水泥厂新型篦冷机与新型生产线探讨（颠覆性新技术）

水泥厂新型篦冷机与新型生产线探讨

一、前言

对水泥生产而言，最大的成本在于煤耗，一般情况煤耗占据熟料生产总成本的1/3。而国家倡导节能是一个永恒的话题，也是今后企业发展的大趋势。

近年来，在行业、大企业的垄断下、造成行业利润虚高，使得不少僵尸企业死而复生。大部分水泥企业在高利润的诱惑下，更是强调台时产量而非能耗的降低。虽然不少企业在节能降耗上不断探索，创新性的技术也如雨后春笋纷至沓来，但是大型的颠覆性的技术革命仍然是没有出现。而本人经过几十年的工作实践经验，加之近十年来的不断研究，终于在篦冷机环节找到了颠覆性的技术——立式冷却机。

正如西南科技大学教授齐砚勇对中国水泥 所说：“放眼全国，水泥企业在窑尾预热器、分解炉上的改造基本没有问题，尽管这些模块的效率还存在一定的提高空间，但大部分水泥企业都达到了较好水平。目前窑系统的效率、产量、煤耗、电耗等升级压力大多集中在窑头，而窑头最关键的设备就是篦冷机”。篦冷机是新型干法水泥生产中的重要一环，其工作的好坏不仅直接对整个窑况的稳定运行起着至关重要的作用。同时还影响着热量的回收，余热发电以及熟料的能耗和设备的整体运行。

通过计算可知窑内煅烧的化学反应过程需要的热量是总热耗中很少的一部分，如果回收效果好，需要的热量更少。同时二三次风温提高越高，烧成温度的提高越容易，煅烧需用的煤耗也越低。也有计算认为：二、三次风温每提高100度，就能降低标煤耗4kg。所以说窑系统最终的低耗、优质、高产，现阶段最关键的就是篦冷机，而现设计的立式冷却机恰恰是解决这一问题的关键节点。

新式立式冷却机的使用，通过的适量的冷却风量可以得到可控的、最高的二三次风温，极大地提高了热量的回收利用，会大大提高回转窑热效率、同时还能够有效提高设备运转率和降低运行维护费用。

二、目的：

1. 为社会创造更高价值。

积极响应国家及国际社会节能减排号召。

2. 大幅度降低能耗至：

(1) 热耗降低至80kg/t熟料以内；

(2) 电耗降低至40度/t熟料以内。

三、理论依据

1. 换热效率和热效率

要想找到理论依据首先要明白换热效率和热效率。

换热效率：是指热交换的效果，也为传热效率。因温度差而产生热量从高温物料向低温介质的转移。

热效率：是指热能的利用效率，就是指熟料冷却后回收的热量利用效果。

原推动式篦冷机料层一般控制在600-800mm左右，不管是高温段物料或者是低温段物料，都是经过常温风在大致相同厚度的料层下冷却后回收。由于常温风和熟料换热时间短 ，换热效果也就差，加之冷却回收后的废气温度从100°-1200°C不等，大部分的低温废气经过窑头发电设备换热后经窑头排风机排出，甚至篦冷机尾部低于200度的废气不得抛弃。所以回收后的热效率就差。

2. 新式立式冷却机的换热方式

新式的立式冷却机恰恰就避免了以上这些缺点。由于常温风首先进入低温区，被熟料换热吸收热量后又去冷却上一层地更高温的熟料，风作为冷却的介质温度又被提升，一层又一层，最终经过很多级循环后作为介质的风，被冷却至接近于出窑熟料的温度——1300度以上。

由于冷却风风温高，换热效率好，换热后的冷却风更有利于回转窑全部利用，会大大增加热效率。

3. 重大革新——立式冷却机

立式冷却机顾名思义——相比较现有的推动式篦冷机它是立式的，嫁接于立窑的形式。初步设想：

(1) 料层厚换热时间长，换热效果好。

立式冷却机料层厚度可以大于5m以上，是现代篦冷机800mm料层的6倍以上。5000t/d线对比如下：

日产5000t/d熟料线，现有配置篦下风量为609720m3，篦冷机有效冷却面积为140m2，料层厚度为800mm。冷却时间（1350°至80°C）40分钟。然而冷却风穿透料层的时间却很短。

