篦冷机优化改造技术的应用和操作

郭红军沈卫泉曹彦林刘振海崔海波郭 佳

1. 淄博科邦热工科技有限公司，山东 淄博 255086； 2. 桐乡南方水泥有限公司，浙江 桐乡 314511；

3. 甘谷祁连山水泥有限公司 ，甘肃 甘谷 741000； 4. 山东联合王晁水泥有限公司，山东 枣庄 277400

篦冷机优化改造技术的应用和操作

郭红军1沈卫泉2曹彦林3刘振海4崔海波1郭 佳1

1. 淄博科邦热工科技有限公司，山东 淄博 255086； 2. 桐乡南方水泥有限公司，浙江 桐乡 314511；

3. 甘谷祁连山水泥有限公司 ，甘肃 甘谷 741000； 4. 山东联合王晁水泥有限公司，山东 枣庄 277400

篦冷机是烧成系统最主要的设备，大多数篦冷机都因为系统超产太多而处于超负荷运行状态，因此故障率高，熟料温度高。事实上，篦冷机是对熟料强度、游离钙高低和水泥磨产量起着决定性作用的重要工艺环节，它同时还对烧成系统的稳定运行和节能降耗起着决定性的作用。篦冷机改造就像烧成系统改造一样，也是一个系统工程。在这个系统中，不能单纯地通过增加冷却风机的风量或压力来提高冷却效果，而是应该以改变熟料在篦冷机内的“冷却状态”为核心，以提高急冷效果为目的，改造固定床结构以及急冷篦板结构，同时优化固定床之后各个阶段篦床的冷却能力，合理配置风机风量和压力；在运行初始阶段采用合理的操作，建立合理稳定的料层厚度；在正常运行期间采用以“稳定窑头罩压力和二次风温”的操作方法，来保证料层的稳定和系统运行的稳定。

篦冷机冷却状态 固定床改造 降耗 合理操作

0 引言

熟料冷却机是水泥熟料生产系统中最关键的设备之一。它是水泥熟料在窑内完成煅烧后，对熟料强度、游离钙高低和水泥磨产量起着决定性作用的重要工艺环节；它同时还对烧成系统的稳定运行和节能降耗起着决定性的作用。而对目前大多数都采用篦式冷却机的生产线来说，操作方法是否合理，直接影响着这一系列技术性能的实现。有很多篦冷机都是因为操作原因而不能达到预期的效果，甚至损坏。本文将从这些观点出发来探讨篦冷机系统的一些技术改造与操作问题。

1 目前大多数篦冷机存在的问题

目前大多数工厂篦冷机系统表现出的问题是比较一致的：

（1）烧成系统超产大都在20%左右，而篦冷机的超产能力相对较少，因此熟料温度高。这种现象不仅影响了熟料质量，还影响了水泥磨的产量和水泥质量。

（2）篦床的漏料比较多。特别是熟料中红料比较多的工厂，这种状况造成了篦冷机的活动梁变形，传动阻力大幅度升高，风室密封损坏，卸料的弧形阀变形等等现象，影响了篦冷机的正常运行和运转率。

（3）不少工厂期望将二次风温控制在1 150 ℃以上，于是在操作上降低篦冷机“零压点”之内的风机供风量或是加厚料层。这种方法虽然二次风因为熟料的热辐射多了而温度提高，但是因为冷却风对料层的穿透能力减弱（量少），熟料温度降低不多，系统热耗基本没有降低。其效果仅仅表现在：煤粉的燃烧速度改变了，窑前亮度会好些；对采用“短焰急烧”烧成制度的系统来说，熟料的质量会提高些，熟料游离钙合格率会有所提高。

（4）采用第四代篦冷机的不少工厂，经常容易出现堆雪人现象，以至于推雪人装置都成了标配设备。这些工厂的推动棒也经常损坏。还因为篦床上的熟料急冷效果差，推动物料比较难，梁变形损坏的也比较多。

