复流式单筒冷却机的开发设想
2003-07-31 00:00
0 引言
自熟料篦式冷却机诞生以后，由于其具有熟料急冷效果好等特点，一段时间内在较大规模熟料生产线上几乎代替了所有的单筒冷却机。但1980年以后，单筒冷却机以其结构简单、投资省、电耗低、运行可靠、无需昂贵的废气排放系统以及较高的热回收效率等特点，加之在结构上不断改进，已能适应较大规模的熟料生产线，从而再度得到重视。
对比篦式冷却机和单筒冷却机工作原理和操作特点不难发现，两种类型的冷却机在工作原理上是可以实现互补的。本文通过分析比较，试图开发一种集二者优点于一体的强制冷却单筒冷却机。
1 篦式冷却机的工作特点
篦冷机篦床面积的很少部分用于窑系统的熟料显热回收，其大部分篦床面积被用于熟料的再冷却，见表1。 表1 三种篦冷机有效篦床面积利用情况
表1数据表明，由于热熟料与冷却空气的温差较大，即热交换的推动力大，篦式冷却机的热交换效率和速率都较理想，尤其采用空气梁篦板后，其效果更佳。但分析单个熟料颗粒低温区域的冷却情况不难看出，随着熟料温度的降低，熟料与冷却空气温差的减少，使篦冷机错流换热的效果有降低的趋势。
熟料颗粒内部热量的散发包括颗粒内部导热和颗粒表面散热两个串联的过程，其中内部导热过程较缓慢，影响着整个熟料的冷却速率，这时只有靠增加熟料与冷却介质的接触时间、接触面积(减小粒径或增加冷却介质量)才能有效地进一步冷却熟料。
篦床中，冷却空气横向穿过物料层，冷却空气与熟料的接触时间一般不超过O.3s。为延长接触时间，有效地提高二次风温，篦床热端的料层厚度从过去的200mm～300mm发展到现在的500mm～800mm，但在冷端，从节电角度考虑，料层厚度仍保持在300mm左右。热端料层厚度能否进一步提高，也取决于电耗因素。
冷却空气与熟料的接触面积除和料层通风的均匀性有关外，主要取决于熟料的颗粒级配和堆积状态。除非增设高温熟料破碎机，否则在篦冷机上扩大冷却空气与熟料的接触面积是很难的。
综上所述，篦冷机在热交换推动力减小的情况下，只有靠增加冷却空气量来达到进一步冷却熟料的目的，这就使篦冷机的冷却空气量大大超过燃烧空气量。对第二代篦冷机，单位熟料冷却空气量为3.0kg/kg～3.3kg/kg左右时，其装机风量要达到4.0kg/kg～4.5kg/kg，而二、三次风的总需求量一般只有1.0kg/kg～1.3kg/kg。过量的冷却空气除需增加庞大的放风除尘装置外，还造成系统热回收率下降及电耗的上升。据资料分析，第二代篦式冷却机的热回收率只有65%～70%，吨熟料电耗高达7kWh～9kWh。表2为国外某2000t/d生产线所配篦式冷却机的正常操作数据，其热回收率为66.4%。图1为根据表2绘制的熟料温度、篦上空气温度及两者温差在篦床长度方向的分布情况，以单位长度熟料被冷却速率计，热端熟料温度下降为125℃/m，而冷端只有30℃/m，前者是后者的4.3倍。表2 国外某公司篦冷机正常操作参数
冷却温度分布情况见图2。关于目前新发展起来的第三代篦冷机，作者暂无详细资料。但其改进措施主要集中于热端部位，这和复合流冷却机利用篦冷机高效的热端冷却效果是一致的。即复合流冷却机篦床可引用充气篦板技术。
2 单筒冷却机工作特点
单筒冷却机筒体内耐火衬料的砌筑长度约占筒体总长度的50%，其中一部分装有扬料板，未砌筑耐火衬料的部分均布置了扬料板。
