熟料冷却机

熟料冷却机

一、熟料冷却机的功能及发展

水泥工业的回转窑诞生之初，并没有任何熟料冷却设备，热的熟料倾卸于露天堆场自然冷却。19世纪末期出现了单筒冷却机；1930年德国伯力休斯公司在发明了立波尔窑的基础上研制成功回转篦式冷却机；1937年美国富勒公司开始生产第一台推动篦式冷却机。100多年来，在国际水泥工业科技进步的大潮中，不断改进，更新换代，长足发展；有的已经淘汰。目前，熟料冷却机在水泥工业生产过程中，已不再是当初仅仅为了冷却熟料的设备，而在当代预分解窑系统中与旋风筒、换热管道、分解炉、回转窑等密切结合，组成了一个完整的新型水泥熟料煅烧装置体系，成为一个不可缺少的具有多重功能的重要装备。

熟料冷却机的功能及其在预分解窑系统中的作用如下：

1、作为一个工艺装备，它承担着对高温熟料的骤冷任务。骤冷可阻止熟料矿物晶体长大，特别是阻止C3S晶体长大，有利于熟料强度及易磨性能的改善；同时，骤冷可使液相凝固成玻璃体，使MgO及C3A大部分固定在玻璃体内，有利于熟料的安定性的改善。

2、作为热工装备，在对熟料骤冷的同时，承担着对入窑二次风及入炉三次风的加热升温任务。在预分解窑系统中，尽可能地使二、三次风加热到较高温度，不仅可有效地回收熟料中的热量，并且对燃料（特别是中低质燃料）起火预热、提高燃料燃尽率和保持全窑系统有一个优化的热力分布都有着重要作用。

3、作为热回收装备，它承担着对出窑熟料携出的大量热焓的回收任务。一般来说，其回收的热量为1250~1650Kj/kg.cl。这些热量以高温热随二、三次风进入窑、炉之内，有利于降低系统燃烧煤耗。否则，这些热量回收率差，必然增大系统燃料用量，同时亦增大系统气流通过量，对于设备优化选型、生产效率和节能降耗都是不利的。

4、作为熟料输送装备，它承担着对高温熟料的输送任务。对高温熟料进行冷却有利于熟料输送和贮存。

二、熟料冷却机的分类及其发展

熟料冷却机主要有三种类型：一是筒式（包括单筒及多筒），二是篦式（包括震动、回转、推动篦式），三是其他型式（包括立式及“g”式）。在预分解窑诞生之前的相当长的时期内，单筒式、多筒式与篦式冷却机长期并存，各自经过不断改进，形成三足鼎立的局面。预分解窑问世之后，由于炉用三次风抽取，以及对二三次风温度日益增高的需求，再加上推动篦式冷却机的优化改进，目前除少量预分解窑仍使用改进型单筒冷却机外，几乎形成了推动篦式冷却机独占鳌头的局面。至于立筒冷却机，虽然是一种对流与沸腾床换热相结合的新型冷却机，但从20世纪60年代研制至今，尚未达到普遍实用阶段；而“g”型冷却机是一种再冷式冷却机，必须串联在其他冷却机后复合使用。因此，可以认为推动篦式冷却机，目前仍然是预分解窑系统中最佳的熟料冷却匹配装备。

1、单筒冷却机

单筒冷却机属逆流式气固换热装备，具有工艺流程、操作、结构简单，运转可靠，热效率较高，无废气和粉尘排放等优点。

2、多筒冷却机

多筒冷却机亦属逆流式气固换热装备。这种冷却机由环绕在回转窑出口端的许多个冷却筒所构成，与窑连成一体，随窑回转。其优点是结构简单，不需另设传动装置，无废气污染等；缺点在于它同窑连成一体，使窑头筒体机械负荷增大，在高温状态下料弯头容易损坏，造成漏风，并且二次风温较低，热效率不高等。

