污泥陶粒生產(chǎn)中節(jié)能型豎式冷卻器的設計分析及應用研究

  0 引言

  陶粒作為一種輕骨料,具有密度小、強度高、保溫、隔熱性能好的優(yōu)點而得到廣泛應用。污泥陶粒是污泥摻加輔料后,經(jīng)造粒、焙燒而成的一種建材。陶粒燒制過程中主要包括烘干、預熱、焙燒、冷卻四個階段^[1]。目前我國陶粒的生產(chǎn)設備大都采用的是工業(yè)回轉窯，焙燒后進行的冷卻方式人窯內(nèi)冷卻與窯外冷卻，冷卻后形成陶粒。

  有研究表明，坯料球燒制流程結束后其坯體的冷卻速度對于陶粒產(chǎn)品性能有一定的影響，如果冷卻太快，陶粒內(nèi)外的溫度差較大, 陶粒表面遇冷迅速收縮,而且可能會發(fā)生晶型轉變，引起體積變化而引起微裂紋，使得強度降低,吸水率增加,因為這些裂縫中都會使得水能夠很好的停留。冷卻太慢,陶粒體積收縮就會變大，因為它的內(nèi)外溫度始終保持相差不大。所以綜上所述冷卻方式不能太快,也不能太慢^[2，3]。比較常用的冷卻制度為初期快速冷卻，而中后期采用慢速冷卻方式^[4]。

  針對上述對污泥陶粒在焙燒后的冷卻要求，不同的陶粒類型，冷卻方式會有一定的變化。目前，針對陶粒的冷卻工藝的研究相對匱乏，對于冷卻器的分析也較少。本文對于這種現(xiàn)狀，針對污泥陶粒生產(chǎn)工藝特點，討論了污泥陶粒生產(chǎn)中的冷卻器設計及應用，對污泥陶粒提高生產(chǎn)質(zhì)量有一定的參考價值。

  1 污泥陶粒焙燒的主要工藝流程

  污泥陶粒焙燒的主要工藝流程如圖1所示。在整個工藝流程中，主要有物料、燃料和氣流三個流程。

  物料的流程為：經(jīng)過脫水的污泥與其它配料分別經(jīng)過稱重配料系統(tǒng)，由輸送裝置送至混料機，使均化。緊接著被送進烘干窯進行烘干。再經(jīng)提升裝置把物料投入窯內(nèi)制粒機，經(jīng)預熱、焙燒、冷卻成為成品陶粒，經(jīng)輸送裝置、斗式提升機及振動篩后把成品陶粒存入成品倉。

  燃料流程：烘干窯、預熱窯與回轉窯需要燃料燃燒對物料進行烘干、預熱和焙燒；

  氣流通道：有二條氣流流程，一是預熱、焙燒回轉閥的空氣供應，二是冷卻器的二次進風。排出的氣體均需要經(jīng)過除塵與脫硫裝置對排氣進行處理，達標后才能排入大氣。

  2 豎式冷卻器的作用

  豎式冷卻器自上世紀七十年代末從國外引進，最初用于建材行業(yè)煅燒石灰石，而后經(jīng)國內(nèi)其他行業(yè)引進，已廣泛應用于建材、有色冶金等行業(yè)。

  豎式冷卻器、回轉窯、豎式預熱器、袋式除塵器組成一個焙燒系統(tǒng)。豎式冷卻器的主要作用有兩個：一是用來對焙燒后的污泥陶粒進行快速冷卻；二是同時加熱二次風，使進入回轉窯的二次風溫度從環(huán)境常溫升到600~750℃，以降低系統(tǒng)的熱耗，提高能源利用效率。通過這種方式，回轉窯的焙燒不再是應用環(huán)境冷空氣直接與燃料接觸燃燒達到1000~1200℃的污泥陶粒的焙燒溫度，而是利用經(jīng)過預熱到接近焙燒溫度的二次補風，這樣就利用了焙燒后陶粒的余熱，達到較好的節(jié)能目的。

