篦冷機風量該如何調節
2010-12-13 00:00
隨著新型干法水泥生產方式在國內水泥企業的普遍推廣，水泥生產過程中的能源消耗也在逐步降低。事實上，由于能源價格的不斷上漲，能量消耗占生產成本的比重越來越大，能量利用率的高低決定了企業在未來市場競爭中的優劣。出篦冷機熟料溫度（冷卻效果）直接與熟料質量相關。高溫熟料不能及時冷卻，會造成A礦含量減少，晶體粗大，易磨性變差，抗硫酸鹽性能降低。熟料冷卻的好壞對水泥粉磨工序的影響很大。如果篦冷機各段風量分配不好，不僅影響入窯二、三次空氣溫度，對雙壓型余熱發電的發電量影響巨大。
世界上第一臺熟料冷卻機是1890年出現的單筒冷卻機， 20世紀40年代才出現篦式冷卻機。推動式篦式冷卻機是在與其它類型的篦冷機的競爭中，適應了生產大型化的發展趨勢，而成為當代預分解窯配套的主要產品。推動式篦冷機經過了三代的更新，目前國內外已經開始使用第四代推動棒式篦冷機，目前國內普遍應用的第三代控制流篦冷機很難適應于粉料增加，燃料熱值變低，有害雜質含量波動大等情況。由于熟料的細粉數量增加，造成阻力篦板和物料的沿程阻力增加，同時由于物料的離析作用增強，造成阻力篦板的抑制作用降低，從而再次產生吹穿現象，紅河現象增加，二次風溫度和三次風溫度降低。
本文著重就控制流篦冷機有關風量配置方面的問題給予討論，為解決篦冷機使用過程中存在的問題提供思路。
1 風量配置與溫度間的關系
提高二次風和三次風溫度，提高煤粉的燃燒效率，縮短火焰長度，從而提高燒成帶溫度，即提高出窯熟料溫度。事實上從熱交換的角度考慮，在篦冷機內風量一定時，熟料和冷風的熱交換，應盡可能增加熱交換時間和熱交換面積，因此采用厚料層操作是提高篦冷機換熱效率的基礎。假定熟料溫度只是位置x的函數，這樣整個問題可簡化為一維問題求解，篦冷機冷卻物料的過程可以近似地用下面的數學公式來描述。
式中t0——為冷卻空氣溫度，即室溫；
ω——為在x處單位時間，單位面積上的通風量。
B——為篦床在x處的有效冷卻寬度。
K——與傳熱系數有關的比例常數。
C——為熟料比熱。
A——為窯單位時間熟料產量。
根據上述公式計算5000t/d的新型干法水泥生產線采用推動式篦冷機的溫度分布狀況，表1為篦冷機的風量配置情況，表2為計算結果，
表1為篦冷機的風量配置情況
從表2中可以看出熟料溫度在第一段下降速度最快，同時一段的溫度最高，而第三代篦冷機大部分采用一段為二次風和三次風的來源地，這樣有利于提高二次風和三次風溫度，而剩余的熱量得利用，現在普遍存在有兩種方式分別為：一段取風和二段取風。從理論計算可知，一段取風顯然更經濟。
上述計算是依照出窯熟料溫度1300℃計算的，由此可知，第二段的高溫氣體，與第三段的低溫氣體，采用梯級利用的方式，即高溫二段氣體用于產生過熱蒸汽，而低溫的第三段廢氣用于加熱水，或者在低溫段提高蒸汽溫度。為雙壓系統鍋爐的運行創造了客觀條件。
根據上述計算結果，為了充分利用篦冷機的余熱，余熱發電應該采用雙壓汽輪機，因為雙壓系統可使相對高溫熱源產生較高參數的蒸汽，使相對低溫熱源 (100～210℃煙氣) 產生較低參數的蒸汽，使能量分布優化，系統充分吸收低參數熱量，發出更多的電能。對于火力發電，為了提高熱力循環系統效率，一般應盡量提高主蒸汽參數，而對于水泥窯純低溫余熱發電，主蒸汽參數的選取取決于水泥窯排放廢氣的溫度，應盡可能接近廢氣溫度，考慮傳熱溫差和受熱面的經濟性，一般有10～15℃的溫差。