水泥熟料篦冷机述评

高长明聂纪强魏振生

1. 中国水泥协会高级顾问，北京 100831； 2. 成都建筑材料工业设计研究院有限公司，四川 成都 610051；3. 北京酷勒斯技术发展有限公司，北京 102300

水泥熟料篦冷机述评

高长明1聂纪强2魏振生3

1. 中国水泥协会高级顾问，北京 100831； 2. 成都建筑材料工业设计研究院有限公司，四川 成都 610051；3. 北京酷勒斯技术发展有限公司，北京 102300

避开“代”的划分，从普通篦冷机的一般特性出发，对现代篦冷机的结构设计与工艺技术特征，诸如固定进料区、篦板的发展、侧面密封、传动机构、熟料破碎机、热效率的改进、卸料系统、篦床的支承系统、控制系统、冷却风机进行介绍；无漏料篦冷机，同普通的推动式篦冷机的不同之处在于采用了新型的输送系统，篦床不再漏料，在篦床下部不需要细粉回收装置，并拥有自动式冷却空气分布系统MFR（Mechanical Flow Regulator）或ADS（Air Distribution Switch），诸如交叉棒/最新十字棒篦冷机、输送轨道式篦冷机、列进篦床式篦冷机。当前，几乎所有篦冷机制造商都有将固定进料区进一步扩展的趋势；篦板表面保护层的选择开始看好复合钢板或贴敷耐磨板于篦板表面；在熟料冷却风机选型中，前向叶轮风机已被淘汰。

篦冷机 结构 工艺 无漏料 固定进料区

0 引言

第一台水泥熟料篦冷机是由富勒公司（Fuller）于1937年在美国宾州福杰谷水泥厂投入运行的，此后几十年里篦冷机技术得到了迅速发展。随着窑产量的提高以及预分解窑技术的发展，篦冷机的推广被确立起来。它能为分解炉供给三次空气，同时能够在高产量下安全、可靠地运行而没有技术问题。

篦冷机有循环移动式、振动式、推动篦式和带有新型输送系统的篦冷机。前两种类型的篦冷机在水泥熟料冷却中已经不再使用，因此这里不再赘述。

在近30年里，所有著名的水泥机械制造公司都进一步发展了推动篦冷机，特别是在提高运转率和冷却效率方面。市场上可供12 000 t/d规模使用的单段篦床篦冷机、阶梯型篦冷机也不断投入使用。

为了综合评述当代水泥熟料冷却机，本文从普通篦冷机的一般特性出发，对现代篦冷机的结构设计与工艺技术特征进行介绍，并对几款国外的无漏料篦冷机进行评价。

1 普通篦冷机的一般特性

所有篦冷机均可抽取三次风和热空气或供分解炉使用，或用于余热发电、煤粉或矿渣烘干等。几乎所有的篦冷机都用冷空气作为冷却介质，近年来由于余热发电技术的不断发展，使用窑头废气循环的二次热空气系统已经得到应用。

根据篦冷机制造商的不同，主要是根据篦床输送作用的不同，篦床倾斜角在0～5°之间，倾斜角度越大，相应地篦床总高度也越高。因此，近年来呈水平安装篦床的篦冷机不断得到应用。

对输送能力来说，篦床的宽度也是决定性的。总之，由不同的篦冷机制造商提供的普通篦冷机在宽度上存在偏差。

在有结构限制的情况下才需要宽度较大的篦冷机。在使用这种宽篦冷机时，物料在篦床宽度方向上的均匀分布，对于形成一个均质和平坦的熟料料层至关重要。为此拥有一系列的结构形式，诸如收缩式固定进料口或移动篦床起始阶段篦床两侧适当窄化（固定化）。

篦冷机供应厂家提供几种不同形式的篦板漏料卸料方式。目前仍有供应带双层阀（重锤、电动、气动）或料位可控的电动弧形阀或链式输送机等。

2 现代篦冷机的结构设计与工艺技术特征

2.1 固定进料区

几乎所有的篦冷机制造商都研究开发了带直接充气的固定进料区。使用固定进料区，实际上增加了形成“雪人”的风险，而在另一方面，在篦冷机的高温区篦板的可靠性显著提高了，这在提高服务年限上又是决定性的优点。然而由于越来越多地使用二次燃料，近年来在篦冷机进料口形成熟料粘结的风险变得更加突出。因此通过使用多组空气炮和恰当地引进压缩空气确保篦冷机无故障运行的技术得到了较快发展。