熟料在扬料区被多次扬起，并均匀地抛撒，冷却空气与热熟料进行强烈的热交换。特别是在低温区，可以通过改善扬料板结构、布置形式以及调整筒体的斜度和转速，来增加熟料与冷却空气的接触时间，控制熟料的移动速度，使熟料内部的热量有充足的时间向表面传导，从而对温度较低熟料的热量充分回收。这种逆流热交换工作原理无疑是熟料显热回收的理想方法，其热回收率很高，但也存在以下问题。
(1)筒体直径大。为降低冷却筒内细颗粒熟料的循环量，提高热回收率，必须限制其截面风速。这就要求将筒体直径设计得较大，这在预分解窑系统中尤为突出。如2000t/d预分解窑的窑径一般不超过Φ4m，而所配单筒冷却机规格为Φ4.4m/4.8m×46m。此外，在单筒冷却机内靠近高温段处，由于风温较高，相应风速也较高，为保持较大的通风面积，降低风速，需减少扬料板的数量，这也会影响该段熟料的冷却效率。
(2)高温带熟料冷却缓慢导致筒体偏长。由于材质方面的原因，筒体内扬料板的长期使用温度考虑900℃左右，而出窑熟料温度通常为1250℃～1400℃，这就要求在冷却机进料端设置一段不带扬料板的砌砖带。显然该段热交换效率很低，所以必须设计得较长，一般占冷机筒体总长的30%左右。不但增加了筒体表面的散热损失，也使熟料得不到急冷，从而影响熟料的质量。
Dr-lng Scheccer和v-Steinbach 分别通过计算机数学模拟计算，得出单筒冷却机内熟料与冷却空气温度分布图(图3)。由图3知，单筒冷却机内无扬料板段的单位长度熟料冷却速率不足20℃/m，而设扬料板段的冷却速率达50℃/m～100℃/m，后者是前者的2.5～5倍。
(3)筒体热端进料溜槽的问题较多。现代干法回转窑，尤其是使用多通道喷煤管的窑，其出窑熟料温度高达1350℃左右，常常在溜槽处结皮或堆雪人。为此，一般在溜槽处安装数个空气炮或用高压水定时处理，这会导致该处耐火材料损坏。也有在该处采用水冷溜槽的，但会造成单位熟料15×4.18kj/kg的热损失，且水冷溜槽本身寿命也并不理想。
3 强制冷却单筒冷却机的开发思路
综合技术经济指标考虑，一般认为单筒冷却机适应2000t/d以下规模的生产线，而篦式冷却机则可适应更大规模的生产线。篦式冷却机的单位篦板面积负荷从60年代的 25t/m2·d左右发展到目前的50t/m2·d～80t/m2·d，设计上由于对其进料点有效篦床面积的控制，大大改善了热端篦床上的物料分布情况，尤其是近年来出现了空气梁篦板，使篦床的通风更加均匀。单筒冷却机的热回收效率一般要比篦式冷却机高。由于材质、扬料板、筒体的连接方式以及耐火衬料的不断改进，如弧形扬料板、F形扬料板等新型扬料装置的应用，更进一步提高了单筒冷却机的热回收效率。
从前面的对比分析可知，篦式冷却机和单筒冷却机各具优势。强制冷却单筒冷却机的开发思想就是结合两者的优势，实现性能互补，使其既能急冷熟料又能提高热回收效率。具体思路为：
在单筒冷却机进料口引入一不大的错流换热床，用于水泥熟料的急冷，并充分利用单筒冷却机中扬料板的抛撒效应，使熟料在回转筒体内得到有效的再冷却。实际上这是一种同时利用错流换热和逆流换热原理进行工作的混合型冷却机。其中错流换热过程可通过采用倾斜固定式篦床或往复推动式篦床得以实现。研究开发这种新型强制冷却单筒冷却机可使单筒冷却机进一步适应更大规模的熟料生产线，降低设备投资，提高冷却机热回收效率。
4 强制冷却单筒冷却机及其特点
强制冷却单筒冷却机是指用一小段篦床代替单筒冷却机的下料留槽，从而使熟料在该处得到急冷。这样，既可充分发挥篦式冷却机对高温熟料急冷的优点，也保留了单筒冷却机对低温熟料热量可继续回收的长处。既免去了篦式冷却机庞大的废气处理系统，又解决了随着熟料产量的提高，单筒冷却机筒体尺寸过大，设备过重的难题。可望这种新型冷却机在投资和热回收效率上较传统的单筒冷却机和篦式冷却机有所突破。对于预分解窑系统，由于强制冷却单筒冷却机可将二、三次风分开，从而可将二次风温提高到现代篦式冷却机的水平。这对提高窑头烧成带温度，提高熟料产、质量，降低热耗是有利的。
