Transcript 水泥熟料冷却机
第五节 熟料的冷却及设备 第五节 熟料的冷却及设备 水泥熟料煅烧热工过程中，预热、烧成和冷却是 三个不可分割的工艺环节。 熟料冷却机是水泥回转窑不可缺少的重要配套设备。 水泥熟料冷却机 1、水泥熟料冷却机的功能与作用： (1)作为工艺设备：它承担对高温熟料的骤冷任务，骤冷可以阻止 水泥熟料中矿物晶体的长大，特别是阻止C3S晶体的长大，还可 以使液相凝固成玻璃体，使MgO及C3A大部分固定在玻璃体内， 提高水泥熟料的活性，防止β-C2S向rC2S的转变。 (2)作为热工设备：冷却水泥熟料，并对入窑二次风，入炉三次风 的加热升温任务，有利于燃料的着火和预燃、 (3)作为热回收设备：对出窑熟料携带出去的大量热焓进行回收。 （回收的热量约1250～1650kJ/kg熟料） (4)作为输送设备：输送水泥熟料 熟料必须进行冷却的主要原因是： 回收高温熟料的热量，用以预热助燃空气，改善燃 料燃烧过程，节约能源。 熟料急冷有利于水泥强度的发挥，增强水泥抗硫酸 盐性能，改善安定性，提高水泥质量。 冷却熟料，确保输送和储存熟料设施的安全运转。 熟料急冷后，易磨性得到改善，有利于粉磨。 在选用或评价冷却机时，应考虑以下技术经济指标： 冷却机的热效率。 即从熟料中回收和用于煅烧过程的热量与熟料离窑 时的总热焓量之比。 计算公式如下： A B L 100% A 式中： L ——冷却机的热效率，％； （2-73） A——熟料离窑时的总热焓量，kJ/kg熟料； B——冷却机的热量损失（包括熟料和排出气体带走 的热量、冷却机的辐射热损失等），kJ/kg熟料； 各种型式的冷却机热效率一般在40～80％之间。 入窑二次空气温度。 入窑二次空气温度高，二次空气带入窑的热量多， 冷却机热效率就高，一般入窑二次空气温度为400～ 1000℃。 熟料的冷却程度。 以熟料离开冷却机的温度来表示，一般在50～ 300℃。 环境保护。 主要包括噪音污染及粉尘污染。 操作费用。 主要包括冷却机的动力消耗及维护费用。 投资费用。 主要包括设备费用及土建费用。 一、熟料冷却机的发展及分类 单筒冷却机→多筒冷却机→回转篦式冷却机 （立波尔窑）→振动篦式冷却机→推动篦式冷却机 （预分解窑）→新型多筒冷却机→单筒冷却机（日 产1600～3700t熟料回转窑） 熟料冷却机的分类如下： 单筒式 筒式冷却机 多筒式 推动篦式 水泥熟料冷却机 篦式冷却机 其他冷却机 振动篦式 回转篦式 立筒式冷却机 “g”型冷却机 二、筒式冷却机 （一）单筒冷却机 单筒冷却机是最早使用的冷却机，它与回转窑相 类似，是一个支承在二对托轮上的回转圆筒，其内部 装设耐火衬料和扬料装置。熟料由窑头卸落在冷却筒 内，被扬料板提升与撒落，冷空气从冷却机出料端吸 入，与熟料逆流接触并进行热交换，加热后空气全部 进入窑内。单筒冷却机与回转窑的相对布置方式有逆 流式与顺流式两种。 单筒冷却机 图2-86为逆流布置方式，即冷却机内熟料运动方 向与回转窑内物料的流动方向相反，反之则为顺流布 置。顺流布置的缺点是占地面积大。 单筒冷却机布置在回转窑的下面，需要提高烧成 车间基础的高度。单筒冷却机的筒体直径一般为 2.0~5.0m，长度为20~50m，长径比为10~12，斜度为 3~4%。 单筒冷却机的单位容积生产能力为2.5~3.5t/m3 。 日，出冷却机熟料温度一般为150~300℃，入窑二次空 气温度为400~750℃，干法窑的单筒冷却机热效率一般 为55~75%，湿法窑单筒冷却机的热效率约为78%左右。 单筒冷却机的优缺点： 单筒冷却机结构简单，运转可靠，热效率较高， 无废气收尘处理；但冷却机内高温熟料不能骤冷，出 冷却机熟料温度较高，散热损失较大，不适应大型窑 的配套，因而随着多筒冷却机的出现，特别是篦式冷 却机的兴起，单筒冷却机逐渐被替代。 （二）多筒冷却机 1．普通多筒冷却机 自1922年丹麦史密斯公司的尤纳克斯多筒冷却机出 现后，在水泥工业中得到了广泛的应用。这类冷却机由 环绕在回转窑出料端的若干个（通常为6~14个）冷却筒 所构成，筒直径一般为0.8~1.4m，长度为4~7m，为 L/D4.5~5.5。冷却筒与窑连成一体，并随窑一起回转。 每个冷却筒长度的1/4部分砌有耐火砖，其余部分装有 链条或扬料板等。在回转窑的出料端窑体上开孔，用联 结管将冷却筒和窑筒体联结起来，熟料从窑体上的卸料 孔经联结管卸入冷却筒，与吸入冷却筒的冷空气进行逆 流换热，预热后的空气全部入窑作为二次空气。多筒冷 却机的结构如图2-87所示。P100 普通多筒冷却机的优点是： 构造简单，不需另设传动装置，电耗较低，无废 气污染。 普通多筒冷却机的缺点是： 冷却筒与窑连体，窑头胴体承受的机械负荷很大， 从而限制了多筒冷却机冷却能力的进一步提高及在大 型窑上的应用。且处于高温下的下料弯头容易损坏， 造成漏风漏料，冷却筒散热损失大，热效率仅 55~65%，入窑二次空气温度一般比单筒冷却机低， 出冷却机熟料温度一般在200~300℃。 2．新型多筒冷却机 为了提高多筒冷却机的冷却能力及热效率，并应 用在大型低热耗的干法预热器窑上，丹麦史密斯公司 对传统设计作了重大改进，于1965年推出了新型尤纳 克斯多筒冷却机。其他水泥公司自1970年起也开始研 制生产各自的新型多筒冷却机。 它的主要改进措施是： （1）冷却筒长度加长到长径比为8~12，窑筒壳体向 前延伸成通道并超过冷却筒的长度，在冷却筒前的窑 壳体上增设一组托轮4支承，以减轻窑体负载，提高冷 却机运转的稳定性，看火隧道5由一个固定的圆筒体构 成，它伸入回转窑向窑头延伸至壳体之内。如图2-28所 示。 （2）下料弯头内砌有耐高温、耐磨损的陶瓷衬里， 有的将弯头做成歪脖接管偏心地装在冷却筒上，降低熟 料掉落高度及对弯头的磨损，减少噪音。 （3）冷却筒的高温段（约为筒体长度的50%以上） 均砌有耐火衬里，以保护筒体，同时又起隔热作用， 减少散热损失。 （4）冷却筒内采用各种形式的扬料装置，形成较 为理想的料幕，强化对流换热，提高冷却机热效率。 图2-89为新型尤纳克斯冷却机结构图。 图中上图为纵剖视图，下图为横剖视图。如图所示， 靠近下料弯头（A-A视图），最热端使用凸棱状耐火衬 里，图中B-B剖面下部所示；中间区域也砌有耐火衬里， 并装有扬料板，图中B-B剖面上部和C-C剖面下部；靠 近出料端区域，只装扬料器而不砌耐火衬里，图中C-C 剖面上部。 A C B C A B A—A B—B C—C （5）窑头燃烧器伸入窑内较长，出窑熟料温度一 般在1000~1200℃，以免过热熟料在联结处结圈堵塞。 新型多筒冷却机的熟料出口温度一般为100~150℃， 入窑二次空气温度一般为730~780℃，冷却机热效率可达 70~72%。图2-90为丹麦史密斯公司介绍的典型多筒冷却 机热平衡图。 新型多筒冷却机除了具有普通多筒冷却机的优点 外，还具有热效率高，熟料冷却好，生产能力高等优 点。但大型新型多筒冷却机存在一些问题，如冷却筒 与窑体的联结结构及热膨胀问题，下料弯头结构问题、 冷却筒的耐火衬里及扬料器的热变形及机械变形、噪 音大等问题。另外多筒冷却机由于不能方便地抽取热 空气供分解炉用，因此不适合大型预分解窑，尚需进 一步研究改进。 目前我国已能设计、制造高效率多筒冷却机。 