關(guān)于篦冷機設(shè)計若干方面的探討

  篦冷機是水泥生產(chǎn)線上重要的冷卻設(shè)備,上個世紀(jì)30年代開發(fā)出篦式冷卻機設(shè)備,為水泥生產(chǎn)線向大型化發(fā)展奠定基礎(chǔ),我國從事篦冷機設(shè)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(shù),篦冷機技術(shù)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(chǎn)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(yīng)用成功最顯著的特點就是同規(guī)格的回轉(zhuǎn)窯產(chǎn)量提高近20%以上。丹麥?zhǔn)访芩构鹃_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(jǐn)利用本文針對有關(guān)篦冷機設(shè)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(chǎn)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(chǎn)量有關(guān),單位篦床面積產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(nèi)徑的80%,對于預(yù)分解窯B是窯的有效內(nèi)徑的(50~60)%。
經(jīng)驗公式: B=0.52G0.44, B=1.04Dr—1.75
(B———篦床寬度,m;G———窯產(chǎn)量,t/d;Dr———窯有效內(nèi)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(chǎn)量,t/m2d。)
篦床長度:L=A/B (L———篦床長度,m。)
關(guān)于篦床長度,在設(shè)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(shè)計過程中情況出現(xiàn)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(chǎn)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(yīng)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(yīng)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(zhuǎn)窯在運轉(zhuǎn)過程中離心力作用,導(dǎo)致落下的熟料一側(cè)為粗顆粒,一側(cè)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(fēng)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(zhuǎn)窯的細料落在篦冷機中心上。
設(shè)回轉(zhuǎn)窯中心和篦冷機中心的偏心距為S ,則關(guān)于S 的確定:日本公司認(rèn)為一般窯型S=(10~15)%Dr, 預(yù)熱器窯S=13%Dr , 預(yù)分解窯S=(15~18)%Dr
美國FULLER公司認(rèn)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(diào)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(chǎn)廠家要格外注意。

三、篦床運動速度
篦冷機篦床運動為往復(fù)運動軌跡,往復(fù)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(shù)/min。)
篦床運動速度是一個經(jīng)常變化的參數(shù),當(dāng)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(dāng)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(fù)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(shù),0.24+0.0011h;h———料層厚度,mm。)
電機的選擇:(1)電機轉(zhuǎn)矩的校核:T=9550P/n (2)電機功率的校核:N=KP(T———電機轉(zhuǎn)矩,N.m;N———電機功率,kw;n———電機轉(zhuǎn)速,r/min;K———工況系數(shù)。)

五、熟料在篦冷機里的停留時間
熟料從窯口落人篦冷機內(nèi)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(guān),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(fēng)量、風(fēng)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(fēng),強制冷卻,所以出料溫度低,熟料質(zhì)量好。
篦冷機所配風(fēng)機的風(fēng)量和風(fēng)壓是一個重要參數(shù),它關(guān)系到出料溫度,廢氣溫度,二、三次風(fēng)溫度等參數(shù)的變化。所以多年來人們一直在探討這一問題。
關(guān)于篦冷機風(fēng)量的選擇,一般采用風(fēng)載這一概念———每分鐘每平米篦床面積承載風(fēng)量。在第二代篦冷機風(fēng)量設(shè)計上,美國FULLER公司曾提出一臺篦冷機在標(biāo)準(zhǔn)條件下的平均風(fēng)載在95~85m3/m2.min(有效面積),最大設(shè)計風(fēng)載為115m3/m2.min。相鄰風(fēng)室最大風(fēng)載差為15m3/m2.min。
關(guān)于風(fēng)壓的設(shè)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(fēng)室的壓力降,mmH2O;Q———某一風(fēng)室對應(yīng)的篦床風(fēng)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(guān)于第三代篦冷機風(fēng)量的選擇觀點不一,有人認(rèn)為第三代篦冷機風(fēng)載應(yīng)大于第二代篦冷機風(fēng)載,即最高設(shè)計風(fēng)載為130m3/m2.min。
筆者認(rèn)真研究了第三代篦冷機風(fēng)量風(fēng)壓配置,認(rèn)為應(yīng)遵循“高風(fēng)壓,低風(fēng)量”的原則,即入料端高風(fēng)壓在11000~12000Pa之間,風(fēng)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(yīng)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(chǎn)生速度達到40m/s,通過實驗可知,當(dāng)速度達到一定時,篦床壓力再增加,風(fēng)速不發(fā)生變化,這就告訴我們穿過高阻力篦板的冷風(fēng),繼續(xù)穿過料層時,風(fēng)速變化很小,結(jié)果為通過篦床上的冷風(fēng)速度均勻,冷卻速度均勻。所以不需要太多的風(fēng)量。
單位熟料用風(fēng)量小,是考核篦冷機的一個重要指標(biāo)。一般較先進的篦冷機要求單位熟料用風(fēng)量小于2.0Nm3/kg。所以采用科學(xué)的配風(fēng)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(fēng)量,可以保證減少窯頭,窯尾排風(fēng)機和收塵器的處理風(fēng)量,提高二、三次風(fēng)溫,有利于改善煤粉的燃燒環(huán)境,加快煤粉在窯,爐內(nèi)的燃燒速度。
天津水泥工業(yè)設(shè)計院熊會思先生在他著的《新型干法燒成水泥熟料設(shè)備設(shè)計、制造、安裝與使用》一書中針對篦冷機的風(fēng)壓、風(fēng)量的設(shè)計進行了論述,對第二代篦冷機:
(1)風(fēng)量計算:Qi=60FVi (Qi———篦冷機各風(fēng)室的風(fēng)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(fēng)壓計算,風(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)機壓力為:P風(fēng)機=1.5△P
對第三代篦冷機而言,熊會思先生認(rèn)為在熱回收區(qū)高阻力篦板的風(fēng)載大大低于第二代篦冷機的風(fēng)載。壓力設(shè)計可仍采用△P=△Pg+△Pcl公式,只是V通孔的數(shù)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(shè)計上和風(fēng)量風(fēng)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(fēng)速,m/s;V0———海平面高度的風(fēng)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(fēng)量,m3/s;Q0———海平面高度的風(fēng)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(fēng)機軸功率,kw;N0———海平面高度風(fēng)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(shè)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(zhì)量流量不變,這時就需要加大風(fēng)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(dāng)加大篦冷機規(guī)格,保持空氣流體阻力不變,這時保證風(fēng)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(fēng)量的增加,即保持海平面高度的風(fēng)載與H高度的風(fēng)載相同,這時需保證風(fēng)速VH=V0,則風(fēng)機的功率不變,壓力降為HH=H0γH/γ0。

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