窯頭系統風對篦冷機冷卻效果的影響

關來慶，何永憲

篦冷機作為新型干法水泥生產線的主要工藝設備，其使用效果不僅直接影響熟料的產量和質量，同時也會影響到水泥的生產和品質。影響篦冷機冷卻效果的因素較多，比如篦冷機的結構、各室的配風、熟料的煅燒工況、篦冷機的操作、系統的漏風以及系統內風機的匹配等。河南省豫鶴同力水泥有限公司有一條5 000t/d預分解窯熟料生產線，于2005年建成投產，配套的篦冷機是第三代液壓推動篦式冷卻機，冷卻效果基本能滿足生產需求。2007年10月純低溫余熱發電系統投入運行，2015年初窯頭電收塵器改為袋式收塵器，系統的每次改變都對篦冷機的使用效果產生了重要影響，本文重點從窯頭系統風的角度來談一下對篦冷機冷卻效果的影響。

1　2005年7月～2007年10月（投入余熱發電前）窯頭系統風對篦冷機冷卻效果的影響

1．1　窯頭工藝簡圖（圖1）

1．2　窯頭篦冷機供風系統、窯頭系統阻力與窯頭排風系統的平衡計算

1．2．1第三代篦冷機供風情況（見表1）

1．2．2窯頭煤粉燃燒空氣需要量

根據當時我公司煤粉工業分析，煤粉低位發熱量Qnet,ad=24 460．5kJ/kg（抽樣平均值）。

煤粉燃燒理論空氣需要量：

實際空氣需要量：

我公司窯頭實際投煤量12t/h（熟料產量5 400t/d時），窯頭煤粉燃燒空氣需要量：

7．051×12 000=84 612m3（標）/h

1．2．3二次風、三次風風量

正常操作時，一次風（凈風+送煤風）占窯頭煤粉燃燒空氣需要量的10%～15%，取12%，一次風風量為84 612×12%≈10 153m3（標）/h。

因此，二次風風量為（84 612-10 153）=74 459m3（標）/h；

三次風風量約為74 459×1．5=111 688．5m3（標）/h。

圖1　余熱發電投用前窯頭工藝流程圖

表1　5 000t/d預分解窯生產線第三代篦冷機風機配置表

1．2．4篦冷機冷卻風機總風量

根據篦冷機冷卻風機參數，熟料冷卻總用風量為551 258m3/h（常態），折算為513 649m3（標）/h標況風量。

1．2．5篦冷機余風標況風量

513 649-74 459-111 688．5=327 501．5m3（標）/h

1．2．6余熱發電未投入運行前的管道總阻力

當未投入余熱發電時，篦冷機余風直接進電收塵器，煙氣溫度200℃，根據1．2．5計算出的標況風量327 501．5m3（標）/h，折算為相應的工況風量為567 297．6m3/h，煙氣管道管徑為φ3．8m，氣體密度γ=0．746kg/m3（由于含塵濃度低，入收塵器風管近似用凈空氣管道計算）。各管段阻力計算見表2。

1．2．7窯頭排風機參數與系統阻力、篦冷機余風的匹配性

窯頭排風機型號為Y4-2×73-14No．26F，風量為650 000m3/h，全壓為1 650Pa（200～250℃）。考慮到原電收塵阻力200Pa，篦冷機余風取風口負壓400Pa，管道總阻力128．6Pa，篦冷機余風在工況條件下（200℃）風量為567 297．6m3/h。漏風量按4%考慮，可以看出窯頭排風機的能力能滿足系統阻力以及篦冷機余風的需要。

表2　篦冷機余風至窯頭排風機各管段阻力計算表

1．3　未投入余熱發電前窯頭系統風對篦冷機冷卻效果的影響

由于此階段熟料產能較低，一般產量在5 000～5 400t/d左右，同時窯頭排風機的能力能夠滿足窯頭系統阻力以及篦冷機余風風量的需要，篦冷機在正常操作的情況下，熟料冷卻效果較好，篦冷機的故障率也較低。

2　2007年10月-2014年12月（余熱發電投入后）窯頭系統風對篦冷機冷卻效果的影響

2．1 窯頭系統工藝簡圖（圖2）

2．2　窯頭系統風的平衡計算

2．2．1AQC鍋爐正常投運時各管段風量、風速以及密度

不同管段的煙氣溫度不同，需根據篦冷機余風標況風量327 501．5m3（標）/h折算為相應的工況風量。具體結果如下：

篦冷機至沉降室管段：

氣體溫度350℃，工況風量為747 144．6m3/h，相應矩形彎頭3．2m×2．0m×2m截面風速為w=16．21m/s，彎頭φ3．8m圓截面的風速w=18．31m/s，氣體密度γ=0．56kg/m3。