该机采取保温型筒体结构，在冷却机热端采用凸台 形素瓷砖，衬砖与筒体之间填有硅酸铝纤维毡；配 有弹性接管的直流式整体弯头，不漏风，漏料，下 料速度快，采用连体型弧形扬料板，形成较致密的 雨状料幕，增大熟料与二次空气的传热面积；由于 水蒸气导热系数在温度超过400℃时明显大于空气的 导热系数，据此用水蒸气为传热介质，以加快传热 速度，取得了很好的技术经济效益。 三、篦式冷却机 篦式冷却机是一种骤冷式冷却机。 出窑熟料进入冷却机后，在篦板上铺成一定厚度的 料层，鼓入的冷空气，以相互垂直的方向穿过篦床上运 动着的料层使熟料得以骤冷。根据冷却机篦子的运动方 式，篦冷机可分为回转式、振动式、推动式三种。 60年代后，回转式与振动式篦冷机已很少被采用。 目前世界水泥行业采用的推动篦冷机，以美国 富勒公司的富勒型为最多。 推动篦式冷却机，根据篦床的特点，又可分为 水平式、倾斜式、复合式、组合阶段式四种。 篦式冷却机 篦式冷却机（骤冷式冷却机） 出回转窑的水泥熟料进入篦式冷却机后在器内的壁 板上铺成一定厚度的料层，鼓入的冷空气垂直地穿过壁 床上运动着的料层使水泥熟料骤冷。 推动篦板由固定篦板和活动篦板相间排列所组成。 篦板要求耐热、耐磨，其上有许多缝或圆孔，使得从下向上 鼓入的冷却空气能够垂直地通过熟料层。 活动篦板在传动装置的带动下成排地位于固定篦板之间，沿 前后方向作水平的往复运动，将熟料推向前进。 篦 式 冷 却 篦 板 耐 热 钢 篦 板 推动篦式冷却机分为第一代、第二代和第三代产品 第一代产品 倾斜推动篦式冷却机 倾斜推动篦冷机的结构与工作原理和水平推动篦 冷机基本相同，所不同的是篦床成倾斜安装。 早先一般倾斜10°左右，这样一方面冷却机整机 高度过高，另一方面在高压风吹动下，熟料在篦床上 易产生流态化，而使运动速度过快，致使熟料冷却失 控。因此近年来多数冷却机将倾角减少至3°或稍大一 点。 第一代产品 水平推动式篦式冷却机 其内部装设水平篦床，它由固定篦板和活动篦板相 间排列组成。篦板要求耐热、耐磨，其上有很多长方形 缝隙，以使冷空气通过篦床上熟料层。一般小型水平推 动篦冷机的篦床做成一段，较大型的篦床分成二段，活 动篦板在传动装置带动下，成排地在固定篦板之间向前 后方向作水平往复运动，将熟料向前推进。 高温熟料由窑口进入冷却机后，首先受到从篦板 下部鼓入的高压风的急速冷却，随后由篦床推动前进， 并且受到中压风的继续冷却。冷却后的小颗粒熟料穿 过细珊条，经出料溜子直接入输送设备，大块熟料需 经冷却机末端的破碎机破碎后，再进入输送设备。从 篦板缝漏入空气热交换后，一部分作为二次空气进入 窑内，一部分作为三次空气引入分解炉或用于烘干原 燃料，多余的热风经收尘后由烟囱排入大气。 但水平篦床也有缺陷。随着水泥窑的大型化，熟 料粒度变细，料层变厚，在热端高温区，水平篦床上 容易发生料层滞留不走的情况，即篦板在料层底部徒 劳地往复推动，而无法把熟料推送向前，这样易使篦 床局部过热而受损坏。 第二代产品 复合推动篦式冷却机 目前在大型窑上用得最多的是水平与倾斜推动复 合篦冷机。 P103 图2-93 富勒式复合推动篦式冷却机 该机前两段篦床是倾斜的，倾斜角为3°，篦床 较窄，推动速度较小，因而获得了厚料层。采用厚料 层技术，可使冷空气与热熟料充分进行热交换，提高 二次空气温度；防止由于粗细熟料离析而出现“红料 流”并造成对篦板的损害。第三段为水平篦床，推动 速度较快，料层较薄，大约在250mm左右，使熟料 得到进一步冷却。 图2-94为一台有6个空气室的富勒推动篦冷机的 工作情况，表示了熟料在冷却机内的温度和篦下空 气压力之间的变化关系。（P103） 破碎机 第二代产品 组合阶段型推动篦式冷却机 组合阶段型篦冷机的篦床分成前后二段，中间装有 破碎机，如图2-95所示。（P104）经前段篦床冷却至 500℃左右的熟料，通过破碎机破碎后，再进入后段篦 床冷却。 