張傳仁，郭紅軍

1 引言

2019年12月10日，工業(yè)和信息化部發(fā)布了《國(guó)家工業(yè)節(jié)能技術(shù)裝備推薦目錄（2019）》（簡(jiǎn)稱《推薦目錄》），其中，“水泥熟料節(jié)能降氮燒成技術(shù)”被列入《推薦目錄》中的“流程工業(yè)節(jié)能改造技術(shù)”，該技術(shù)是我國(guó)水泥工業(yè)首個(gè)被列入《推薦目錄》，由多項(xiàng)專利技術(shù)組成的系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)。該節(jié)能降氮燒成技術(shù)主要由“分解爐再循環(huán)”、“分級(jí)燃燒分解爐”、“帶攏煙罩的低氮燃燒器”、“縱向控制流固定床”、“精準(zhǔn)平衡操作技術(shù)”5項(xiàng)核心專利技術(shù)組成，其中，“縱向控制流固定床”是一項(xiàng)用于篦冷機(jī)優(yōu)化升級(jí)的技術(shù)。

篦冷機(jī)是水泥熟料生產(chǎn)系統(tǒng)中最關(guān)鍵的設(shè)備之一，對(duì)熟料產(chǎn)質(zhì)量及燒成系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行、節(jié)能減排起著重要作用。一臺(tái)先進(jìn)的篦冷機(jī)往往具備低功耗和高冷卻效率，用最小的冷卻面積將熟料溫度降至最低。同時(shí)，在冷卻熟料的過程中，若要使篦冷機(jī)的性能和運(yùn)行狀態(tài)達(dá)到預(yù)期的效果，則需操作合理，有對(duì)應(yīng)的操作技術(shù)。本文將圍繞以上內(nèi)容來探討篦冷機(jī)的優(yōu)化升級(jí)改造。

2 篦冷機(jī)存在的共性問題

（1）篦冷機(jī)冷卻能力與系統(tǒng)生產(chǎn)能力不匹配，冷卻能力無法滿足系統(tǒng)生產(chǎn)需要。第三代篦冷機(jī)單位篦床面積產(chǎn)量為42～45t/m2·d，而第四代篦冷機(jī)單位篦床面積產(chǎn)量為39～42t/m2·d，在這種運(yùn)行工況下，出篦冷機(jī)熟料溫度普遍偏高，對(duì)熟料及水泥產(chǎn)質(zhì)量影響很大。其次，篦冷機(jī)超負(fù)荷運(yùn)行，易導(dǎo)致篦冷機(jī)維修量大、維修費(fèi)用高，運(yùn)轉(zhuǎn)率也受到影響。

（2）篦冷機(jī)易出現(xiàn)篦床漏料、掉篦板、推動(dòng)棒彎曲損壞、通風(fēng)阻力增大等情況，導(dǎo)致冷卻風(fēng)無法吹透料層等。特別是熟料中的紅料較多時(shí)，篦冷機(jī)易出現(xiàn)活動(dòng)梁變形、傳動(dòng)阻力升高、風(fēng)室密封損壞、卸料弧形閥變形等狀況，影響篦冷機(jī)的正常運(yùn)行。

（3）采用第四代篦冷機(jī)易出現(xiàn)堆“雪人”現(xiàn)象。為了避免堆“雪人”，常將高溫落料端固定篦床角度調(diào)設(shè)的較大（通常在12°～15°），導(dǎo)致篦床上的熟料急冷效果差。第四代步進(jìn)式篦冷機(jī)易存在“死料層”，造成篦床通風(fēng)阻力增大，冷卻效率降低。為提高冷卻效率，第四代篦冷機(jī)篦床面積往往要比第三代篦冷機(jī)大很多。