沉降室至余熱鍋爐管段：

圖2　余熱發電投用后窯頭工藝流程圖

氣體溫度330℃，工況風量為723 165．0m3/h，相應φ3．8m彎頭圓截面的風速w=17．72m/s，氣體密度γ=0．58kg/m3。

余熱鍋爐至電收塵器入口管段：

氣體溫度110℃，工況風量為459 389．3m3/h，相應φ3．8m 彎頭圓截面的風速 w=11．26m/s，相應φ 3．0m 彎頭圓截面的風速w=18．06m/s，氣體密度γ=0．91kg/m3。

電收塵器出口至頭排風機管段：

氣體溫度100℃，工況風量為447 399．5m3/h，相應φ3．8m彎頭圓截面的風速w=10．96m/s，氣體密度γ=0．93kg/m3。

2．2．2管道阻力計算（見表3）

2．2．3窯頭排風系統阻力計算

原電收塵器阻力200Pa，篦冷機余風取風口負壓400Pa，加上AQC鍋爐阻力1 100Pa，沉降室阻力100Pa，以及由表3計算的管道總阻力483．5Pa，合計系統阻力為2 283．5Pa。100℃時系統風量（排風機進口風量）由2．2．1可知為447 399．5m3/h。考慮系統10%的漏風因素，則需要排風量為492 139．45 m3/h、靜壓＞2 283．5Pa的排風機，與原排風機的能力風量為650 000m3/h、全壓為1 650Pa（200～250℃）相比，可以判斷出，原排風機的能力不能滿足系統阻力的需要。

2．3　系統風對篦冷機冷卻效果的影響

此階段熟料產量一般在5 200～5 500t/d左右，窯頭排風機并未因投運余熱發電系統而進行技術改造或更新，所以窯頭系統阻力與窯頭排風機的能力不匹配，系統漏風＞10%時，導致篦冷機三段的風機閥門無法開全，篦冷機的冷卻效果差，細料側經常出現“紅河”，三段篦板經常燒壞，篦冷機的實際故障率比較高，嚴重影響了系統的正常運行。同時由于出廠熟料溫度高，對水泥的正常生產也產生了不利的影響。

3　窯頭電收塵改為袋收塵后，窯頭系統風對篦冷機冷卻效果的影響

表3　篦冷機余風經余熱發電至窯頭排風機各管段阻力計算表

3．1　電收塵器改為袋收塵器前的熱工標定

為保證電收塵器改為袋收塵器后，窯頭排風機的選型與系統阻力相匹配，我們不僅進行了理論計算，同時還請國家建筑材料工業能效環保評價檢驗測試中心于2014年7月14日～16日對窯頭系統進行了熱工標定（見表4）。

表4　窯頭各主要測點的熱工標定結果

標定時，當地大氣壓91．6kPa，環境溫度為30℃，天氣晴。熟料產量為5 400t/h，篦冷機三段風機有部分風機閥門沒有開全，窯頭排風機前的閥門已經全開。

從實際標定結果可以看出，AQC鍋爐前的風量與篦冷機的計算余風量相比，篦冷機的風機沒有滿負荷運行；系統漏風嚴重，漏風量＞20%；窯頭排風機超負荷運行仍不能滿足篦冷機的最大供風需要。從運行實踐看，篦冷機的三段篦板經常被燒壞，易出現篦下室漏紅料現象，熟料冷卻效果差，弧形閥、灰斗燒壞等故障甚至會導致篦冷機系統停機維修，不能滿足5 400t/d的產能需要。

3．2　電收塵器改袋收塵器后窯頭風機參數的確定

3．2．1根據原窯頭排風機推算新風機風壓

原窯頭排風機風量650 000m3/h，全壓為1 650 Pa（200～250℃），考慮到原電收塵阻力200Pa，篦冷機余風取風口負壓400Pa，動壓按150Pa考慮，管道阻力為128．6Pa，則上AQC鍋爐之前，原風機有771．4Pa靜壓富余量。

增加AQC鍋爐之后，新增管道的阻力（483．5-128．6）=354．9Pa，加 上 AQC 鍋 爐 的 阻 力1 100Pa，沉降室的阻力100Pa，小計1 554．9Pa。

電收塵器改袋收塵器后，收塵器阻力再增加1 100Pa（袋收塵的壓差按1 300Pa計算）。

則，新風機全壓：1 650-771．4+1 554．9+1 100=3 533．5Pa（100℃）。

3．2．2根據實測數據推算新風機風壓

根據公司實測數據，電收塵器出口的靜壓為-2 200Pa，風機入口靜壓為-2 246Pa，電收塵器改袋收塵器后，收塵器阻力再增加1 100Pa。則，新風機入口靜壓為：2 246+1 100=3 346Pa（100℃）。

