四代篦冷机的技术进展

四代篦冷机的技术进展
1937年，首台篦冷机在美国投产，迄今已70年，在此期间，篦冷机已从第一代薄料层篦冷机、第二代厚料层篦冷机、第三代空气梁可控气流篦冷机发展为第四代无漏料篦板的熟料冷却机。

本文就四代篦冷机的技术进展状况作一介绍，以便有关人员了解各代篦冷机发展过程中，所遇到的问题及其解决途径，为进一步提高篦冷机的性能提供参考。

1 第一代篦冷机
篦冷机的工作原理是从窑头落下的高温熟料铺在进料端篦床上，随篦板向前推动铺满整个篦床，冷却空气从篦下透过熟料层，冷风得以加热，入窑作燃烧空气用，在此过程中熟料得以冷却。

第一代篦冷机篦床设计的运行部件的主梁是横向布置，为运送熟料需作纵向运动，横向的主梁在作纵向运动时很难做到密封，虽然篦下有隔仓板，难以做到密封，在生产过程中，冷风从隔仓板上端漏出，形成篦下内漏风，因此冷却效率不高，料层较薄，一般在 100mm～200mm左右，冷却风量为2.8～3.2Nm3/kg.熟料，单位面积产量约18～20t/m2.d,冷却效率＞60%，入窑二次空气温度与窑的热耗有关，热耗为1500 kcal/kg的湿法窑窑二次空气温度一般低于 600℃，而热耗为1000 kcal/kg的干法预热器窑一般低于 750℃，此类篦冷机在20世纪中期大量用于烧成系统装置上，成为当时冷却装置的主流。

2 第二代篦冷机
60年代预热器窑逐步走向大型化，窑产量最大为4000t/d，70年代预分解技术出现后，窑产量成倍增加，产量更高，第一代篦冷机面临如下问题：①预热器窑的规格逐年增大，产量＞1000t/d时，熟料颗粒离析增加，细颗粒熟料随窑产量增大而增多，冷风透过料层时，部分细颗粒熟料流态化，篦板没法推动流态化颗粒，而一些堆积致密的细颗粒熟料层的熟料因料层阻力大，冷风没法透过，得不到冷却，仍然处在高温状况，极易将堆积下的篦板烧坏，其后果是出篦冷机熟料温度高，废气温度高，入窑二次空气温度低，冷却效率低且事故率高，运转率低下。

②人们为了增加产量，将一些传统窑改为，预分解窑，窑产量成倍增加，但场
地限制篦床面积增大，必须提高篦冷机的单位面积产量，才能满足扩建需求，第一代薄层篦冷机难于满足烧成工艺进展。

从篦冷机的通风原理来看，高温熟料在冷却过程中，熟料随篦床推动向前运行，冷空气从篦下透过熟料，在此过程中，高温熟料逐步冷却，而冷空气逐步加热，加热后的冷空气入窑作燃烧空气用，多余的废气经收尘排至大气。

篦冷机的热交换主要是层流热交换，气体透
过熟料的阻力可以用△P= 来表示，
式中：△P-阻力损失，Pa
V-气体透过篦床的速度，m/s
g-重力加速度，m/s2
λ-阻力系数，数值与熟料结粒大小，料层内缝隙率及熟料黏度的有关。

γ-气体密度，kg/m3
篦冷机在通风过程中，当冷空气透过高温的热熟料时，自身得到加热，体积膨胀，其透过速度增加，相应阻力成倍增加，但是气体密度随温度增加而下降，二者相乘则阻力为一次方增加。

因此，冷风不易透过高温熟料层或者阻力较大的细颗粒料料层，而易透过低温熟料和阻力较低的料层，这种状况表明，只有缩小通风面积才能提高通风效率。

人们根据这个原理，在篦冷机纵向将篦床分室，缩小各室的面积，缓和了冷风因阻力不均难于冷却高温熟料的现象，开发了第二代厚料层篦冷机，其特点如下：
·采用风室通风，第一室面积缩小至3排篦板，以后各室按工艺需求，确定通风面积。