（4）在熟料急冷效果不佳的情況下，企業(yè)通常采用降低篦冷機(jī)“熱回收區(qū)”之內(nèi)的風(fēng)機(jī)供風(fēng)量或加厚料層提高二次風(fēng)溫的方法來降低燒成熱耗，窯頭罩二次風(fēng)溫一般控制在1 150℃以上。降低冷卻風(fēng)量，加厚熟料層，熟料的輻射熱可使二次風(fēng)溫度提高，但由于冷卻風(fēng)對(duì)料層的穿透能力不足，熟料急冷效果并不好，還會(huì)造成熟料質(zhì)量下降。

3 篦冷機(jī)優(yōu)化升級(jí)改造方案

3.1 優(yōu)化升級(jí)改造目標(biāo)

針對(duì)上述問題，通過采用“縱向控制流固定篦床”技術(shù)，在對(duì)原篦冷機(jī)不做大改動(dòng)的前提下，可實(shí)現(xiàn)如下目標(biāo)：

（1）第三代篦冷機(jī)的單位篦床面積產(chǎn)量提高至52～55t/m2·d；第四代篦冷機(jī)單位篦床面積產(chǎn)量達(dá)到47～49t/m2·d，出篦冷機(jī)熟料溫度降低至“65℃+環(huán)境溫度”。

（2）第三代篦冷機(jī)的篦板使用壽命提高至3～5年；提高第四代推動(dòng)棒式篦冷機(jī)推動(dòng)棒的使用壽命，杜絕漏料現(xiàn)象發(fā)生，提高設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)率。

（3）二次風(fēng)溫提高至1 100℃～1 150℃。

（4）熟料冷卻電耗降低0.5～2kW·h/t.cl。

（5）提高熟料急冷效果，熟料小磨時(shí)間減少0.5～3min。

（6）熟料強(qiáng)度提高0.5～2MPa。

3.2 技術(shù)改造方案

目前，采用第三代篦冷機(jī)的水泥企業(yè)，除需考慮降低熟料溫度外，還需考慮提高設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)率和減少設(shè)備維修費(fèi)用。采用第四代推動(dòng)棒式篦冷機(jī)的水泥企業(yè)，主要需解決推動(dòng)棒經(jīng)常斷裂和彎曲導(dǎo)致設(shè)備損壞和篦床漏料的問題，以及熟料急冷效果不佳和提產(chǎn)后熟料溫度高的問題。

第三、四代篦冷機(jī)的急冷效果普遍欠佳。急冷效果的好壞，主要取決于篦冷機(jī)結(jié)構(gòu)及燒成工況的合理性，不可僅以二次風(fēng)溫的高低判斷急冷效果。

從篦冷機(jī)結(jié)構(gòu)來看，第三代篦冷機(jī)在高溫落料端采用充氣梁結(jié)構(gòu)的剛性供風(fēng)形式，而第四代篦冷機(jī)采用風(fēng)室供風(fēng)和流量控制閥的結(jié)構(gòu)，供風(fēng)剛性稍顯不足。因此，第三代篦冷機(jī)的急冷效果較第四代篦冷機(jī)略好。

在第三、四代篦冷機(jī)高溫落料端采用“縱向控制流固定篦床”代替原有的充氣梁結(jié)構(gòu)或風(fēng)室供風(fēng)結(jié)構(gòu)，可以提高篦冷機(jī)的急冷效果，再采用與之配套的“熱回收區(qū)”之內(nèi)的篦床改造技術(shù)。

改造后，篦冷機(jī)高溫落料端固定篦床上的熟料料層厚度＞1 100mm，風(fēng)機(jī)工作壓力11～12kPa；活動(dòng)篦床熟料料層厚度800～900mm，風(fēng)機(jī)工作壓力在7.5kPa左右。在“零壓點(diǎn)”之內(nèi)的風(fēng)機(jī)壓力負(fù)荷率和電流負(fù)荷率＞90%的工況下，熱交換充分，可實(shí)現(xiàn)急冷熟料、降低游離氧化鈣含量、提高熟料強(qiáng)度和易磨性的綜合效果，二次風(fēng)溫達(dá)到1 100℃，系統(tǒng)節(jié)能降耗效果明顯。