三、篦式冷却机的分类及其发展

篦式冷却机属穿流骤冷式气固换热装备，冷却空气以垂直方向穿过熟料料层，使熟料得以冷却。篦冷机根据篦子运动方式可分为震动式、回转式和推动式三种类型。在水泥工业发展过程中，随着生产大型化及实践的总结，震动式篦冷机由于震动弹簧设计及材质等方面的原因，20世纪60年代后已被淘汰；回转篦式冷却机在同推动篦式冷却机竞争中，由于在对熟料粒度变化的适应性、熟料冷却温度及热效率等方面难以同推动式篦冷机相匹配，推动式篦冷机已成为当代预分解窑配套选用的主要产品，并且在结构形式等方面得到迅速发展。推动式篦冷机是美国富勒公司发明的，20世纪70年代发展成为第二代厚料层篦冷机。80年代以来，富勒公司生产富勒型篦冷机，丹麦史密斯公司生产的福拉克斯型篦冷机，德国克劳迪斯-彼得公司生产的组合型阶梯型篦冷机。

克虏伯-伯力休斯公司生产的瑞波尔型篦冷机，洪堡-维达格公司生产的洪堡-维达格型篦冷机以及日本巴比考克-日立、石川岛、三菱、川琦、宇部等公司和中国天津院同沈阳水机合作生产的篦冷机等都属第二代篦式冷却机。这些推动篦式冷却机在原理、结构上同勒型篦冷大同小异，许多是在购买富勒型篦冷机专利权后生产的。80年代后期研发的第三代控制流篦冷机以及90年代末期研发的第四代固定篦床冷却机都是在第一、二代推动式篦冷机的基础上的创新产品。将各种篦冷机有关性能指标列于表

表 各种篦冷机有关性能指标

类型 第一代福勒型篦冷机 第二代厚料层篦冷机 第三代控制流篦冷机 第四代推动棒式篦冷机 单位篦床面积产量单位冷却风量热效率（%） [t/(m2.d)] （Nm3/kg.cl） 25-27 32-43 40-50 约45-55 3.5-4.0 2.7-3.2 1.7-2.2 约1.5-2.0 <50 65-70 70-75 约72-76 （一）富勒型推动篦式冷却机 富勒型推动篦式冷却机是推动式篦冷机的典型代表。其内部主要设有相间排列的活动篦板和固定篦板组成的篦床，以及支承这两种篦板的梁和框架等。活动篦板每分钟的双冲程次数为4-20次，冲程长120mm，漏过篦板的细料落入空气室下的集料斗，再卸入拉链输送机中。在篦冷机出料端设有与篦床宽度相同的熟料破碎机，大块熟料被击碎后仍弹回篦床再次冷却。

（二）第三代新型控流推动式篦冷机

随着预分解技术发展日臻成熟及市场激烈的竞争，对生产大型化及能源消耗等方面越来越高的要求，人们在对预分解窑系统预热器、分解炉、回转窑等子系统不断改进的同时，自然把革新方向也集中到熟料冷却机身上。如前所述，熟料冷却机不仅在熟料冷却热量回收方面，对预分解窑生产有着重要影响，同时

更高的二三次风温，直接关系到窑系统燃料燃烧、气固换热和全窑系统热力分布的优化。第二代大型富勒、福拉克斯、彼得斯康比等形式的推动篦冷机，虽然对于预分解窑发展做出了重要贡献。但是它们在熟料冷却，二、三次风温，炽热熟料在篦床上的均匀分布，以及杜绝“吹穿”、“红河”、“雪人”现象等方面，改善热回收性能，提高热效率，进一步优化预分解窑系统的各项技术经济指标，就成为第三代篦式冷却机研制开发的目标。

第三代控流型篦冷机针对熟料入机后纵向和横向料层厚度、颗粒组成及温度状况，采取两项重大改进：一是改变第二代篦冷机分室通风，各室冷却区域面积过大，难以适应料层不均状况，将篦床划分众多的供风小区，便于供风调整；二是采用由封闭篦板梁和盒式篦板组成的阻力篦板冷却单元，使每个阻力篦板冷却单元形成众多的控制气流，从而克服了第二代篦冷机的缺点，显著降低了单位冷却风量，大幅度提高了冷却效率。

