1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

文 献 综 述

1.国内外水泥工业篦冷机的发展概况

篦冷机是水泥厂熟料烧成系统中的重要主机设备，其主要功能是对水泥熟料进行冷却、输送；同时为回转窑及分解炉等提供热空气，是烧成系统热回收的主要设备。随着现代新型干法水泥生产技术和装备的迅速发展，以及水泥熟料篦冷机的技术不断提高，高效能、运行可靠的熟料篦冷机成为确保系统生产能力的关键[1]。
在回转窑诞生之初，熟料的冷却为堆放自然冷却，没有专门的冷却设备。19世纪90年代单筒冷却机研制成功；随后在20世纪20年代又开发出多筒冷却机；单筒冷却机与多筒冷却机均属于逆流式气固换热装置，其熟料的冷却主要靠冷却空气的对流与穿流结合带走热量而完成，具有工艺流程简单、无废气与粉尘排放、不需配风机等优点。但是由于其冷却量受到限制、出冷却机熟料的温度较高、热损失较大、对熟料难以起到骤冷的作用、冷却能力有限、冷却后的熟料品质低等缺点，逐渐退出历史舞台。1929年，德国伯力鸠斯公司生产出回转篦冷机；1937年，美国富勒公司推出推动篦冷机；此后到 1980年前，冷却机技术处于”百花齐放”的时期。在此期间，由于推动式篦冷机在冷却能力及配合NSP窑方面的显著优点，逐渐脱颖而出。1980年后，推动式篦冷机逐渐成为当代熟料冷却所采用的主要设备，占据市场的主要地位。在目前新建的水泥生产线中，推动式篦冷机的使用比例高达95%以上。其示意图如图1-1所示，工作原理如图1-2所示[2-3]。

图1-1 篦冷机示意图

图1-2 篦冷机工作原理图

篦冷机的工作原理是从窑头落下的高温熟料铺在进料端篦床上，随篦板向前推动铺满整个篦床，冷却空气从篦下透过熟料层，冷风得以加热，入窑作燃烧空气用，在此过程中熟料得以冷却。

1.1 国外水泥工业篦冷机的技术发展

1937年,首台篦冷机在美国投产，迄今已70年，在此期间，篦冷机已从第一代薄料层篦冷机、第二代厚料层篦冷机、第三代空气梁可控气流篦冷机发展为第四代无漏料篦板的熟料冷却机[1-5]。

1.1.1 第一代篦冷机

第一代篦冷机篦床设计的运行部件的主梁是横向布置，为运送熟料需作纵向运动，横向的主梁在作纵向运动时很难做到密封，在生产过程中，冷风从隔仓板上端漏出,形成篦下内漏风，因此冷却效率不高，料层较薄，一般在100mm~200mm左右，冷却风量为2.8~3.2Nm3/kg。此类篦冷机在20世纪中期大量用于烧成系统装置上，成为当时冷却装备的主流。

60年代预热器窑逐步走向大型化，窑产量最大为4000t/d, 70年代预分解技术出现后，窑产量成倍增加，产量更高，出篦冷机熟料温度高，废气温度高，入窑二次空气温度低，冷却效率低且事故率高，运转率低下，必须提高篦冷机的单位面积产量，才能满足扩建需求，第一代薄层篦冷机难于满足烧成工艺进展。

1.1.2 第二代篦冷机

冷风不易透过高温熟料层或者阻力较大的细颗粒熟料料层，而易透过低温熟料和阻力较低的料层，这种状况表明，只有缩小通风面积才能提高通风效率。人们根据这个原理，开发了第二代厚料层篦冷机（70年代-80年代）,其特点如下:

1）采用分室通风，第一室面积缩小至3排篦板，以后各室按工艺需求，确定通风面积。

2）一室第一排篦板采用活动篦板，避免熟料堆积。

3）细颗粒侧的篦板外形有利于输送和冷却细颗粒。

4）篦床下的大梁采用纵向布置，有利于各室之间的密封，减少了内漏风。

5）根据各室料层阻力和风量需求，设置风机。

冷却风量为2.1~2.3Nm3/kg熟料，料层厚度从原有的100mm~200mm，逐步增至500mm~600mm，单位篦床面积负荷从原有的18~20t/m2#8729;d提高至36~38t/m2#8729;d，缩小各室的通风面积，改善料层阻力，加强密封，以便控制冷风透过，提高冷却机效率，成为第二代篦冷机优化创新的突破点。