  圖1 污泥陶粒的主要工藝流程圖

  1 控制閥；2 振動給料機；3皮帶輸送機；4雙軸混料機；5 烘干窖；6 大傾角輸送機；

  7窯內(nèi)制粒與預熱窯；8 焙燒窖；9 豎式冷卻器；10 脈沖單機收塵器；11 斗式提升機；

  12 振動篩；13 輸送機；14.1-14.2離心風機；15空氣換熱器；16袋式收塵器

  3 豎式冷卻器的基本工作原理

  回轉窯煅燒成的熱污泥陶粒自窯頭落入帶有內(nèi)襯澆注料的殼體內(nèi)。較大結塊物料存于篦板上部，定時由傾出溜子卸出。能通過篦板的物料落入冷卻器主體，熱污泥陶粒依靠自重下落。自然風通過冷卻器下部的兩個進風口由風機送入，經(jīng)中心主冷風帽及四邊四個副冷風帽向上排風，與自然下落的熱污泥陶粒逆向充分接觸，使熱污泥陶粒冷卻。風經(jīng)回轉窯焙燒后的高溫污泥陶粒，由自然風變?yōu)闊犸L進入回轉窯內(nèi)幫助燃料燃燒，熱污泥陶粒的熱能被風帶入回轉窯內(nèi)，實現(xiàn)了熱能的回收利用。熱污泥陶粒在冷卻過程中，在冷卻器主體內(nèi)存留一段時間后，最后通過四個下料管及底部的四個電磁振動給料機出料。物料出口溫度可降至高于常溫60℃左右，通過鏈板輸送機輸送至下道工序。

  4 豎式冷卻器的設計分析

  （1） 豎式冷卻器的關鍵技術分析

  1）冷卻器的通風系統(tǒng)設計

  在豎式冷卻器中，一是要保證在陶粒駐留冷卻器期間，上升的自然風在整個冷卻器的橫截面上均勻分布，二是上升風與陶粒接觸時間長短一致。只有這樣才能保證出口的陶粒冷卻溫度的一致性，也使自然風得到均勻預熱，不出現(xiàn)短路現(xiàn)象。因此，必需具有合理結構的通風系統(tǒng)，對于保證出料溫度、合理利用和分配冷卻風量、提高冷卻效率和二次風溫、節(jié)能降耗都具有重要意義。因此，選擇和確定通風系統(tǒng)的工作機理和結構形式是最重要的一環(huán)。

  為了滿足上述要求，在冷卻器的結構設計中，采取的結構形式是：從冷卻器主體的正方形剖面看，冷卻主體被平均分為四個部分。如圖2所示，一個圓形中心出氣孔布置在正中央，四個正方形的風塔均布在周圍。冷卻空氣由二次風機送出，經(jīng)管道進入冷卻器后被分成五路，一路風由管道直接送入中央的圓形中心出氣孔，穿過其上部覆蓋的料層逸出；其余四路風分別經(jīng)冷卻風室和下部料斗之間的空間向上流動，然后經(jīng)上、下部料斗的間隙，穿過上部料斗中的物料和方形冷卻風塔周圍的物料。這五路風最終又匯集成一股，經(jīng)窯頭罩進窯燃燒。

圖2 冷卻器下部通風口

  2）陶粒的栓塞式落料

  焙燒后的熱陶粒，從窯頭排入冷卻器中，在冷卻器中依靠自重下落，駐留一定時間冷卻后從下部排出。在整個下降過程中，要保證每個陶粒在整個駐留周期內(nèi)與風接觸的時間相等，使沿冷卻器整個橫截面上，陶粒下降的速度基本相同，即料層厚度對上升風產(chǎn)生的阻力基本相同。如果出現(xiàn)落料速度在不同位置有快慢的差別，就會出現(xiàn)在不同橫截面位置的風速不同，使陶粒冷卻不一致。為此，就要求陶粒沿整個截面的下降呈現(xiàn)一種栓塞式落料，如圖3所示。

圖3 冷卻器內(nèi)部物料栓

  這種栓塞式落料就要求，在冷卻器的結構設計中，保證陶粒無論是在冷卻器的壁邊，還是中間某一位置，下降速度一樣。因此，這了保證這一落料要求，一是在冷卻器的下部落料結構設計中，采取與四周的風帽的布置一致的形式，有四個出料口，防止中間先出料，而壁邊后落料的情況出現(xiàn)；二是每個出料中的角度有一定的限制，不能太大，否則也會出現(xiàn)在四個落料口的中心位置先出落的現(xiàn)象。

  3）風量與冷卻器中陶粒駐留量的匹配

  一定的風量從自然環(huán)境溫度上升到所需的入窯溫度所要吸收的熱量，與冷卻器中駐留的陶粒量從出窯溫度降到要求的出料溫度所要釋放出的熱量，這兩方面的熱量需要匹配，以便確定冷卻器的有效容積及風機風量大小。在這方面，需要參照相關的熱力學理論，并同時考慮冷卻器與環(huán)境的熱交換效率，根據(jù)生產(chǎn)量進行換熱計算。