专门用于固定进料区与移动篦床在高度方向衔接的，避免熟料床在此造成紊乱，保证其均匀稳定过渡的CFO（Clinker Flow Optimizer）装置得到应用。

2.2 篦板的发展

无论是直接充气或风室供风的篦冷机，使用较高阻力的篦板，仍在普通篦冷机中广泛地应用着。使用较高的篦板阻力改善了篦冷机内空气的分布，提高了它的热效率。

为了提高机械部件的服务寿命和减少磨损（特别是在篦板表面），研制开发了新型篦板。由于这种篦板的形状和采取了特殊的磨损保护措施，服务寿命大大延长。新型篦板篦缝设计成了非常狭窄的槽缝，不仅漏料量显著减少，还达到了在较长运行周期内稳定的篦板阻力，而不会使冷却性能有较大的改变。

2.3 侧面密封

新设计方案及运行实践显示：即使在篦床表面热膨胀时，侧面密封间隙也没有变化，并且由于运动部件的表面是经过淬火或选择了特种材料等，达到了很长的服务寿命。这些新型篦板的密封，缩小了间隙，防止了侧部边缘空气的“气沟短路效应”。

2.4 传动机构

随着篦冷机大型化，篦床驱动负载相应增加，最近液压传动已经被大型篦冷机传动普遍接受。随着液压技术的不断发展，目前提供现代化、长寿命的变量泵、比例阀技术更加成熟。有单杠工艺和多缸平行排列之分。液压缸活塞冲程长度和速度按照有效输送和最佳磨蚀的要求进行了优化。同时在中小型篦冷机中，也继续提供带变频调速电机的曲柄连杆机械传动系统。

2.5 熟料破碎机

几乎所有的著名公司都在淘汰熟料锤式破碎机，转而一致采用熟料辊式破碎机。这种类型的破碎机价格比锤式破碎机约贵两倍。然而由于其破碎元件的服务寿命长（2～8年），所以维修和零部件费用很低，因此基本投资在短期内就能得到补偿。此外，这种类型的破碎机还能处理非常大块的窑皮，因此可以避免计划外停窑。

使用辊式破碎机，不同的安装和维修系统，其区别得以显现。有些公司提供的是“抽屉系统”，其中整个辊式破碎机可以连同框架一起抽出，然后置于篦冷机旁进行维修。有些公司的辊式破碎机辊子可以单独地抽出来。提供的传动装置几乎都是直接耦联行星齿轮传动装置的机械传动装置或带行星齿轮装置的液压马达。

越来越多的篦冷机制造商提供阶梯式篦冷机。与单段、多段连续篦床相比，阶梯型篦冷机拥有决定性的优点，经中置辊破破碎后的颗粒可在下一个篦床上得到充分冷却。当熟料结粒粗大、窑皮脱落频繁和要求熟料有非常低而均匀的最终温度时，使用阶梯式篦冷机是一种理想的解决方案。

2.6 热效率的改进

上世纪80年代通过高阻力篦板的发明以及空气梁的引进，使篦冷机中的空气分布得到了极大改善。现代化的篦床和篦板系统对改进空气分布和提高换热效率起到了很大的作用。间隙缩小的篦板，篦床的活动篦排较少（两静一动），以及篦板横向之间无间隙，使冷却效率大大提高。

篦冷机的效率通过固定进料区的特殊、受控制的直接充气技术得到了很大的提升。固定进料区是回转窑卸料和篦冷机进料之间最重要的界面。安装了机械控制挡板，非常小的供气单元和空气梁，他们能确保以尽可能少的冷却空气达到所需要求。

对固定进料区两侧边界，用浇注料进行了适当遮盖，在篦床的起始端，熟料粒度达到良好的均匀分布，使得熟料在整个篦床区保持一个约500 mm～900 mm的稳定熟料层。这样改善了热交换，提高了二、三次风温度，达到了工艺和材料技术有关的极限。

在热量回收区与后冷却区之间增设一道间隔墙（“热盾”或“料幕”），可以降低热辐射损失，提高吨熟料发电量，稳定窑系统的运行。

2.7 卸料系统

熟料篦冷机的总高度对建筑成本有非常关键的影响，针对篦板间隙非常小的现代篦冷机，其篦床漏料数量明显减少，都是很细的料粉。各篦冷机制造商都相继开发了总高度要求较低的各种新机型。例如带气动卸料漏斗PHD（Pneumatic Hopper Drainge）或在风室内布置管式粉料链式输送机TDE（Tube Dust Extractor），降低了篦冷机的高度。

2.8 篦床的支承系统

用于支承篦床或活动框架的是：内置的托辊和导向轮系统。在大多数情况下，它们都通过特殊的防磨损结构设计或采用降低磨损的特殊专用材料，使其支承性能得到了很大的改进。

已经验证：悬挂于高处混凝土构架上的摇摆悬挂系统PSS（Pendulum Suspension System）或安装于篦冷机下部侧壳体内的直线摇摆支承系统LPS（Linear Pendulum Support）是无磨损的、可靠的解决方案。其中直线摇摆支承系统LPS通过特殊结构设计，几乎能够允许篦床进行水平运动，非常适合于对普通篦冷机进行现代化升级改造。

