关于篦冷机设计若干方面的探讨

　　篦冷机是水泥生产线上重要的冷却设备，上个世纪30年代开发出篦式冷却机设备，为水泥生产线向大型化发展奠定基础，我国从事篦冷机设计开发是在60～70年代，80年代中期我国引进了美国FULLER公司第二代篦冷机制造技术，篦冷机技术的引进开发使我国水泥工业向前迈出一大步，相继开发的一大批新型干法水泥生产线都使用的是FULLER型篦冷机，90年代中期我国又开发出第三代空气梁式篦冷机，第三代篦冷机的开发应用成功最显著的特点就是同规格的回转窑产量提高近20%以上。丹麦史密斯公司开发的第四代篦冷机已投放市场多台，显示出了高一筹的先进性。篦冷机的研究工作仍在不断深入进行。本人多年从事篦冷机的研究工作，谨利用本文针对有关篦冷机设计方面的一些问题进行探讨。

一、篦冷机规格的确定
篦冷机规格有两种表示方法，一种用产量表示，例如2000t/d篦冷机，3000t/d篦冷机。另一种是用篦床宽度×篦床长度表示，篦冷机规格与单位篦床面积产量有关，单位篦床面积产量大，篦冷机规格就小，反之就大。第二代篦冷机单位篦床面积产量仅为30～40t/m2.d，而第三代篦冷机乃至第四代篦冷机单位篦床面积产量已达到40～50t/m2.d以上。
篦冷机的宽度B，对于一般窑型B是窑的有效内径的80%，对于预分解窑B是窑的有效内径的（50～60）%。
经验公式： B=0.52G0.44， B=1.04Dr—1.75
（B———篦床宽度，m；G———窑产量，t/d；Dr———窑有效内径，m。）
篦冷机篦床面积：A=G/g （A———篦床面积，m2；g———篦床单位面积产量，t/m2d。）
篦床长度：L=A/B （L———篦床长度，m。）
关于篦床长度，在设计第二代篦冷机时一般规定1500t/d以下规格，采用一段篦床，1500t/d以上规格采用二段篦床，3000t/d以上规格采用三段篦床。
在第三代篦冷机设计过程中情况出现大变化，2000t/d规格的篦冷机篦床已有采用一段的，5000t/d规格乃至10000t/d规格篦冷机篦床采用三段。所以在确定单段篦床长度时，除考虑产量因素外，另外是考虑制造，安装的方便，传动装置负荷大小的因素。一般要求第一段篦床长度应是足够允许回收空气能通过的有效篦床面积。篦床长度与宽度之比约为4：1，不应超过5：1。

二、窑中心线和篦冷机中心线偏心距
篦冷机的布置和窑的相对位置一般是采用顺流，既料流方向一致。由于回转窑在运转过程中离心力作用，导致落下的熟料一侧为粗颗粒，一侧为细颗粒，粗细颗粒的离析分布，使熟料在篦床上分布不均，阻力不均，影响通风及冷却，为解决这一问题，采用窑中心和篦冷机中心偏离一段距离的方法，既人为让出回转窑的细料落在篦冷机中心上。
设回转窑中心和篦冷机中心的偏心距为S ，则关于S 的确定：日本公司认为一般窑型S=（10～15）%Dr， 预热器窑S=13%Dr ， 预分解窑S=（15～18）%Dr
美国FULLER公司认为：
一般窑型S=（12～15）%Dr ， 分解窑S=15%Dr
在水泥厂改造中，由于有些工厂场地狭窄采用篦冷机按顺流布置不合适，故改为逆流布置或T型布置，采用逆流布置或T型布置篦冷机篦床的篦板排列要进行调整，不能完全采用顺流布置的篦床，这一点对于要改造的生产厂家要格外注意。

三、篦床运动速度
篦冷机篦床运动为往复运动轨迹，往复行程120～130mm，运动速度单位为次/min，一般运动速度在5～20次/min之间，具体计算公式如下:
（1）计算熟料流量：W=G/1.44γ（W———熟料流量，m3/min；γ———熟料密度，kg/m3。）
（2）计算篦冷机在进料端的推料量：F=BShη
（F———推料量，m3/冲程；S———行程，m。h———料层厚度，m；η———输送效率，%。）
（3）计算篦床运动速度：V=W/F（V———篦床运动速度，冲程次数/min。）
篦床运动速度是一个经常变化的参数，当篦床上熟料量减少，料层减薄，就要放慢速度，保持篦床上有一定的料层厚度，若当篦床上的熟料量增加，料层增厚，就要加快篦床运动速度，加快排料量，恢复原料层厚度。一般篦床运动速度由中控室控制。

四、传动功率
一般中小型篦冷机均为一段篦床，传动功率在22～35kw之间，大型篦冷机一般分二段或三段篦床，传动功率在30～45kw之间。2000t/d规格篦冷机采用一段篦床，传动功率在55kw左右，篦床传动功率计算公式:P=VAU0/12.44(P———篦床传动功率，kw；UO———综合料层厚度和换算系数,0.24+0.0011h；h———料层厚度，mm。)
电机的选择：（1）电机转矩的校核:T=9550P/n （2）电机功率的校核:N=KP(T———电机转矩，N.m；N———电机功率，kw；n———电机转速，r/min；K———工况系数。)

