高長明聶紀強魏振生

1. 中國水泥協(xié)會高級顧問，北京 100831； 2. 成都建筑材料工業(yè)設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610051；3. 北京酷勒斯技術(shù)發(fā)展有限公司，北京 102300

水泥熟料篦冷機述評

高長明1聶紀強2魏振生3

1. 中國水泥協(xié)會高級顧問，北京 100831； 2. 成都建筑材料工業(yè)設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610051；3. 北京酷勒斯技術(shù)發(fā)展有限公司，北京 102300

避開“代”的劃分，從普通篦冷機的一般特性出發(fā)，對現(xiàn)代篦冷機的結(jié)構(gòu)設(shè)計與工藝技術(shù)特征，諸如固定進料區(qū)、篦板的發(fā)展、側(cè)面密封、傳動機構(gòu)、熟料破碎機、熱效率的改進、卸料系統(tǒng)、篦床的支承系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、冷卻風機進行介紹；無漏料篦冷機，同普通的推動式篦冷機的不同之處在于采用了新型的輸送系統(tǒng)，篦床不再漏料，在篦床下部不需要細粉回收裝置，并擁有自動式冷卻空氣分布系統(tǒng)MFR（Mechanical Flow Regulator）或ADS（Air Distribution Switch），諸如交叉棒/最新十字棒篦冷機、輸送軌道式篦冷機、列進篦床式篦冷機。當前，幾乎所有篦冷機制造商都有將固定進料區(qū)進一步擴展的趨勢；篦板表面保護層的選擇開始看好復(fù)合鋼板或貼敷耐磨板于篦板表面；在熟料冷卻風機選型中，前向葉輪風機已被淘汰。

篦冷機 結(jié)構(gòu) 工藝 無漏料 固定進料區(qū)

0 引言

第一臺水泥熟料篦冷機是由富勒公司（Fuller）于1937年在美國賓州福杰谷水泥廠投入運行的，此后幾十年里篦冷機技術(shù)得到了迅速發(fā)展。隨著窯產(chǎn)量的提高以及預(yù)分解窯技術(shù)的發(fā)展，篦冷機的推廣被確立起來。它能為分解爐供給三次空氣，同時能夠在高產(chǎn)量下安全、可靠地運行而沒有技術(shù)問題。

篦冷機有循環(huán)移動式、振動式、推動篦式和帶有新型輸送系統(tǒng)的篦冷機。前兩種類型的篦冷機在水泥熟料冷卻中已經(jīng)不再使用，因此這里不再贅述。

在近30年里，所有著名的水泥機械制造公司都進一步發(fā)展了推動篦冷機，特別是在提高運轉(zhuǎn)率和冷卻效率方面。市場上可供12 000 t/d規(guī)模使用的單段篦床篦冷機、階梯型篦冷機也不斷投入使用。

為了綜合評述當代水泥熟料冷卻機，本文從普通篦冷機的一般特性出發(fā)，對現(xiàn)代篦冷機的結(jié)構(gòu)設(shè)計與工藝技術(shù)特征進行介紹，并對幾款國外的無漏料篦冷機進行評價。

1 普通篦冷機的一般特性

所有篦冷機均可抽取三次風和熱空氣或供分解爐使用，或用于余熱發(fā)電、煤粉或礦渣烘干等。幾乎所有的篦冷機都用冷空氣作為冷卻介質(zhì)，近年來由于余熱發(fā)電技術(shù)的不斷發(fā)展，使用窯頭廢氣循環(huán)的二次熱空氣系統(tǒng)已經(jīng)得到應(yīng)用。

根據(jù)篦冷機制造商的不同，主要是根據(jù)篦床輸送作用的不同，篦床傾斜角在0～5°之間，傾斜角度越大，相應(yīng)地篦床總高度也越高。因此，近年來呈水平安裝篦床的篦冷機不斷得到應(yīng)用。