2.9 控制系统

下列项目的检测和控制回路仍被用于水泥熟料篦冷机的过程自动控制，这些项目包括冷却空气体积流量、风室压力（篦床推动次数）、窑头罩压力、篦板温度、二次风温度和余风温度。

在大多数情况下，篦床的速度仍由第一风室内或几个相结合的初始风机压力进行控制。有一些技术，如专用雷达探针直接测定篦冷机进料口料床高度的技术等，被证明是非常有效的。

2.10 冷却风机

几乎普遍提供带双轴承的径向离心风机（D型传动）。最常用的是风量有少量变化的恒速风机，其风量控制系统的设计方案是带电动执行器的进口叶片调节阀门。

只有调节范围宽（例如在篦冷机进口区）的风机配备了变频电机。这些风机具有降低动力消耗的特点。由于压力高达8 000～13 000 Pa，最初转速2 000 r/min以上，若不选用变频电机，风机尺寸就会太大。目前大多数新厂都安装进风消声器。

3 无漏料篦冷机

从上世纪90年代开始，在采用传统篦冷机的同时，市场上出现了新型篦冷机的设计概念。它们同普通的推动式篦冷机的不同之处在于采用了新型的输送系统，篦床不再漏料，在篦床下部不需要细粉回收装置，并拥有自动式冷却空气分布系统MFR（Mechanical Flow Regulator）或ADS（Air Distribution Switch）。所有这些无漏料篦冷机，都有固定进料口。这类篦冷机国内比较典型的是成都建材设计院的S型篦冷机，国外有交叉棒/最新十字棒篦冷机、输送轨道式篦冷机、列进篦床式篦冷机。本文就后三者进行简单介绍。至于S型篦冷机，读者查询比较方便，这里不再赘述。

3.1 交叉棒/最新十字棒篦冷机

1998年9月24日F·L·Smidth在意大利威尼斯Cementeriadi Monselice S·p·A 2 000 t/d生产线投入使用的SF（Smidth-Fuller）型交叉棒篦冷机，熟料输送机构是同篦冷机构分开的，因此实现了非常简单的篦冷机结构。篦冷机输送物料的推力机构是同固定的篦床表面分开的。即通风的篦床（底板）没有输送功能。篦床没有活动部件，并受固定水泥熟料层保护。物料靠交替安置在篦床之上的固定和活动推动棒输送。仅有的磨损部件是在熟料床内前后推动的活动棒和活动棒与传动板接头处的密封罩。

此外，这种篦冷机还配有主动空气分布系统。专门研究的机械流量调节阀MFR在熟料床阻力有某些改变时能起补偿作用。这种设计概念与高阻力篦板中的被动空气分布方式恰好相反。机械流量调节阀通过对熟料层中任何变化的反作用确保连续的最佳空气分布。在篦冷机不同的区域使用不同的流量阀，例如在篦床两侧边缘区配备了与篦冷机中心区不同的控制阀板。这些控制阀能使篦冷机有较大的空气室，这意味着仅需配备较少数量的冷却风机。

早期的交叉棒篦冷机一般需建成约4°的倾角，以便达到足够的输送能力。另外，这种类型篦冷机的宽度要比同等通过量的普通篦冷机宽。尽管在机械流量调节阀和通风篦床中有一定的压力损失，篦冷机的动力消耗还是比较低的，这主要归功于冷却空气的总量较少。它具有模块结构，有助于缩短安装时间。篦冷机的所有尺寸和宽度都由这些标准模块（1.3 m×4.2 m）组成。

2004年F·L·Smidth将倾斜篦床改为水平篦床的MMC（Multi Movable Cooler）型，全部推动棒都改进为可往复运动；2009年F·L·Smidth又推出了最新的史密斯十字棒式篦冷机Cross BarTM（CB型），2010年开始史密斯公司仅供应十字棒式篦冷机，见图1。

史密斯十字棒式篦冷机设计理念的五大创新：（1）将熟料冷却和熟料输送系统分开；（2）篦床固定不动，篦板间完全密封；（3）机械式自动冷却风量调节阀；（4）最佳的熟料输送方式，使水平篦床得以实现；（5）模块化设计与装配。

图1 史密斯十字棒式篦冷机

该公司利用计算流体动力学CFD（Computational Fluid Dynamics）模型，优化篦板阻力之后，冷却风机电耗可以降低20%。

此外，在篦冷机固定进料口设有空气炮控制系统ABC（Air Blaster Controlled）Inlet，能有效地防止堆雪人，并且形成均匀的料层，为高效冷却熟料创造有利条件。