（5）篦冷机风机的电机的运行电流远远低于额定电流。特别是高温段风机（常在“零压点”之内）存在这种现象的多。电机运行电流和额定电流之比达不到85%的也很多。

2 篦冷机的改造要求与常见改造方法及效果

2.1 篦冷机的改造要求

针对前述的问题，大多数工厂对篦冷机改造的要求可以归纳为这样几个内容：

（1）降低熟料的温度（提高水泥的质量，降低水泥磨电耗）；

（2）提高篦板的寿命，提高设备的运转率（因为出料温度高，经常出现篦板脱落现象）；

（3）提高二次风温到1 100～1 150 ℃甚至以上，同时降低热耗；

（4）降低熟料的冷却电耗；（5）提高余热发电量；（6）提高熟料强度；（7）优化熟料的冷却状态。

2.2 常用的改造方法

工厂的这些要求，大都是根据自己生产线的实际情况分别提出的。针对这些要求，目前国内水泥行业常用的改造方法有：

（1）对篦冷机高温落料端进行改造：更换固定篦板的结构、采用风箱式按“列”供风（见图1）、采用新的充气梁结构；

图1 风箱式按列供风结构

（2）在提高冷却能力方面，常用增大冷却风机的风量，重新进行配风；

（3）采用新型结构和材料加强风室密封，防止风室之间窜风；

（4）采用双层下料密封阀，减少卸料时的漏风，稳定冷却风量和冷却效果；

（5）将风室供风的篦板改为充气梁供风；

（6）将原有的固定篦板和活动篦板组合的篦床，改为固定篦板加推动棒推料的篦床，每块篦板的下面装有流量平衡调节阀，以保证料床上熟料的均匀冷却；

（7）采用新型结构的篦板，并重新进行组合布置。

2.3 效果

我们研究数十个工厂提供的数据后发现，在工厂要求下用这些方法改造的篦冷机，大多数熟料温度降低30～70 ℃，但二次风温在正常状态都不是很高，1 050～1 100 ℃左右的比较多，提高幅度小。即使有些达到或者超过1 150 ℃的工厂，也大都是在“零压点”之内的风机负荷率比较低的情况下实现的（风门开度小或是电机电流低）。也就是说料层厚，冷却风量偏少。这样改造后的篦冷机，除了熟料温度低了或是二次风温显示的数值高了之外，对系统的性能没有其他根本性的改善，特别是系统的用煤量基本没有明显减少，有的甚至使熟料的冷却电耗上升比较多。

3 篦冷机改造思路与方法

姑且不去探寻这样做的原因，还是与读者一起探讨篦冷机合理的改造方法。根据我们在烧成系统改造工作中的经验和对多台篦冷机改造的体会，笔者认为：篦冷机改造就像烧成系统改造一样，也是一个系统工程。在这个系统中，不能单纯地通过增加冷却风机的风量或压力来提高冷却效果，而是应该以改变熟料在篦冷机内的“冷却状态”为核心，以提高急冷效果为目的，首先要改造固定床结构以及急冷篦板结构，同时优化固定床之后各个阶段篦床的冷却能力，合理配置风机风量和压力，在运行初始阶段采用合理的操作，建立合理稳定的料层厚度，在正常运行期间采用以“稳定窑头罩压力和二次风温”的操作方法，来保证料层的稳定和系统运行的稳定。以这种思路改造之后的篦冷机，系统冷却风机的风量和压力没有增加，装机功率没有增加，风机数量还会减少，却提高了熟料强度，降低了热耗，减少了装机容量，减少了用风量，即提升了篦冷机的综合技术性能。

笔者认为，这种思路指导下的改造方法才是合理的。这些方法包括：

（1）篦冷机高温落料端篦床结构的改造；

（2）篦冷机一段篦床中固定篦床之后的篦板的合理配置（充气梁活动梁可以不更换）；

（3）风室密封；

（4）风室卸料阀；

（5）篦冷机配套冷却风机的改造（包含加变频器或更换电机）。

3.1 篦冷机高温落料端篦床结构的改造

在冷却机改造的设计中，首先明确改变篦冷机内熟料的“冷却状态”是改造的核心，提高急冷效果是目标。熟料在篦冷机内有多种冷却状态，合理的冷却状态应是如图2所示。

图2 熟料冷却状态示意图

由图2可知，从窑内出来的1 350～1 400 ℃的熟料，在篦冷机“零压点”之内应该最大限度地降低温度实现急冷。然后在“零压点”后面的篦床上分阶段逐渐冷却到合理温度。因此，“零压点”内高温落料端固定床和这一段篦床的优化改造就是最重要的工作。

