已經(jīng)成為目前大多數(shù)水泥廠的必選設(shè)備。

就目前對于第四代篦冷機的研究而言，其高溫熟料層中的傳熱過程是極為復(fù)雜的，首先高溫水泥熟料層由堆積的顆粒構(gòu)成，這導(dǎo)致其具有多孔介質(zhì)特性，而進行發(fā)明和投入使用的篦冷機是基于熱力學(xué)和對流換熱理論的氣固換熱原理，并未考慮多孔介質(zhì)特性帶來的強化傳熱效應(yīng)，因此難以準(zhǔn)確揭示高溫熟料層的內(nèi)在換熱規(guī)律。而且水泥篦冷機內(nèi)顆粒層與氣流垂直交叉流動，是一種典型的錯流式移動顆粒床，而顆粒床內(nèi)的氣固換熱過程廣泛存在于化工反應(yīng)、水泥工業(yè)、鋼鐵工業(yè)、能源開發(fā)和環(huán)境保護等領(lǐng)域。需要進一步研究能夠?qū)Ⅲ骼錂C的高溫滲流換熱特性與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)辨識建模相結(jié)合的篦冷機氣固換熱系統(tǒng)建模方法，來對篦冷機進行進一步的技術(shù)改良。

表2 國內(nèi)部分篦冷機指標(biāo)對比

5 結(jié) 語

自篦冷機研發(fā)以來，第一代篦冷機的熱回收效率不到50%，第二代達到65%～70%，第三代熱效率達到了70%～75%，第四代篦冷機的熱回收率穩(wěn)定在了75%。就篦冷機的功能而言，其熟料的冷卻效果越來越好，篦冷機的效率更高，能夠以盡可能小的篦床面積來最大限度地利用盡可能少的冷卻風(fēng)和能耗對高溫熟料進行冷卻。單位有效篦床面積產(chǎn)量、單位重量熟料所需的冷卻風(fēng)量、冷卻風(fēng)的熱回收效率有所提高。第四代篦冷機能夠?qū)崿F(xiàn)更高效率的冷卻風(fēng)與熟料熱量的交換，達到了較高的熱回收率，這有利于系統(tǒng)熱耗的降低。篦冷機的冷卻工藝和運行設(shè)備也更加先進、可靠，尤其在高溫條件下設(shè)備運行穩(wěn)定性高、故障率低、使用壽命長。第四代篦冷機通過采用自動控制和安全監(jiān)控措施，保證了燒成系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。而且篦冷機高效冷卻技術(shù)立足國內(nèi)，適應(yīng)國情，考慮到了國內(nèi)的裝備水平和生產(chǎn)管理習(xí)慣，具有較好的開發(fā)投資價值，該設(shè)備的技術(shù)換代對國內(nèi)新型干法水泥的穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)具有重要意義，促進了我國水泥行業(yè)的發(fā)展。但是篦板之間的縫隙在生產(chǎn)細(xì)節(jié)問題上還有待改進。進一步提高熱回收效率是我國下一步的發(fā)展方向。這不僅是我國對于水泥工業(yè)節(jié)能減排的要求，而且是水泥行業(yè)高速發(fā)展需要攻克的技術(shù)難關(guān)。

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