强制冷却单筒冷却机的错流换热床面积一般很小，其尺寸大致与单筒冷却机下料溜子相当。以2000 t/d熟料生产规模为例，强制冷却单筒冷却机错流换热床面积约2m2～3m2。未来的这种冷却机可能有两种形式，一种是在单筒冷却机进料口处设一段水平推动篦床；另一种是采用一段倾斜固定篦床。其中后一种如能解决好篦床上料层厚度的稳定，则可避免篦床下细物料难处理及传动装置的问题，这是本开发思路的发展方向。下面对这种新型冷却机的运行特点及技术经济指标作分析预测。
(1)提高窑系统熟料的热回收效率，典型的篦冷机和单筒冷却机的热损失见表3。表3 篦冷机和单筒冷却机的热损失 ×4.18kj/kg
由表3知，废气带走热是篦冷机主要热损失，而表面散热则是单筒冷却机的主要热损失，因此降低表面散热损失是提高单筒冷却机热回收效率的重要手段。强制冷却单筒冷却机筒体表面积只有同能力单筒冷却机的50%～60%，仅此一项，就可减少表面散热损失30×4.18kj/kg。此外，由于篦床分担了部分热负荷，从而可保证出冷却机熟料温度较低，也可减少熟料带走的热量。所以有理由相信，强制冷却单筒冷却机的热回收效率将比传统的冷却机有明显提高。
(2)操作电耗低。现代篦冷机的熟料操作电耗一般在7kWh/t～9kWh/t，其中用于处理废气的电耗达1kWh/t～2kWh/t，而单筒冷却机电耗为3.5kWh/t。根据测算，强制冷却单筒冷却机篦床段约为1kWh/t左右，此外，由于筒体尺寸显著减小，其传动功率还将下降O.5kWh/t。因此,其总电耗估计在4.0kWh/t左右,只有篦冷机的一半。
(3)设备投资低。通常，单筒冷却机的投资较同规模篦冷机(含废气处理系统)稍低一些。而强制冷却单筒冷却机的投资将更低。以700t/d熟料生产线为例，如配单筒冷却机，则冷却机规格为Φ3.2m×34m，设备重量约为175t，而配强制冷却单筒冷却机时，其回转筒体规格仅为Φ2.8m×23m，虽增设了1.0m2左右的篦床，但省去了进料溜子，设备重量估计在105t。即使考虑到需增设高压风机及篦板材质的特殊要求，也可乐观地估计其总投资将明显低于两种传统冷却机。
对于带单筒冷却机的生产线，只要将单筒冷却机稍加改造，设置一段不大的篦床，就可很容易地使单筒冷却机的能力翻一番，这对老厂湿改干以及其它型式的干法窑改成SP或NSP窑后提高冷却机的能力是非常有效的。同时，由于这种强制冷却单筒冷却机在规格不变的情况下可大幅度提高产量，因此可望在大型新型干法生产线上取代传统的篦式冷却机和单筒冷却机。
自熟料篦式冷却机诞生以后，由于其具有熟料急冷效果好等特点，一段时间内在较大规模熟料生产线上几乎代替了所有的单筒冷却机。但1980年以后，单筒冷却机以其结构简单、投资省、电耗低、运行可靠、无需昂贵的废气排放系统以及较高的热回收效率等特点，加之在结构上不断改进，已能适应较大规模的熟料生产线，从而再度得到重视。
对比篦式冷却机和单筒冷却机工作原理和操作特点不难发现，两种类型的冷却机在工作原理上是可以实现互补的。本文通过分析比较，试图开发一种集二者优点于一体的强制冷却单筒冷却机。
1 篦式冷却机的工作特点
篦冷机篦床面积的很少部分用于窑系统的熟料显热回收，其大部分篦床面积被用于熟料的再冷却，见表1。 表1 三种篦冷机有效篦床面积利用情况