目前，第三代篦冷机的这个部位，大都采用4～6排固定篦板，采用高压风机通过充气梁供风。采用这种固定篦板的作用有两个方面，一是熟料落下来之后在这个位置有个停留堆积的急冷时间，二是窑内有大球等大的物体落下后，不容易砸坏运动部件，不至于引起停窑。

我们改造的方法是先将固定床（见图1）的长度加长，一般设置7排篦板。每排的篦板数量是根据窑的直径来确定。一般在改造时不变动原来篦床的宽度。篦板安装在风箱上面，下面的风室是按照篦板的“列”来采用两台参数不同的风机供风。同时按照不同的列的位置，采用流量控制阀门分列供风（见图3）。

采用这种供风结构，一是供风及风量调节的方式符合熟料在高温落料端粗细料分布的特点（见图4）；二是通过设计合理的篦板，可以提高急冷效果。

固定床安装的角度也是非常重要的（见图5）。篦板结构不同，这个角度也不同。对第三代篦冷机，我们将篦板水平安装，其表面连线形成一个角度。这个角度一般选择12°～15°。角度由不同原材料煅烧出来熟料的堆积特性来决定。

图3 篦板供风方式

图4 熟料落料状态

图5 固定床角度

但是，在早期的技改中，单独使用这种结构时常出现效果不稳定现象 ：二次风温提不起来，很难稳定达到 1 100 ℃；操作中很难稳定合理的料层厚度，不少工厂只好采用降低固定床冷却风量的方法来稳定料层和提高二次风温。这样做的结果是熟料的强度没有提高（有时还低于以前的平均标号）、频繁出现堆雪人现象。深入研究分析后，我们优化了急冷篦板（专利号ZL201120080954.X）和风机配置，确立了篦床角度的定位原则。实践中，实现了固定床料层厚度800 mm～900 mm，风机负荷率90%以上，二次风温稳定达到1 150 ℃以上的效果，同时不容易出现堆“雪人”和“红河”的现象。

在这个不断完善的实践过程中，我们发现：在冷却风机负荷率不足的情况下“二次风温高并不会使急冷效果好；但急冷效果好的工况下，二次风温一定会高”这个现象。

3.2 一段篦床篦板的优化配置

固定床上的料层比较厚，其原因是：（1）刚出窑口的熟料温度高并有一定粘性，而固定床对熟料是没有推动力的，移动速度比较慢；（2）在这个部位，料层薄了，很容易被吹透，一旦吹透，二次风温会降低，熟料冷却效果下降，急冷无法实现。但这样厚的料层到了一段篦床上，就很难被吹透，会引起上风不足而导致窑内工况变坏。

为了加强一段的冷却效果，好多工厂将这一段篦板都改成了充气梁结构，并提高了风机压力，但冷却风输送过程的阻力增大，改造效果不佳。我们首先改造篦板的结构，降低篦板的阻力，提高篦板通风孔面积的利用率；其次是降低供风阻力，将原来的充气梁供风改为风室供风；第三是活动篦板的冷却风方向和固定篦板冷却风方向采用垂直的设计。这一设计思想下，我们获得了三项专利：“组合式急冷篦板”（ZL201120080954.X）和“急冷篦板”（ZL201120080794.9）、“稳流强冷篦板”（ZL201120439075.1）。图6展示了两种结构的篦板。采用这些专利技术改造的一段篦床（见图7），其风机的工作压力低，篦板的通风能力强，再加上熟料在移动过程中，冷却风是从熟料颗粒的两个方向交替吹，不但能够有效地控制熟料的移动速度，更能提高熟料的冷却效率。对于倾斜布置的篦床来说，更容易建立稳定的厚料层工况，却不需增加风机的供风压力，从而减少风室之间的串风。