  對于不同的污泥陶粒，所需要的焙燒工藝溫度不一樣，陶粒特性不同，熱能交換也存在差別，需要具體問題具體分析。

  4）風壓與料層厚度的關系

  在本預冷卻系統(tǒng)中，風機選型中，還需要確定風機的全壓。在料層下部的風壓與料層的厚度有直接的關系。只有合適的風壓，才能保證風從料層的下部，經(jīng)過料層到達回轉窯頭。為此，在風機的計算中，不但考慮料層產(chǎn)生的阻力，還要考慮送風系統(tǒng)中管道、彎頭、閥門等因素。

  （2）理論計算

  1）單位陶粒所需冷卻風量^[5]

  式中：L₂-單位燃料燃燒所需空氣量（Nm³/Nm³或Nm³/kg），R'-單位實際燃料消耗量（Nm³/kg或kg/kg），e-次風在燃燒空氣中占有的比例（%）。

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  2）二次風溫度

  設定條件：環(huán)境平均溫度：20℃；入豎式冷卻器的溫度t₁；陶粒出豎式冷卻器的溫度t_1'；冷卻器的散熱損失：通常按15%考慮；計算基準：m₁=1kg。

  其中，收入熱量包含入豎式冷卻器的陶粒顯熱q₁和入豎式冷卻器的陶粒顯熱q₂，計算公式分別為：

  支出熱量包含出豎式冷卻器的陶粒顯熱Q₁、入窯二次空氣顯熱Q₂以及豎式冷卻器散熱損失Q₃，計算公式分別為：

  式中：L₂--單位陶粒所需冷卻風量（Nm³/kg），c_1、c_1'--t₁、t₁'對應，的陶粒比熱（kJ/kg℃），c₂、c₂'--t_2、t₂'對應，的空氣比熱（kJ/Nm³℃）

  達到熱量平衡的狀態(tài)時，有下面的關系式：

  由上式可求得：出豎式冷卻器的空氣溫度，即二次風溫度t₂'。

  3)冷卻器設計結構尺寸計算

  豎式冷卻器的主要參數(shù)主要有冷卻器的冷卻面積、有效容積。這些參數(shù)與陶粒的粒度、換熱效率和陶粒在豎式冷卻器中的停留時間有關，也是確定冷卻器關鍵參數(shù)的主要依據(jù)。根據(jù)開發(fā)與研究豎式冷卻器的經(jīng)驗與現(xiàn)場實際使用情況，總結出的經(jīng)驗公式如下：

  a)豎式冷卻器有效面積

  式中：Ag-冷卻器的有效面積， m²；G-系統(tǒng)有效產(chǎn)量，t/d；K₁-冷卻單位面積，t/m².d，一般取值45～50t/ m².d，系統(tǒng)要求出料溫度低時取小值，反之取大值；K₂-原始條件系統(tǒng)，在高海拔地區(qū)取0.9；

  b)有效冷卻面積的外形尺寸（不含耐材厚度）

  式中：L-方形冷卻器的有效邊長，m

  c）冷卻器內(nèi)物料高度

  式中：H-冷卻器內(nèi)物料高度， m；k-物料冷卻系數(shù)，一般取值1.2～1.5；G-生產(chǎn)規(guī)模，日產(chǎn)陶粒量（t/d）

  5 豎式冷卻器的結構設計

  冷卻器系統(tǒng)主要由四大部分組成，其中豎式冷卻器結構圖如圖4所示：

  （1）窯頭罩：窯頭罩座在冷卻器主體的上部，與冷卻器形成一個整體。在窯頭罩靠近回轉窯的一端裝有窯頭密封裝置。從窯頭偶爾漏出的粉料由窯頭密封殼體下部的兩個卸灰管直接卸入冷卻器主體內(nèi)。

  （2）冷卻器主體篦條及大料清出門裝置：冷卻器主體的截面為正方形，冷卻器設有中心冷卻風帽和分室冷卻風帽。在冷卻器主體上部設有傾斜的篦條和大料清除裝置，以防止回轉窯中的大料或異物落入冷卻器內(nèi)，并將大料和異物及時清除。清出門由電動液壓推桿控制，開啟方便靈活。

  （3）下部冷卻風室及振動出料裝置：下部冷卻風室處在冷卻器主體的下部，內(nèi)有錐形斗，外部四周為風室，風室通過管道與風機相連。冷卻風室的下部設有振動卸料機，與出料錐形斗相連。振動卸料機控制錐形料斗的卸料量，從而控制冷卻器主體內(nèi)部的料層厚度及陶粒在冷卻器內(nèi)的駐留時間。

