CN101208573A - 用于处理颗粒物料床层的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种由空气分配底板5支承的颗粒物料层6。在分配底板5下方存在一个或多个隔间7，每个隔间被供以来自鼓风机设备8的冷却空气。分配底板5被划分成多个较小的区域9。每个较小的分配区域9通过管道10、11和12与隔间7相连接。管道10具有固定的管口面积。管道11和12具有浮体13A/13B、止挡端14A/14B和底部支承件15A/15B。从而能够减小穿过空气分配底板的总的压力损失，并且，无论物料层的组成和在分配底板上的分布如何，都使通过物料层的处理空气的流量按照希望的方式分布在整个分配底板上，并且实现最优的热交换效率。

Description

用于处理颗粒物料床层的方法和设备

技术领域

本发明涉及一种用于冷却由空气支承的颗粒物料床层的方法，在将颗粒物料从空气分配底板的入口端水平地输送到出口端的同时，空气经由管道从一个或多个下层隔间以分区的方式传输并被引导向上通过空气分配底板和物料床层。

本发明还涉及一种用于实施本发明的方法的空气流动装置。

背景技术

包括空气分配底板的装置的一个示例是用于冷却例如水泥熟料的冷却器。在这种冷却器中，主要目的是实现熟料和冷却空气之间的令人满意的程度的热交换，以使得包含在热熟料中的大部分热能返回到处于冷却空气中的窑炉系统，同时将熟料以非常接近于环境温度的温度排出冷却器。实现令人满意的程度的热交换的先决条件在于较好地限定通过熟料的冷却空气的流量。

但是，关于从安装在冷却器前面的窑炉排出的水泥熟料的冷却，已经出现熟料不总是在冷却器的宽度上均匀地分布的问题。相反，熟料倾向于分布成较大的熟料块主要位于冷却器的一侧、而小的熟料块位于另一侧。另外，熟料床层的厚度沿冷却器的纵向和横向均有变化。由于与穿透较小熟料块的床层和/或较厚的床层相比，冷却空气更易穿透较大熟料块的床层和/或较薄的床层，并且由于冷却空气必然总是沿阻力最小的路线行进，因此，熟料的任何这种不均匀分布常常导致较小的熟料物料不能充分地冷却，从而导致在冷却器中形成热区，即所谓的“红流(red river)”。熟料的这种不均匀分布还会导致冷却空气在阻力最小的区域中由于通过该区域的熟料床层的空气流量较高而轻易地过度冷却熟料。

当空气受热且如果压力保持不变，则空气将遵循热力学定律膨胀。

当区域中确实具有较薄的熟料床层时，则如上所述，该较薄的熟料床层成为空气流过的优先路径。在将熟料冷却至比处于较厚环境中的熟料更高的程度之后，随后通过的空气将由于较冷的熟料而不会被加热到相同的水平，因此，空气将不发生膨胀。不发生膨胀将导致经过熟料床层时的压力降较低，这又将导致更多的冷空气特别在该区域中穿过。通过使作为可压缩介质的空气穿过熟料床层的冷却过程的不稳定性显然是不可避免的。这种不稳定性的结果还导致热交换效果降低。

为了在与熟料进行热交换之后获得返回工艺过程的最高可能的空气温度，冷却器的热交换效率非常重要。

近三十年来，由于整个窑炉系统在燃料消耗方面日益高效，因此燃烧该燃料量所需的空气量也减少了。随着空气量的减少，对于相同的熟料量，提高了对高热交换效率的需求。在20世纪80年代，增加了空气分配底板区域中的管口面积尺寸。这导致在整个空气分配底板中的空气分配更加困难，并且因此导致整个空气分配底板中的流量的差异受熟料层中的任何压力差异的影响程度不同。但是，这由于越过管口的较高的压力差而导致较高的隔间压力。因此，向隔间供应空气的鼓风机将消耗更多的电力。

在PCT/US96/02971中，一种机械式流量调节器被授予专利权，其中，每个流量调节器的连续调节可直接响应于空气流动状况自动变化。

对于熟料尺寸均匀的熟料床层的理想冷却，由于在熟料床层内有湍流发生这一事实，通过熟料床层的压力损失与熟料床层的高度和空气流量的平方成正比。

在出现较低的熟料床层时，应局部地减小流量。

在PCT/US96/02971中提及，除恒定流量外，当具有穿过装置的增加的压阻时也有流量减小的可能性，这应与穿过熟料床层的流动阻力的减小相对应。然而，这会导致整个冷却器/窑炉系统运行不稳定，因此不可实现。