3.3 风室密封

风室密封性能的优劣同样影响着熟料的冷却效果。事实上，新的篦冷机或是篦冷机在不漏料的状态下，密封结构基本上没有问题。问题大都发生在篦床开始漏料，并且漏料温度高，活动梁变形，托轮和导向轮转动不正常的情况下。这样风室隔板也会变形，从而导致原来采用石棉橡胶板作为密封材料的结构因为挤压而失效。笔者推荐采用柔性的耐高温的钢丝刷密封替代原来的密封材料。对于风室隔板变形比较大或是活动梁固定梁也有一定程度变形的情况来说，则是采用了“浮动密封框架”（见图8）的结构来进行解决。

图6 两种结构篦板

图7 一段篦床篦板布置

图8 风室密封

3.4 风室卸料锁风阀

操作运行正常的篦冷机漏料很少，风室的卸料锁风阀的工作频率很低，几天没有漏料可卸也是很正常的。目前用的单个弧形阀，在篦冷机漏料少的情况下是可以的。但因其固有的结构缺陷，很难正常工作。笔者建议采用双层插板锁风阀（见图9）。

3.5 冷却风机的改造

目前，大多数篦冷机运行不正常或者是性能达不到要求的原因一般有：（1）设备制造和安装问题；（2）操作问题，包括烧成系统操作和篦冷机的操作；（3）风机性能问题。操作问题将在后面进行论述，这里只简单说一下风机的性能问题。

图9 双层插板锁风阀

风机是保证篦冷机实现冷却性能的重要配套设备。在正常情况下，如果风机的性能不好，将直接影响篦冷机的技术性能和正常运行。导致风机性能达不到要求的原因主要有：风机的设计制造技术；风机的电动机质量和性能；风机的磨损和机件变形；风机的选型。

基于上述原因，很多第三代篦冷机在仅仅更换“零压点”之内的风机或改造叶轮后，就使篦冷机的性能得到了提升。因此，在篦冷机改造之前，首先应对风机性能进行测试和标定，然后由风机制造厂家进行改造，是篦冷机改造的主要内容之一。

在测试风机的性能符合要求而电动机的性能稍弱时，可以采用增加变频器的方法（变频器要有相关的功能和使用方法）来提高电机的性能，从而实现风机的性能。不少工厂采用我们提出的这种方法，在没有任何改动的情况下，提高了篦冷机的能力。目前很多工厂也注意到这个问题，在采购风机的时候，专门对风机配套的电机提出要求，从而保证风机运转性能的长久稳定。

另外，根据我们的调试和实际操作经验，风机进口的消音器的布置应以水平布置为好；消音器的形状也以圆形的为好。并且要有合理的“长径比”规格。否则都将会影响风机性能的发挥。消音器内最好不要增加任何提高消音效果的结构。

4 篦冷机的操作

篦冷机的冷却效率是由本身的结构和冷却风机的性能来保证的。篦冷机肩负着向系统供风和稳定窑况、保证熟料质量的重要功能，因此对篦冷机操作的水平不仅仅关系到篦冷机设计性能的实现，还影响到整个烧成系统的性能。很多情况下，窑电流下降，窑内出现还原气氛，分解炉温度出现倒挂等等，都是因为对篦冷机操作不当造成的。所以对篦冷机正确合理的操作方法是非常重要的。

4.1 点火投料阶段的操作

点火投料阶段对篦冷机操作，不仅关系到耐火砖的寿命、燃料消耗、点火成本、环境污染，还会影响篦冷机正常运行期间的工况和技术性能。很多篦冷机因在点火投料初期的不合理操作而出现篦板堵塞、冷却能力降低、篦板松动脱落、机架变形等故障。

关于“低成本点火”技术将在其他文章里介绍，这里主要说一下建立合理料层的操作。点火之前，固定床部分一定要铺上一层300 mm厚度的熟料层。在投料后到熟料还没有在固定床50%的面积上堆积的时候，只能开启固定床最前面的风机，一是冷却熟料，二是保证这一段料层的稳定。窑内供风主要由固定床之后的风机按照喂煤量多少来提供。当熟料铺满整个固定床的时候，这个部分的风机应该全部打开，并应该运行在风门全开的工况下。在这个期间，一段篦床的传动装置应该处于停止状态。