對輸送能力來說，篦床的寬度也是決定性的?？傊刹煌捏骼錂C制造商提供的普通篦冷機在寬度上存在偏差。

在有結(jié)構(gòu)限制的情況下才需要寬度較大的篦冷機。在使用這種寬篦冷機時，物料在篦床寬度方向上的均勻分布，對于形成一個均質(zhì)和平坦的熟料料層至關(guān)重要。為此擁有一系列的結(jié)構(gòu)形式，諸如收縮式固定進料口或移動篦床起始階段篦床兩側(cè)適當窄化（固定化）。

篦冷機供應(yīng)廠家提供幾種不同形式的篦板漏料卸料方式。目前仍有供應(yīng)帶雙層閥（重錘、電動、氣動）或料位可控的電動弧形閥或鏈式輸送機等。

2 現(xiàn)代篦冷機的結(jié)構(gòu)設(shè)計與工藝技術(shù)特征

2.1 固定進料區(qū)

幾乎所有的篦冷機制造商都研究開發(fā)了帶直接充氣的固定進料區(qū)。使用固定進料區(qū)，實際上增加了形成“雪人”的風險，而在另一方面，在篦冷機的高溫區(qū)篦板的可靠性顯著提高了，這在提高服務(wù)年限上又是決定性的優(yōu)點。然而由于越來越多地使用二次燃料，近年來在篦冷機進料口形成熟料粘結(jié)的風險變得更加突出。因此通過使用多組空氣炮和恰當?shù)匾M壓縮空氣確保篦冷機無故障運行的技術(shù)得到了較快發(fā)展。

專門用于固定進料區(qū)與移動篦床在高度方向銜接的，避免熟料床在此造成紊亂，保證其均勻穩(wěn)定過渡的CFO（Clinker Flow Optimizer）裝置得到應(yīng)用。

2.2 篦板的發(fā)展

無論是直接充氣或風室供風的篦冷機，使用較高阻力的篦板，仍在普通篦冷機中廣泛地應(yīng)用著。使用較高的篦板阻力改善了篦冷機內(nèi)空氣的分布，提高了它的熱效率。

為了提高機械部件的服務(wù)壽命和減少磨損（特別是在篦板表面），研制開發(fā)了新型篦板。由于這種篦板的形狀和采取了特殊的磨損保護措施，服務(wù)壽命大大延長。新型篦板篦縫設(shè)計成了非常狹窄的槽縫，不僅漏料量顯著減少，還達到了在較長運行周期內(nèi)穩(wěn)定的篦板阻力，而不會使冷卻性能有較大的改變。

2.3 側(cè)面密封

新設(shè)計方案及運行實踐顯示：即使在篦床表面熱膨脹時，側(cè)面密封間隙也沒有變化，并且由于運動部件的表面是經(jīng)過淬火或選擇了特種材料等，達到了很長的服務(wù)壽命。這些新型篦板的密封，縮小了間隙，防止了側(cè)部邊緣空氣的“氣溝短路效應(yīng)”。

2.4 傳動機構(gòu)

隨著篦冷機大型化，篦床驅(qū)動負載相應(yīng)增加，最近液壓傳動已經(jīng)被大型篦冷機傳動普遍接受。隨著液壓技術(shù)的不斷發(fā)展，目前提供現(xiàn)代化、長壽命的變量泵、比例閥技術(shù)更加成熟。有單杠工藝和多缸平行排列之分。液壓缸活塞沖程長度和速度按照有效輸送和最佳磨蝕的要求進行了優(yōu)化。同時在中小型篦冷機中，也繼續(xù)提供帶變頻調(diào)速電機的曲柄連桿機械傳動系統(tǒng)。

2.5 熟料破碎機

幾乎所有的著名公司都在淘汰熟料錘式破碎機，轉(zhuǎn)而一致采用熟料輥式破碎機。這種類型的破碎機價格比錘式破碎機約貴兩倍。然而由于其破碎元件的服務(wù)壽命長（2～8年），所以維修和零部件費用很低，因此基本投資在短期內(nèi)就能得到補償。此外，這種類型的破碎機還能處理非常大塊的窯皮，因此可以避免計劃外停窯。

