水泥熟料篦式冷却机技术的新突破与改造研究

田 艺

（合肥水泥研究设计院有限公司， 安徽 合肥 230051）

0 引言

生料预热、预分解以及熟料的烧成和冷却，这三个是新型干法水泥不可缺少的三个重要的生产环节，生产线如图1 所示。水泥熟料冷却机是一种可以使熟料冷却的机器，它的主要功能就是使熟料骤冷，并且在这同时，还能对高温熟料进行回收、输送，起着非常重要的作用。用于新型干法水泥系统的主流冷却机就是篦冷机，是现在水泥产业的重要机器。想使篦冷机在冷却换热中达到最佳状态，就需要改进技术，而解决这一问题，则成为目前各单位需要重点解决的问题。

图1 新型干法水泥生产线

1 篦式冷却机的工作原理

篦式冷却机是篦冷机的全称，如图2 所示，这个机器分为固定段、高温段、中温段、低温段这几个部分，通常来说当窑烧成任务进行完以后，高温的熟料会从窑口落出，在篦床上达到骤冷，这时的温度大约为1300～1400℃。固定段是高温熟料首先会进入的部分，在熟料快速冷却后，再次进入高温段，这是通过重力的作用。然后再继续向前推进，分别进入中温段和低温段，在出料时温度则是65℃+环境温度。

图2 篦冷机工作原理图

冷却设备中的篦冷机是水泥生产线上最为重要的，从功能上来讲，可以划分为三个区域，分别是骤冷区、热回收区和冷却区。这三个区域，在生产工作中最重要，骤冷区则是其中的重中之重。骤冷区有两个作用，一是在保证熟料质量的情况下使熟料达到骤冷，使其他的矿物质无法生成；二是在窑炉中集中燃烧燃料，并且篦冷机要始终保持高回收率[1]。

2 非常规污染物烟气Hg 等在新型干法水泥窑中进行控制

2.1 能源代替

机器运作时，在回转窑这一部分会产生一些较为危险的物质。但是这些物质可以被吸收，熟料和物料在这各环节起到重要作用。欧洲将这一成效运用到水泥行业，使它的地位得到显著提高，尤其是在能效这一方面。在欧洲有很多地区，他们在工作时不仅用常用燃料，还会用到替代燃料，这其中包括固体以及液体的再生燃料。表1 列出了欧盟国家水泥窑炉替代燃料的种类[2]。一些欧盟国家使废物燃料和常用类型的燃料达到共同使用，他们采取这一措施是为了能更好地控制能源、并且能够持续发展工业，而且这一趋势持续增加，使废物燃料的使用量越来越多。在中国，煤炭一直是水泥行业的主要燃料来源，煤炭在水泥产业的使用量更是超过全国总需求的10%，但是废物燃料相对煤炭燃烧的比率远远低于欧盟国家，占比率不足1%。

表1 欧盟国家用于水泥窑炉燃料的废物种类

2.2 清洁新型干法水泥的生产技术

我们想要淘汰那些落后的生产工艺，就需要先推广先进的技术。这样可以在有效排除污染物的基础上，达到节能、节约资源的目的。能耗是否有所降低，质量是否有所保障以及劳动率的高低、投资是否合理化，这些都是我们对生产力是否先进的评判标准。而整个生产水平的发展和提高，我们从原料到开采直到出厂，就能看出现在水泥工业的发展与进步。为了可持续发展，我们需要在源头治理，从而降低大气污染物的排放。

3 水泥行业节能降耗

3.1 优化篦冷机结构

以T 公司为例，该公司采取积极的工程测试，从篦板的结构到固定、活动篦床之间的高差，进行优化更改，从这一方面入手，降低用电能耗，同时可以减少运作时篦床的阻力。为了提高熟料热量的回收利用效率，可以引进中置辊式破碎技术，从而使冷却剂熟料温度降低，粉末系统电耗降低[3]。根据图3 的CFD 模拟技术，可以清晰地看到物料和气流分布规律在篦冷机内部的状态，为优化篦冷机的内部结构提供技术上的支持。

图3 篦冷机内空气和熟料温度场分布

3.2 粉磨技术提升

粉磨节能降耗技术有许多独一无二的特点，例如粉磨效率高、操作简单等。如今这项技术终于达到成熟，尤其是生料辊磨粉磨技术，它的节能效果十分明显，有利于降低能耗，且比一般的系统低15%～30%，磨机的外形如图4。这个项目于2012 年正式投入运行，但是由于早期的技术并不健全，存在许多问题，并未全面投行，而后通过对选粉机、磨盘进行改造而逐渐完善这项技术[3]。

图4 生料辊磨外形图

3.3 水泥生产过程中控制能源消耗

提高企业能源调度和有效进行节能控制都需要在水泥生产过程控制能耗，而这也是国内外研究者都在关注的焦点。改造篦冷机以及控制篦冷机的工况，都是水泥生产消耗研究的两个重要方向。一般采用热力学和动力学的数学模型来研究在运行中的篦冷机的状态。而能量的消耗是基于水泥生产的每个环节的消耗。针对国家提出的绿色大背景下，对于水泥生产的节能减耗还需要再进一步增强。

4 针对篦冷机的冷却换热分析

4.1 换热受到风速的影响

目前已经做了大量关于风速、熟料粒径以及篦板供风等试验，得到了风速越快、换热阻力就会越小的结果。由于气固间对流热阻受到篦下风速的影响，这些都是会影响到篦冷机中的空气与高温熟料冷却换热的因素。并且上下层熟料随着冷空气的进入，总体呈现的趋势是先骤降再趋于平缓。但因为水泥生产是流动性的，数据的准确性还需要再不断进行重复性试验[1]。

4.2 换热受到粗、细料的影响

粗、细料不均造成的冷却问题一直都存在，粗、细料不均是重要的一点，如图5。这个问题的概念早在1983 年就被冯·韦伯先生提出了[1]，被称为高阻力篦板。但直到现在，由于技术不足，缺乏足够的知识支撑等因素，这一问题仍未得到解决。细料层和熟料层的风量分布不均，并且熟料层的换热效果更差。这些都是由于粗、细料的离析造成的，这一点令熟料的冷却和换热被严重影响。

图5 粗细料分布示意图

4.3 换热受到篦缝宽度的影响

不同的熟料篦冷机在工作时，它们的换热是有差距的。一般来说，工作正常的篦冷机，基本处于950℃左右。性能较好的篦冷机，二、三次的风温可以达到1050～1100℃。篦板的篦缝是可以直接影响到篦板的通风面积[1]，篦缝越宽，冷风就会从篦缝处进入，它的存在则造成了冷却换热变差。

5 结束语

综上所述，针对篦冷机这一水泥生产线降耗的核心，我们可以了解到，中国作为世界消耗水泥最大的国家之一，需要严格控制水泥污染物的排放，对非常规的污染物排放要进行严格控制。只有这样才能确保水泥行业的可持续性发展，使水泥行业加速向绿色行业进行转型。在经济迅速发展的今天，如果我们想要及时转变经济发展方式，就需要进行技术的创新，只有新型干法技术不断进步，才能对水泥的节能消耗提出更加合理有效的要求，从而达到我们的目标。我们需要利用水泥窑炉协同处理废弃物，使水泥行业积极采取措施有效降低生产的能耗，全面实现向“集约型、无害型、减量型、资源型”[4]的转化。