3.2 输送轨道式篦冷机

2001年开始又出现另一种新型的无漏料篦冷机，见图2。采用这种篦冷机，物料是从静止篦床伸出的刮板输送的，并由液压缸相互独立地进行传动。沿冷却机宽度交替布置活动区和固定区，篦板由装满熟料的凹槽组成，由于大量的输送刮板是平行布置的，篦冷机的宽度可以与设备所需大小和生产能力相匹配。熟料层的厚度和熟料通过量根据输送行程和频率确定。

图2 输送轨道式篦冷机

这种篦冷机是水平布置的，它的输送能力同普通的篦冷机相似。篦冷机有一个冷却空气室充气系统，一般在固定进料区和水平篦床的前两个风室，每块长条形篦板的下部配有一个ADS空气分布开关，同一风室粗料侧与细料测阀板厚度也不同（粗料侧薄）。由于输送刮板在纵向是分别传动的，所以在横跨篦床宽度上，可以达到不同的输送速度。例如在边缘区的物料速度可以比在中心区低，这就减少了或者甚至于避免了“红河”。也能够实现良好的熟料横向分布。熟料床的厚度由料位探测器进行控制。

由于这种类型的篦冷机是水平布置的，所以它的总高度不大，它具有模块结构，每列宽度500 mm，并且安装时间非常短。这种篦冷机可以作为分级冷却同中置辊破一起提供。第一台输送轨道式篦冷机在2001年还属于阶梯冷却式篦冷机，安装在一家德国水泥厂，此后它作为分级冷却式篦冷机，完全转变为新技术。

为了防止堆雪人，将空气炮喷嘴引入固定进料区篦床表面（与表面平齐）间隔布置，5 000 t/d固定进料区配置6台空气炮。

3.3 列进篦床式篦冷机

在篦床中无活动磨损部件的另一个新型篦冷机在2003年投放市场，见图3。这种篦冷机也是有一个完全由凹槽组成的通风篦床。这种通风篦床由熟料自行保护，但不是固定的。每列篦床宽度为600 mm，一个靠一个排列的这种移动篦床每列分别由液压缸进行传动。由于行程长度约为300 mm，输送物料时，每分钟仅需6次左右。输送效率比篦床倾斜3°的推动式普通篦冷机还高。特殊结构与材料组成的迷宫式列间侧密封能防止产生任何漏料，因此，篦冷机不需要漏料卸料系统。

图3 列进篦床式篦冷机

水平安装的每列移动篦床，由辊子进行支承和导向。该风室供风充气冷却的篦冷机具有简单的模块结构。在紧接着固定进料区的热量回收区移动篦床两侧，冷却空气室是纵向排列的，它能够向篦床的热量回收区域提供准确的冷却空气，故而可以避免“红河”的出现。纵向布置的移动篦床也可以为产生不同的行程提供可能，因此物料在篦床宽度上的分布能够得到有效地控制。

这种类型的篦冷机作为单段篦床冷却（末端带有辊破）和分级冷却（中置辊破），得到了广泛应用。这种篦冷机高度不大，结构紧凑，有简单的基础，降低了建筑成本。第一台列进篦床式篦冷机于2004年投入运行。

4 结束语

打算购买或改造现有篦冷机的水泥制造商，应从篦冷机供应商找到基本工艺技术资料和下列篦冷机特征：已投产设备数量、最大冷却能力、可靠性系数RF（Reliability Factor）、热回收效率、熟料出篦冷机温度、篦床倾角（总高度）、篦床宽度、模块技术、静态进料口尺寸、单级或分级冷却系统、篦床支承系统、篦床侧面密封、磨损部件、热量回收区和后冷却区篦板类型与材质、冷却空气室密封原理、篦板安装方式、熟料输送原理、熟料床上输送元件、活动部件支承、传动装置类型、篦床速度控制、篦床充气类型、固定或移动充气篦床、漏料输送系统、熟料破碎机类型与安装位置、余风除尘系统、从何处抽取三次风（篦冷机、窑头罩）及废热利用、备件消耗量等。

水泥制造商应对比几家篦冷机供应商的上述基本工艺资料和特征之后，进行最终选择。

顺便指出：（1）近来我国的主流水泥工程建设者在国外的一些项目建设或技术改造合同谈判时，有为数不少的客户（德国海德堡、纳哈达、阿曼、沙特等）不接受第四代篦冷机而是选择第三代篦冷机[1]。对此，我们应继续探讨，找到正确答案。（2）几乎所有篦冷机制造商都有将固定进料区进一步扩展的趋势。（3）复合钢板或耐磨板贴敷于篦板表面作为保护层在Cross BarTM 和Polytrack中得到了广泛应用。（4）在熟料冷却风机选型中，前向叶轮风机已被淘汰。

[1] 林旭. 借鉴“工匠精神”将“中国制造”推向世界[J]. 中国水泥, 2015(8):80-82.

2015-08-10）

TQ172.622.4

B

1008-0473(2015)05-0001-05

10.16008/j.cnki.1008-0473.2015.05.001