1.1.3 第三代篦冷机

自20世纪80年代中期，IKN公司创始人冯#183;韦特开发出新型的阻力蓖板后，各种新技术相继问世，蓖冷机的发展进入一个新的阶段。这种具有阻力蓖板和空气梁供风系统的蓖冷机称为第三代蓖冷机。它的特点是:

1）热交换以排为单元，冷却面积小，有利于冷风透过料层。

2）设计的篦板阻力较不同颗粒级配堆积的料层阻力相对较高,这样可以做到不同颗粒级配的料层对气流的阻力大致相当，冷风较为均匀地透过料层。

3）按各排阻力及面积来配置冷却风量，从而做到调节控制空气量来冷却熟料。

4）空气梁不易漏风，密封性能好。

5）在低温部位，为了节省电能，采用分室通风。

工业废弃物的大量应用，给第三代篦冷机操作带来了一定程度的困难，冷风难于透过粉状熟料料层，未冷却的熟料量增多，冷却效率低，设备事故率高。此外，第三代篦冷机另一缺点是结构较为复杂，篦下需设置拉链机，占用高度大。因此，改善通风效率，简化装备结构，采用模块结构，降低装备高度，已成为第四代冷却机发展的方向。

1.1.4 第四代篦冷机

从90年代末开始，一些新型冷却机开始出现，其进料部位与第三代可控气流通风完全一致，而后部出现变化，大致有二种结构，无漏料篦板，熟料在固定充气篦板的料层上通过机械推料装置对熟料进行输送。冷风透过料层对熟料进行冷却，此类冷却机以FLS公司的SF交叉棒式冷却机和Polysius公司的PolyTRACK冷却机为代表，另一种是熟料堆积在槽型活动充气不漏料篦床上，随活动篦床输送向前运行，冷风透过料层,此类冷却机以BMH的η冷却机和KHD公司和PyroSTEP冷却机为代表，成为当前水泥工业冷却机发展的主流[6-13]。

一、SF交叉棒式篦冷机

90年代末出现的SF交叉棒式篦冷机，改变了传统的推动篦板推料的概念，利用篦上往复运动的交叉棒来输送熟料，使篦冷机的机械结构简化，固定的篦板便于密封，熟料对篦板的磨蚀量小，没有漏料，篦下不需设置拉链机，降低了篦冷机的高度，SF交叉棒式篦冷机的另一特点是每块篦板下设置机械气流调节器(MFR)，该调节器的原理是根据料层上不同部位的颗粒大小不均和料层厚度不均造成气体透过料层不均时，机械气流调节器根据阻力大小来调节,自动调节阀板的角度，从而确保气流透过料层，使料层上的熟料得以冷却。

二、PolyTRACK冷却机

2001年Polysius开发了无漏料篦床的板式输送PolyTRACK冷却机，该机底部为一厚板，上面设置若干输入装置，物料随输送装置向前运行。冷却空气透过料层使熟料冷却具有如下优点：进料部位采用空气梁阻力不动篦板, 确保熟料得以冷却；水平布置不动的无漏料篦板篦床，下层不需设置拉链机，占地高度小；输送效率高，装备事故小，运转率高；模块设计，安装快，维修简单；操作灵活有利于细颗粒熟料冷却，冷却效率高。

三、η型冷却机

2004年，BMH公司推出了一种全新概念的η型冷却机，该机由进料部位和无漏料篦床的槽型熟料输送通道单元组合而成,完全改变了篦冷机熟料运行方式。η冷却机仍然采用分室通风原理, 和其他型式的篦式冷却机不同之处在于，η冷却机不仅在横向，而且在纵向段节均可分室，通过室侧通风，使冷却机二侧不易通风的部位，得以足够的冷风来冷却熟料，保障了此部位熟料冷却，η冷却机根据冷却机规格配置辊式破碎机，每条输送通道单元均用液压传动，配置了雷达水平测示和红外线测温装置等一些先进技术的产品和部件，确保熟料得以冷却。

PyroSTEP( PyroFLOOR)冷却机的结构与η冷却机较为相似，但篦下设置了机械气流调节阀，该机于2005年开始投入生产，规格为3300t/d.