使用輥式破碎機，不同的安裝和維修系統(tǒng)，其區(qū)別得以顯現(xiàn)。有些公司提供的是“抽屜系統(tǒng)”，其中整個輥式破碎機可以連同框架一起抽出，然后置于篦冷機旁進行維修。有些公司的輥式破碎機輥子可以單獨地抽出來。提供的傳動裝置幾乎都是直接耦聯(lián)行星齒輪傳動裝置的機械傳動裝置或帶行星齒輪裝置的液壓馬達。

越來越多的篦冷機制造商提供階梯式篦冷機。與單段、多段連續(xù)篦床相比，階梯型篦冷機擁有決定性的優(yōu)點，經(jīng)中置輥破破碎后的顆粒可在下一個篦床上得到充分冷卻。當熟料結(jié)粒粗大、窯皮脫落頻繁和要求熟料有非常低而均勻的最終溫度時，使用階梯式篦冷機是一種理想的解決方案。

2.6 熱效率的改進

上世紀80年代通過高阻力篦板的發(fā)明以及空氣梁的引進，使篦冷機中的空氣分布得到了極大改善。現(xiàn)代化的篦床和篦板系統(tǒng)對改進空氣分布和提高換熱效率起到了很大的作用。間隙縮小的篦板，篦床的活動篦排較少（兩靜一動），以及篦板橫向之間無間隙，使冷卻效率大大提高。

篦冷機的效率通過固定進料區(qū)的特殊、受控制的直接充氣技術(shù)得到了很大的提升。固定進料區(qū)是回轉(zhuǎn)窯卸料和篦冷機進料之間最重要的界面。安裝了機械控制擋板，非常小的供氣單元和空氣梁，他們能確保以盡可能少的冷卻空氣達到所需要求。

對固定進料區(qū)兩側(cè)邊界，用澆注料進行了適當遮蓋，在篦床的起始端，熟料粒度達到良好的均勻分布，使得熟料在整個篦床區(qū)保持一個約500 mm～900 mm的穩(wěn)定熟料層。這樣改善了熱交換，提高了二、三次風溫度，達到了工藝和材料技術(shù)有關(guān)的極限。

在熱量回收區(qū)與后冷卻區(qū)之間增設(shè)一道間隔墻（“熱盾”或“料幕”），可以降低熱輻射損失，提高噸熟料發(fā)電量，穩(wěn)定窯系統(tǒng)的運行。

2.7 卸料系統(tǒng)

熟料篦冷機的總高度對建筑成本有非常關(guān)鍵的影響，針對篦板間隙非常小的現(xiàn)代篦冷機，其篦床漏料數(shù)量明顯減少，都是很細的料粉。各篦冷機制造商都相繼開發(fā)了總高度要求較低的各種新機型。例如帶氣動卸料漏斗PHD（Pneumatic Hopper Drainge）或在風室內(nèi)布置管式粉料鏈式輸送機TDE（Tube Dust Extractor），降低了篦冷機的高度。

2.8 篦床的支承系統(tǒng)

用于支承篦床或活動框架的是：內(nèi)置的托輥和導(dǎo)向輪系統(tǒng)。在大多數(shù)情況下，它們都通過特殊的防磨損結(jié)構(gòu)設(shè)計或采用降低磨損的特殊專用材料，使其支承性能得到了很大的改進。

已經(jīng)驗證：懸掛于高處混凝土構(gòu)架上的搖擺懸掛系統(tǒng)PSS（Pendulum Suspension System）或安裝于篦冷機下部側(cè)殼體內(nèi)的直線搖擺支承系統(tǒng)LPS（Linear Pendulum Support）是無磨損的、可靠的解決方案。其中直線搖擺支承系統(tǒng)LPS通過特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計，幾乎能夠允許篦床進行水平運動，非常適合于對普通篦冷機進行現(xiàn)代化升級改造。