随着下料量的增加，固定床的熟料逐渐堆积到一定厚度，并开始向前滑动到二室的时候，可以间断性地启动传动装置，控制熟料在篦床上的移动速度和形成200 mm左右的料层厚度，并使移动到这个部位的熟料基本全部冷却形成一个厚度更合理的料层。这个料层将在生产过程中一直稳定存在，当熟料在这种操作方式的控制下铺满整个一段篦床的时候，一段篦床的传动装置就应按照一定的速度慢速连续运转了。

同时，冷却风机的启动和风门开度，也要随着熟料的移动逐渐一台一台启动起来，并逐渐加大风门的开度。

当一段篦床的熟料料层达到600 mm～700 mm厚度时，一段的冷却风机应该全部启动并接近满负荷运行。这时，篦冷机可以进入正常运行阶段。

4.2 正常生产期间的操作

稳定操作是每一个操作者的工作目标。有的操作者把稳定篦床压力和料层厚度当作主要稳定目标。从篦冷机对整个系统的主要作用来说，这是不合理的。

烧成系统的主要作用是用最少的燃料消耗和排放煅烧出高质量的熟料。燃料燃烧过程中所需要的空气93%左右都来自篦冷机的冷却风。在燃烧用空气的量和温度不足时，煤粉的燃烧速度得不到保证。所以对篦冷机的稳定操作最重要的是稳定向分解炉和窑内供风的风量和保证熟料的急冷效果。

供风量的多少是由“零压点”之内的风机电机的负荷率来保证的，由窑头罩的压力来显示；急冷效果直接由二次风温度数据来显示。这两个参数，能体现出熟料冷却的质量、效率和窑内供风的稳定性。

在对篦冷机的操作中，应该根据二次风温的波动，来调整篦床的运动速度，而不应该采用不断的调整风门的开度来进行调整。例如，一直稳定的二次风温，在产量和窑尾烟室的温度都没有大的波动的时候，一直在降低。出现这种现象的主要原因，大都是熟料中夹带的煤粉遇氧燃烧以及小颗粒熟料出现液相粘结后形成不容易透风的料层引起的。这个时候，首先应该打几下空气炮，破坏这个料层；再大幅度加快篦床速度，并持续一个合理的时间，将二室这段篦床上原来的料层状态破坏掉。然后停止篦床运行一段时间，观察二次风温的变化，稍后再将篦床逐步调整到稳定的速度。当冷却风机的压力出现变化时，特别是压力减小时，可通过先提高篦床速度，然后再放慢速度的方法来调整。

当余风风温降低时，可以先放慢篦床速度，甚至停止，然后再提高速度。这样操作可以判断出余风风温降低的原因，是料层不均还是料层薄了。作出判断后，再确定合理的篦床运行速度。

对于目前工厂采用的篦床向下倾斜的两段式和三段式的篦冷机来说，如果用“等料层厚度”的原则来控制的话，应该是第二段篦床速度低于第一段或是相同（与篦板的结构有关）。因为在第二段篦床上，熟料的外表面已经都形成了冷却层，在冷却风的垂直吹动作用下，容易形成流化状态。二段篦床速度比一段的快，料层容易变薄（有大块时的情况会有变化），所以这一段的速度可以略低于前面一段，以保持比较厚的料层。第三段的控制方法同前所述。当然，如果熟料急冷不好或是初始阶段没有建立稳定的料层时，这样操作就有一定难度。

有操作员错误地认为，篦床速度慢了会压床。事实上，只要急冷效果好，冷却风机保持一定的风量和工作电流，熟料不会压床，只会堆积得比较厚，影响上面一层熟料的冷却。压床，大都是熟料冷却不均匀及熟料还没有冷却到位时，因篦床推动速度太快熟料堆积造成的。特别是带推动棒的篦床，在熟料没有冷却好的情况下就快速推动，非常容易造成推动棒的损坏和油缸的过载。