1.2 我国水泥工业篦冷机的技术进展

国产篦冷机是60年代开始试制的，第一代篦冷机投产于60年代中期，主要配用于3.5m#215;145m湿法窑(600t/d)和4m#215;60m立波尔窑(800t/d)。有3m#215;14.7m和2.2m#215;12.6m两种规格。与国外相距约30年[14]。

随着预分解窑的技术进展, 我国天津水泥工业设计研究院和沈阳水泥机械厂引进了美国富乐公司的第二代技术。在80年代中期，通过试验，自行研制了第二代厚料层篦冷机，而后逐年扩大应用，与国外第二代相距了约20余年。

沈阳水泥机械厂与天津院在90年代初期就着手联合开发具有中国特色的第三代技术。在试验方案完成了设计后，首先进行冷态的测试，对于风量风压的试验掌握了最基本的参数。然后于1994年10月在北京燕山水泥厂700t/d篦冷机上进行了为期一个月的工业试验,采用了仅对第一室的前三排固定蓖板进行试验。经过试验取得了新型蓖板对炽热熟料淬冷的功能，冷却机理及新型蓖板选材、结构及高温强度、高温刚度、抗热磨损及耐热腐蚀力能力的第一手资料。开发出具有自主知识产权的第三代空气梁篦冷机,与国外产品相距不足十年。

各代篦冷机指标参数对比

指标参数	单位篦面产量（t/m2#183;d）	单位风耗（Nm3/kg熟料）	料层厚度（mm）	二次风温（℃）	三次风温（℃）	出料温度（℃）	高温篦板平均寿命（月）
第一代	20~30	4	≤200~300			≥200	≤2
第二代	38~43	3	≥600	900~1000	700	≤65 环温	≤6
第三代	45~60	2	≥700	1150~1200	720	≤100	12~18

天津水泥工业设计研究院有限公司在长期大量的工程实践中，通过对篦冷机的结构型式进行大量的优化改进研究，从减少篦冷机故障率提高运转率，提高热回收率，简化装备结构，降低装备高度等方面进行了深入研究和模拟试验，推出了新一代的TCFC型第四代行进式篦式冷却机，该设备具有模块化设计，依料床变化自动稳定冷却风量，无漏料等特点，应用了包括空气流量控制阀（STAFF阀，TC阀）和特殊四联杆机构的传动支撑系统在内的多项专利技术。采用国际先进的Walkingfloor行进式原理，通过模块化等一系列优化设计，真正实现了篦冷机的高效，低故障率。目前已得到了大量的工程应用，截至2010年4月，其系列产品已签约42台，经过一年多的生产实践表明其热回收率高，用风量少，运行稳定，维修方便。该产品的开发成功对我国新型干法水泥节能降耗意义重大，经济社会效益显著[15]。

参考文献：

[1]陈友德,刘继开. 四代篦冷机的技术进展[J].中国水泥,2007,06:51-56.

[2]李海滨.篦冷机熟料参数测量及控制模型研究[D].燕山大学,2006.

[3]熊会思.我国水泥熟料冷却机的现在和将来(一),新世纪水泥导报,No.2,2000,19-22.

[4]侯勋伟,满沅澧.国外新型熟料冷却机技术性能简介[J]. 水泥工程,2005,06:52-54

[5]冯绍航. 篦式冷却机的换热理论研究[D].西安建筑科技大学,2004.

[6]凌庭生,张长乐,程竹松. 水泥熟料篦冷机的发展和应用[A]. 2011中国水泥技术年会暨第十三届全国水泥技术交流大会论文集[C].中国硅酸盐学会科普工作委员会、建筑材料工业技术情报研究所、全国水泥科技情报信息网:2011:8.

[7]篦冷机”红河”的生成原因和解决途径.陈友德,水泥No11/1998,P1-5.

[8]Modern reciprocating grate Cooler.By DMuller,ZKGNo4/2003,P45-P53.

[9]The Cooling Truth.By Mads Jespersen,W.C No6/2003,P69-P72.

[10]Hyundai Cement' s succeseful Inslallation of a new Cooler inlet.FLS REVIEW NO140.

[11]A New generation,W.C No12/2003,P55-58.

[12]Successfully on TRACK,W.C No3/2005,P73-76.

[13] Giant leaps for the PyRoSTEP.ICRN10/2004,P68-P70.

[14]周希杰,赵勇,吴威.我国篦冷机技术的发展[J].辽宁建材,1998,03:36-38.

[15]陶从喜,孙义飞.TCFC第四代行进式篦冷机的研发及应用[J].中国水泥,2011,02:55-58.