a. 计算原篦冷机冷却风风在料层中停留的时间

t=L/（V/t1/S）

T—在料层中停留的时间；

L—料层厚度；

V—配置风量

t1—秒

t=800mm÷（609720m3÷3600s÷140m2）=0.8m/1.20976m=0.66s

b. 计算新式冷却机熟料在冷却机的停留时间

假若日产5000t/d生产线，配置立式冷却机，配置冷却风量为300000m3，选横截面积为38.465（φ7m）。

公式：38.456m2*4m（有效高度）*1.45t（熟料密度）/268t熟料台时=0.83小时

冷却时间（1350°至80°C）50分钟（不过料层厚度可以调整，冷却时间也可调整）。

c. 计算新式冷却机风在料层中停留的时间

T=4m÷（300000÷3600s÷38.4652）=4m÷2.158m=1.853s。

即：风在料层中停留的时间立式冷却机是1.853s/0.66s=2.8，是原推动式篦冷机的2.8倍，换热效果会大大提高。

(2) 增加冷却风室

增加冷却风室，细碎物料可形成吹浮，吹浮冷却效果更佳。

立式冷却机在篦子下部增加了下料空间，在下料孔下部留出9.56m3的空间，当物料从篦孔下落后遇到下部吹上来的高压风气流，大块物料减缓下落时间，小块细碎物料甚至被吹浮在空间中延长了换热时间，提高了换热效果同时也大大提高了冷却效果。

(3) 可实现高温可调的二三次风温。

冷却熟料与冷却风为逆向运动，加之厚料层可实现高温可调的二三次风温。

立式冷却机是：常温冷却风冷却出冷却机的低温熟料，换热后的冷却风温度升高后，又冷却上一层较高温度的熟料，冷却风温度又被提高，周而复始，直至出冷却机时温度提高至与入冷却机的熟料的温度相差无几。换热效率高低取决于冷却风量的多少，冷却风量多，风压高，风速快，换热时间短，但是由于冷却风量大、吸热多，就会造成出冷却机的冷却风，即二三次风温降低；冷却风量少，风压低，风速慢换热效果好，冷却风量吸热少，在冷却熟料不变的情况下，可有效提高二次风温。即冷却风量多，二三次风温低；冷却风量少二三次风温高。所以二三次风温高低是受冷却风量多少的影响，通过调整冷却机的冷却风量调整二三次风风温。

二三次风温可调可便于操作，使操作自如，在节能降耗的基础上，有效提高窑运行的稳定性，包括稳产高产，优质高产。

4. 熟料理论热耗

依据相关水泥工艺基础理论得知，熟料的理论热耗为：

吸热反应			放热反应
序号	反应项目过程	KJKcal/ kg熟料	序号	反应项目过程	KJKcal/ kg熟料
1	原料由20°C加热至450°C	712（170）	1	脱水粘土结晶放热	42 （10）
2	450°C粘土脱水	167 （40）	2	固相反应放热	418 （100）
3	物料自450°C加热至900°C	816（195）	3	熟料自1400°冷却至20°C	1507 （360）
4	碳酸钙900°C分解	1988（475）	4	CO2自900°冷却至20°C	502 （120）
5	分解后的碳酸盐自900°加热至1400°C	523（125）	5	水蒸气自450°冷却至20°C	84 （20）
6	液相形成	105 （25）
	合计	4311（1030）		合计	2553（610）
理论热耗		4311kj（1030kcal）-2553kj（610kcal）=1758kj（420kcal）

