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降低运行维护成本的第三代熟料冷却机

David Carichner, Nathan J. Murphy

摘要：该公司拥有一台已有45年历史的原装第一代往复式篦冷机，应进行全面改造。窑炉生产线的其余部分已经随着时间的推移进行了更新，这导致了产量的增加，但冷却机从未更新过。通过原始设备供应商(OEM)、企业工程团队和工厂人员从项目构思到项目完成的强有力合作，公司得以实施最新一代的熟料冷却器技术。运行工况表明，燃料消耗和电能消耗得到明显的节省。此外，最终产品强度的提升使得成品水泥的Blaine值（指勃氏比表面积）得以降低，这有助于公司应对当前和未来的市场挑战和机遇。

1. 引言

预热式干法4号线 (图1)最初于1972年被设计出来并以1800 stph（美吨/小时）的额定产能投入生产，用以替代3个较老的旧式长窑。预热式生产线随后在接下来的30年中进行了升级，包括分解炉、预热器、回转窑、生料立磨，以及降液管和集尘室的升级。这套设备使得额定熟料生产能力达到3200 stph。但在这30年的改进过程中，篦冷机没有升级。

图 1位于美国亚利桑那州南部的公司水泥厂

公司与原始设备供应商(OEM)合作，用新型往复杆式篦冷机系统取代了原来的往复式篦冷机系统。改造内容包括：更换所有的冷却机内件，改装篦冷机外壳，安装新的固定入口，将锤式破碎机更换为机电式辊式破碎机，更换所有风机，将煤磨机热风出口从三次风管移至篦冷机通风管。与之前的系统升级不同，这次升级不是为了增加每小时生产量，而是为了减少因维护而导致的停机时间，降低燃料和电力消耗，并提高水泥强度。

1. 熟料冷却机系统改造
2. 熟料冷却机内件

项目的核心是将现有的往复式篦冷机更换为往复杆式篦冷机(图2)。新型往复式杆式篦冷机的特点是运输系统和冷却系统分离。一条固定的篦板管将活动区域与炉底风室分隔开，避免了运输系统漏料的情况。配风板配有机械流量调节器。采用5行可控制长度的移动杆进行运输，可以提高运输效率和便于水平安装。

图 2新篦冷机视图

篦冷机安装了固定进风口，这种可控制进风口由5排的阶梯固定板组成，并配有机械流量调节器。

正如McKervey等人所说的那样。[l]：

“这种设计结合了固定进风口的优点--使用寿命长、冷风分布好--与气力输送熟料的优点--熟料分布好、消除了“雪人”现象。

入口采用了图3所示的机械流量调节器技术。鼓入的空气通过与冷却风相同的入口进入篦板。鼓风在每个篦板的上面三层进行。当鼓风机接合时，从炉底排出的气流会被阻挡，并防止鼓风进入炉底。这些气流减少或消除了“雪人”的形成。在进入风室之后，篦冷机的其余部分由一条水平宽43排(相当于篦板长度)篦板组成，篦板由一系列宽5排，长7排的标准单元构成。单元完全组装在一起，便于安装。

图 3进气口提供冷却和喷射[l]

篦板由不锈钢装配式配风板和可更换部件组成。篦板在运行过程中是完全静止的，不需要使用溢流传送带。

图 4机械式空气流量调节器[l]

每个篦板都配备了一个机械流量调节器(图4)，这是一个加权自动空气阻尼器系统，它可以随着熟料层深度的变化而打开和关闭以调整冷却空气压力(图5)。驱动板穿过篦板，但用迷宫式异型板进行密封，以最大程度地减少驱动板周围的空气泄漏，防止熟料泄漏至炉底隔间。

图 5不受过热条件影响的恒定风量[l]

驱动板由安装在篦板下的液压缸驱动。熟料的输送由安装在篦板上方传动板上的往复杆来控制。往复杆通过销固定在适当的位置，这将实现在物品磨损时轻松更换。

液压驱动是一个闭环液压系统。每个驱动系统都配有一个安装在机柜上的可编程逻辑控制系统。动力装置预装在一个滑块上，包括：带有液位开关的蓄水器、温度传感器、机油加热器以及机油过滤和冷却系统。每个驱动器都有一个泵系统。提供一个备用泵，以便在不关闭任何驱动器的情况下进行维护。”