4.3 篦冷机的其他相关问题

4.3.1 “零压点”的位置

篦冷机中，冷却熟料后的空气分为两个部分：一部分到窑头和窑尾作为燃烧用空气，另外一部分需要经过处理后排出。所以在篦冷机内存在一个特殊位置，这个位置就是 “零压点”。在进入燃烧的空气和排出的空气的分界处，就是“零压点”的位置。如果在此处设置一压力表，则其测量到的压力就应该是“零压力”。“零压点”的位置是可以计算出来的，并需要在实际操作中严格控制。这在2016年第三期《新世纪水泥导报》《论熟料烧成系统精准平衡操作技术》已经介绍过，不再赘述。

4.3.2 篦冷机内挡风墙的设置和相关尺寸

不少篦冷机设置了挡风墙，从调查的使用情况来看，好坏各有说法。从原理上来讲，设置挡风墙是有用的，但必须设置合理才行。正常的挡风墙，应该设置在篦冷机的“零压点”之处，这样有利于烧成系统的稳定运行，避免头排风机的不合理操作导致窑内工况的波动。挡风墙的下边缘的高度，应与料层有一定距离为好。

冷却风机的性能对挡风墙的设置有一定的影响。很多人说挡风墙没有用或是效果不好，多是因为冷却风机的性能存在问题，设计时需要注意。

5 改造效果的评价

改造后的篦冷机应该有一个全面的综合评价，笔者认为应该用以下几点来进行：（1）二次风温度可以稳定在1 150 ℃以上（零压点之内的风机负荷率大于95%时）；（2）出料温度65 ℃+环境温度； （3）吨熟料冷却风量降低；（4）吨熟料冷却电耗降低；（5）小磨实验时，同样的粉磨时间，物料细度比以前提高；（6）熟料的强度提高2～4 MPa。

6 结束语

根据对第三代、第四代篦冷机结构和改造技术的研究，结合多次改造的实践工作，我们认为：

（1）篦冷机改造技术是一个系统的技术。在众多技术中，首先需要采用改变熟料的冷却状态、提高熟料的急冷效果的措施。而这方面的改造技术主要以改变固定床的结构以及篦板的结构和关键部位篦床的结构为重点。

（2）篦冷机的冷却效果与窑内煅烧状况、窑头喷煤管的使用、冷却风机的性能、篦冷机的操作水平都有很大的关系，因此改造之后系统需要合理地操作，方可实现改造目标。

（3）篦冷机内出现的“红河”、“堆雪人”现象，以及篦板卡住、推动棒变形断裂等工艺和机械故障，都与篦床的急冷结构和“零压点”内风机性能有直接关系。在经过改造实现熟料急冷后，这些问题都会同时解决。

（4）在运行操作中，决不可采用降低“零压点”之内的风机，特别是固定床风机的负荷率（减少风量）提高料层厚度的方法来提高二次风温。在过厚料层下的二次风温不管有多高，对系统的煅烧作用有限，对熟料的急冷作用很小，有时甚至出现相反的作用。

（5）回转窑和窑头罩的工艺位置，对熟料的急冷和二次风温有比较大的影响，在改造时需要考虑。

（6）在熟料冷却状态合理、系统操作合理的情况下，熟料的结粒会变得小而均匀，这时熟料破碎机的工作量就会大幅度减少，对破碎机锤头的寿命和运转率有极大的好处。

（7）对第四代推动棒式的篦冷机，在改造固定床并采用新型的篦床篦板后，能够解决容易堆雪人、篦板风槽容易塞料卡死、推动棒磨损快和容易折断的问题。

（8）采用上述技术改造的第三代篦冷机，其产量可以达到50～55 t/(m2•d)的技术性能。

（9）在改变篦板的风槽结构后，风室供风与充气梁相比，通风阻力小、风机工作压力小、更不容易漏料。

（10）目前大多数第三代充气粱篦冷机配置的风机性能都能满足改造的需要，除了风机的叶轮和壳体有明显的变形之外，都不需要更换更高压力和更高风量的风机。但对于风机电机的质量和性能需要高度注意。因此任何一种依靠增大风机风量和压力、增加风机数量的改造技术，都是低水平的不科学的措施，都无法使篦冷机得到较好的综合的技术性能。

2016-08-06）

TQ172.622.4

B

1008-0473(2016)05-0024-07

10.16008/j.cnki.1008-0473.2016.05.005