技术丨篦冷机使用的运行障碍与系统优化(上)

篦冷机使用的运行障碍与系统优化（上）

前言

由于能源价格的上涨，在水泥生产中，能源消耗所占生产成本的比重越来越大。能量利用率的高低已决定了企业在未来市场竞争中的地位。篦冷机是水泥生产系统中最关键的设备之一，与预热器、分解炉、回转窑一起，构成了熟料烧成系统。它是熟料在窑内煅烧过程完成后，对熟料质量起着决定性作用的重要工艺环节。对篦冷机的使用正确与否，直接影响到回转窑系统的工况和能源利用的合理性；它的性能优劣，对烧成系统的能源消耗同样起着至关重要的作用。

世界上第一台熟料冷却机是1890年出现的单筒冷却机，至20世纪40年代才出现篦式冷却机。推动式篦冷机是在与其它类型的篦冷机的竞争中发展起来的，适应了生产大型化的发展趋势，成了为当代预分解窑配套的主要冷却设备。推动式篦冷机已经过了三代更新。目前我国预分解窑已普遍使用了第三代空气梁冷却篦式冷却机，现在国内外已经开始逐步推广使用第四代推动棒式篦冷机。

1、篦冷机应具有的功能

众所周知，篦冷机是熟料煅烧系统不可或缺的设备。承担着对高温熟料的冷却和输送任务。在冷却过程中完成对熟料的输送。在熟料烧成系统中，一台性能良好的篦冷机应具备如下功能：

   （1）优质高效的急骤冷却功能急骤冷却可以改善熟料易磨性，提高熟料强度。尤其是在篦冷机的进口高温段具有急骤冷却功能，能够使高温熟料在极短时间内急骤冷却，可以防止熟料中硅酸三钙晶体的增长、硅酸二钙晶型转换，又可使铝酸盐、铁铝酸盐固溶体等熔煤矿物形成玻璃体，提高熟料的活性，熟料的易磨性也会大为提高。因此，对熟料具有良好冷却功能的篦冷机可以使水泥的早期强度和水化性能等品质更加优秀。

   （2）相对较高的气固相热交换效率

在篦冷机内，气固两相的温度梯度差，是提高篦冷机热交换效率的基础。出窑熟料温度高，并且气固两相能够在篦冷机高温段被强制实施优质高效的热交换，二、三次风温度将得到大幅度提高，可以为窑、炉输送充足的满足熟料煅烧需要的高温气体。回收尽可能多的熟料显热（1200～1500kJ/kg-cl），降低燃料消耗。同时还能够在出篦冷机前把熟料冷却到尽可能低的温度，满足熟料输送、贮存和水泥粉磨的要求。形成高温熟料进入→高效强制气固交换→向窑炉提供高温气体→冷却熟料输送的良性循环。

   （3）促进分解炉内物料分解的功能

分解炉内没有明火，是无焰燃烧。在分解炉内，环境温度越高，煤粉燃烧速度越快，煤粉燃烬率越高。炉内温度的高低决定了燃料的燃烧强度。由篦冷机向分解炉提供的三次风温度高，煤粉的起燃速度就会加快，燃尽时间就会缩短，炉内温度就会提高，就能使分解炉处于良性高效的工作状态。物料的分解率和分解能力提高，用于物料分解的单位能耗得到有效降低，回转窑的增产潜能也就越大。实验证明，篦冷机向分解炉提供的三次风温和分解炉效率之间并不呈线性，而是一个指数关系，见图1。

  （4）安全可靠的设备机械性能

篦冷机完成对熟料冷却输送的过程，是一个相对复杂的热工过程。熟料和冷却风进行逆向热交换，工作环境苛刻。设备要承载高温、风载、阻力、磨损等各种工况的侵蚀。因此，对设备的机械性能就提出了较高的要求，如篦板、衬板的耐温、耐磨性能；风室的密封性能等；没有安全可靠的设备机械性能，就无法保证设备的运转率，提高热交换效率就更无从谈起。