即熟料的理论热耗为1758kj（420kcal）/kg熟料，也就是60kg标准煤耗生产1吨熟料。而实际上熟料的标准煤耗普遍为110kg左右。可见热效率是很低的。

5. 理论上降低熟料标准煤耗30kg可行性分析

(1) 篦冷机废气带走的热量。

根据立窑多年的生产经验确定，熟料的冷却回收热能够被全部回收利用。

我们保守一些按照熟料自1400°冷却至100°C计算回收的热量。

公式：

a. 计算窑头废气带走的热量公司

Qpk—篦冷机排除的废气带走的湿热，kj/kg熟料；

Vpk—篦冷机排除的废气的体积，Nm3/kg熟料；

Cpk—排除空气的比热，KJNm3.℃。

tpk—篦冷机排除的废气的温度，℃。

b. 计算每小时废气带走的热量

我厂的实际运行参数如下：

窑头排出的废气250000m3/h；

窑头排出的废气实际温度为500℃；

实际台时产量260t/h。

Qpk=250000m3/h×1.343kj/Nm3·℃×500℃=167875000kj/h

注：Qpk—每小时废气带走的显热

计算每吨熟料窑头废气带走的热量折合标准煤

=21.62kg（标煤）

即按照立式冷却机节能效果预算，单纯由安装立式冷却机可节约标煤21.62kg/t熟料

(2) 机械不完全燃烧带走的热量

我厂的实际熟料烧失量在0.3至0.4之间，按照降低0.2的烧失量计算可省煤如下：

Qjb—机械不完全燃烧的热损失，KJ/kg熟料

Lsh—熟料的烧失量

33913—碳的热值

计算

0.002×33913/=67.82Kj16.2kcal）/Kg熟料

即MJ=16.2KCal/7000kcal*1000=2.3kg（标煤）/t熟料

(3) 省煤节约的空气量废气带走的热量

a. 窑头省煤量

Mt=ml+mj

Mt—窑头理论省煤量

ml—篦冷机废气带走的热量用煤

mj—机械不完全燃烧带走的热量用煤

Mt=21.62kg（标煤）/t熟料+2.3kg（标煤）/t熟料

=23.92kg（标煤）/t熟料

b. 省煤部分的理论空气量

实物煤粉组成及发热量

元素分析（%）					工业分析（%）				焦渣特性（号）	发热量（kj/kg煤粉）
Cf	Hf	Sf	Nf	Of	Vf	FCf	Af	Wf
66.48	4.08	0.35	1.17	11.84	30.40	53.52	11.28	4.8	4	25376

实物省煤量为

M=mt·7000/6062

M—实物煤省煤量kg/t熟料

Mt—窑头省煤量kg/t熟料

7000—标煤发热量kcal/t熟料

6062—实物煤发热量kcal/t熟料

计算

M=23.92kg（标煤）/t熟料×7000kcal/6062kcal

=27.62kg/t熟料

即：窑头能够节省27.62kg实物煤

计算煤粉燃烧理论空气量

Vik=0.089Cf+0.267Hf-0.033(Of-Sf)

=0.089×66.48+0.267×4.08+0.033(11.84-0.35)

=6.627Nm3/kg煤粉

计算窑头省煤省的空气量

V=6.627Nm3/kg煤粉×27.62kg/t熟料× 265t/h=48505Nm3

即窑尾因窑头节约的煤粉少通过48505Nm3/h风量

折算为煤耗为

Qpk=48505m3/h×1.8935（320°比热）kj/Nm3·℃×300℃

=27553265kj/h

折合标煤

3.55kg（标煤）/t熟料

即窑尾因减少废气节约用煤3.55Kg标煤

(4) 总结

通过使用新式冷却机可直接节约用煤为

Mz=Mt+MJ+Mw

=21.62kg（标煤）/t熟料+2.3kg（标煤）/t熟料+3.55kg（标煤）/t熟料=27.45kg（标煤）/t熟料

通过对窑胴体的保温使用隔热耐火砖、使用新型下料翻板阀、减少系统漏风、加强预热器系统的保温，可确保降低3kg（标煤）/t熟料，达到80kg（标煤）/t熟料目标。

6. 理论上降低熟料电耗至40度可行性分析

按照我公司现有的实际情况做对比

我厂实际电耗为53度/t熟料；台时设计为208t/h，我们按照台时为255计算。

窑头设备装机总容量为3366KW.h，不包括斜拉链和发电的装机；

(1) 窑头部分更换立式冷却机后装机容量省电计算

更换立式冷却机后，窑头除斜拉链保留以外，其余设备（包括、头排风机、窑头收尘器、窑头回灰部分、发电部分都去掉）均去掉，而立式冷却机只增加2台风机，一个塔盘卸料调速电机，装机容量低于1600kw。

即3366kw-1600kw=1766kw

可省电1766/255=6.93度

(2) 窑尾部分因节煤省掉的废气量。

我厂的实物煤发热量为5641KJ/KG；吨熟料实物煤耗为136.5kg。

实物煤分析如下：

燃料元素分析

燃料元素分析

CadHadSadNadOadAadMad

60.13.960.350.977.9125.711

工业分析及发热量单位：%

AyVyFcMyQnet (kJ/kg)