| 篦冷机型号 | 有效篦床面积/㎡ | 用于加热二、三次空气的有效篦床 | 制造厂 | |||
| 面积 /㎡ | 比例 /% | 长度 /m | 比例 /% | |||
| 509H-723H Fuller 型 | 20.4 | 4.46 | 21.8 | / | 28.1 | 沈水机 |
| 609S-8195/809S-1019S | 46.8 | 12.5 | 26.7 | / | 32 | Fuller |
| Folax (顺昌用) | 60 | 6.9 | 11.5 | / | 21.6 | Smidth |
熟料颗粒内部热量的散发包括颗粒内部导热和颗粒表面散热两个串联的过程，其中内部导热过程较缓慢，影响着整个熟料的冷却速率，这时只有靠增加熟料与冷却介质的接触时间、接触面积(减小粒径或增加冷却介质量)才能有效地进一步冷却熟料。
篦床中，冷却空气横向穿过物料层，冷却空气与熟料的接触时间一般不超过O.3s。为延长接触时间，有效地提高二次风温，篦床热端的料层厚度从过去的200mm～300mm发展到现在的500mm～800mm，但在冷端，从节电角度考虑，料层厚度仍保持在300mm左右。热端料层厚度能否进一步提高，也取决于电耗因素。
冷却空气与熟料的接触面积除和料层通风的均匀性有关外，主要取决于熟料的颗粒级配和堆积状态。除非增设高温熟料破碎机，否则在篦冷机上扩大冷却空气与熟料的接触面积是很难的。
综上所述，篦冷机在热交换推动力减小的情况下，只有靠增加冷却空气量来达到进一步冷却熟料的目的，这就使篦冷机的冷却空气量大大超过燃烧空气量。对第二代篦冷机，单位熟料冷却空气量为3.0kg/kg～3.3kg/kg左右时，其装机风量要达到4.0kg/kg～4.5kg/kg，而二、三次风的总需求量一般只有1.0kg/kg～1.3kg/kg。过量的冷却空气除需增加庞大的放风除尘装置外，还造成系统热回收率下降及电耗的上升。据资料分析，第二代篦式冷却机的热回收率只有65%～70%，吨熟料电耗高达7kWh～9kWh。表2为国外某2000t/d生产线所配篦式冷却机的正常操作数据，其热回收率为66.4%。图1为根据表2绘制的熟料温度、篦上空气温度及两者温差在篦床长度方向的分布情况，以单位长度熟料被冷却速率计，热端熟料温度下降为125℃/m，而冷端只有30℃/m，前者是后者的4.3倍。表2 国外某公司篦冷机正常操作参数
| 风 室 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
| 篦板排数 | 3 | 6 | 8 | 11 | 9 | 12 | 7 |
| 篦床宽度/m | 1.8 | 1.8 | 2.4 | 2.4 | 2.4 | 3.0 | 3.0 |
| 篦床面积/㎡ | 1.8 | 3.6 | 6.39 | 8.79 | 7.19 | 11.99 | 6.99 |
| 耗气量/（m3·min-1·m-2） | 9.04 | 93.38 | 85.12 | 80.60 | 76.07 | 71.54 | 67.0 |
| 料床厚度/mm | 525.7 | 525.7 | 394.2 | 394.2 | 394.2 | 315.4 | 315.4 |
| 熟料进口温度/℃ | 1371 | 1241 | 995.4 | 665.8 | 388.7 | 256.1 | 134.2 |
