:關于篦冷機設計若干方面的探討
2007-02-07 00:00
篦冷機是水泥生產線上重要的冷卻設備，上個世紀30年代開發(fā)出篦式冷卻機設備，為水泥生產線向大型化發(fā)展奠定基礎，我國從事篦冷機設計開發(fā)是在60～70年代，80年代中期我國引進了美國FULLER公司第二代篦冷機制造技術，篦冷機技術的引進開發(fā)使我國水泥工業(yè)向前邁出一大步，相繼開發(fā)的一大批新型干法水泥生產線都使用的是FULLER型篦冷機，90年代中期我國又開發(fā)出第三代空氣梁式篦冷機，第三代篦冷機的開發(fā)應用成功最顯著的特點就是同規(guī)格的回轉窯產量提高近20%以上。丹麥史密斯公司開發(fā)的第四代篦冷機已投放市場多臺，顯示出了高一籌的先進性。篦冷機的研究工作仍在不斷深入進行。本人多年從事篦冷機的研究工作，謹利用本文針對有關篦冷機設計方面的一些問題進行探討。
一、篦冷機規(guī)格的確定
篦冷機規(guī)格有兩種表示方法，一種用產量表示，例如2000t/d篦冷機，3000t/d篦冷機。另一
種是用篦床寬度×篦床長度表示，篦冷機規(guī)格與單位篦床面積產量有關，單位篦床面積產量大，篦冷機規(guī)格就小，反之就大。第二代篦冷機單位篦床面積產量僅為30～40t/m2.d，而第三代篦冷機乃至第四代篦冷機單位篦床面積產量已達到40～50t/m2.d以上。
篦冷機的寬度B，對于一般窯型B是窯的有效內徑的80%，對于預分解窯B是窯的有效內徑的（50～60）%。
經驗公式： B=0.52G0.44， B=1.04Dr—1.75
（B———篦床寬度，m；G———窯產量，t/d；Dr———窯有效內徑，m。）
篦冷機篦床面積：A=G/g （A———篦床面積，m2；g———篦床單位面積產量，t/m2d。）
篦床長度：L=A/B （L———篦床長度，m。）
關于篦床長度，在設計第二代篦冷機時一般規(guī)定1500t/d以下規(guī)格，采用一段篦床，1500t/d以上規(guī)格采用二段篦床，3000t/d以上規(guī)格采用三段篦床。
在第三代篦冷機設計過程中情況出現大變化，2000t/d規(guī)格的篦冷機篦床已有采用一段的，5000t/d規(guī)格乃至10000t/d規(guī)格篦冷機篦床采用三段。所以在確定單段篦床長度時，除考慮產量因素外，另外是考慮制造，安裝的方便，傳動裝置負荷大小的因素。一般要求第一段篦床長度應是足夠允許回收空氣能通過的有效篦床面積。篦床長度與寬度之比約為4：1，不應超過5：1。
二、窯中心線和篦冷機中心線偏心距
篦冷機的布置和窯的相對位置一般是采用順流，既料流方向一致。由于回轉窯在運轉過程中離心力作用，導致落下的熟料一側為粗顆粒，一側為細顆粒，粗細顆粒的離析分布，使熟料在篦床上分布不均，阻力不均，影響通風及冷卻，為解決這一問題，采用窯中心和篦冷機中心偏離一段距離的方法，既人為讓出回轉窯的細料落在篦冷機中心上。
設回轉窯中心和篦冷機中心的偏心距為S ，則關于S 的確定：日本公司認為一般窯型S=（10～15）%Dr， 預熱器窯S=13%Dr ， 預分解窯S=（15～18）%Dr
美國FULLER公司認為：
一般窯型S=（12～15）%Dr ， 分解窯S=15%Dr
在水泥廠改造中，由于有些工廠場地狹窄采用篦冷機按順流布置不合適，故改為逆流布置或T型布置，采用逆流布置或T型布置篦冷機篦床的篦板排列要進行調整，不能完全采用順流布置的篦床，這一點對于要改造的生產廠家要格外注意。