·一室第一排篦板采用活动篦板，避免熟料堆积。

·细颗粒侧的篦板外形有利于输送和冷却细颗粒，相应减少“红河”事故。

·篦床下的大梁采用纵向布置，有利于各室之间的密封，减少了内漏风。

·根据各室料层阻力和风量需求，设置风机。

上述措施在一定程度上减缓了细颗粒熟料冷却问题，料层厚度从原有 100mm～200mm，逐步增至500mm～600mm，单位篦床面积负荷从原有的18～20t/m2.d提高至36～38t/m2.d，在原有篦冷机面积上，熟料冷却效率满足了预分解窑产量成倍的需求，70年代～80年代是厚料层篦冷机装备技术全面发展的年代。

厚料层冷却机的主要工艺性能为：冷却风量为2.1～2.3m3/kg.熟料，入窑二次风温与抽取方式有关，二次风从大窑门罩抽取一般风温＜950℃，三次风从篦冷机抽取时，二次风温＜1050℃，冷却机效率＜70%。

厚料层冷却机也存在一些问题，主要是：①原料层篦冷机的高温部位设置风室过少需要3排篦床长度，以致风室的冷却面积过大，熟料从窑头下落的过程中，因窑在旋转，颗粒离析，篦床上的熟料层形成颗粒不均或熟料过粘造成料层阻力不均，冷风集中透过阻力较低部位的料层，而阻力高的料层得不到冷风透过，冷却效率难于进一步提高。

②窑的来料颗粒变化大，造成料层阻力变化大，相应透过料层风量变化也大，难以控制通风。

缩小各室的通风面积，改善料层阻力，加强密封，以便控制冷风透过，提高冷却机效率，成为第二代篦冷机优化创新的突破点。

3 第三代篦冷机
80年代中期，IKN公司制造的新结构篦冷机在一台老式的回转篦式冷却机进料口的分料台位置上进行试验，宣告篦下可控气流的第三代篦冷机技术取得成功。

从而使原有的篦下通风错流热交换原理转为冷风经中空梁进入对熟料料层进行冷却的可控气流热交流原理。

第三代可控气流篦冷机的特点是：
·热交换以排为单位，冷却面积小，有利于冷风透过料层。

·设计的篦板阻力较不同颗粒级配堆积的料层阻力相对较高，相应减少了不同料层堆积的阻力对气流的影响，这样可以做到不同颗粒级配的料层对气流的阻力大致相当，冷风较为均匀地透过料层。

·按各排阻力及面积来配置冷却风量，从而做到调节控制空气量来冷却熟料。

·空气梁不易漏风，密封性能好。

·在低温部位，为了节省电能，采用分室通风。

第三代篦冷机能使窑头下落的熟料开始就得到较好的冷却，一方面提高了冷却效率，另一方面保护了篦板不致过热损坏。

总的来说，此类篦冷机和厚料层冷却机相比，冷却效率高，入窑的二次空气和入分解炉的三次空气温度高，冷却熟料耗用的风量少，电耗低，废气量小，有利于降低烧成系统的热耗，提高入窑物料分解率和窑产量，冷却机设备事故率降低，运转率提高等一系列的优点。

80年代后半期是可控气流篦冷机技术逐步完善并日趋成熟的时期，进入90年代歌公司纷纷推出可控气流篦冷机的新产品，投入到新线建设和对原篦冷机有进行改造。

以IKN公司为例，至1998年，销售总量达到21000万t/年（相当于160台4000 t/d 生产线）。

其他如BMH公司、FLS公司、KHD公司、Polysius所销售的数量和也在数百台以上。

国际上一些著名的水泥公司认为篦冷机改造是提高烧成系统产量后重要的配套措施之一。

BMH公司是供应篦冷机的专业公司，从1950年以来，供应的篦冷机总数超过700台，改造数超过250台，最大规格为10000t/d，我国海螺集团的4条10000t/d生产线也使用了该公司产品。

