0　引言

　　自熟料篦式冷卻機(jī)誕生以后，由于其具有熟料急冷效果好等特點(diǎn)，一段時(shí)間內(nèi)在較大規(guī)模熟料生產(chǎn)線上幾乎代替了所有的單筒冷卻機(jī)。但1980年以后，單筒冷卻機(jī)以其結(jié)構(gòu)簡單、投資省、電耗低、運(yùn)行可靠、無需昂貴的廢氣排放系統(tǒng)以及較高的熱回收效率等特點(diǎn)，加之在結(jié)構(gòu)上不斷改進(jìn)，已能適應(yīng)較大規(guī)模的熟料生產(chǎn)線，從而再度得到重視。
　　對(duì)比篦式冷卻機(jī)和單筒冷卻機(jī)工作原理和操作特點(diǎn)不難發(fā)現(xiàn)，兩種類型的冷卻機(jī)在工作原理上是可以實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)的。本文通過分析比較，試圖開發(fā)一種集二者優(yōu)點(diǎn)于一體的強(qiáng)制冷卻單筒冷卻機(jī)。

1 篦式冷卻機(jī)的工作特點(diǎn)

　　篦冷機(jī)篦床面積的很少部分用于窯系統(tǒng)的熟料顯熱回收，其大部分篦床面積被用于熟料的再冷卻，見表1。 表1　三種篦冷機(jī)有效篦床面積利用情況

篦冷機(jī)型號(hào)	有效篦床面積/㎡	用于加熱二、三次空氣的有效篦床				制造廠
		面積 /㎡	比例 /%	長度 /m	比例 /%
509H-723H　Fuller 型	20.4	4.46	21.8	/	28.1	沈水機(jī)
609S-8195/809S-1019S	46.8	12.5	26.7	/	32	Fuller
Folax (順昌用)	60	6.9	11.5	/	21.6	Smidth

　　表1數(shù)據(jù)表明，由于熱熟料與冷卻空氣的溫差較大，即熱交換的推動(dòng)力大，篦式冷卻機(jī)的熱交換效率和速率都較理想，尤其采用空氣梁篦板后，其效果更佳。但分析單個(gè)熟料顆粒低溫區(qū)域的冷卻情況不難看出，隨著熟料溫度的降低，熟料與冷卻空氣溫差的減少，使篦冷機(jī)錯(cuò)流換熱的效果有降低的趨勢。

　　熟料顆粒內(nèi)部熱量的散發(fā)包括顆粒內(nèi)部導(dǎo)熱和顆粒表面散熱兩個(gè)串聯(lián)的過程，其中內(nèi)部導(dǎo)熱過程較緩慢，影響著整個(gè)熟料的冷卻速率，這時(shí)只有靠增加熟料與冷卻介質(zhì)的接觸時(shí)間、接觸面積(減小粒徑或增加冷卻介質(zhì)量)才能有效地進(jìn)一步冷卻熟料。

　　篦床中，冷卻空氣橫向穿過物料層，冷卻空氣與熟料的接觸時(shí)間一般不超過O.3s。為延長接觸時(shí)間，有效地提高二次風(fēng)溫，篦床熱端的料層厚度從過去的200mm～300mm發(fā)展到現(xiàn)在的500mm～800mm，但在冷端，從節(jié)電角度考慮，料層厚度仍保持在300mm左右。熱端料層厚度能否進(jìn)一步提高，也取決于電耗因素。

　　冷卻空氣與熟料的接觸面積除和料層通風(fēng)的均勻性有關(guān)外，主要取決于熟料的顆粒級(jí)配和堆積狀態(tài)。除非增設(shè)高溫熟料破碎機(jī)，否則在篦冷機(jī)上擴(kuò)大冷卻空氣與熟料的接觸面積是很難的。

　　綜上所述，篦冷機(jī)在熱交換推動(dòng)力減小的情況下，只有靠增加冷卻空氣量來達(dá)到進(jìn)一步冷卻熟料的目的，這就使篦冷機(jī)的冷卻空氣量大大超過燃燒空氣量。對(duì)第二代篦冷機(jī)，單位熟料冷卻空氣量為3.0kg/kg～3.3kg/kg左右時(shí)，其裝機(jī)風(fēng)量要達(dá)到4.0kg/kg～4.5kg/kg，而二、三次風(fēng)的總需求量一般只有1.0kg/kg～1.3kg/kg。過量的冷卻空氣除需增加龐大的放風(fēng)除塵裝置外，還造成系統(tǒng)熱回收率下降及電耗的上升。據(jù)資料分析，第二代篦式冷卻機(jī)的熱回收率只有65%～70%，噸熟料電耗高達(dá)7kWh～9kWh。表2為國外某2000t/d生產(chǎn)線所配篦式冷卻機(jī)的正常操作數(shù)據(jù)，其熱回收率為66.4%。圖1為根據(jù)表2繪制的熟料溫度、篦上空氣溫度及兩者溫差在篦床長度方向的分布情況，以單位長度熟料被冷卻速率計(jì)，熱端熟料溫度下降為125℃/m，而冷端只有30℃/m，前者是后者的4.3倍。表2　國外某公司篦冷機(jī)正常操作參數(shù)