3.3 技術(shù)改造內(nèi)容

3.3.1 縱向控制流固定床的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及技術(shù)改造

（1）縱向控制流固定床由前后兩個(gè)模塊組合而成（見圖1），安裝方便。兩個(gè)模塊一般由3～5臺(tái)風(fēng)機(jī)供風(fēng)。固定篦床1由2～3臺(tái)風(fēng)機(jī)供風(fēng)，固定篦床2由1～2臺(tái)風(fēng)機(jī)供風(fēng)，風(fēng)機(jī)壓力應(yīng)有所差別，以形成合理用風(fēng)梯度。

圖1 縱向控制流固定篦床結(jié)構(gòu)

（2）固定篦床共分為11個(gè)供風(fēng)區(qū)（見圖2），每個(gè)區(qū)由前、后排的篦板（約3～6塊）縱向組成一個(gè)小風(fēng)室，形成縱向供風(fēng)模式。固定篦床1在靠近篦冷機(jī)內(nèi)墻的一面采用3個(gè)單獨(dú)的風(fēng)室和不同結(jié)構(gòu)的篦板，供風(fēng)方向?yàn)闄M向。

圖2 固定篦床的11個(gè)供風(fēng)區(qū)

（3）11個(gè)供風(fēng)區(qū)中的篦板結(jié)構(gòu)不同，1～3區(qū)篦板出風(fēng)方向是垂直向上的（見圖3）。這樣設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是：一是可以對(duì)靠近篦冷機(jī)后墻的物料進(jìn)行垂直向上的冷卻，防止物料在后墻長(zhǎng)時(shí)間堆積粘附，形成堆“雪人”隱患；二是可以根據(jù)回轉(zhuǎn)窯在窯頭罩內(nèi)的熱膨脹量，調(diào)整鼓風(fēng)量，確保熟料冷卻狀態(tài)合理，既可防止熟料粘附在端墻形成堆“雪人”，又可以穩(wěn)定二次風(fēng)溫。另外，安裝在4～11供風(fēng)區(qū)篦板的通風(fēng)槽和通風(fēng)孔的結(jié)構(gòu)與常規(guī)篦板的結(jié)構(gòu)有明顯不同。常規(guī)篦板的通風(fēng)孔為長(zhǎng)條形，風(fēng)速在42m/s左右，即使是采用間斷通風(fēng)的篦板，其通風(fēng)孔尺寸也比較細(xì)小，通風(fēng)槽多是凹槽或斜邊槽。雖然常規(guī)篦板的通風(fēng)孔冷卻風(fēng)速相同，但其剛性偏弱，吹透厚熟料層的能力不足，實(shí)際工作壓力均＜10kPa。縱向控制流固定床配套使用的是穿透能力強(qiáng)的急冷篦板，其通風(fēng)孔為“短圓柱孔”（見圖4a），在同樣風(fēng)速的工況下，冷卻風(fēng)的剛性大，吹透熟料層的能力強(qiáng)，在高溫落料端熟料層厚度達(dá)到1 000～1 200mm的工況下，能較易吹透厚熟料層，實(shí)現(xiàn)熟料的急冷。而急冷篦板通風(fēng)槽采用截面上不對(duì)稱的二次曲線結(jié)構(gòu)（見圖4b），冷卻風(fēng)在風(fēng)槽表面利用二次曲線的空氣動(dòng)力學(xué)性能，可降低通風(fēng)槽通風(fēng)阻力。出風(fēng)方向?yàn)樾毕蛏?，能更好地向前推?dòng)熟料，同時(shí)在貼近篦板表面形成“流態(tài)化”，既提高了冷卻效率，又提高了熟料的移動(dòng)效率。

圖3 1～3供風(fēng)區(qū)篦板結(jié)構(gòu)

圖4 4～11供風(fēng)區(qū)篦板結(jié)構(gòu)