该公司的可控气流篦冷机主要技术指标见表1。

表 1 BMH公司篦冷机的基本设计参数
各公司所生产的可控气流篦冷机的结构不尽相同，但总体说来其主要的工艺参数均较接近。

一般说来，资料愈新，技术指标相对先进些，历年来外文杂志有关可控气流篦冷机技术指标见表2。

表 2 不同公司生产的可控气流篦冷机的主要工艺性能
可控气流篦冷机技术在发展中不断完善，最前端较有代表的是高效进料口部位。

该进口部位具有最佳的空气分布和热回收，篦上有冷料层保护，篦板寿命长，只有固定篦板，篦板之间无间隙不会掉熟料，装备模数制造，安装改造方便，投资低等等系列优点，特别适用于厚料层篦冷机改造，我国冀东二线改造后二、三次空气温度大幅度增加，熟料冷却效率好，窑产量提高了约10%以上。

可控气流篦冷机发展的过程中，一些与篦冷机配套的技术逐步完善，主要为熟料破碎、液压传动和控制系统。

·熟料破碎：传统的熟料破碎机大多采用锤式破碎机，一般设置在冷却机末端，破碎已被冷却的熟料。

在破碎过程中，产生较多的粉尘，另一方面，大块熟料易卡在破碎机锤头和篦床之间，造成篦床堆料过多停机，影响生产。

采用辊式破碎机，熟料在破碎过程中，产生的粉尘量少而且大块熟料不会卡辊，不存在停窑停篦冷机等优点，近年来，一些公司将辊式破碎机设置在篦冷机热回收带后的篦床中间部分，破碎红热熟料，其优点是在不影响热回收的前提下，破碎后的熟料有利于冷却，但此类破碎机的辊面材质需配置磨蚀性强且抗高温的铸造合金破碎圈，辊子中间还需设置冷却系统。

·液压传动：早期的篦冷机都是机械传动，其缺点是设备部件易损坏，维护工作量大。

从70年代中期起，篦冷机采用液压传动，传动系统装置均用标准件，维护工作量少，而且传动平稳，尤其是大型篦冷机，更显示其优点，目前国外的大型篦冷机大多为液压传动。

·自控系统
回转窑生产时，受各种因素影响，窑内结粒和瞬间产量变化较大，进入篦冷机后，给冷却机操作带来一定的困难。

随着技术进展，一些测试和控制系统陆续投入，并在生产中逐步
完善，主要控制有篦冷机废气风机阀板控制窑头负压，料层厚度或篦下压力控制篦速，气体容积控制，篦板温度指示等。

在上述控制系统中，采用了远红外线测试熟料温度，通过雷达测示熟料层厚度，来控制篦速，相应得到稳定的二次空气温度。

第三代篦冷机在发展的过程中，也遇到困难，主要是：九十年代以来，随着预分解窑规格逐年增大和国际上重视环保的呼声愈来愈多，工业废弃物的种类较多，其成分复杂，入窑后给窑的操作带来了困难，也对窑的结粒带来了变化。

有些生产线在使用废弃物时，出现了大量的粉状熟料或块状熟料，其原因在于：
·水泥窑规格愈大，产量愈高，愈容易出现粉状熟料。

·工业废弃物中用量最多的是石油焦，一般说来，石油焦内硫含量超过15%，预分解窑燃料燃烧时，硫全部进入熟料内，硫含量愈高，熟料的液相粘度愈大，不易结粒，易结粉状熟料。

·生产垃圾等一些工业废弃物的热值较低，燃烧时所产生的废气量增加，而烧成系统的废气风机一般不变，在生产过程中易造成排风不足，窑内呈还原气氛，此种状况易结细颗粒粉状熟料。

·工业废弃物成分复杂，有些成分如MgO、Fe2O3等，易使熟料液相表面张力增加，熟料易结大块。

工业废弃物的大量应用，给第三代篦冷机操作带来了一定程度的困难，冷风难于透过粉状熟料料层，未冷却的熟料量增多，冷却效率低，设备事故率高，此外，第三代篦冷机另一缺点是结构较为复杂，篦下需设置拉链机，占用高度大。

因此，改善通风效率，简化装备结构，采用模块结构，降低装备高度，已成为第四代冷却机发展的方向
第三代篦冷机已经将室分成排，难以再缩小通风面积，只有将篦板通风改为新的通风方式，才能满足工况变化的新需求。