風(fēng)　室	1	2	3	4	5	6	7
篦板排數(shù)	3	6	8	11	9	12	7
篦床寬度/m	1.8	1.8	2.4	2.4	2.4	3.0	3.0
篦床面積/㎡	1.8	3.6	6.39	8.79	7.19	11.99	6.99
耗氣量/（m3·min-1·m-2）	9.04	93.38	85.12	80.60	76.07	71.54	67.0
料床厚度/mm	525.7	525.7	394.2	394.2	394.2	315.4	315.4
熟料進(jìn)口溫度/℃	1371	1241	995.4	665.8	388.7	256.1	134.2
熟料出口溫度/℃	1241	955.4	665.8	388.7	256.1	134.5	97.2
篦下壓力/（×133.322Pa）	467.4	416.4	290.7	261.2	233.2	182.9	161.0
風(fēng)濕/℃	1070.5	929.5	695.5	466.2	279.7	168.5	104.2
篦　風(fēng)速m/s		1.56	1.42	1.34	1.27	1.19	1.1

　　 冷卻溫度分布情況見圖2。關(guān)于目前新發(fā)展起來的第三代篦冷機(jī)，作者暫無詳細(xì)資料。但其改進(jìn)措施主要集中于熱端部位，這和復(fù)合流冷卻機(jī)利用篦冷機(jī)高效的熱端冷卻效果是一致的。即復(fù)合流冷卻機(jī)篦床可引用充氣篦板技術(shù)。

2 單筒冷卻機(jī)工作特點(diǎn)

　　 單筒冷卻機(jī)筒體內(nèi)耐火襯料的砌筑長度約占筒體總長度的50%，其中一部分裝有揚(yáng)料板，未砌筑耐火襯料的部分均布置了揚(yáng)料板。

　　熟料在揚(yáng)料區(qū)被多次揚(yáng)起，并均勻地拋撒，冷卻空氣與熱熟料進(jìn)行強(qiáng)烈的熱交換。特別是在低溫區(qū)，可以通過改善揚(yáng)料板結(jié)構(gòu)、布置形式以及調(diào)整筒體的斜度和轉(zhuǎn)速，來增加熟料與冷卻空氣的接觸時(shí)間，控制熟料的移動(dòng)速度，使熟料內(nèi)部的熱量有充足的時(shí)間向表面?zhèn)鲗?dǎo)，從而對(duì)溫度較低熟料的熱量充分回收。這種逆流熱交換工作原理無疑是熟料顯熱回收的理想方法，其熱回收率很高，但也存在以下問題。
　　(1)筒體直徑大。為降低冷卻筒內(nèi)細(xì)顆粒熟料的循環(huán)量，提高熱回收率，必須限制其截面風(fēng)速。這就要求將筒體直徑設(shè)計(jì)得較大，這在預(yù)分解窯系統(tǒng)中尤為突出。如2000t/d預(yù)分解窯的窯徑一般不超過Φ4m，而所配單筒冷卻機(jī)規(guī)格為Φ4.4m/4.8m×46m。此外，在單筒冷卻機(jī)內(nèi)靠近高溫段處，由于風(fēng)溫較高，相應(yīng)風(fēng)速也較高，為保持較大的通風(fēng)面積，降低風(fēng)速，需減少揚(yáng)料板的數(shù)量，這也會(huì)影響該段熟料的冷卻效率。
　　(2)高溫帶熟料冷卻緩慢導(dǎo)致筒體偏長。由于材質(zhì)方面的原因，筒體內(nèi)揚(yáng)料板的長期使用溫度考慮900℃左右，而出窯熟料溫度通常為1250℃～1400℃，這就要求在冷卻機(jī)進(jìn)料端設(shè)置一段不帶揚(yáng)料板的砌磚帶。顯然該段熱交換效率很低，所以必須設(shè)計(jì)得較長，一般占冷機(jī)筒體總長的30%左右。不但增加了筒體表面的散熱損失，也使熟料得不到急冷，從而影響熟料的質(zhì)量。
　　Dr-lng Scheccer和v-Steinbach 分別通過計(jì)算機(jī)數(shù)學(xué)模擬計(jì)算，得出單筒冷卻機(jī)內(nèi)熟料與冷卻空氣溫度分布圖(圖3)。由圖3知，單筒冷卻機(jī)內(nèi)無揚(yáng)料板段的單位長度熟料冷卻速率不足20℃/m，而設(shè)揚(yáng)料板段的冷卻速率達(dá)50℃/m～100℃/m，后者是前者的2.5～5倍。
　　(3)筒體熱端進(jìn)料溜槽的問題較多?，F(xiàn)代干法回轉(zhuǎn)窯，尤其是使用多通道噴煤管的窯，其出窯熟料溫度高達(dá)1350℃左右，常常在溜槽處結(jié)皮或堆雪人。為此，一般在溜槽處安裝數(shù)個(gè)空氣炮或用高壓水定時(shí)處理，這會(huì)導(dǎo)致該處耐火材料損壞。也有在該處采用水冷溜槽的，但會(huì)造成單位熟料15×4.18kj/kg的熱損失，且水冷溜槽本身壽命也并不理想。