2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

本课题的研究方法

当前能源利用效率的研究主要集中在两种方法：一是基于热力学第一定律的热平衡方法，二是基于热力学第一定律和第二定律的火用 方法。

热力学第一定律指出进入系统的能量等于系统输出的能量和系统内能的变化量之和。热平衡方法依据的是能量的数量守恒关系，通过分析，揭示出能量在数量上转换、传递、利用和损失的情况，确定出某个系统质的能量利用或转换效率。由于这种方法和得到的评价指标是基于热力学第一定律基础之上的，因此称为”热平衡方法”。火用 方法依据的是能量中火用 的平衡关系，即热力学第一和第二定律。通过分析，揭示出能量中火用 的转换，传递、利用和损失的情况，确定出该系统或装置的火用 利用效率。由于这种分析方法和评价指标是基于热力学第一和第二定律基础之上的，故称为”火用 方法”。

1. 热平衡分析法

其主要计算是以热力学第一定律为基础，将热效率为其指标，从能量的数量方面分析能量的利用情况，可清晰地表明燃料的能量利用率和热损失的表现形式。其主要热力学指标为”热效率”ηt，定义为：

ηt==

热平衡分析法主要是从热平衡概念出发，用”热效率”和”热损失”指标来定量地表明能量的转换效果和估计节能潜力的大小；或绘出热流图、列出热平衡表，从中看出有多少能量被损失和在什么部位损失，多少能量最终被有效利用。 它的基本内容包括：

(1) 依据能量系统的热力学模型，进行系统的能量平衡；

(2) 依据能量平衡，计算热效率，用以评价用能系统的优劣；

(3) 计算各项热损失，以获得用能系统热损率的分布。

由热分析法可以找出用能系统中热损率最大的薄弱环节和部位，为改进设备的用能状况提供理论依据。

2. 火用 分析方法

火用 的定义是在除环境外无其它热源的条件下，当系统由任意状态可逆地变化到与给定的环境相平衡的状态时，能够最大限度转换为有用功的那部分能量称之为火用 。所谓与环境相平衡是指与环境达到热平衡、机械平衡和化学平衡，即与环境的温度、压力相等而且与环境的成分相同的状态。通常取大气、地表和海水条件作为环境状态。

常用的火用 有 动能火用 ，热量火用 ，物理火用 ，化学火用 ，反应焓火用 ，物质的内能火用 等。

2 .1 火用 分析的概念

以热力学第一定律和第二定律为基础，以火用 效率作为指标，从能量的量与质两个方面分析能量的利用情况，其主要计算是对设备进行火用 平衡计算，故又称为”火用 平衡法”。其主要热力学指标为”火用 效率”ηe，定义为：

式中：Eeff为有效利用的火用 ，Eexp为消耗的火用 ，EL为火用 损失。

火用 分析是一种有效的节能诊断法。在实际应用工程系统中，火用 分析可以在三个层次上进行：

(1) 计算出系统内部所有元件的不可逆损失与外部不可逆损失，明确引起的原因。

(2) 根据系统内部和外部损失，计算系统内部以及穿过控制面各种形式的火用 流值，使之能够计算相对特性一火用 效率、各元件中的火用 权重和火用 产量。

(3) 火用 分析和火用 的不等价性相联系，求取工程系统热力学优化因素。

2 .2 火用 平衡原理与火用 平衡方程

众所周知，在任何实际能量系统或任何实际过程中，总是存在着这样或那样的不可逆性。将火用 损概念应用于能量系统可以导出能量系统中各种火用 流的关系，如图1所示，考虑稳流条件下组元j的火用 平衡，假定过程吸热对外做功，且组元的火用 传递量分别为，，W，，可以写出：

式中： ，分别为进入及离开组元j的火用 流率；与W分别为所交换的热火用 及功；Dk为组元的火用 损。上式表明：输入系统的火用 恒等于系统的有效输出火用 与系统的各种火用 损之和，这就是火用 平衡原理。

图1 能量系统的火用 平衡模型

2 .3 火用 损失

在实际过程中，火用 在传递过程中被耗散部分称为火用 损。火用 损按其分布情况分为内部损失和外部损失两种。与系统内部进行过程的不可逆性有关的损失，称为内部火用 损，也称火用 耗散，如设备中的节流、流体阻力、机械摩擦、有限温差传热和浓度差等；与系统接触的环境条件有关的损失，称为外部火用 损，也称火用 损失，如锅炉烟气的排放损失、与热绝缘的不理想有关的损失等。