4 第四代篦冷机
从90年代末开始，一些新型冷却机开始出现其进了部位与第三代可控气流通风完全一致，而后部出现变化，大致有两种结构，无漏料篦板，熟料在固定充气篦板的料层上通过对熟料进行冷却，此类冷却机以FLS公司的SF交叉棒式冷却机和Polysius公司的PolyTRACK 冷却机为代表，另一种是熟料堆积在槽型活动充气不漏料篦床上，随着活动篦床输送向前运行，冷风透过料层，此类冷却机以BMH的η冷却机和KHD公司和PyroSTEP冷却机为代表，成为当前水泥工业冷却机发展的主流。

4.1 SF交叉棒式冷却机
90年代末出现的SF交叉棒式篦冷机（图1），改变了传统的推动篦板推料的概念，利用篦上往复运动的交叉棒式来输送熟料，使篦冷机的机械结构简化，固定的篦板便于密封，熟料对篦板的磨蚀量小，没有漏料，篦下不需设置拉链机，降低了篦冷机的高度，SF交叉棒式篦冷机的另一特点是每块篦板下设置机械气流调节器（MFM）（图2），该调节器的原理是根据料层上不同部位的颗粒大小不均和料层厚度不均造成气体透过料层不均时，机械气流调节器根据阻力大小来调节，自动调节阀板的角度，从而确保气流透过料层，使料层上的熟料得以冷却，由于每一块篦板下面均设置机械气流调节器，其控制范围可以准确到每一块篦板上的料层，从而确保整个篦床面上熟料冷却均匀。

总的说来SF交叉棒式篦冷机的通风面积已缩小到每块篦板，而且熟料通过交叉棒向前运行，翻动次数多，冷风易于冷却，其工艺性能较优，结构简单，由于取消了篦下风室和拉链机，在相同生产能力时，设备重量较轻，占用高度低，节约土建投资等一系列优点，该机在投产初期时，存在的主要缺点是交叉棒在输送熟料时直接与高温熟料接触，磨蚀严重，增加了维修，影响运转率，经过材质及机械方面的修改，目前磨蚀问题已得到缓解。

投入多年来，仍在不断改进，设置了控制效应系统（CIS）和篦冷机中部位置辊式破碎机，使篦冷机性能得到进一步优化，成为市场上热销的产品。

美国的一台投产的SF篦冷机性能见表3。

表3 美国投产的SF篦冷机性能
SF篦冷机也用于改造现有的篦冷机，韩国Hyundai水泥厂的一台φ 5.2m×75mRSP分解炉6级预热器产量为6000t/d的回转窑，其进料端采用SF篦冷机上的CIS/MFR技术后，取得了较大的成功，投资费用约1.2年回收，改造前后数据见表4。

表4 篦冷机进料口改造前后对比
4.2 PolyTRACK冷却机
2001年Polysius开发了无漏料篦床的板式输送PolyTRACK冷却机，该机底部为一厚板，上面设置若干输入装置，物料对输送装置向前运行。

冷却空气透过料层使熟料冷却（图4）
PolyTRACK篦冷机的纵向各单元均由液压控制，运行速度可以调节，边部细颗粒熟料区的运行速度可以降低，确保细颗粒熟料得到充分时间的冷却，消除了红河事故（图5）
此中冷却机还具有如下优点：
·进料部位采用空气梁阻力不动篦板，确保熟料得以冷却。

·水平布置不动的无漏料篦板篦床，下层不需设置拉链机，占地高度小。

·输送效率高，装备事故小，运转率高。

·模块设计，安装快，维修简单。

·操作灵活有利于细颗粒熟料冷却，冷却效率高。

4.3 η冷却机（Walking Floor冷却机）
2004年，BMH公司推出了一种全新概念的η型冷却机，该机由进料部位和无漏料篦床的槽型熟料输送通道单元组合而成（图6），完全改变了篦冷机熟料运行方式。