三、篦床運動速度
篦冷機篦床運動為往復運動軌跡，往復行程120～130mm，運動速度單位為次/min，一般運動速度在5～20次/min之間，具體計算公式如下:
（1）計算熟料流量：W=G/1.44γ（W———熟料流量，m3/min；γ———熟料密度，kg/m3。）
（2）計算篦冷機在進料端的推料量：F=BShη
（F———推料量，m3/沖程；S———行程，m。h———料層厚度，m；η———輸送效率，%。）
（3）計算篦床運動速度：V=W/F（V———篦床運動速度，沖程次數/min。）
篦床運動速度是一個經常變化的參數，當篦床上熟料量減少，料層減薄，就要放慢速度，保持篦床上有一定的料層厚度，若當篦床上的熟料量增加，料層增厚，就要加快篦床運動速度，加快排料量，恢復原料層厚度。一般篦床運動速度由中控室控制。
四、傳動功率
一般中小型篦冷機均為一段篦床，傳動功率在22～35kw之間，大型篦冷機一般分二段或三段篦床，傳動功率在30～45kw之間。2000t/d規(guī)格篦冷機采用一段篦床，傳動功率在55kw左右，篦床傳動功率計算公式:P=VAU0/12.44(P———篦床傳動功率，kw；UO———綜合料層厚度和換算系數,0.24+0.0011h；h———料層厚度，mm。)
電機的選擇：（1）電機轉矩的校核:T=9550P/n （2）電機功率的校核:N=KP(T———電機轉矩，N.m；N———電機功率，kw；n———電機轉速，r/min；K———工況系數。)
五、熟料在篦冷機里的停留時間
熟料從窯口落人篦冷機內到從篦冷機出口出來這段時間為停留時間，停留時間與出料溫度，冷卻效率有關，一般為保證出料溫度低于100℃，廢氣排放溫度低于300℃，，必須要保證熟料在篦冷機里有一定的停留時間，控制停留時間主要是控制篦床運動速度，熟料在篦冷機的停留時間:T=BLγh/W(T———熟料在篦冷機里的停留時間，min。)
六、篦冷機風量、風壓的配置
篦冷機同單冷機比較最大的優(yōu)點就是篦冷機是強制通風，強制冷卻，所以出料溫度低，熟料質量好。
篦冷機所配風機的風量和風壓是一個重要參數，它關系到出料溫度，廢氣溫度，二、三次風溫度等參數的變化。所以多年來人們一直在探討這一問題。
關于篦冷機風量的選擇，一般采用風載這一概念———每分鐘每平米篦床面積承載風量。在第二代篦冷機風量設計上，美國FULLER公司曾提出一臺篦冷機在標準條件下的平均風載在95～85m3/m2.min（有效面積），最大設計風載為115m3/m2.min。相鄰風室最大風載差為15m3/m2.min。
關于風壓的設計，美國FULLER公司提出計算公式：
P壓=6.9308×10-5Q2×（1.28h）(P壓———篦冷機某一風室的壓力降，mmH2O；Q———某一風室對應的篦床風載，m3/m2.min；H———料層厚度，mm。）
上述公式僅限于第二代篦冷機，對于第三代篦冷機意義不大。
關于第三代篦冷機風量的選擇觀點不一，有人認為第三代篦冷機風載應大于第二代篦冷機風載，即最高設計風載為130m3/m2.min。
筆者認真研究了第三代篦冷機風量風壓配置，認為應遵循“高風壓，低風量”的原則，即入料端高風壓在11000～12000Pa之間，風載在100～110m3/m2.min之間。
在冷卻空氣穿過料層時，熱量從物料傳遞到空氣中，使空氣擴散。因此在入料端有較高的空氣壓力，以保持空氣應有的流動。
