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環節，生產線如圖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的主流冷卻機就是篦冷機，是現在水泥產業的重要機器。想使篦冷機在冷卻換熱中達到最佳狀態，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線上最為重要的，從功能上來講，可以劃分為三個區域，分別是驟冷區、熱回收區和冷卻區。這三個區域，在生產工作中最重要，驟冷區則是其中的重中之重。驟冷區有兩個作用，一是在保證熟料質量的情況下使熟料達到驟冷，使其他的礦物質無法生成；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，在回轉窯這一部分會產生一些較為危險的物質。但是這些物質可以被吸收，熟料和物料在這各環節起到重要作用。歐洲將這一成效運用到水泥行業，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，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、并且能夠持續發展工業，而且這一趨勢持續增加，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的主要燃料來源，煤炭在水泥產業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技術

我們想要淘汰那些落后的生產工藝，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，達到節能、節約資源的目的。能耗是否有所降低，質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力是否先進的評判標準。而整個生產水平的發展和提高，我們從原料到開采直到出廠，就能看出現在水泥工業的發展與進步。為了可持續發展，我們需要在源頭治理，從而降低大氣污染物的排放。

3 水泥行業節能降耗

3.1 優化篦冷機結構

以T 公司為例，該公司采取積極的工程測試，從篦板的結構到固定、活動篦床之間的高差，進行優化更改，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，粉末系統電耗降低[3]。根據圖3 的CFD 模擬技術，可以清晰地看到物料和氣流分布規律在篦冷機內部的狀態，為優化篦冷機的內部結構提供技術上的支持。

圖3 篦冷機內空氣和熟料溫度場分布

3.2 粉磨技術提升

粉磨節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，它的節能效果十分明顯，有利于降低能耗，且比一般的系統低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 水泥生產過程中控制能源消耗

提高企業能源調度和有效進行節能控制都需要在水泥生產過程控制能耗，而這也是國內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，都是水泥生產消耗研究的兩個重要方向。一般采用熱力學和動力學的數學模型來研究在運行中的篦冷機的狀態。而能量的消耗是基于水泥生產的每個環節的消耗。針對國家提出的綠色大背景下，對于水泥生產的節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，總體呈現的趨勢是先驟降再趨于平緩。但因為水泥生產是流動性的，數據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 結束語

綜上所述，針對篦冷機這一水泥生產線降耗的核心，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的可持續性發展，使水泥行業加速向綠色行業進行轉型。在經濟迅速發展的今天，如果我們想要及時轉變經濟發展方式，就需要進行技術的創新，只有新型干法技術不斷進步，才能對水泥的節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同處理廢棄物，使水泥行業積極采取措施有效降低生產的能耗，全面實現向“集約型、無害型、減量型、資源型”[4]的轉化。