而主蒸汽壓力的選取則要多方面斟酌，例如某項目選取l.7MPa，330℃，對于l.7MPa的主蒸汽，其飽和溫度為204℃，因換熱溫差的存在，煙氣產生主蒸汽后，余熱鍋爐排出煙氣溫度在210℃以上，主蒸汽壓力選擇得越高，產生主蒸汽后的煙氣排出溫度越高。這樣主蒸汽壓力的選取，對210℃以下煙氣余熱利用有重大影響。這對于窯尾預熱器(SP)是合適的，因為210℃左右以下的煙氣熱量還要用于原料烘干。但對于窯頭篦冷機(AQC)來說，是不經濟的，因為210℃以下的熱量排放掉，不僅造成能源浪費，還對環境產生了熱污染。根據我國的實際情況及技術水平，AQC的排氣溫度在90～100℃是合適的，這樣造成100～200℃之間熱量的利用成為問題，根據分析這部分熱量占總廢熱量的17％～20％。為了有效地利用這部分熱量，采用雙壓系統，高壓主蒸汽(參數為1.7MPa，330℃)吸收350℃以上的煙氣熱量，低壓系統蒸汽(參數為0.45MPa，165℃)可以吸收l00～210℃之間的煙氣熱量。
當然，為盡可能利用余熱，提高余熱利用率，也可以再設置一級或多級壓力，通過定量分析計算，對上述余熱，使用三壓后，只比雙壓多發幾十千瓦電，而系統造價卻要增加一百多萬元，技術經濟性較差，系統會更復雜。同理，多壓的技術經濟性更差。因此，對水泥廠中低溫余熱來說，雙壓技術是比較合適的。
2 風量配置與熱效率的關系
2.1篦冷機熱效率的計算
第三代推動式篦冷機采用空氣梁供風技術提高了篦冷機的熱效率，減少了單位熟料的用風量 ,二次風溫和三次風溫均有所提高，這對窯系統的燃料燃燒產生很大的影響，同時也優化了篦冷機本身的性能。要保證篦冷機的正常運行并發揮其優勢，節省能耗，必須根據不同的情況和特點需要進行合理的配風,而配風設計需以篦冷機的熱平衡計算為依據 ,表3是根據某5000t/d新型干法水泥生產線的篦冷機，假定篦冷機表面散熱固定時的熱平衡計算表，其中單位冷卻風量為1.02Nm3/㎏熟料，計算出的篦冷機效率為83.9%。
表3 5000t/d新型干法水泥生產線的篦冷機熱平衡計算
表4 篦冷機熱平衡計算
表4為單位熟料配風量為1.25 Nm3/㎏時的篦冷機熱平衡計算過程，此時的篦冷機計算的熱效率為82%，對比表3可以發現，配風量的變化很小，因此只考慮調整二次風溫度和三次風溫度，結果表明，篦冷機的冷卻效率卻降低很快。而實際生產過程中配風量的變化不僅會降低二次風和三次風的溫度，更重要的是增加排風量從而攜帶更多的熱量進入大氣，造成熱量損失變大和風機排風量增大電耗增加。
2.2 生產例證
實際生產情況也證明了上述理論計算的正確性，表5所示為篦冷機改造前后的參數變化，表6為改造獲得的結果，從表5可以看出，改造后冷卻風機的風量，風機功率以及風壓，較改造前都有一定程度的增加，風量的配置增加較少，而表6的結果表明： 篦冷機系統總風量與推算的數值相差不大； 出篦冷機熟料溫度也接近推算的數值。而窯的二次風溫比原來的平均900℃提高了將近200℃，冷卻機出口風溫下降90℃。
2.3 第四代篦冷機
篦冷機冷卻效果的提高應該是一個綜合指標，第三代和第四代篦冷機已進步到把篦冷機的綜合指標作為評價指標。正常運轉的篦冷機，其產量、二次風溫、三次風溫、廢氣溫度、出料溫度等指標應該是都處于正常狀態, 過分強調某一個指標，而忽視其他指標是不科學的。冀東磐石水泥公司3 000t/d第四代篦冷機出現廢氣溫度高和出料溫度高等現象, 其原因就是篦冷機本身不平衡所致。改進措施: 優化配料和系統操作, 改善熟料粒度；提高風量, 尾部風室增加風機, 且將尾部篦板上的調節閥都摘掉, 增大風量。因此采用第四代篦冷機能夠全面實現熟料冷卻的較多目標，這與第三代推動式篦冷機有了根本區別。