1984年德国IKN公司率先开发了“阻力篦板”，随后KHD公司开发了“PYROSTEP”冷却机，伯力休斯公司开发了“REPOL-RS”冷却机，史密斯公司开发了“COOLAX”冷却机。这些第三代新型推动篦式冷却机的问世，把篦冷机生产提高到一个崭新的水平。

四、熟料冷却机作业原理

熟料冷却机作业原理在于高效、快速地实现熟料与冷却空气之间的气固换热。熟料冷却机由单筒、多筒到篦式，以及篦式冷却机由回转式到推动式和推动式的第一、二、三、四代技术的发展，无论是气固之间的逆流、同流、错流换热，都是围绕提高气固换热系数，增大气固接触面积，增加气固换热温差等提高气固换热速率和效率方向进展的。同时，熟料冷却机设备结构及材质的改进，又不断提高设备运转率和节省能耗。

过去使用的多筒或单筒冷却机，由于冷却空气系由窑尾排风机经过回转窑及冷却机吸入，物料虽由扬板扬起，以增大气固换热面积。但是由于气固相对流动速度小，接触面积亦小，同时逆流换热Δt值亦小，因此换热效率低。

第三代篦冷机由于采用“阻力篦板”，相对减小了熟料料层阻力变化对熟料冷却的影响；采用“空气梁”，热端篦床实现了每块或每个小区篦板，根据篦上阻力变化，调整冷却风量；同时，采用高压风机鼓风，减少冷却空气量，增大气固相对速率及接触面积，从而使换热效率大为提高。此外，由于阻力篦板在结构、材质上的优化设计，提高了使用寿命和运转率。

鉴于“阻力篦板”虽然解决了由于熟料料层分布不匀造成的诸多问题，但是由于其阻力大，动力消耗高，因此新一代篦冷机又向“控制流”方向发展。采用空气梁分块或分小区鼓风，根据篦上料层阻力自动调节冷却风压和风量，实现气固之间的高效、快速换热。同时，鉴于使用活动篦板推动熟料运动，造成篦板间及有关部位之间的磨损，新一代篦冷机也正在向棒式和悬摆式等固定床方向发展。

各种类型新型篦冷机技术的不断创新，不但使换热效率大幅度提高，减少了冷却风量，降低了出篦冷机熟料温度，实现了熟料的骤冷，并且使入窑二次风及入炉三次风温进一步得到提高，优化了预分解窑全系统的生产。

五、NG型第三代篦冷机

第三代篦冷机是20世纪80年代中期在引进Fuller公司第二代篦冷机设计和制造技术基础上研制开发的，并于90年代推广应用，其结构如图所示。技术特点：

1、采用TC型“充气梁”技术，研发了TC型充气篦板（如图）及TC型阻力篦板（如图）

TC型充气篦板

2、采用厚料层冷却技术，中小型篦冷机设计最大料层厚600~650mm，大型篦冷机700~800mm。 3、合理配风（如图）。关键在于淬冷机和热回收区“充气篦床）配风适当。

4、全机篦床配置适当。如图所示，淬冷高温区设置固定充气篦床，高温区设置活动充气篦床，中温区设置固定篦床，低温区设置普通篦床，整机效率高，结构简化，维修方便。

5、锁风良好，设置了全机自动控制和安全监测系统，保证了系统稳定安全运行。

NG型充气篦板采用了铸造结构（国外多为组合结构），以减少加工量并有良好的抗高温变形能力。同时，篦板内部气道和出口具有良好的气动性能，出口冷却气流顺料流方向喷射并向上渗透，气流出口为缝隙式结构，出口气流速度明显高于普通篦板。高阻力可缓解熟料料层阻力变化的影响，气流的高穿透性则有利于料层深层次的气固换热，对红热细料冷却有显著作用。