（4）4～11供風(fēng)區(qū)的供風(fēng)管道上均安裝有可遠(yuǎn)程控制的電動(dòng)蝶閥，可按照一定的順序和要求自動(dòng)調(diào)節(jié)開度，每個(gè)區(qū)域均可形成“正弦脈動(dòng)”供風(fēng)狀態(tài)（見圖5），加大風(fēng)室供風(fēng)量，強(qiáng)化熟料急冷。觸摸式顯示屏可同步顯示運(yùn)行狀態(tài)，工作人員可進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)（見圖6）?？v向控制流固定篦床的傾斜角度可依據(jù)熟料煅燒的狀況設(shè)定，一般為10°～13°。

圖6 觸摸式顯示屏

3.3.2 活動(dòng)篦床的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及技術(shù)改造

（1）第四代篦冷機(jī)活動(dòng)篦床的技術(shù)改造

雖然第四代篦冷機(jī)活動(dòng)篦床的輸送方式與第三代有較大區(qū)別，但其篦板的出風(fēng)結(jié)構(gòu)和工作原理基本是一樣的，二者均采用了細(xì)長(zhǎng)出風(fēng)口結(jié)構(gòu)，冷卻風(fēng)剛性均較弱，特別是第四代推動(dòng)棒式結(jié)構(gòu)，篦板的通風(fēng)槽極易被熟料堵塞，進(jìn)而降低冷卻風(fēng)的通風(fēng)效率。為此，我們研發(fā)了“不塞料強(qiáng)冷篦板”，篦板結(jié)構(gòu)見圖7a、7b。此篦板有以下特點(diǎn)，一是通風(fēng)槽截面為“上寬下窄”的梯形結(jié)構(gòu)；二是通風(fēng)槽內(nèi)的通風(fēng)孔設(shè)置在距通風(fēng)槽底部有一定高度的間斷長(zhǎng)條孔上，使冷卻風(fēng)量更集中，更易吹透比較厚的料層。同時(shí)，由于其“上寬下窄”的通風(fēng)槽結(jié)構(gòu)，落入槽中的熟料顆粒受摩擦力影響小，不易堵塞通風(fēng)孔，特別是短圓柱通風(fēng)孔的強(qiáng)力通風(fēng)作用，可以使熟料呈“運(yùn)動(dòng)”狀態(tài)，有效提高了冷卻風(fēng)的通風(fēng)效率，降低了通風(fēng)阻力。在料層厚度增加的工況下，短圓柱通風(fēng)孔的通風(fēng)阻力仍低于長(zhǎng)條形通風(fēng)孔的阻力。第四代步進(jìn)式篦冷機(jī)也可采用這種技術(shù)，有效降低“死料層”厚度，減少篦床阻力，降低能耗。

圖5“正弦脈動(dòng)”供風(fēng)狀態(tài)

圖7 不塞料強(qiáng)冷篦板

第四代篦冷機(jī)技改后，在系統(tǒng)提產(chǎn)300t/d的情況下，出篦冷機(jī)熟料溫度可降低至65℃+環(huán)境溫度。篦冷機(jī)原配套風(fēng)機(jī)的風(fēng)量基本不需要增加，僅需將固定篦床風(fēng)機(jī)壓力提高至12kPa即可。

（2）第三代篦冷機(jī)活動(dòng)篦床的技術(shù)改造

為提高活動(dòng)篦床的性能，更好地控制熟料的料層厚度和移動(dòng)速度，采用由兩種新型結(jié)構(gòu)篦板組成的“交叉氣流冷卻篦床”，對(duì)第三代篦冷機(jī)活動(dòng)篦床進(jìn)行技術(shù)改造。

a充氣梁篦板改造

改造后，充氣梁篦板通風(fēng)孔采用短圓柱結(jié)構(gòu)，通風(fēng)槽為二次曲線結(jié)構(gòu)（見圖8），原充氣梁可繼續(xù)使用。