2.9 控制系統(tǒng)

下列項目的檢測和控制回路仍被用于水泥熟料篦冷機的過程自動控制，這些項目包括冷卻空氣體積流量、風室壓力（篦床推動次數(shù)）、窯頭罩壓力、篦板溫度、二次風溫度和余風溫度。

在大多數(shù)情況下，篦床的速度仍由第一風室內(nèi)或幾個相結(jié)合的初始風機壓力進行控制。有一些技術(shù)，如專用雷達探針直接測定篦冷機進料口料床高度的技術(shù)等，被證明是非常有效的。

2.10 冷卻風機

幾乎普遍提供帶雙軸承的徑向離心風機（D型傳動）。最常用的是風量有少量變化的恒速風機，其風量控制系統(tǒng)的設(shè)計方案是帶電動執(zhí)行器的進口葉片調(diào)節(jié)閥門。

只有調(diào)節(jié)范圍寬（例如在篦冷機進口區(qū)）的風機配備了變頻電機。這些風機具有降低動力消耗的特點。由于壓力高達8 000～13 000 Pa，最初轉(zhuǎn)速2 000 r/min以上，若不選用變頻電機，風機尺寸就會太大。目前大多數(shù)新廠都安裝進風消聲器。

3 無漏料篦冷機

從上世紀90年代開始，在采用傳統(tǒng)篦冷機的同時，市場上出現(xiàn)了新型篦冷機的設(shè)計概念。它們同普通的推動式篦冷機的不同之處在于采用了新型的輸送系統(tǒng)，篦床不再漏料，在篦床下部不需要細粉回收裝置，并擁有自動式冷卻空氣分布系統(tǒng)MFR（Mechanical Flow Regulator）或ADS（Air Distribution Switch）。所有這些無漏料篦冷機，都有固定進料口。這類篦冷機國內(nèi)比較典型的是成都建材設(shè)計院的S型篦冷機，國外有交叉棒/最新十字棒篦冷機、輸送軌道式篦冷機、列進篦床式篦冷機。本文就后三者進行簡單介紹。至于S型篦冷機，讀者查詢比較方便，這里不再贅述。

3.1 交叉棒/最新十字棒篦冷機

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生產(chǎn)線投入使用的SF（Smidth-Fuller）型交叉棒篦冷機，熟料輸送機構(gòu)是同篦冷機構(gòu)分開的，因此實現(xiàn)了非常簡單的篦冷機結(jié)構(gòu)。篦冷機輸送物料的推力機構(gòu)是同固定的篦床表面分開的。即通風的篦床（底板）沒有輸送功能。篦床沒有活動部件，并受固定水泥熟料層保護。物料靠交替安置在篦床之上的固定和活動推動棒輸送。僅有的磨損部件是在熟料床內(nèi)前后推動的活動棒和活動棒與傳動板接頭處的密封罩。

此外，這種篦冷機還配有主動空氣分布系統(tǒng)。專門研究的機械流量調(diào)節(jié)閥MFR在熟料床阻力有某些改變時能起補償作用。這種設(shè)計概念與高阻力篦板中的被動空氣分布方式恰好相反。機械流量調(diào)節(jié)閥通過對熟料層中任何變化的反作用確保連續(xù)的最佳空氣分布。在篦冷機不同的區(qū)域使用不同的流量閥，例如在篦床兩側(cè)邊緣區(qū)配備了與篦冷機中心區(qū)不同的控制閥板。這些控制閥能使篦冷機有較大的空氣室，這意味著僅需配備較少數(shù)量的冷卻風機。