2 、第三代篦式冷却机

目前，我国大型预分解窑普遍使用了第三代空气梁冷却篦冷机。在生产过程中，暴露问题最多的也是第三代篦冷机。因此，对第三代篦冷机作重点介绍。

2.1 工作原理和结构形式

2.1.1 工作原理

篦冷机的工作原理众所周知。 高温熟料由窑内进入篦冷机，首先受到从篦板下部鼓入的高压风急速冷却，随后由篦床推动前进。

在行进过程中，继续受到中、低压风的冷却。冷却后的小颗粒熟料穿过出口细栅条，经出料溜子直接送入输送设备。大块熟料须经破碎机破碎后，再送入输送设备。从篦板缝漏入风室底部的细小熟料颗粒，由拉链机送至篦冷机出料口。

鼓入冷却机的冷空气与熟料进行了热交换后，高温部分作为二、三次风送入窑炉系统，中低温部分余热仍被继续回收利用，而且目前的利用领域越来越广泛。

2.1.2 结构形式

    第三代篦式冷却机，主要有如下几种形式：

  （1）水平推动式篦冷机
    水平推动式是使用较早、应用较为广泛的冷却机。随着使用时间的推移，在结构上不断改进，形式也发生了很大变化。过去强调的阻力篦板开始向着低阻控制流方向发展，冷却机的传动也由机械块传动发展成液压传动，减少了因机械传动压死篦床的现象。

  （2）倾斜推动式篦冷机
    其结构和工作原理与水平推动式篦冷机基本相同。不同的是篦床倾斜安装。早先一般倾斜在10°左右，导致篦冷机的整机高度提得过高，并且因熟料在高压风吹动下，在篦床上容易产生流态化，流速过快，达不到冷却熟料的要求。因此 ，现多数冷却机已将倾角改至3°或稍大一点。

   （3）复合推动式篦冷机
    目前在大型窑上用得最多的，是水平与倾斜复合推动的篦冷机。5000t/d预分解窑采用的篦冷机一般分为三段篦床。前二段篦床是倾斜的，倾角为3°，篦床较窄，推动速度较小，因而可以获得厚料层。料层厚度可达600~800mm。第三段为水平篦床，篦床较宽，推动速度较快，料层较薄，料层厚度大约300~500mm左右。使熟料进一步得到冷却。由于冷却机沿长度方向料层厚度逐渐减少，温度逐渐降低，阻力逐渐变小；因而把篦床下部空间分隔成若干个相互隔离的空气室，并配以不同风压和风量的冷却风机，以优化冷却效果。

 （4）组合阶段式篦冷机
    组合阶段式篦冷机的篦床分为前后两段，在两段中间装有破碎机。经前段篦床冷却至500℃左右的熟料，通过破碎机破碎后再进入后段篦床冷却。这种破碎机的优点是：出破碎机的熟料颗粒均匀、温度低，可以提高冷却机的热交换效率，其缺点是中间破碎机在高温下运转，对破碎机的材质和冷却效果等要求较高。

推动式篦冷机的优势是出冷却机熟料的温度低，入窑炉二、三次风的温度较高，系统热效率高，适合用于大型预分解窑的熟料冷却。但是，从目前各企业的使用情况看，也存在电耗高、磨损大、出机熟料温度高，粉尘磨蚀性强等问题。热回收效果亦不尽人意。

2.2 设备性能与影响因素

2.2.1 对设备的性能要求

众所周知，回转窑产量的高低主要取决于入窑生料分解率及窑内物料煅烧温度。而熟料质量的优劣不仅取决于回转窑内熟料的煅烧状态，还要取决于冷却机中熟料的冷却效果。因此，回转窑与篦冷机需要相互提供良好的工作条件。对现代篦冷机的性能要求是高冷却效率、高热回收率和高运转率。

