水泥熟料篦式冷卻機的技術發展和應用研究

華 俊

(合肥水泥研究設計院有限公司，安徽 合肥 230051)

0 前 言

我國進行水泥冷卻設備的研發已經經歷了較長的時間，水泥冷卻設備的性能直接影響到水泥的品質。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，冷卻機的出現使水泥生產走向大規模的跨越式發展。

早期的冷卻機包括回轉式、振動式和推動式，回轉式包括單筒和多筒，由于其無法實現預分解的功能被淘汰，而振動式由于其占地面積大、二次風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備。第四代的篦冷機設備在經過不斷的技術改良后，已經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和使用情況進行介紹，分析了各代設備使用時容易出現的問題和后續研發的設備在技術方面的改進。

表1 各代篦冷機的主要性能指標

1 第一代薄料層篦冷機的研發和應用

第一臺篦冷機誕生于立波爾窯的加熱機，但由于其結構和性能的不足，并未普遍應用于水泥熟料的生產線。第一代篦冷卻從20世紀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晶引起的水泥膨脹問題進行了針對性的研發[1]。

20世紀80年代，我國正式將第一代篦式冷卻機引進水泥生產線。但該設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”導致“雪人”“紅河”現象出現。

2 第二代厚料層篦冷機的研發和應用

第二代篦冷機是在第一代篦冷機的基礎上對其結構進行了改良。在20世紀70年代初第二代篦冷機被研發出來。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、自動控制系統控制篦速和風量等方面進行了改進。但由于第二代篦冷機按照風室來劃分冷卻區域，因此導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和應用

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，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改良。20世紀80年代由西德的IKN公司發明的高阻力篦板和新型的充氣方式應用于篦冷機，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，節省冷空氣資源，有效地提高二次風溫和三次風溫。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，該設備已經具備了大規模水泥生產的實用性。

在西方國家相繼推出第三代篦冷機后，我國在20世紀90年代初進行了第三代篦冷機的研發，天津水泥工業設計研究院采用了國外篦冷機的高阻力篦板和空氣梁技術研發制造出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采用的是固定篦板和活動充氣梁技術，高溫區的5～10排的固定篦板成15°，前段3°，后段水平方向。在中溫區采用的是高阻尼低漏料篦板，低溫區采用的是富勒改進型篦板。第三代篦冷機在結構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由固定分配的風管提供，活動篦板供風由活套式分配風管提供。而中溫區篦板和低溫區篦板的供風通過篦冷機空氣室的供風來完成。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備選擇的是輥式破碎機。就目前的應用狀況而言，水泥日產量700～1 000 t的生產線中第三代篦冷機僅包含固定篦板以及一段篦床，日產量達到2 000～3 500 t，增加一段篦床。而日產在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用于水泥燒成系統中，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機，增強了冷卻風的穿透能力，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TC型、NC型、KC型篦冷機被廣泛應用于日產量1 000～10 000 t的新型干法水泥生產線上。第三代的篦冷機通過自動控制實現篦速、風量和窯壓三元參數的穩定，并實現了篦冷機篦下壓力、供風系統壓力和活動風管壓力的實時監測，大大提高了篦冷機的運轉率

4 第四代交叉棒推動式篦冷機的研發和應用

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世紀初期也進行了第四代篦冷機的研發，天津院、成都院、合肥院都有所創新。比起第三代篦冷機，新型篦冷機有著更高的熱回收效率、高運轉率和低磨損率，且更加便于安裝和維修。合肥院開發的WHEC步進式篦冷機比第三代國產篦冷機在加工質量、運行參數、總體指標上都有了明顯的進步。第四代篦冷機在結構方面的改變主要如下。

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

2)第四代篦冷機的尾部結構使用了輥式破碎機，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，冷空氣通過風機至篦下風室和高溫段的空氣梁，再經由篦板穿透熟料層。此過程中篦床料層厚度不均勻，容易導致料層薄的地方通風多，料層厚的地方通風少而且活動篦板容易導致漏料竄風。二次風和三次風溫難以提高。而第四代篦冷機采用固定篦板，通過推桿推動熟料前行。冷空氣被風機送至具有自動調節閥的篦板后穿透熟料層。通過自動調節閥來調節風量解決了料層厚度不均勻的難題，不易造成漏料竄風。而且第四代推桿式篦冷機能夠大幅提高二次風溫和三次風溫。

4)我國研發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合鋼板的鋪設保證了冷空氣風量的均勻性。篦板的篦縫是通過激光切割機床切割的，這保證了篦床質量的穩定性和使用壽命。

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

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雜的，首先高溫水泥熟料層由堆積的顆粒構成，這導致其具有多孔介質特性，而進行發明和投入使用的篦冷機是基于熱力學和對流換熱理論的氣固換熱原理，并未考慮多孔介質特性帶來的強化傳熱效應，因此難以準確揭示高溫熟料層的內在換熱規律。而且水泥篦冷機內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，而顆粒床內的氣固換熱過程廣泛存在于化工反應、水泥工業、鋼鐵工業、能源開發和環境保護等領域。需要進一步研究能夠將篦冷機的高溫滲流換熱特性與神經網絡數據辨識建模相結合的篦冷機氣固換熱系統建模方法，來對篦冷機進行進一步的技術改良。

表2 國內部分篦冷機指標對比

5 結 語

自篦冷機研發以來，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和能耗對高溫熟料進行冷卻。單位有效篦床面積產量、單位重量熟料所需的冷卻風量、冷卻風的熱回收效率有所提高。第四代篦冷機能夠實現更高效率的冷卻風與熟料熱量的交換，達到了較高的熱回收率，這有利于系統熱耗的降低。篦冷機的冷卻工藝和運行設備也更加先進、可靠，尤其在高溫條件下設備運行穩定性高、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控措施，保證了燒成系統的穩定運行。而且篦冷機高效冷卻技術立足國內，適應國情，考慮到了國內的裝備水平和生產管理習慣，具有較好的開發投資價值，該設備的技術換代對國內新型干法水泥的穩產、高產具有重要意義，促進了我國水泥行業的發展。但是篦板之間的縫隙在生產細節問題上還有待改進。進一步提高熱回收效率是我國下一步的發展方向。這不僅是我國對于水泥工業節能減排的要求，而且是水泥行業高速發展需要攻克的技術難關。

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