五、熟料在篦冷机里的停留时间
熟料从窑口落人篦冷机内到从篦冷机出口出来这段时间为停留时间，停留时间与出料温度，冷却效率有关，一般为保证出料温度低于100℃，废气排放温度低于300℃，，必须要保证熟料在篦冷机里有一定的停留时间，控制停留时间主要是控制篦床运动速度，熟料在篦冷机的停留时间:T=BLγh/W(T———熟料在篦冷机里的停留时间，min。)

六、篦冷机风量、风压的配置
篦冷机同单冷机比较最大的优点就是篦冷机是强制通风，强制冷却，所以出料温度低，熟料质量好。
篦冷机所配风机的风量和风压是一个重要参数，它关系到出料温度，废气温度，二、三次风温度等参数的变化。所以多年来人们一直在探讨这一问题。
关于篦冷机风量的选择，一般采用风载这一概念———每分钟每平米篦床面积承载风量。在第二代篦冷机风量设计上，美国FULLER公司曾提出一台篦冷机在标准条件下的平均风载在95～85m3/m2.min（有效面积），最大设计风载为115m3/m2.min。相邻风室最大风载差为15m3/m2.min。
关于风压的设计，美国FULLER公司提出计算公式：
P压=6.9308×10-5Q2×（1.28h）(P压———篦冷机某一风室的压力降，mmH2O；Q———某一风室对应的篦床风载，m3/m2.min；H———料层厚度，mm。）
上述公式仅限于第二代篦冷机，对于第三代篦冷机意义不大。
关于第三代篦冷机风量的选择观点不一，有人认为第三代篦冷机风载应大于第二代篦冷机风载，即最高设计风载为130m3/m2.min。
笔者认真研究了第三代篦冷机风量风压配置，认为应遵循“高风压，低风量”的原则，即入料端高风压在11000～12000Pa之间，风载在100～110m3/m2.min之间。
在冷却空气穿过料层时，热量从物料传递到空气中，使空气扩散。因此在入料端有较高的空气压力，以保持空气应有的流动。
第三代篦冷机采用高阻力篦板，篦板阻力远远大于普通篦板，空气穿过篦板缝隙产生速度达到40m/s，通过实验可知，当速度达到一定时，篦床压力再增加，风速不发生变化，这就告诉我们穿过高阻力篦板的冷风，继续穿过料层时，风速变化很小，结果为通过篦床上的冷风速度均匀，冷却速度均匀。所以不需要太多的风量。
单位熟料用风量小，是考核篦冷机的一个重要指标。一般较先进的篦冷机要求单位熟料用风量小于2.0Nm3/kg。所以采用科学的配风方法，以保证篦冷机熟料能正常冷却，尽量减少篦冷机的总供风量，可以保证减少窑头，窑尾排风机和收尘器的处理风量，提高二、三次风温，有利于改善煤粉的燃烧环境，加快煤粉在窑，炉内的燃烧速度。
天津水泥工业设计院熊会思先生在他著的《新型干法烧成水泥熟料设备设计、制造、安装与使用》一书中针对篦冷机的风压、风量的设计进行了论述，对第二代篦冷机：
（1）风量计算：Qi=60FVi （Qi———篦冷机各风室的风量，m3/min；F———篦冷机篦床有效面积，m2；Vi———通过篦床上熟料层空气速度，m/s。）
（2）风压计算，风机的静压额定值要大于或等于通过篦板压力降和通过熟料层压力降：△P=△Pg+△Pcl （△P———风机静压额定值，mmH2O；△Pg———空气通过篦板的压力降，mmH2O；△Pcl———空气通过熟料层的压力降，mmH2O。）△Pg=V2通孔γ空气／2g （V通孔———通过篦板通孔的风速，m/s；γ空气———空气密度，kg/m3；g———重力加速度，m/s2。）
△Pcl=0.25Vi2h 选用风机压力为：P风机=1.5△P
对第三代篦冷机而言，熊会思先生认为在热回收区高阻力篦板的风载大大低于第二代篦冷机的风载。压力设计可仍采用△P=△Pg+△Pcl公式，只是V通孔的数值不同，这样计算出的P值大约在11000Pa左右。
上述理论仅限于在一般平原地区，若在高海拔地区情况就发生变化了，由于高海拔地区气压低，空气体积增大，所以在篦冷机的设计上和风量风压配置上就要遵循下列规则：
（1）在高海拔地区遵循下列公式:VH=V0PO/PH ， QH=Q0PO/PH， HH=H0P0/PH, NH=N0（P0/PH）2 ， γH＝γ0PH/P0（VH———H高度的风速，m/s；V0———海平面高度的风速，m/s；P0———海平面高度的气压，Pa；PH———H高度的气压，Pa；QH———H高度的风量，m3/s；Q0———海平面高度的风量，m3/s；HH———H高度的阻力降，Pa；H0———海平面高度阻力降，Pa；NH———H高度风机轴功率，kw；N0———海平面高度风机轴功率，kw；γH———H高度空气密度，kg/m3；γ0———海平面高度空气密度，kg/m3。）
（2）在篦冷机设计上有三种方法
①保持篦冷机规格不变（篦床面积不变），保持气体质量流量不变，这时就需要加大风量，增加空气体积流量，增加的空气量为P0/PH，这是常用的方法。
②适当加大篦冷机规格，保持空气流体阻力不变，这时保证风速VH=V0（P0/PH）1/2，空气流量增加P0/PH倍，篦冷机篦床面积增加（P0/PH）1/2倍。
③篦冷机篦床面积变化完全等同于风量的增加，即保持海平面高度的风载与H高度的风载相同，这时需保证风速VH=V0，则风机的功率不变，压力降为HH=H0γH/γ0。