  （1）性能良好的篦冷机应具备以下特点：

    A、二、三次风温度高、热回收效率高。能改善窑、炉煤粉燃烧条件，降低烧成煤耗。
    B、熟料淬冷质量好，能提高熟料早期强度和易磨性，改善对水泥需水量的要求。
    C、出篦冷机熟料温度低，方便熟料输送、存贮，并为改善水泥粉磨条件奠定基础。
    D、出篦冷机余风温度高且稳定，能为余热发电及其它余热利用提供良好的热源。
    E、良好的设备机械性能，故障率低运行可靠，对物料适应性好，有利于运转率提高。

 （2）工作良好的回转窑应具备以下特点：

    A、回转窑速、窑电流稳定，快转率高，出料量稳定。B、出窑熟料温度较高，一般都在1300~1350℃范围内。
    C、结粒均齐， 95%以上的熟料粒径小于25mm。

   （3）第三代篦冷机的的使用现状：

     目前，许多预分解窑的篦冷机，运行情况不如人意。主要表现如下：

   A、二次风温度偏低，低于1100℃居多。有的企业甚至≤1000℃，窑头负压高,且波动不稳。
   B、出篦冷机熟料温度偏高，几乎没有多少企业能达到环境温度+65℃的设计指标要求。
   C、篦冷机的热交换效率达不到理想要求，低温余风偏多，入余热发电锅炉气体温度偏低，导致余热发电量低。

2.2.2 重点影响因素

通过对篦冷机工作原理和结构形式的分析不难看出，熟料的冷却过程，是熟料在篦冷机内被强制位移的过程中，气固两相热交换的过程。因此，合理配置冷却风机的风量和压头，控制机内物料的移动速度和冷却风速，通过急速冷却，保证入窑、炉的热风温度提高，出篦冷机熟料温度有效降低，才能提高篦冷机的热交换效率。

然而在实际生产过程中，随着用于水泥制造的原料资源利用范围不断扩展，劣质燃料的逐步采用，原燃料中有害微量元素含量增加，要使入窑物料品质达到“均质稳定”，事实上存在较大难度。入篦冷机熟料的温度、粒度与物料量经常发生变化。在影响到回转窑热工制度稳定性的同时，还要影响到篦冷机的冷却效果。同时，在生产过程中，由于中控操作人员对篦冷机认知程度的差异和对设备维护保养的质量等，都会影响到篦冷机的使用效果。经对影响篦冷机使用效果的众多因素归纳疏理，重点影响因素如下：

 （1）设计能力的影响

目前国内正在运行的新型干法熟料生产线，大都超过设计生产能力20%以上。而生产线设计，在对篦冷机进行设备选型时，却只考虑了回转窑正常的生产能力。一般情况下，篦冷机只具有10%~15%的冷却富裕潜能。冷却能力远赶不上回转窑的超产幅度。

因此，在这些生产线上，出篦冷机熟料的温度，大都因为产量超标而导致温度高于环境温度+65℃。熟料温度在180~200℃左右的工厂比比皆是。在产量超标的同时，热耗也在上升。导致高产高耗后果的产生。并因此导致篦冷机故障率的升高。

（2）料层厚度的影响

虽然第三代篦冷机采用了阻力篦板和控制流技术，但要实现冷却风在篦床上的均布，提高篦冷机的冷却效果和热交换效率，还必须要合理控制篦床上的料层厚度。料层厚度对篦冷机是一个重要的控制指标。第一代篦冷机料层厚度在200～300mm左右, 第二代篦冷机由于篦板的革新, 使料层厚度提高到400～500mm, 入口处最高可达700mm。而第三代篦冷机淬冷区料层厚度要达到700~800mm。 因为只有保证料层厚度，才能有足够的熟料热焓，使入窑、炉系统的二、三次风温得到提高。在生产过程中，有些操作员，对料层厚度控制过薄，冷空气与热熟料尚未进行充分热交换就进入窑、炉，必然导致三、三次风温度低且不稳，篦冷机的冷却效果和热交换效率也就大幅度降低。