圖8 充氣梁篦板

b普通篦板改造

傳統(tǒng)的活動(dòng)篦床篦板的通風(fēng)槽和通風(fēng)孔結(jié)構(gòu)與充氣梁篦板均相同。傳統(tǒng)通風(fēng)槽均為橫向布置，截面多為矩形及梯形，梯形通風(fēng)槽結(jié)構(gòu)可使冷卻風(fēng)斜向上吹出，增加冷卻風(fēng)對(duì)熟料移動(dòng)方向的作用力。但如果斜吹風(fēng)助流作用力過大，那么對(duì)于傾斜布置的活動(dòng)篦床來說，熟料的移動(dòng)速度和料層厚度則較難控制，同時(shí)，單一的出風(fēng)方向?qū)κ炝系睦鋮s效果有限。

為了提高活動(dòng)篦床的冷卻效果，更好地控制料層厚度和料層的移動(dòng)速度，改造時(shí)將篦板的通風(fēng)槽設(shè)計(jì)為縱向布置，通風(fēng)孔仍然采用短圓柱長(zhǎng)孔結(jié)構(gòu)（見圖9）。通風(fēng)槽改造后，可以從多個(gè)方面對(duì)活動(dòng)篦床上的熟料顆粒進(jìn)行冷卻，形成“交叉氣流冷卻篦床”（見圖10a、10b），有效提高冷卻效率，料層厚度和移動(dòng)速度也更容易控制。在篦板的移動(dòng)過程中，縱向布置的通風(fēng)槽可保證通風(fēng)面積不變，避免了活動(dòng)梁移動(dòng)對(duì)鼓風(fēng)量造成的影響，冷卻風(fēng)的利用率明顯提高，篦床的鼓風(fēng)更加穩(wěn)定。

圖9 通風(fēng)孔仍然采用短圓柱長(zhǎng)孔結(jié)構(gòu)的普通篦板

圖10 交叉氣流冷卻篦床

3.3.3 其他部分的改造

（1）風(fēng)室密封改造

受活動(dòng)框架尺寸的影響，第三代篦冷機(jī)風(fēng)室之間的密封結(jié)構(gòu)通常較大，且常規(guī)的石棉材質(zhì)密封材料在使用一段時(shí)間后也會(huì)失去彈性。采用鋼絲刷結(jié)構(gòu)的浮動(dòng)形式密封（見圖11），可有效解決風(fēng)室之間的密封問題。

圖11 鋼絲刷結(jié)構(gòu)的浮動(dòng)形式密封

（2）灰斗卸料密封改造

卸料過程中的密封性能同樣影響熟料的冷卻效果，如果灰斗卸料時(shí)密封不好，不但會(huì)降低冷卻風(fēng)的利用率，還會(huì)造成粉塵外溢，污染環(huán)境。采用雙插板卸料鎖風(fēng)閥可解決此問題（見圖12）。

圖12 雙插板卸料鎖風(fēng)閥

4 篦冷機(jī)改造效果

（1）當(dāng)熱回收區(qū)內(nèi)風(fēng)機(jī)負(fù)荷率＞95%時(shí)，二次風(fēng)溫度穩(wěn)定在1 100℃以上。

（2）可有效提高冷卻效果，出篦冷機(jī)熟料溫度＜65℃+環(huán)境溫度。

（3）可有效降低單位熟料冷卻風(fēng)量，從而降低熟料冷卻電耗。

（4）相同粉磨時(shí)間下，物料細(xì)度提高。

（5）熟料強(qiáng)度提高2～4MPa。

某公司φ4m×60m回轉(zhuǎn)窯配套的第四代篦冷機(jī)，采用上述優(yōu)化改造措施后，在系統(tǒng)產(chǎn)量提高400t/d的情況下，熟料急冷效果明顯提高，熟料的小磨時(shí)間從42min降低至37min。熟料3d抗壓強(qiáng)度為36MPa，熟料28d抗壓強(qiáng)度為60MPa，水泥磨產(chǎn)量提高15t/h。急冷效果改善后的熟料巖相分析結(jié)果見圖13，熟料急冷狀態(tài)非常好。