25.7128.3644.93123614

根据二.4.b计算煤燃烧的理论空气量为6.627Nm3/kg煤粉；

计算节30kg的煤理论生成的烟气量为：

V理论=Vco2+VN2+VH2O+VSO2

=0.018666667Cadmr+（0.79Vlkmr+0.008Nadmr）+（0.112Hadmr+0.012444444Mymr）+0.007Sadmr

=0.018666667×60.1+（0.79×6.627r+0.008×0.97）+（0.112×3.96+0.012444444×1） +0.007×0.35

=1.122Nm3/kg煤粉+4.872Nm3/kg煤粉+0.456Nm3/kg煤粉+0.002Nm3/kg煤粉

=6.452Nm3/kg煤粉

生产时少生成的烟气量

V生成=V理论（30kg×7000/5641）×255=6.452Nm3/kg煤粉×37.227×255

=61248。

省电计算

5000t/d生产线配置高温风机94万m3/h，电机功率2800kwh；尾排风量94万m3/h，电机功率1600kwh。实际运行负荷90%。

计算少用61248m3/h占比。

节省下的风量占比：6.1248万m3/（94m3/h×90%）=6.1248万m3/84.6万m3；=7.24%。

计算吨熟料省电量

（ 2800kw/h+1600kw/h）×7.24%/255=1.25kw/t熟料

(3) 立式冷却机冷却风机——罗茨风机改为磁悬浮风机

按照40%的省电量省电为：

1600KW×40%=640度。

即省电640度，单位熟料省电为：

640度/240度=2.67度/t熟料。

(4) 其他部分可节能

a. 罗茨风机改为磁悬浮风机；

窑头一次风机132kwh；

窑头送煤风机132kwh；

窑尾送煤风机200kwh；

b. 普通电机改永磁电机

辊压机电机1250kwh×4=5000kwh

c. 空压机电机改磁悬浮电机

空压机电机160kwh×3=480kwh

总装机为5944kwh，省电率按照15%计算为3.5度/t熟料。

(5) 合计节省电量

6.93度/t熟料+1.25度/t熟料+2.67度/t熟料+3.5度/t熟料

=14.35度/t熟料

(6) 结论

通过以上理论计算完全达到该生产线的设计的目的，需要说明的是还不包括其他地方的小改造。如果全面考虑能耗，从节约能耗上设计，在以上基础上再降3-4度还是有把握的。

7. 对比

新式冷却机与原篦式冷却机的对比

(1) 料层厚度对比

新式冷却机料层厚度＞4000mm；

老式篦式冷却机料层厚度＜800mm。

(2) 换热时间对比

新式冷却机料层厚度是老式篦式冷却机的5倍，同样的风速换热效率应该是老式篦式冷却机的5倍。根据设计风速计算，新式冷却机冷却风在熟料中停留的时间是1.853s，而老式篦式冷却机冷却风在熟料中停留的时间是0.66s，是原老式篦式冷却机的2.81倍。

(3) 换热后热量利用率对比

新式冷却机是物料自上而下，风是自下而上；物料温度是越往下温度越低，风温是越往上越高。冷却风是首先进入低温区，冷却熟料换热后吸收热量又去冷却上一层的熟料，风作为冷却的介质温度又被提升，每提升一个高度风温上升一个高度，一层又一层，最终经过很多级循环后作为介质的风，被冷却至接近于出窑熟料的温度——1300度以上。最为关键的是换热后的介质温度（二三次风温）受冷却介质的质量影响，温度可控（300-1350°C）。热量回收利用率可以达到99%以上

老式篦式冷却机是分段式冷却，它是同样的环境介质温度，换热不同温度的熟料，换热后的介质温度不同。由于换热后的温度不同（1100-80°C），热量的回收效率利用率低，热量回收利用率按照二三次风量和窑头风量的比值不大于60%。

(4) 窑的热效率（熟料的热耗利用率）

熟料的理论热耗是1758kj（420kcal）。

老式篦式冷却机实际热耗是770Kcal，420Kcal/770kcal=54.55%。

新式冷却机计算热耗为560kcal；420Kcal/560kcal75%。

热效率提高了20%。

(5) 投资对比

使用新式冷却机后可以很好地回收热量，可以达到100%的回收利用率，窑头设备除燃烧器外和斜拉链，收尘器和余热部分全部省去。并且新式冷却机要比推动式篦冷机简单多，投资低。所以使用新式冷却机要比原推动式篦冷机投资少得多。

(6) 运行和维护费用

运行费用由于工艺简单，设备少，又是成型几十年的流行设备，运行费用要远远低于现在老式的推动式篦冷机。维护费因为内衬为耐火砖和耐磨钢砖砌成，所以使用寿命长，维护费用自然而然降低。