3 強(qiáng)制冷卻單筒冷卻機(jī)的開發(fā)思路

　　綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)考慮，一般認(rèn)為單筒冷卻機(jī)適應(yīng)2000t/d以下規(guī)模的生產(chǎn)線，而篦式冷卻機(jī)則可適應(yīng)更大規(guī)模的生產(chǎn)線。篦式冷卻機(jī)的單位篦板面積負(fù)荷從60年代的　25t/m²·d左右發(fā)展到目前的50t/m²·d～80t/m²·d，設(shè)計(jì)上由于對(duì)其進(jìn)料點(diǎn)有效篦床面積的控制，大大改善了熱端篦床上的物料分布情況，尤其是近年來出現(xiàn)了空氣梁篦板，使篦床的通風(fēng)更加均勻。單筒冷卻機(jī)的熱回收效率一般要比篦式冷卻機(jī)高。由于材質(zhì)、揚(yáng)料板、筒體的連接方式以及耐火襯料的不斷改進(jìn)，如弧形揚(yáng)料板、F形揚(yáng)料板等新型揚(yáng)料裝置的應(yīng)用，更進(jìn)一步提高了單筒冷卻機(jī)的熱回收效率。
　　從前面的對(duì)比分析可知，篦式冷卻機(jī)和單筒冷卻機(jī)各具優(yōu)勢。強(qiáng)制冷卻單筒冷卻機(jī)的開發(fā)思想就是結(jié)合兩者的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)性能互補(bǔ)，使其既能急冷熟料又能提高熱回收效率。具體思路為：
　　在單筒冷卻機(jī)進(jìn)料口引入一不大的錯(cuò)流換熱床，用于水泥熟料的急冷，并充分利用單筒冷卻機(jī)中揚(yáng)料板的拋撒效應(yīng)，使熟料在回轉(zhuǎn)筒體內(nèi)得到有效的再冷卻。實(shí)際上這是一種同時(shí)利用錯(cuò)流換熱和逆流換熱原理進(jìn)行工作的混合型冷卻機(jī)。其中錯(cuò)流換熱過程可通過采用傾斜固定式篦床或往復(fù)推動(dòng)式篦床得以實(shí)現(xiàn)。研究開發(fā)這種新型強(qiáng)制冷卻單筒冷卻機(jī)可使單筒冷卻機(jī)進(jìn)一步適應(yīng)更大規(guī)模的熟料生產(chǎn)線，降低設(shè)備投資，提高冷卻機(jī)熱回收效率。

4 強(qiáng)制冷卻單筒冷卻機(jī)及其特點(diǎn)