圖13 熟料巖相分析結(jié)果

5 結(jié)語(yǔ)

（1）篦冷機(jī)改造是一項(xiàng)系統(tǒng)的技術(shù)，在各類改造措施中，首先需要采用能夠改變熟料冷卻狀態(tài)、提高熟料急冷效果的措施，而這方面的措施主要以改變固定篦床以及關(guān)鍵部位篦床的結(jié)構(gòu)為重點(diǎn)。

（2）篦冷機(jī)的冷卻效果與窯內(nèi)煅燒狀況、窯頭燃燒器的使用、冷卻風(fēng)機(jī)的性能、篦冷機(jī)的操作均密切相關(guān)，改造后，需優(yōu)化系統(tǒng)操作。

（3）隨著熟料急冷能力的提高，篦冷機(jī)內(nèi)出現(xiàn)的“紅河”、堆“雪人”等問題也會(huì)得以解決。同時(shí)，對(duì)于第四代推動(dòng)棒式篦冷機(jī)，在改造固定篦床并采用新型篦床篦板后，其篦板風(fēng)槽堵塞、推動(dòng)棒變形斷裂等機(jī)械故障均會(huì)隨之解決。

（4）在運(yùn)行操作中，決不可采用降低熱回收區(qū)鼓風(fēng)量，特別是減少固定床風(fēng)機(jī)的負(fù)荷率和提高料層厚度的方法來提高二次風(fēng)溫。在料層過厚的工況下，二次風(fēng)溫對(duì)提高系統(tǒng)的煅燒作用有限，對(duì)熟料的急冷作用很小，有時(shí)甚至?xí)霈F(xiàn)反作用。

（5）回轉(zhuǎn)窯和窯頭罩的相對(duì)工藝位置，對(duì)熟料的急冷效果和二次風(fēng)溫有較大影響，改造時(shí)需考慮。

（6）在熟料冷卻狀態(tài)正常、系統(tǒng)操作合理的情況下，熟料的結(jié)粒會(huì)小而均勻，熟料破碎機(jī)的工作負(fù)荷也會(huì)下降，有利于提高破碎機(jī)錘頭的使用壽命和設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)率。但對(duì)于采用了中置破碎機(jī)的篦冷機(jī)，則作用不明顯。

（7）技改后的篦冷機(jī)，單位篦床面積產(chǎn)量大幅提高。

（8）在改變篦板的風(fēng)槽結(jié)構(gòu)后，與充氣梁結(jié)構(gòu)的供風(fēng)形式相比，風(fēng)室供風(fēng)形式通風(fēng)阻力小，風(fēng)機(jī)工作壓力小，不易漏料。

（9）目前，大多數(shù)第三代充氣梁篦冷機(jī)配置的風(fēng)機(jī)性能均滿足改造需要，除了風(fēng)機(jī)本身存在問題外，一般不需要更換高壓力和大風(fēng)量的風(fēng)機(jī)，但需注意風(fēng)機(jī)電機(jī)的質(zhì)量和性能。僅依靠增大風(fēng)機(jī)風(fēng)量和壓力進(jìn)行技術(shù)改造，篦冷機(jī)很難實(shí)現(xiàn)較好的綜合技術(shù)性能。

（10）從理論上講，改造后，熟料溫度降低，熟料攜帶的熱量被充分利用，從而降低系統(tǒng)熱耗。但實(shí)際情況是，熟料溫度降低后，降耗效果并不明顯，熱回收效率較低。因此，篦冷機(jī)改造需更好地與窯尾預(yù)熱預(yù)分解系統(tǒng)及窯頭燃燒器匹配，才會(huì)取得更好的效果。

（11）對(duì)篦冷機(jī)及其附屬設(shè)備的合理操作，也是保證篦冷機(jī)性能的關(guān)鍵因素?！?/p>