最初的篦冷机是阶梯式设计，第一个驱动是8个篦板宽，第二个和第三个驱动是10个篦板宽。新的篦冷机要与10个篦板宽的占地面积适配，因此需要更换第一段的外壳。图6突出显示了新的篦冷机外壳的区域。

1. 重型辊式破碎机

图 6篦冷机外壳图

最初的锤式破碎机被定义为需要高强度维护的用户。破碎机每4-5个月就需要进行彻底检修，每次检修会花费12-24小时的停机时间。

该机器由一系列齿辊组成，用于输送、筛分和粉碎物料(图7)。熟料落在沿熟料流动方向旋转的单个传送辊上。该辊用来筛选出较小的熟料颗粒，筛选出的颗粒将通过传送辊和第一个破碎辊之间的缝隙。较大的颗粒被输送到向相反方向旋转的破碎辊，并将熟料分解成更小、更均匀的颗粒。然后，破碎后的熟料从辊式破碎机落入卸料斗，再落入现有的拖链输送机。

图 7新重型破碎机外观

1. 熟料输送

公司和原始设备制造商还对熟料运输系统进行了分析。工厂采用普通拖链输送机输送破碎后的熟料，然后熟料从往复式篦冷机落下。由于拖链状况良好，有足够的能力支撑新的往复杆式篦冷机，公司选择保留这一部件。缩短了拖链的长度；消除了先前漏料的部分。

1. 篦冷机炉底风机

篦冷机炉底风机也引起了关注。所有的风机都至少25岁，有些超过40岁。现有的风机中有4台是中压风机，这给公司带来了挑战，因为公司希望取消阻尼器控制，并使用变频驱动器来控制风机性能。在分析了现有的风机后，确定了2个可以使用的风机。然而，改造风机所需的预期成本和时间远远超过了使用新风机的成本。于是，公司安装了7台配备变频驱动器的新风机，运行速度为2.335 Nm³/kg.cl。

风机的位置也改变了。最初的设计中，所有的风机都安排在在篦冷机的北侧 (图8)。为了减少项目执行期间的停机时间并减少停机工作的复杂性，公司选择在篦冷机的南侧安装四个新风机(图9)。

图 8旧地下风机的视图

1. 煤磨机排风口

图 9新地下风机视图

煤磨机排风口位于三次风管内，紧接在三次风出口之后(图10)。气体通过排出的空气进行回火，然后使其通过旋风分离器，并在进入煤磨机之前通过排出的空气再次回火。煤磨机温度高导致煤磨机系统内发生两次爆炸，这是一个非常重要的安全问题。另外，虽然旋风分离器和三次风中的高品位热被浪费，但是压降降低了煤磨机的功率。

图表 10原煤磨机风管视图

项目组发现一种将气体直接从篦冷机的通风口排到煤磨机的方法，其所需的排气量较少(图11)。项目组还发现，气体不需要在旋风分离器中除尘，因为可以通过改变磨机和燃烧器的操作，以适应更高的粉尘浓度。

排风方式的改变导致燃烧器管内煤中边缘有效灰分的增加，但为煤磨机和集尘室风机节省了风机功率。

图表 11搬迁后煤磨机排风管视图

第一阶段：安装和调试时间表

• 2016年2月8日-风机基础和液压机房开始现场施工
• 2016年2月8日-因篦冷机工作和计划维护而停窑(意外提前停机)
• 2016年3月-开始冷调试和信号测试。
• 2016年3月15日-篦冷机和窑罩开始耐火工作
• 2016年4月9日-11日-篦冷机液压系统空载试运行40小时。
• 2016年4月12日-耐火材料干涸·2016年4月12日-窑预热开始。
• 2016年4月14日-篦冷机带负荷运行，产量稳定在80%。
• 2016年6月27日-首次性能保证测试通过

项目成果
熟料降温	96(F)
耗油量	-7.1%
耗电量	-10%到-20%
产品质量改进(Blaine值降低)	4%
三次风温升高	259(F)

1. 结论

在与原始设备供应商建立了长期、成功和健康的关系的基础上，公司对亚利桑那州的篦冷机系统进行了升级。篦冷机、新的固定进风口、带VFD的新炉底风机和重新安置的磨煤机出风口的成套方案，使总体燃料消耗降低了7.1%，电耗降低了10%-20%，同时使水泥Blaine值降低了4%。