低漏料阻力篦板既可减少细粒熟料漏料量，又增加篦板通风阻力，缓和不均匀料层阻力对篦床总阻力的影响。

目前，NG型第三代篦冷机已在1000~5000t/d生产线上广泛应用。单位冷却风量在1.9~2.2Nm3/kg.cl，二次风温达1080℃，三次风温850℃ —950℃，出口熟料温度低于环境温度+65℃，热端篦板工作温度在80℃以下，热回收效率一般为72%—74%。

六、NG第三代篦冷机工作原理

从回转窑流出的高温熟料由篦冷机的进料口直接落在篦冷机前端篦床上，并在活动篦板推动下不断向前运动。高温熟料在整个运动期间不停地被透过篦板的冷空气进行热交换，被加热的热空气一部分作为窑

的二次风进入回转窑，一部分作为三次风进入分解炉，还有一部分进入煤磨，其余的部分由废气口（余风风口）排出。冷却后的熟料在活动篦板推动下被输送至出料端，小于25毫米的熟料经由出料端的筛条缝隙漏下进入输送机，大小25毫米的熟料进入破碎机被不停运转的破碎机粉碎至25毫米以下时排出。在熟料运动过程中由篦板篦缝隙漏下的细熟料落入各风室并当堆积到一定高度时滑入锁风阀。为防止漏风在一般情况下锁风阀是关闭的，当熟料在阀内堆积到一定高度时，篦冷机控制系统发出信号，这时锁风阀打开卸料，卸料时间很短暂（以秒计算），在阀内料柱尚能锁住风时，锁风阀自动关闭。锁风阀与篦冷机壳体及输送机上罩密闭连接，锁风阀排出的熟料直接进入输送机并由输送机排出。

七、各种熟料冷却机的分析评价

自第一台水泥熟料冷却机诞生近百年来，围绕着提高、改善熟料冷却机的骤冷、升温、热回收和输送贮存四个主要功能，其技术的发展，可分为五个大的阶段：

第一阶段：从19世纪末至20世纪30年代。为了充分发挥熟料冷却机的各项功能，各种类型的熟料冷却机（包括：单筒、多筒、回转篦式、震动篦式、推动篦式等）不断开发问世，相互竞争，形成“百花齐放”的局面。

第二阶段：从20世纪40年代至60年代。在国际水泥工业科技进步推动下，随着悬浮预热窑的出现和水泥工业生产大型化，各种类型的冷却机在激烈竞争中不断改进，更新换代，新型Unax多筒冷却机、克虏伯-伯力休斯单筒、多筒组合式冷却机等相继问世，篦式冷却机技术也不断更新，力求适应生产大型化和提高热效率的要求。

形成单筒—多筒—篦式冷却机三足鼎立的局面，而振动式篦冷机逐渐趋于淘汰。

第三阶段：从20世纪70年代至80年代初期。随着预分解技术的发明，把国际水泥工业推向一个崭新的高技术发展阶段。在生产进一步大型化和节能、降耗、效率、环保等方面提出更加严格的要求，以及预分解窑对分解炉用三次风的特殊抽取方式的推动下，多筒冷却机已难以适应；由于立式冷却机技术尚未完全成熟，因此，除单筒冷却机正在奋力拼搏，改进技术，力求在中、小型预分解窑生产线上占有一席之地外，几乎形成了推动篦式冷却机一统天下的局面。

第四阶段：从20世纪80年代初期至中期。推动篦式冷却机的发展十分迅速。以大型复合式富勒、福拉克斯、克劳斯一彼得斯为代表的第二代推动篦式冷却机，

由于在篦冷机偏移布置、入料端两侧设置“盲板”、设置高压骤冷风机及“江心岛”式分流板、第一排篦板由固定篦板改为活动篦板、采用厚料层技术、篦床采用倾斜一水平复式结构、熟料破碎机设在中部并采用两段阶梯形篦床以及余风综合利用、联锁自动控制等许多方面进行了改进，使之在均匀布料、减少“红河”、“雪人”现象等诸多方面都取得了得要进展。第二代推动式篦冷机单位篦床面积产量一般可达40t/(m2.d)以上，热回收效率可达65-70%，1350 ℃左右的出窑熟料经冷却后出口温度可达环境温度+65℃，二次风温1100℃以上，三次风温可达850℃以上。