(7) 正常煅烧窑内需要的实际热量（即头煤用量）

窑内的正常反应吸热需要的热量分别是：

a. 碳酸盐分解的7%（最多），即195Kcal*7%=13.65Kcal。

b. 碳酸盐自900°加热至1400°，即125Kcal。

c. 窑筒体散热28kcal。

d. 液相形成热25kcal。

合计为192kcal

窑内的正常反应放出的热量分别是：

a. 熟料自1400°冷却至20°C，即360kcal。

b. 固相反应放热即100kcal。

合计360kcal

头煤用量为192kcal-360kcal=-168kcal。

事实新式冷却机也无法把温度升至1400度以上，所以只能在窑头加入适量少的用煤量，其余热量通过三次风进入分解炉。用量不超过15%的用煤量，就能够满足正常煅烧，甚至因为二次风温高，窑内氧含量高燃烧充分，在避免窑内的还原气氛的同时，强化了煅烧。对煅烧有利

总之：由于新式冷却机的诞生，将会是一场彻头彻尾技术进步，将会颠覆性改变现有的煅烧状况，也是对现有烧成温度的颠覆性改变。当然从理论上来讲是往好的方向进步，但是具体真实情况还要看实际生产后状况。

四、新生产线设计计算

1. 回转窑产量

回转窑设计按照江苏建筑材料研究设计院设计的3200t/d熟料生产线进行改进，需要说明的是主要是窑头部分改进。

回转窑规格

回转窑规格

回转窑规格：Φ4.3×64m

产量：3200t/d

支座数：3档

斜度： 4％

主传转速：

0.45~4.5r/min

辅传转速：8.86r/h

主传动减速器型号：JH630C-SW305-25

总中心距：1400

总速比：24.365

辅助传动减速器型号：ZSY315-45-I

总中心距：699

总速比：44.983

主传动电动机型号： ZSN4-355-12 IP44 IC37

功率：480kW

额定转速：1000r/min

额定电压：440V

调速范围：

100～1000r/min

按照现国内3200t/d的回转窑超产30%计算技改后的立式冷却机配置规格。

(1) 燃料燃烧理论空气量

Vh= Vik·Mkg·Mh=6.627Nm3/kg煤粉×80kg/t熟料×173t/h=91718Nm3/h

(2) 冷却空气从20°C升到1350°C，吸收1507kj的热量，需要的理论空气量

a. 0～20℃时平均比热1.296，0～1350℃时平均比热1.449，所以从20℃～1350℃时1Nm3吸收的热量为：

Q=1.449* 1350-1.296*20=1930.23 kJ/Nm3

b. 1507kJ需要的空气量为：

V=1507÷1930.23= 0.78Nm3 。

c. 每小时需用的冷却空气量：

VCH=V·Mh·1000Kg=0.78Nm3×173t/h·1000Kg=134940Nm3

d. 数据分析

以上的理论用风量都是最低空气需求量，二者只能取最大者134940Nm3。即设计风量为13.5万Nm3/h。

2. 立式冷却机设备选型

(1) 立式冷却机选型（原立窑）

型号为：Φ6.4m×4m+1m

横截面积=32.15m2

项目单位1#2#

罗茨风机型号ZR8-750BZR8-900B

转速r/min590590

理论流量m3/min10411345

升压kpa29.429.4

流量m3/min9651252

功率kw630800

(3) 风速

u=（V1+V2）/60s

=（1252m3+965m3）/32.15m2/60s

=1.15m/s。

实际风速由于熟料填充可能远远高于此计算值，当然老式篦冷机同样计算。

(4) 料层停留时间

T=L/u=4m/1.15m/s=3.48s

是推动式篦冷机的5.3倍，换热效率远远高于推动式篦冷机。

五、总结

罗茨风机选型是根据章鼓现有的设备中选的，是完全可行的设备，也可以改为4台磁悬浮鼓风机，更是省电，省维护费用。

假若按照全世界每年30亿吨熟料的产量，年节约9000万吨的煤耗，电要节省300亿度。可见节能减排降低温室效应，是利国利民、利于世界人民的好事。

新的生产线对现有生产线技术改造，但是在创新思维的基础上嫁接的成型设备，是生产线工艺创新，是对既有设备的再利用，无疑是颠覆性的技术革命。