| 熟料出口温度/℃ | 1241 | 955.4 | 665.8 | 388.7 | 256.1 | 134.5 | 97.2 |
| 篦下压力/（×133.322Pa） | 467.4 | 416.4 | 290.7 | 261.2 | 233.2 | 182.9 | 161.0 |
| 风湿/℃ | 1070.5 | 929.5 | 695.5 | 466.2 | 279.7 | 168.5 | 104.2 |
| 篦 风速m/s | 1.56 | 1.42 | 1.34 | 1.27 | 1.19 | 1.1 |
2 单筒冷却机工作特点
单筒冷却机筒体内耐火衬料的砌筑长度约占筒体总长度的50%，其中一部分装有扬料板，未砌筑耐火衬料的部分均布置了扬料板。
熟料在扬料区被多次扬起，并均匀地抛撒，冷却空气与热熟料进行强烈的热交换。特别是在低温区，可以通过改善扬料板结构、布置形式以及调整筒体的斜度和转速，来增加熟料与冷却空气的接触时间，控制熟料的移动速度，使熟料内部的热量有充足的时间向表面传导，从而对温度较低熟料的热量充分回收。这种逆流热交换工作原理无疑是熟料显热回收的理想方法，其热回收率很高，但也存在以下问题。
(1)筒体直径大。为降低冷却筒内细颗粒熟料的循环量，提高热回收率，必须限制其截面风速。这就要求将筒体直径设计得较大，这在预分解窑系统中尤为突出。如2000t/d预分解窑的窑径一般不超过Φ4m，而所配单筒冷却机规格为Φ4.4m/4.8m×46m。此外，在单筒冷却机内靠近高温段处，由于风温较高，相应风速也较高，为保持较大的通风面积，降低风速，需减少扬料板的数量，这也会影响该段熟料的冷却效率。
(2)高温带熟料冷却缓慢导致筒体偏长。由于材质方面的原因，筒体内扬料板的长期使用温度考虑900℃左右，而出窑熟料温度通常为1250℃～1400℃，这就要求在冷却机进料端设置一段不带扬料板的砌砖带。显然该段热交换效率很低，所以必须设计得较长，一般占冷机筒体总长的30%左右。不但增加了筒体表面的散热损失，也使熟料得不到急冷，从而影响熟料的质量。
Dr-lng Scheccer和v-Steinbach 分别通过计算机数学模拟计算，得出单筒冷却机内熟料与冷却空气温度分布图(图3)。由图3知，单筒冷却机内无扬料板段的单位长度熟料冷却速率不足20℃/m，而设扬料板段的冷却速率达50℃/m～100℃/m，后者是前者的2.5～5倍。
(3)筒体热端进料溜槽的问题较多。现代干法回转窑，尤其是使用多通道喷煤管的窑，其出窑熟料温度高达1350℃左右，常常在溜槽处结皮或堆雪人。为此，一般在溜槽处安装数个空气炮或用高压水定时处理，这会导致该处耐火材料损坏。也有在该处采用水冷溜槽的，但会造成单位熟料15×4.18kj/kg的热损失，且水冷溜槽本身寿命也并不理想。
3 强制冷却单筒冷却机的开发思路
综合技术经济指标考虑，一般认为单筒冷却机适应2000t/d以下规模的生产线，而篦式冷却机则可适应更大规模的生产线。篦式冷却机的单位篦板面积负荷从60年代的 25t/m2·d左右发展到目前的50t/m2·d～80t/m2·d，设计上由于对其进料点有效篦床面积的控制，大大改善了热端篦床上的物料分布情况，尤其是近年来出现了空气梁篦板，使篦床的通风更加均匀。单筒冷却机的热回收效率一般要比篦式冷却机高。由于材质、扬料板、筒体的连接方式以及耐火衬料的不断改进，如弧形扬料板、F形扬料板等新型扬料装置的应用，更进一步提高了单筒冷却机的热回收效率。
从前面的对比分析可知，篦式冷却机和单筒冷却机各具优势。强制冷却单筒冷却机的开发思想就是结合两者的优势，实现性能互补，使其既能急冷熟料又能提高热回收效率。具体思路为：