早期的交叉棒篦冷機一般需建成約4°的傾角，以便達到足夠的輸送能力。另外，這種類型篦冷機的寬度要比同等通過量的普通篦冷機寬。盡管在機械流量調(diào)節(jié)閥和通風篦床中有一定的壓力損失，篦冷機的動力消耗還是比較低的，這主要歸功于冷卻空氣的總量較少。它具有模塊結(jié)構(gòu)，有助于縮短安裝時間。篦冷機的所有尺寸和寬度都由這些標準模塊（1.3 m×4.2 m）組成。

2004年F·L·Smidth將傾斜篦床改為水平篦床的MMC（Multi Movable Cooler）型，全部推動棒都改進為可往復(fù)運動；2009年F·L·Smidth又推出了最新的史密斯十字棒式篦冷機Cross BarTM（CB型），2010年開始史密斯公司僅供應(yīng)十字棒式篦冷機，見圖1。

史密斯十字棒式篦冷機設(shè)計理念的五大創(chuàng)新：（1）將熟料冷卻和熟料輸送系統(tǒng)分開；（2）篦床固定不動，篦板間完全密封；（3）機械式自動冷卻風量調(diào)節(jié)閥；（4）最佳的熟料輸送方式，使水平篦床得以實現(xiàn)；（5）模塊化設(shè)計與裝配。

圖1 史密斯十字棒式篦冷機

該公司利用計算流體動力學(xué)CFD（Computational Fluid Dynamics）模型，優(yōu)化篦板阻力之后，冷卻風機電耗可以降低20%。

此外，在篦冷機固定進料口設(shè)有空氣炮控制系統(tǒng)ABC（Air Blaster Controlled）Inlet，能有效地防止堆雪人，并且形成均勻的料層，為高效冷卻熟料創(chuàng)造有利條件。

3.2 輸送軌道式篦冷機

2001年開始又出現(xiàn)另一種新型的無漏料篦冷機，見圖2。采用這種篦冷機，物料是從靜止篦床伸出的刮板輸送的，并由液壓缸相互獨立地進行傳動。沿冷卻機寬度交替布置活動區(qū)和固定區(qū)，篦板由裝滿熟料的凹槽組成，由于大量的輸送刮板是平行布置的，篦冷機的寬度可以與設(shè)備所需大小和生產(chǎn)能力相匹配。熟料層的厚度和熟料通過量根據(jù)輸送行程和頻率確定。

圖2 輸送軌道式篦冷機

這種篦冷機是水平布置的，它的輸送能力同普通的篦冷機相似。篦冷機有一個冷卻空氣室充氣系統(tǒng)，一般在固定進料區(qū)和水平篦床的前兩個風室，每塊長條形篦板的下部配有一個ADS空氣分布開關(guān)，同一風室粗料側(cè)與細料測閥板厚度也不同（粗料側(cè)?。?。由于輸送刮板在縱向是分別傳動的，所以在橫跨篦床寬度上，可以達到不同的輸送速度。例如在邊緣區(qū)的物料速度可以比在中心區(qū)低，這就減少了或者甚至于避免了“紅河”。也能夠?qū)崿F(xiàn)良好的熟料橫向分布。熟料床的厚度由料位探測器進行控制。

由于這種類型的篦冷機是水平布置的，所以它的總高度不大，它具有模塊結(jié)構(gòu)，每列寬度500 mm，并且安裝時間非常短。這種篦冷機可以作為分級冷卻同中置輥破一起提供。第一臺輸送軌道式篦冷機在2001年還屬于階梯冷卻式篦冷機，安裝在一家德國水泥廠，此后它作為分級冷卻式篦冷機，完全轉(zhuǎn)變?yōu)樾录夹g(shù)。