进料段保持可控气流篦冷机固定倾斜篦板，此结构可以消除堆“雪人”的危害，篦板面上存留一层熟料，以减缓篦板受高温红热熟料的磨蚀，进料口段熟料通风面积小，且由手动阀板调节风量，能使冷风均匀透过每块篦板上了料层，采用雷达测示料面测示控制，能使熟料在篦床上均匀布料与冷却，从而保证入窑和入炉的空气温度均匀。

熟料冷却输送篦床由若干条平行的熟料槽型输送单元组合而成，其运行方式首先由熟料篦床同时向熟料输送方向移动（冲程向前），然后歌单元单独得或交替地进行反向移动（冲程向后）。

每条通道单元的移动速度可以调节，且单独通冷风，保证了熟料得以冷却，尤其在冷却机一侧熟料颗粒细且阻力大的时候，此部位的通道单元增加停留时间和风量，使熟料得以冷却，消除了红热熟料产生的红河事故。

通道单元面上设置长孔，每条输送通道单元采用迷宫式密封装置密封，不需清除粉尘装置，熟料不会从输送通道面上漏下，不需在冷却机内设置细颗粒熟料输送装置。

η冷却机仍然采用分室通分原理，和其他型式的篦式冷却机不同之处在于，η冷却机不仅在横向，而且在纵向段节均可分室，通过室侧通风，使冷却机二侧不易通风的部位，得以足够的冷风来冷却熟料，保障了此部位熟料冷却，避免了“红河”。

此外，η冷却机根据冷却机规格配置辊式破碎机，每条输送通道单元用液压传动，配置了雷达水平测示和红外线测温装置等一些先进技术的产品和部件，确保熟料得以冷却。

总的说来，η冷却机具有结构紧凑，机内无输送部件因而部件磨蚀量少，维护工作量低。

熟料输送无阻碍，其输送效率保持稳定，所有的冷却部位均匀通风，确保熟料冷却良好的一系列特点，值得我们重视。

欧洲一台投入生产的η冷却机技术性能见表5
表5 η冷却机的技术性能
4.4 PyroSTEP(PyroFLOOR)冷却机
此种冷却机的结构与η冷却机较为相似，但篦下设置了机械气流调节阀，该机于2005年开始投入生产，规格为3300t/d，本文不作详细介绍。

第四代篦冷机的冷却效率和电耗等项工艺指标并不比第三代篦冷机先进多少，而且进料部位完全一致，但新结构装置主要解决了粉状和大块熟料的冷却及红热熟料对篦板的损坏，此外，取消室下拉链机，使装备简化，提高了设备运转率，解决了第三代篦冷机难以解决的技术问题，满足了装备大型化及煅烧代用燃烧出现的工艺技术进展带来的需求，这是冷却机技术一大进步。

5 我国篦冷机的技术发展
国产篦冷机是60年代开始试制的，第一代篦冷机投产于60年代中期，主要配用于φ3.5m× 145m湿法窑（600t/d）和φ 4m× 60m立波尔窑（800t/d）,与国外相距约30年，随着预分解窑的技术发展，在80年代中期，通过试验，自行研制第二代厚料层篦冷机，而后逐年扩大应用，与国外第二代相距了约20余年。

90年代中期开发出具有自主知识产权的第三代空气梁篦冷机，与国外产品相距不足十年。

目前第四代篦冷机有的单位以进行研制，有的单位正在仿制。

近年来，水泥窑的规格愈来愈大，生产用的燃料性能愈来愈差，预分解窑生产所产生的细颗粒粉状熟料所占的比例愈来愈高，必须加速开发其有自主知识产权的第四代篦冷机，才能满足生产需求。

6 结束语
篦冷机是烧成工艺的主机装备，其热效率和运转率直接影响着生产。

篦冷机的技术进展与烧成技术有着密切的关系，是随烧成技术进展而发展的，反之，篦冷机的技术发展又促进了烧成技术的发展。

随着水泥工业窑的规格逐年增大及所用的燃料性能逐年降低及工业废弃物的应用逐年增多，细颗粒粉状熟料将逐年增多，开发具有自主知识产权的地第四代冷却机来满足新的生产需求是我国新型干法水泥生产装备开发的一项重要任务。