在单筒冷却机进料口引入一不大的错流换热床，用于水泥熟料的急冷，并充分利用单筒冷却机中扬料板的抛撒效应，使熟料在回转筒体内得到有效的再冷却。实际上这是一种同时利用错流换热和逆流换热原理进行工作的混合型冷却机。其中错流换热过程可通过采用倾斜固定式篦床或往复推动式篦床得以实现。研究开发这种新型强制冷却单筒冷却机可使单筒冷却机进一步适应更大规模的熟料生产线，降低设备投资，提高冷却机热回收效率。
4 强制冷却单筒冷却机及其特点
强制冷却单筒冷却机是指用一小段篦床代替单筒冷却机的下料留槽，从而使熟料在该处得到急冷。这样，既可充分发挥篦式冷却机对高温熟料急冷的优点，也保留了单筒冷却机对低温熟料热量可继续回收的长处。既免去了篦式冷却机庞大的废气处理系统，又解决了随着熟料产量的提高，单筒冷却机筒体尺寸过大，设备过重的难题。可望这种新型冷却机在投资和热回收效率上较传统的单筒冷却机和篦式冷却机有所突破。对于预分解窑系统，由于强制冷却单筒冷却机可将二、三次风分开，从而可将二次风温提高到现代篦式冷却机的水平。这对提高窑头烧成带温度，提高熟料产、质量，降低热耗是有利的。
强制冷却单筒冷却机的错流换热床面积一般很小，其尺寸大致与单筒冷却机下料溜子相当。以2000 t/d熟料生产规模为例，强制冷却单筒冷却机错流换热床面积约2m2～3m2。未来的这种冷却机可能有两种形式，一种是在单筒冷却机进料口处设一段水平推动篦床；另一种是采用一段倾斜固定篦床。其中后一种如能解决好篦床上料层厚度的稳定，则可避免篦床下细物料难处理及传动装置的问题，这是本开发思路的发展方向。下面对这种新型冷却机的运行特点及技术经济指标作分析预测。
(1)提高窑系统熟料的热回收效率，典型的篦冷机和单筒冷却机的热损失见表3。表3 篦冷机和单筒冷却机的热损失 ×4.18kj/kg
| 蓖冷机 | 单筒冷却机 | |
| 表面散热 | 5 | 60 |
| 熟料带走热 | 12 | 50 |
| 废气带走热 | 120 | 0 |
(2)操作电耗低。现代篦冷机的熟料操作电耗一般在7kWh/t～9kWh/t，其中用于处理废气的电耗达1kWh/t～2kWh/t，而单筒冷却机电耗为3.5kWh/t。根据测算，强制冷却单筒冷却机篦床段约为1kWh/t左右，此外，由于筒体尺寸显著减小，其传动功率还将下降O.5kWh/t。因此,其总电耗估计在4.0kWh/t左右,只有篦冷机的一半。
(3)设备投资低。通常，单筒冷却机的投资较同规模篦冷机(含废气处理系统)稍低一些。而强制冷却单筒冷却机的投资将更低。以700t/d熟料生产线为例，如配单筒冷却机，则冷却机规格为Φ3.2m×34m，设备重量约为175t，而配强制冷却单筒冷却机时，其回转筒体规格仅为Φ2.8m×23m，虽增设了1.0m2左右的篦床，但省去了进料溜子，设备重量估计在105t。即使考虑到需增设高压风机及篦板材质的特殊要求，也可乐观地估计其总投资将明显低于两种传统冷却机。
对于带单筒冷却机的生产线，只要将单筒冷却机稍加改造，设置一段不大的篦床，就可很容易地使单筒冷却机的能力翻一番，这对老厂湿改干以及其它型式的干法窑改成SP或NSP窑后提高冷却机的能力是非常有效的。同时，由于这种强制冷却单筒冷却机在规格不变的情况下可大幅度提高产量，因此可望在大型新型干法生产线上取代传统的篦式冷却机和单筒冷却机。
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