这种冷却机的优点能使大块熟料或结圈破块，经 中间破碎后再进入后段篦床冷却，因此出冷却机熟料 颗粒均匀，熟料温度低，可提高冷却机的热效率。其 缺点是中间破碎机在高温下运转，对破碎机材质和冷 却等要求较高。 推动篦式冷却机的优点是出冷却机熟料温度低， 入窑二次空气温度高，系统热效率高，最适合于大型 预分解窑，也适合于老厂改造；但也存在着投资大， 电耗高，磨损大，需处理废气收尘等缺点。 第三代产品 四、其他类型冷却机 （一）立筒式冷却机 立筒式冷却机由德国瓦尔泽尔－勃啦什姆公司制造， 是一种对流热交换相结合的冷却机。 图2-96为这种冷却机结构原理图。（P104） 3 2 1 4 5 6 8 图2-96 立筒式冷却机 1-燃料管；2-回转窑； 3-窑头；4-沸腾层；5运动颗粒；6-冷却机； 7-辊篦；8-节流阀门； 9-鼓风机；10-锁风装置； 11-熟料输送装置 9 7 10 11 熟料从回转窑进入竖直的圆柱形立筒。如同在立 窑上一样慢慢地向下运动，经几个破碎辊篦轧碎后卸 出，鼓入的冷空气从两个或三个不同高度的部位进入 熟料层，对熟料进行对流冷却。立筒的上端口径缩小， 用以增加气流速度，形成一个约50mm后的沸腾层， 使熟料得到充分冷却。立筒冷却机的优点是无废气排 放，热效率高，缺点是熟料出口温度高，动力消耗大， 冷却机操作受熟料颗粒级配影响很大。 （二）“g”型冷却机 “g”型冷却机由德国克劳迪斯－彼得斯公司在70年 代初开发，是一种再冷式冷却机，不能独立使用。“g” 型冷却机实际上是一种间接空气换热器（如图2-97） （104） 五、各种熟料冷却机的比较（略） 表2-27 篦式冷却机技术性能比较（P106） 冷却机的评价指标： 1、冷却机三个效率 ①热效率：从出窑孰料中回收、且重新入水泥熟料烧成系统的总 热量与出窑熟料物理热的百分比 cL QR.l Q Qloss.s 100% 0 100% Q0 Q0 Q0 (Qair Qm Qdis.l ) Qsec.a Qtec.a 100% 100% Q0 Q0 QR.l---从出窑水泥熟料中回收的且重新入水泥熟料烧成系统的总热量 Q。—出窑熟料的物理热，kJ/kg—熟料； Qloss.s—冷却机总的热损失，kJ/kg—熟料； Qair—冷却机排出气体(包括余风和煤磨干燥风)带走的物理热，kJ/kg熟料； Qm—出冷却机水泥熟料带走的物理热，kJ／kg—熟料； Qdis.l—冷却机散热损失 Qsec.a——入窑二次风的物理热kJ/kg—熟料； Qtec.a——入窑三次风的物理热kJ/kg—熟料； ②冷却效率： 从出窑熟料中回收的总热量与出窑熟料物理热的百分比 ③空气升温效率： Q0 Qm L 100% Q0 离开冷却机第i个室的冷却空气和鼓入该室冷却空气之 间的温度差与该室内水泥熟料的平均温度之比 t a 2i t a1i i tclin ta1i、ta2i——分别为鼓入和离开冷却机第i室的冷却空气温度，℃； tclin——在冷却机第i室内篦板上熟料的平均温度，℃， 一般用进、出该室的水泥熟料之间的对数平均温度来进行计算。 水泥熟料冷却机的这三个效率越大越好， 一般ηcL为40％～80％， ηcL为40％～80％,Φi<90% 2、入窑二次风温度和入炉三次风温度 入回转窑的二次风温度和入分解炉的三次风温度值越 高越好，一般二次风温在900～1100 ℃的范围，三次风温 在400-800℃的范围。 3、出冷却机的熟料温度 出冷却机的熟料温度越低越好，越低表示熟料被冷却 的越充分，一般出冷却机的熟料温度在70—300 ℃的范围， 现代化的篦式冷却机一般能够将熟料冷却到100℃以下。 4、环境保护：噪声污染与粉尘污染要低 5、投资费用：设备费用及土建费用要低 6、操作费用：动力消耗、维护、维修费用要低。