（3）冷却风机的影响

    A、风压的影响：第三代篦冷机实施的厚料层作业制度，对冷却风机风压的要求大为提高。如果设计的篦冷机梁、室风机风压偏低，碰到来料较多、细粉料多，物料离析等情况时，冷却风就无法吹透料层。为降低物料温度，唯一的手段只能是加快篦速，减薄料层厚度，导致的结果只能是熟料冷却效果变差，热交换效率降低。因为篦冷机冷却风风压偏低，不足以克服床面上部熟料层的阻力，引起通风量欠缺，是许多篦冷机常见、普遍的毛病。

    B、风量的影响：在一般篦冷机设计中，一段篦床风室的供风量，应能够满足窑、炉对二、三次风的需求。但在生产过程中，包括产量提高在内的任何工艺状态的变动，都会对供风需求造成影响。例如：目前很多企业为了节能减排的需要，都对窑、炉系统的燃烧器进行了节能煅烧技术改造。减小了回转窑头、尾燃烧器的风机配置。虽然节能减排的目标实现了，但由于篦冷机热回收区的热风，需要补充窑、炉更换新燃烧器后所减少的空气量。造成原风机风量不能满足窑炉供风需求，产生了回转窑与余热发电争风的现象。不仅影响到回转窑热工制度的稳定和熟料质量，还对热回收利用细料粗料和余热发电造成了较大影响。

    C、风机性能的影响：由于风机的结构简单，加工制造相对容易，致使风机制造质量良莠不齐。所见许多企业因使用的进口和热回收区的高、中压风机，因风机超额定电流导致风门无法全部打开者有之，风门全部打开达不到风机性能要求者亦有之。虽然影响风机性能的因素很多，但因风机自身的制造质量问题，影响到冷却效果的案例也累见不鲜。

（4）物料离析的影响

熟料在窑内煅烧时，受离心力的作用会产生离析。当熟料从窑头落至篦床上时，大颗粒集中在一侧，细颗粒集中在另一侧。当窑转速较快且窑内细颗粒熟料较多时，细颗粒集中在一侧的现象尤为明显（见图2）。熟料颗粒在篦床纵向随篦板向前推动逐步覆盖整个床面。虽然在活动篦板推动过程中，颗粒层级配有所变化，但纵向变化并不很大。从篦冷机的进料口至出料口，篦板上熟料颗粒直径的分布与篦板宽近似成线性关系。细颗粒集中在一侧形成一条带，其余不同的颗粒会随颗粒直径增大向另一侧集中，分别形成各自的条带。导致冷却风在篦床上不能均布。如果物料的离析作用继续增大，会造成阻力篦板的抑制作用进一步降低，产生粗颗粒带吹穿现象。导致二、三次风温度降低且发生频繁波动。

（5）熟料细粉的影响

入窑物料成分变化，燃料品质的改变，都会导致回转窑热工制度波动，使熟料结粒发生变化。当熟料中细粉数量增加时，要想取得较好的冷却效果，只有利用冷却风机进行调节，但由于细粉的堆积比粗颗粒致密得多，冷却风很难发挥出应有的作用。料层过厚时，在进口区容易产生堆“雪人” 现象；在熟料输送过程中，由于物料的沿程阻力增加，气流无法有效地穿透细料层，达不到冷却熟料的目的；料层过薄时，粗颗粒物料极易被吹穿，细粉料根本得不到冷却。易在篦冷机高温段产生“红河”。不仅难以提高二、三次风温，而且使冷却机的冷却效果降低，出篦冷机温度升高。

（6）风室漏风的影响

为保证高压风能够穿透高阻力篦板和料层，风室的密封尤其显得重要。风室之间的隔板安装的不严密，或选用的密封材料不恰当，运行不久就会失效造成漏风。篦板之间、篦板与护板间因配件的制造或安装质量问题，会造成上漏风。有的卸灰锁风伐锁风不严或调节不当，会造成下漏风。有的篦冷机采用活动梁，关节磨损也要造成漏风。由于漏风的影响，很难保证高压风的质量，导致冷却效率降低。

（待续）

作者：刘仁德

出处：《四川水泥》

欢迎投稿，投稿邮箱：tougao@cement365.com

▽▽▽点击阅读原文，查看精彩内容