加上動壓150Pa，新風機的全壓：3 496Pa（100℃）。

3．2．3根據理論計算新風機風壓

AQC鍋爐篦冷機取風口處負壓400Pa，沉降室阻力100Pa，AQC鍋爐阻力1 100Pa，袋收塵器阻力1 300Pa，管道阻力483．5Pa。

加上動壓150Pa，風機全壓：400+100+1 100+1 300+483．5+150=3 533．5Pa（100℃）。

3．2．4窯提產后新風機風壓

目前公司窯產量5 400t/d，考慮到將來窯產量提高為5 800t/d后，風量增加，新增管道阻力由354．9Pa變為1．074×1．074×354．9≈409．4Pa。

提產后新風機全壓：

（1）根據原頭排風機推算：1 650-771．4+1 100+409．4+1 100+100=3 588Pa（100℃）。

（2）根據實測數據推算：2 246+1 100+（1．074×1．074×483．5-483．5）+1．074×1．074×150≈3 593．2Pa。

（3）根據理論推算：3 533．5+（1．074×1．074×483．5-483．5）≈3 607．7Pa。

3．2．5窯頭排風機的確定

AQC鍋爐停運旁路時，篦冷機余風直接進收塵器，煙氣溫度200℃，原窯頭排風機全壓為1 650Pa（200～250℃），電收塵器改袋收塵器后，新增收塵器阻力1 100Pa，因此新風機的風壓為：1 650+1 100=2 750Pa。

根據以上計算，電收塵器改袋收塵器后，窯產量提高為5 800t/d。

AQC鍋爐投運時，風機入口煙氣溫度100℃，工況風量為447 399．5×1．074≈480 507．1m3/h，考慮系統10%總漏風系數，風量為528 557．8m3/h，風壓取計算最大值3 607．7Pa。

AQC鍋爐停運旁路時，風機入口煙氣溫度200℃，工況風量為 567 297．6×1．074=60 9277．6m3/h，考慮系統4%總漏風系數，風量為633 648．7m3/h，風壓為2 750Pa。

綜上所述，頭排風機工作點：

工作點A（AQC鍋爐投運）：風量530 000m3/h，風壓3 700Pa，溫度100℃。

工作點A風機電機功率：

式中：

Q——530 000m3/h

ΔP——3 700Pa

0．8——風機內效率估計值

0．98——機械效率估計值

1．15——儲備系數

工作點B（AQC鍋爐停運）：風量640 000m3/h，風壓2 800Pa，溫度200℃。

工作點B風機電機功率：

式中：

Q——640 000m3/h

ΔP——2 800Pa

0．8——風機內效率估計值

0．98——機械效率估計值

1．15——儲備系數

考慮到同力集團已有3家公司選用功率為1 250kW的電機，為保證集團設備的可互換性，同時也為窯頭收塵器進一步提產改造預留足夠的功率儲備，最終確定選用窯頭排風機型號：Y4-2×65-3№22F，全壓3 900Pa，工作溫度200℃，流量660 000m3/h，配電機YRKK-710-6，轉速980r/min，功率1 250kW，并通過增加變頻控制的方式來實現設備的節能。

系統投用以來，變頻器正常使用輸出轉速在42～44Hz之間，最大轉速曾經短時間達到45Hz。根據變頻器轉速可大致推算出窯頭排風機電機的輸出功率P。

式中：

n——變頻器轉速，Hz

0．85——電機功率因數

1 250——電機功率，kW計算結果：變頻器輸出功率P在630～724kW之間，與生產實際相吻合。

3．3　電收塵改袋收塵后窯頭系統風對篦冷機冷卻效果的影響

3．3．1電收塵和袋收塵系統設備參數對比（表5）

表5　電收塵器和袋收塵器系統設備對比表*

3．3．2電收塵器改袋收塵器后篦冷機的使用效果

從2015年3月投入運行至今，熟料產能可達5 600～5 800t/d，由于窯頭排風機的排風能力與篦冷機的供風及系統阻力相適應，同時，也對余熱發電的漏風處進行了堵漏的情況下，出篦冷機的熟料溫度在100～150℃左右，滿足了生產的需要，篦冷機的故障率大幅降低，滿足了高產、穩定、安全、連續運行的生產要求。

4　結語

窯頭排風機的能力與篦冷機的供風以及窯頭整個系統風量阻力應相互匹配，另外，要經常檢查系統漏風情況，并及時進行堵漏，確保系統漏風在合理的范圍內，只有這樣篦冷機的冷卻效果才能得到充分實現，系統熱效率才能得到充分發揮。任何工藝系統的改變，都應進行詳細計算并在保證相互匹配的基礎上進行改變。否則，不僅影響設備的安全運行，更會直接影響生產。■