1．简介

离心风机广泛应用于工程的各个领域[1-6]。在汽车行业中，风机用于冷却内燃机[7，8]。高性能发动机需求不断增加，为了将发动机温度保持在理想范围内，对冷却性能的要求也越来越高。使用性能优异的风机来散热对发动机的整体性能至关重要[9，10]。风机的能量来自发动机产生的动力。在车辆水平测试中使用时，风机必须克服较高的系统电阻。

图1 (a)向后弯曲的叶片风机，显示叶片如何由于安装附件而被切割(b)描绘风机参数的线图。

mu; 空气动态粘度，kg/m-s

RPM 每分钟转速

CAD 计算机辅助设计

CFD 计算机流体力学

定义

流量系数

压力系数

效率

功率系数

命名和缩写

A 进口面积，mm²

P 压力，pa

Pt 总压差，pa

Q 容积流量，m³/s

Nb 风机叶片数

Phi;₀ 叶片出口角

Phi;_I 叶片出口角

r₀ 风机外半径，mm

r_i 风机外半径，mm

d_r 直径比

k 湍流动能

u 平均速度，m/s

T 风机扭矩

v 速度，m/s

ur 相对速度，m/s

alpha; 入口角，度

beta; 出口角，度

phi; 蜗角，度

delta; 克罗内克函数

ε 耗散率，m²/s³

rho; 密度，kg/m³

tau; 剪切力，N/m

在汽车行业中，测试风机降低发动机温度性能好坏的一种方法是将风机直接安装在发动机冷却系统上[11，12]。然后，发动机以设定的速度运行一段特定的时间。测量发动机各部件的温度，直到达到稳态[13，14]。然而，这种方法有许多缺点。首先，由于系统电阻高，设计的不同条件下的风机无法正确评估。第二，这是一个耗时的过程。第三，它需要整个发动机冷却系统到位。因此，在这种情况下，叶片数量、直径比、出口角度等不同风机参数的影响使其无法得到正确评估。在本文中，我们证明了在高阻系统中测试风扇的真实性能是不可能实现的。第四，根据图纸制造出来的风机和测试中使用的风机通常是不同的。这是因为将风机安装在发动机上要用到螺母和垫圈。为了容纳这些安装附件，需要切割几个风机叶片(见图1a)。而按照图纸的设计，叶片是统一规格的。与规格一致的叶片相比，切割后的叶片会影响风机性能。在本文描述的实验装置中，由于创新的安装系统(已申请专利)，叶片保持统一长度。并将统一叶片的参数化实验和CFD模拟得到的结果进行了比较。

向前和向后弯曲叶片风机的功耗和效率是汽车行业的关注的一个问题。普遍认为，向前弯曲风机效率低，并且消耗更多由发动机产生的动力[15、16]。因此，在给定的发动机规格条件下，使用何种类型的风机是一个两难的问题。在本文中，我们量化了这些风机的效率和功耗，并在发动机上测试了车辆里程的变化。观察到，即使向前弯曲风机的功耗增加了42%，效率降低了4.5%，里程数的下降也不显著。

此外，给定发动机冷却系统所需的风机叶片数量不能从理论上确定，只能从实验上找到[17]。因此，需要进行一项研究，提供叶片对功率系数、流量系数、压力系数和效率的定量影响[18]。在本文中，介绍了离心风机的实验装置和CFD模型。研究了不同工况下风机参数对风机性能的影响。

本文组织如下：第二节介绍了实验装置和测量方法，第三节介绍了CFD模型和实验结果的验证，第四节给出了结果和讨论，第五节给出了结论。

1. 实验装置

在本节中，我们将简要介绍蜗壳、壳体、轴和风机的设计。该实验装置的主要目的有三个：一是阻力较小的风机测试装置，二是能够安装均匀叶片长度的风机轴设计，三是风机功耗的精确测量。这些因素将使我们能够对CFD模型进行一对一的验证，并对风机性能进行进一步的参数研究。

2.1 .蜗壳和壳体设计

离心风机由蜗壳包围，蜗壳与侧壁一起构成壳体的一部分。由于车辆和发动机的设计，车辆中使用的蜗壳和整流罩十分复杂，阻力很大[13]。因此，在实际的发动机冷却系统中对风机进行测试是非常困难

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