  （4）支撐裝置：支撐裝置為一框架結構，支撐整個豎式冷卻器，支撐裝置的底部通過地腳螺栓與地基相連。

  這種豎式預熱器的設計特點：

  （1）均為焊接結構件，沒有可動部件，工作過程中，幾乎不用維護。

  （2）冷卻風塔的數(shù)量為(4+1)個，高低錯落、平均分布，冷卻風利用率高，兩個進風口的風量可以分別調(diào)節(jié)。

  （3）每個風塔上部的料層厚度基本一致，利于冷卻空氣對物料進行均勻冷卻，從而保證出料溫度低而且均勻，使二次風溫度能達到700℃左右。

  （4）冷卻效果好，在冷卻方式上，物料至上而下無翻滾、有層次移動，能夠最大限度地保持顆粒的完整性；熱利用效率高，能夠有效地回收剩余熱量，充分利用熱能，為燃料完全燃燒提供高溫助燃空氣。

  6 豎式冷卻器在污泥陶粒生產(chǎn)中的應用

  根據(jù)上述分析結果，分析污泥陶粒生產(chǎn)工藝的特點，設計了豎立冷卻器，并將其應用于工程實際中，在工程現(xiàn)場的安裝圖如圖5所示。在應用中發(fā)現(xiàn)：

  （1）理想的冷卻效果

  高溫陶粒進入到豎式冷卻器內(nèi)，均勻地沿風帽分布并堆積，形成理想的料層狀態(tài)，由通過風帽各層間穿出的空氣對其進行強制、快速、均勻地穿透。陶粒中所含的熱量會在短時間內(nèi)與冷空氣進行激烈的熱量交換而得到冷卻。

  1)理想的冷卻效果，能夠保證陶粒的高性能，防止裂紋的產(chǎn)生，并快速冷卻。

  2)能夠為燃料燃燒提供充足的助燃空氣。

  3)能夠有效地穩(wěn)定火焰形狀、燃燒狀態(tài)和幫助燃料實現(xiàn)完全充分地燃燒。這在回轉窯的整個生產(chǎn)過程中是尤為重要的。

  （2）料層控制

  1)冷卻器內(nèi)料層過厚、過薄。料層過厚，密度增大會壓死風帽，減弱了有效的穿透力，從而改變或破壞窯內(nèi)的燃燒狀態(tài)；料層過薄，物料不能有效地覆蓋整個風帽，造成短路，二次風溫度低，直接沖擊和破壞火焰形態(tài)，漏風點下層堆積物料得不到冷卻，將直接卸出高溫紅料，嚴重危害運輸設備安全^[6]。冷卻器設計中增加激光料位控制裝置，可靠地改善了料層厚度。

  2)冷卻器內(nèi)偏料，物料分布不均。冷卻器內(nèi)因異物阻隔，出料不均衡，造成物料堆積狀態(tài)改變。由此形成料層薄厚不均。物料冷卻效果不均，二次風溫不高且不穩(wěn)定。還會造成卸出高低溫混料或大面積高溫紅料，對運輸設備造成極大的損壞。由于合理使用了篦板結構，防止了超大異物的影響，防止了出料不均現(xiàn)象。

  總之，在生產(chǎn)操作中，隨著對豎式冷卻器性能的不斷了解和掌握，不應以單純的冷卻效果而為之，而應以對整個系統(tǒng)的影響關系為主線指導操作，才能有效地發(fā)揮出豎式冷卻器的優(yōu)勢，促進回轉窯焙燒系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

  7 結論

  通過本文上述的討論，可以得到以下結論：

  1）通過對污泥陶粒生產(chǎn)過程的工藝分析，豎式冷卻器在污泥陶粒生產(chǎn)質(zhì)量改善中起到一定的作用，所設計的豎式冷卻器不但可以有效起到對陶粒成品的冷卻作用，而且可以有效在利用熱能，達到節(jié)能效果。

  2）豎式冷卻器的內(nèi)部風道設計及物料的栓塞式下落，有效地保證了陶粒成品冷卻的均勻性，同樣，熱風上升到窯頭的溫度也得到保障。

  3）根據(jù)污泥陶粒排出回轉窯后需要快速冷卻，然后需要慢速冷卻的特殊要求，可以通過改進內(nèi)部中心風帽與四周風帽的高低以及兩個進風閥門風量的大小達到。

  4）文中給出了豎式冷卻器的換熱計算及結構設計計算方法，對于陶粒產(chǎn)量的不同，據(jù)此可以設計成系列產(chǎn)品，滿足不同客戶的需求。

  對于冷卻技術而言，為了找出改善冷卻器換熱效果的合理方案，可以通過建立仿真模型和仿真計算的方法,找出各個參數(shù)對冷卻器換熱效果的影響規(guī)律,這將是未來研究的重點。

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