　　強(qiáng)制冷卻單筒冷卻機(jī)是指用一小段篦床代替單筒冷卻機(jī)的下料留槽，從而使熟料在該處得到急冷。這樣，既可充分發(fā)揮篦式冷卻機(jī)對(duì)高溫熟料急冷的優(yōu)點(diǎn)，也保留了單筒冷卻機(jī)對(duì)低溫熟料熱量可繼續(xù)回收的長處。既免去了篦式冷卻機(jī)龐大的廢氣處理系統(tǒng)，又解決了隨著熟料產(chǎn)量的提高，單筒冷卻機(jī)筒體尺寸過大，設(shè)備過重的難題。可望這種新型冷卻機(jī)在投資和熱回收效率上較傳統(tǒng)的單筒冷卻機(jī)和篦式冷卻機(jī)有所突破。對(duì)于預(yù)分解窯系統(tǒng)，由于強(qiáng)制冷卻單筒冷卻機(jī)可將二、三次風(fēng)分開，從而可將二次風(fēng)溫提高到現(xiàn)代篦式冷卻機(jī)的水平。這對(duì)提高窯頭燒成帶溫度，提高熟料產(chǎn)、質(zhì)量，降低熱耗是有利的。
　　強(qiáng)制冷卻單筒冷卻機(jī)的錯(cuò)流換熱床面積一般很小，其尺寸大致與單筒冷卻機(jī)下料溜子相當(dāng)。以2000 t/d熟料生產(chǎn)規(guī)模為例，強(qiáng)制冷卻單筒冷卻機(jī)錯(cuò)流換熱床面積約2m²～3m²。未來的這種冷卻機(jī)可能有兩種形式，一種是在單筒冷卻機(jī)進(jìn)料口處設(shè)一段水平推動(dòng)篦床；另一種是采用一段傾斜固定篦床。其中后一種如能解決好篦床上料層厚度的穩(wěn)定，則可避免篦床下細(xì)物料難處理及傳動(dòng)裝置的問題，這是本開發(fā)思路的發(fā)展方向。下面對(duì)這種新型冷卻機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)及技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)作分析預(yù)測。
　　(1)提高窯系統(tǒng)熟料的熱回收效率，典型的篦冷機(jī)和單筒冷卻機(jī)的熱損失見表3。表3　篦冷機(jī)和單筒冷卻機(jī)的熱損失　×4.18kj/kg

	蓖冷機(jī)	單筒冷卻機(jī)
表面散熱	5	60
熟料帶走熱	12	50
廢氣帶走熱	120	0

　　由表3知，廢氣帶走熱是篦冷機(jī)主要熱損失，而表面散熱則是單筒冷卻機(jī)的主要熱損失，因此降低表面散熱損失是提高單筒冷卻機(jī)熱回收效率的重要手段。強(qiáng)制冷卻單筒冷卻機(jī)筒體表面積只有同能力單筒冷卻機(jī)的50%～60%，僅此一項(xiàng)，就可減少表面散熱損失30×4.18kj/kg。此外，由于篦床分擔(dān)了部分熱負(fù)荷，從而可保證出冷卻機(jī)熟料溫度較低，也可減少熟料帶走的熱量。所以有理由相信，強(qiáng)制冷卻單筒冷卻機(jī)的熱回收效率將比傳統(tǒng)的冷卻機(jī)有明顯提高。
　　(2)操作電耗低?，F(xiàn)代篦冷機(jī)的熟料操作電耗一般在7kWh/t～9kWh/t，其中用于處理廢氣的電耗達(dá)1kWh/t～2kWh/t，而單筒冷卻機(jī)電耗為3.5kWh/t。根據(jù)測算，強(qiáng)制冷卻單筒冷卻機(jī)篦床段約為1kWh/t左右，此外，由于筒體尺寸顯著減小，其傳動(dòng)功率還將下降O.5kWh/t。因此,其總電耗估計(jì)在4.0kWh/t左右,只有篦冷機(jī)的一半。
　　(3)設(shè)備投資低。通常，單筒冷卻機(jī)的投資較同規(guī)模篦冷機(jī)(含廢氣處理系統(tǒng))稍低一些。而強(qiáng)制冷卻單筒冷卻機(jī)的投資將更低。以700t/d熟料生產(chǎn)線為例，如配單筒冷卻機(jī)，則冷卻機(jī)規(guī)格為Φ3.2m×34m，設(shè)備重量約為175t，而配強(qiáng)制冷卻單筒冷卻機(jī)時(shí)，其回轉(zhuǎn)筒體規(guī)格僅為Φ2.8m×23m，雖增設(shè)了1.0m²左右的篦床，但省去了進(jìn)料溜子，設(shè)備重量估計(jì)在105t。即使考慮到需增設(shè)高壓風(fēng)機(jī)及篦板材質(zhì)的特殊要求，也可樂觀地估計(jì)其總投資將明顯低于兩種傳統(tǒng)冷卻機(jī)。
　　對(duì)于帶單筒冷卻機(jī)的生產(chǎn)線，只要將單筒冷卻機(jī)稍加改造，設(shè)置一段不大的篦床，就可很容易地使單筒冷卻機(jī)的能力翻一番，這對(duì)老廠濕改干以及其它型式的干法窯改成SP或NSP窯后提高冷卻機(jī)的能力是非常有效的。同時(shí)，由于這種強(qiáng)制冷卻單筒冷卻機(jī)在規(guī)格不變的情況下可大幅度提高產(chǎn)量，因此可望在大型新型干法生產(chǎn)線上取代傳統(tǒng)的篦式冷卻機(jī)和單筒冷卻機(jī)。