第三代篦冷機采用高阻力篦板，篦板阻力遠遠大于普通篦板，空氣穿過篦板縫隙產生速度達到40m/s，通過實驗可知，當速度達到一定時，篦床壓力再增加，風速不發(fā)生變化，這就告訴我們穿過高阻力篦板的冷風，繼續(xù)穿過料層時，風速變化很小，結果為通過篦床上的冷風速度均勻，冷卻速度均勻。所以不需要太多的風量。
單位熟料用風量小，是考核篦冷機的一個重要指標。一般較先進的篦冷機要求單位熟料用風量小于2.0Nm3/kg。所以采用科學的配風方法，以保證篦冷機熟料能正常冷卻，盡量減少篦冷機的總供風量，可以保證減少窯頭，窯尾排風機和收塵器的處理風量，提高二、三次風溫，有利于改善煤粉的燃燒環(huán)境，加快煤粉在窯，爐內的燃燒速度。
天津水泥工業(yè)設計院熊會思先生在他著的《新型干法燒成水泥熟料設備設計、制造、安裝與使用》一書中針對篦冷機的風壓、風量的設計進行了論述，對第二代篦冷機：
（1）風量計算：Qi=60FVi （Qi———篦冷機各風室的風量，m3/min；F———篦冷機篦床有效面積，m2；Vi———通過篦床上熟料層空氣速度，m/s。）
（2）風壓計算，風機的靜壓額定值要大于或等于通過篦板壓力降和通過熟料層壓力降：△P=△Pg+△Pcl （△P———風機靜壓額定值，mmH2O；△Pg———空氣通過篦板的壓力降，mmH2O；△Pcl———空氣通過熟料層的壓力降，mmH2O。）△Pg=V2通孔γ空氣／2g （V通孔———通過篦板通孔的風速，m/s；γ空氣———空氣密度，kg/m3；g———重力加速度，m/s2。）
△Pcl=0.25Vi2h 選用風機壓力為：P風機=1.5△P
對第三代篦冷機而言，熊會思先生認為在熱回收區(qū)高阻力篦板的風載大大低于第二代篦冷機的風載。壓力設計可仍采用△P=△Pg+△Pcl公式，只是V通孔的數值不同，這樣計算出的P值大約在11000Pa左右。
上述理論僅限于在一般平原地區(qū)，若在高海拔地區(qū)情況就發(fā)生變化了，由于高海拔地區(qū)氣壓低，空氣體積增大，所以在篦冷機的設計上和風量風壓配置上就要遵循下列規(guī)則：
（1）在高海拔地區(qū)遵循下列公式:VH=V0PO/PH ， QH=Q0PO/PH， HH=H0P0/PH, NH=N0（P0/PH）2 ， γH＝γ0PH/P0（VH———H高度的風速，m/s；V0———海平面高度的風速，m/s；P0———海平面高度的氣壓，Pa；PH———H高度的氣壓，Pa；QH———H高度的風量，m3/s；Q0———海平面高度的風量，m3/s；HH———H高度的阻力降，Pa；H0———海平面高度阻力降，Pa；NH———H高度風機軸功率，kw；N0———海平面高度風機軸功率，kw；γH———H高度空氣密度，kg/m3；γ0———海平面高度空氣密度，kg/m3。）
（2）在篦冷機設計上有三種方法
①保持篦冷機規(guī)格不變（篦床面積不變），保持氣體質量流量不變，這時就需要加大風量，增加空氣體積流量，增加的空氣量為P0/PH，這是常用的方法。
②適當加大篦冷機規(guī)格，保持空氣流體阻力不變，這時保證風速VH=V0（P0/PH）1/2，空氣流量增加P0/PH倍，篦冷機篦床面積增加（P0/PH）1/2倍。
③篦冷機篦床面積變化完全等同于風量的增加，即保持海平面高度的風載與H高度的風載相同，這時需保證風速VH=V0，則風機的功率不變，壓力降為HH=H0γH/γ0。
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