為了防止堆雪人，將空氣炮噴嘴引入固定進料區(qū)篦床表面（與表面平齊）間隔布置，5 000 t/d固定進料區(qū)配置6臺空氣炮。

3.3 列進篦床式篦冷機

在篦床中無活動磨損部件的另一個新型篦冷機在2003年投放市場，見圖3。這種篦冷機也是有一個完全由凹槽組成的通風篦床。這種通風篦床由熟料自行保護，但不是固定的。每列篦床寬度為600 mm，一個靠一個排列的這種移動篦床每列分別由液壓缸進行傳動。由于行程長度約為300 mm，輸送物料時，每分鐘僅需6次左右。輸送效率比篦床傾斜3°的推動式普通篦冷機還高。特殊結(jié)構(gòu)與材料組成的迷宮式列間側(cè)密封能防止產(chǎn)生任何漏料，因此，篦冷機不需要漏料卸料系統(tǒng)。

圖3 列進篦床式篦冷機

水平安裝的每列移動篦床，由輥子進行支承和導(dǎo)向。該風室供風充氣冷卻的篦冷機具有簡單的模塊結(jié)構(gòu)。在緊接著固定進料區(qū)的熱量回收區(qū)移動篦床兩側(cè)，冷卻空氣室是縱向排列的，它能夠向篦床的熱量回收區(qū)域提供準確的冷卻空氣，故而可以避免“紅河”的出現(xiàn)。縱向布置的移動篦床也可以為產(chǎn)生不同的行程提供可能，因此物料在篦床寬度上的分布能夠得到有效地控制。

這種類型的篦冷機作為單段篦床冷卻（末端帶有輥破）和分級冷卻（中置輥破），得到了廣泛應(yīng)用。這種篦冷機高度不大，結(jié)構(gòu)緊湊，有簡單的基礎(chǔ)，降低了建筑成本。第一臺列進篦床式篦冷機于2004年投入運行。

4 結(jié)束語

打算購買或改造現(xiàn)有篦冷機的水泥制造商，應(yīng)從篦冷機供應(yīng)商找到基本工藝技術(shù)資料和下列篦冷機特征：已投產(chǎn)設(shè)備數(shù)量、最大冷卻能力、可靠性系數(shù)RF（Reliability Factor）、熱回收效率、熟料出篦冷機溫度、篦床傾角（總高度）、篦床寬度、模塊技術(shù)、靜態(tài)進料口尺寸、單級或分級冷卻系統(tǒng)、篦床支承系統(tǒng)、篦床側(cè)面密封、磨損部件、熱量回收區(qū)和后冷卻區(qū)篦板類型與材質(zhì)、冷卻空氣室密封原理、篦板安裝方式、熟料輸送原理、熟料床上輸送元件、活動部件支承、傳動裝置類型、篦床速度控制、篦床充氣類型、固定或移動充氣篦床、漏料輸送系統(tǒng)、熟料破碎機類型與安裝位置、余風除塵系統(tǒng)、從何處抽取三次風（篦冷機、窯頭罩）及廢熱利用、備件消耗量等。

水泥制造商應(yīng)對比幾家篦冷機供應(yīng)商的上述基本工藝資料和特征之后，進行最終選擇。

順便指出：（1）近來我國的主流水泥工程建設(shè)者在國外的一些項目建設(shè)或技術(shù)改造合同談判時，有為數(shù)不少的客戶（德國海德堡、納哈達、阿曼、沙特等）不接受第四代篦冷機而是選擇第三代篦冷機[1]。對此，我們應(yīng)繼續(xù)探討，找到正確答案。（2）幾乎所有篦冷機制造商都有將固定進料區(qū)進一步擴展的趨勢。（3）復(fù)合鋼板或耐磨板貼敷于篦板表面作為保護層在Cross BarTM 和Polytrack中得到了廣泛應(yīng)用。（4）在熟料冷卻風機選型中，前向葉輪風機已被淘汰。

[1] 林旭. 借鑒“工匠精神”將“中國制造”推向世界[J]. 中國水泥, 2015(8):80-82.

2015-08-10）

TQ172.622.4

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1008-0473(2015)05-0001-05

10.16008/j.cnki.1008-0473.2015.05.001