上世紀90年代末出現的SF交叉棒式篦冷機, 改變了傳統的推動篦板推料的概念, 利用篦上往復運動的交叉棒來輸送熟料, 使篦冷機的機械結構簡化、 固定的篦板便于密封, 熟料對篦板的磨蝕量小, 沒有漏料,篦下不需設置拉鏈機, 降低了篦冷機的高度, SF交叉棒式篦冷機的另一特點是每塊篦板下設置機械氣流調節器(MFR) (圖1) , 該調節器的原理是根據料層上不同部位的顆粒大小不均和料層厚度不均造成氣體透過料層不均時, 機械氣流調節器根據阻力大小來調節, 自動調節閥板的角度, 從而確保氣流透過料層, 使料層上的熟料得以冷卻, 由于每一塊篦板下面均設置機械氣流調節器, 其控制范圍可以準確到每一塊篦板的面積, 使冷風能夠均勻地透過每一塊篦板上的料層, 從而確保整個篦床面上熟料冷卻均勻。
圖１ 機械氣流調節器(MFR)
第三代篦冷機的配風原則是 “高風壓, 低風量”入料口區的最高風壓達到11 000Pa~12 000Pa左右而第四代篦冷機入料口區最高風壓是在9500Pa。魚峰水泥廠2 000t/d型第四代篦冷機, 正常工作風壓在7 000Pa~7 500Pa。 2 500t/d型和3 000t/d型第四代篦冷機的風機參數
見表7。
由于第四代篦冷機采用了推動棒和模塊化設計等等方面的改進措施，使原來第三代篦冷機中冷風通過粗顆粒熟料層的風速與冷風通過細顆粒熟料層風速的比值由1.75降低為1。這樣風量能在全篦床上均勻分布，避免了紅河現象的發生。
3 結束語
由于第三代篦冷機是采用控制流和阻力篦板技術實現冷風在篦床上的均布，然而實際上產過程中，隨著粉料數量的增加，劣質燃料的使用，有害微量元素含量的增加等現實情況的變化，不能在適應風量配置的要求，而提高熟料燒成過程中熱量回收利用是未來水泥企業競爭的關鍵所在，因此優化風量配置對篦冷機性能的提高非常重要，如何才能得出合適的風量配置，既跟使用的冷卻設備有關，也跟熟料的生產狀況相關，實際上這已經成為一個體系問題。在正常生產時，篦冷機的風量往往是100%的閥門開度，調整時無法進一步增加風量，因此就必須使生產狀況與之適應，可以通過調整配料，喂煤量等等措施來完成。
料層厚度對傳統的篦冷機是一個重要的考核指標。第一代篦冷機料層厚度在200～300mm左右, 第二代篦冷機由于篦板的革新, 使料層厚度提高到400～500mm, 入口處最高達到700mm。而第三代和第四代篦冷機已不太注重料層厚度指標, 因為只要能保證正常的產量就必保一定的料層厚度。第三代和第四代篦冷機已進步到把篦冷機的綜合性能作為評價指標。
隨著推動式篦冷機制造技術的進步，開發耐磨復合篦板, 采用激光加工篦板縫隙, 采用環形噴咀, 改善氣流的方向和分布, 開發十字耙式篦床和帶二次料層的篦床等。現在使用的篦冷機其篦板是鑄造成形, 篦縫尺寸再縮小是很難控制的,篦板篦縫在2~3mm, 若能達到1mm左右, 其冷卻效果會更好。第四代推動棒式篦冷機全面創新了冷卻機構和設計方式，為適應不同生產狀況創造了良好條件，尤其是靈活的機械調整機構，能夠較好的實現氣體的均布。
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