2 .4 火用 分析的评价准则

由火用 基本方程和通用方程可以直接得到两个火用 分析的评价准则：热力学完善度和火用 效率。

热力学完善度是是用能过程中输出火用 与输入火用 之比，其定义式为：

表征了系统或设备在热力学上的完善程度，通常0lt;lt;1，的值越大，过程的热力学完善程度越高。

火用 效率是一种相对效率，它反应了实际过程偏离理想过程的程度。有普遍火用 效率和目的火用 效率。普通火用 效率表示工艺过程的完善性，而用目的火用 效率表示工艺设备的完善性。

普遍火用 效率考虑了系统输入火用 和系统输出火用 之间的关系，但它未能根据系统的不同性质、目的和任务进行具体分析，不能如实反应系统和过程能量利用的具体情况。目的火用 效率只包含了产品火用 ，把副产品火用 撇开，表达了输出火用 中实际到底有多少被真正利用了。因此深入细致地分析火用 的分类，火用 损失和过程或系统的分类是正确定义火用 效率的关键。

2.5 火用 分析的分析准则

辨识能量转换、传递和使用过程合理性的准则就是分析准则。分析准则有两种： 火用 损率d和火用 损失系数。

火用 损率是某过程或环节的局部火用 损失与系统总火用 损失之比，即：

火用 损系数定义为以输入火用 或代价火用 为基准时局部火用 损失所占的比例，即

它不仅可揭示各环节火用 损失的相对大小，而且还能明确地看出火用 利用的程度。

2 . 6 火用 分析法的意义

①　火用 损是热力学系统统一的损失尺度。通过火用 分析，就可以将各环节。各种损失，统一用火用 损来表示

②　火用 完善性是热力学系统完善性的统一尺度。实际的热力学循环都要因为摩擦、传热等不可逆因素，或多或少造成损失，这是不可避免的。用统一的完善性尺度#8212;火用 效率来统一评定各热工设备的质量优劣是一项有意义的工作。

③　火用 分析是确定系统薄弱环节的重要手段。对系统进行火用 分析，不但能逐一核算系统各组件的火用 效率，还能准确找出关键问题所在，成为系统分析最有用的分析方法之一。不仅如此，火用 分析还是寻找系统最优参数的有用方法。

④　火用 分析是提高系统用能效率的重要保证。能量不但有量的大小，还有质的高低。那么，显然在用能的过程中，不但要注重量的保证，还有注重质的匹配。

3. 热分析与火用 分析的比较

序号	名称	热效率分析法	火用 效率分析法
1	内容	能量的数量分析	能量的数量和质量分析
2	依据	热力学第一定律	热力学第一和第二定律
3	原理	能量守恒（总能量守恒）	能质贬值（做功能不守恒）
4	公式	输入能=输出能 体系能量变化 (能量平衡方程式)	输入火用 =输出火用 过程火用 损失 (火用 平衡方程式)
5	性质	不同质的能量平衡 （能的数量平衡）	相同质的能量平衡 （能的质量数量平衡）
6	评价指标	热效率（性能、热经济指标等）	火用 效率（能的品位、作功能力指 标等）
7	衡量标准	不确定，其值可在很大范围变化，对循环热效率为	确定，以可逆循环为最高，在0-1 之间变化。
8	构成分析	能=各部分能量的数量和	能=做功能 不做功能=火用 火无
9	损失	主要是向周围环境散失的能， 如跑、冒、滴、漏、散热、排烟等无效热，为外部损失，是能的数量损失	主要是由不可逆造成的内部损失， 也有外部损失，以能的损失为主

从火用 分析法和热分析法的比较中知道，以热力学第一定律和第二定律为依据的火用 分析理论，无论科学性，还是对实践的指导作用，无疑要比任何其它能量分析法要优越。在我国经济飞速发展，工业生产规模和产值成倍增长，能源供需矛盾日益尖锐的今天，假如我们仍然只用热效率这个指标来评价用能水平，那么纵然浪费现象可以得到有效扼制，但是能质浪费严重的状况将会存在。所以，如何合理利用火用 和提高火用 效率便成为能源建设和能源设备改造的重要课题。本论文在对余热发电系统进行热平衡计算的基础上也做了火用 平衡计算，不但反映了整个余热发电系统的外部损失如散热等损失，而且还揭示了能量转换利用过程的内部损失，即不可逆过程损失。