但是，由于第二代篦冷机大多采用标准型篦板、分室通风，由于熟料颗粒变化，致使炽热熟料在篦冷机入口端仍难以做到均匀分布，“红河”、“雪人”故障仍未杜绝。这些都是第二代推动篦冷机有待进一步改进之处。

第五阶段：20世纪80年代中期至今。针对第二代篦冷机的不足，德国IKN公司率先进行了研究开发出阻力篦板，接着其他公司亦开发出富有各自特点的阻力篦板，用于第三代篦冷机。

八、第三代篦冷机的特点

1、篦冷机入口端采用阻力篦板及充气梁结构篦床和窄宽度布置方式，增加篦板阻力在篦板加料层总阻力中的比例，力求消除预分解窑熟料颗粒变细及分布不均等因素对气流均匀分布的影响。

2、发挥脉冲高速气流对熟料料层的骤冷作用，以少量冷却风量回收炽热熟料的热烙，提高二、三次风温。

3、由于脉冲供风，使细粒熟料不被高速气流携带，同时由于细粒熟料扰动，增加气料之间换热速度。

4、高压空气通过空气梁特别是篦冷机热端前数排空气梁向篦板下部供风，增强对熟料均布、冷却和对篦板的冷却作用，消灭“红河”，保护篦板。

5、设有对一段篦床一、二室各行篦板风量、风压及脉冲供气的自控调节系统，或各块篦板的人工调节阀门，以便根据需要进行调节。同时，一段篦速与篦下压力自动调节，保持料层设定厚度，其他段篦床与一段篦床同步调节。由于各种第三代篦冷机采用不同形式的阻力篦板，尽管篦板形式有所差异，在一段篦床特别是入料端篦床上布置方式亦不尽相同，但由于基本原理相同，收到“异曲同工”之效。第三代篦冷机不但杜绝了“红河”、“雪人”现象，单位篦床面积产量可高达50t/（m2.d）左右，热效率可达70-75%，熟料热耗可降低100kj/kg.cl左右。

目前，采用第三代篦冷机及从窑门罩抽取炉用三次风，可以认为是它同预分解窑配套的最佳方案。第三代篦冷机的出现，为实现热效率高而无需排出余风的篦冷机迈出了重要一步。同时，也需指出第三代篦冷机对设备材质、制造精度、安装、维护、自控等工作提出了更高的要求，因此设备价格相应提高。尤其在预分解窑系统中，筒—管—炉—窑—机五位一体，已形成了一个不可分割的完整体系。欲达到生产最优化，不能单指某个子系统的最优化，而首先必须全系统及其配套设备的最优化，并包括生产管理、技术操作体系的最优化。因此，熟料冷却机的选型也必须结合本企业、本生产线及本窑系统中其他子系统的状况及所要求的技术经济指标综合权衡。

单筒冷却机同篦式冷却机相比，不足之处在于对出窑熟料难于骤冷，二、三次风温较低，出冷却机熟料温度较高，同时散热损失较大等方面。优点是工艺流程及生产操作简单，运转安全可靠，投资较少，电耗较小，同时没有废气及粉尘排放等。因此，对于发展中国家及对预分解窑技术经济指标不太苛求的中、小型窑，采用单筒冷却机以降低基建投资，简化操作、管理。但对于大中型预分解窑生产来说，第三代篦冷机已得到广泛的应用。

21世纪以来，随着科技创新步伐的加快，新型篦冷机正朝着“控流”式固定篦床方向发展。德国C.P、KHD、丹麦F.L.S等公司已经研发出第四代新型控流式固定篦床冷却机，必将进一步优化熟料冷却机及预分解窑全系统的生产。

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