鼓风机通常向每个冷却器隔间供应恒定的总的空气流量，在冷却器隔间中，空气在与熟料进行热交换之后向燃烧器供应恒定的空气流量以实现稳定的窑炉运行。

如果流动装置确实具有减少的流量特性以确保更佳的热交换效率，将会发生下列情况：在一个区域中设想一较薄的熟料床层。流动装置将减少该区域中的流量，但是来自鼓风机的流量恒定，这将导致整个隔间中的压力较高，因此，将有更多的空气经过上述区域中的床层，所述装置将更多地关闭，这将导致隔间中的压力更高。这时其它装置开始关闭，最后所有的装置都将关闭，若鼓风机尚未停止运转，则将只通过固定的小的管口工作。这样，流量控制装置的全部构想将不起作用，而冷却器按照以往的原理工作，即，仅具有通向空气分配底板各部分的小的固定的管口。

在1965年的德国专利1221984中，一种用于流化床和喷动床的开/关装置被授予专利权。该装置是开/关型的，以使吹送通过上述流化床或喷动床的空气被截止(collapse)。

专利1221984还提及，开/关装置不必完全关闭供气管道。这是由于，在吹送通过流化床或喷动床之后，所述装置将关闭——但即使尚有少量的空气在余留的开口中，流化床或喷动床也将停止工作。此后，该装置将离开其关闭位置，而流化床或喷动床将再次使全部的空气在此位置流过床层。

喷动床和流化床由于可被视为是流态的而确实具有非常不同于熟料床层的性质。当利用专利1221984中的开/关装置时，由于与专利PCT/US96/02971的如上所述的相同的连锁反应——在减小的床层流动阻力下具有减小的流量特征，熟料床层将不能令人满意地工作。换句话说，所有的开/关装置最终都将关闭，并且将不能获得与流量补偿有关的热交换益处。

本发明将获得在先前利用专利PCT/US96/02971所不能达到的更优的热交换效率而不具有前面所述的消极的连锁反应。本发明涉及一种具有非流态特征的床层。

发明内容

本发明通过提供一种空气流量控制装置实现所述目的。该空气流量控制装置的特殊之处在于该装置包括适于安装在底板、壁面、顶板或其它分隔件中的基板，其中，该基板具有前侧和与该前侧相对的后侧，所述前侧适于被设置成朝向气流被导向其中的物料；在所述基板中设有两个或多个开孔，其中至少一个开孔为圆筒形状，该圆筒的轴线与基板平面不平行；在所述圆筒内，靠近圆筒的两个开口端设置有径向限制机构；以及，在所述径向限制机构之间设有浮体构件，其中，当浮体构件与靠近基板的前侧设置的上部径向限制机构接触时，通过圆筒的流动被切断。

通过在结合于冷却底板中的基板中设置至少两个开孔，所述装置在使用状态下通过未受限制的开孔提供一定的最少空气供应，并利用浮体构件提供受控的空气流量，该浮体构件将调节通过第二开孔的空气流量，以使通过空气流量控制装置的空气流量可在预定的界限内变化。这些界限将根据颗粒物料的量、即位于空气流量控制装置上方的层的厚度确定，以便颗粒层的厚度的变化可改变穿过颗粒层的空气压力、特别是空气压力降，从而使浮体构件可被致动以限制冷却空气的量或增加冷却空气的量。

位于圆筒底部的圆筒径向限制机构用于避免浮体构件掉落出圆筒，该情况可能发生在需要冷却非常致密的颗粒物料层时，其原因在于，通过薄的颗粒层的低空气阻力将造成其中只需要非常有限的冷却空气量的情况。位于圆筒顶部的径向限制机构用于限制浮体构件的向上运动，并同时形成一垫圈座，以在浮体构件与上部径向限制机构接合时中断通过圆筒的气流。

在另一有利的实施例中，进一步改进之处在于设有两个或三个圆筒，其中，这些圆筒都具有不同的横断面积，或者其中浮体构件的重量不同，使得通过空气流量控制装置的流动将导致一个或多个浮体构件与上部径向限制机构相接合。

圆筒通常限定为具有平行的侧面、即侧面与一公共轴线平行的几何体，但是，试验表明，略微锥形的“圆筒”——即，侧面不平行、亦即偏离公共轴线少许角度——也能实现本发明的目的。

通过调节浮体构件的重量或圆筒的横截面积，容纳浮体构件的开孔将在不同的空气压力水平下关闭。这提供了更好的调节，即，空气流量控制装置将能够更加精确地和更好地响应于颗粒物料床层的厚度和密度来调整通过颗粒床层的空气流量，以便相对于通风空气的量得到改善的冷却/热交换。

在又一有利的实施例中，一个开孔不设有浮体构件，且该开孔的横截面积可以改变。该开口的开孔将如上所述保证通过颗粒物料床层的最小的通风流量，当该未被阻塞的开孔与容纳有浮体构件的圆筒联合工作时，通过能够调节该开口的横截面积，可以确定空气流量控制装置能够工作的一定的总的时间间隔。

在本发明的又一有利的实施例中，具有浮体构件的每个圆筒的横截面积相应于装置的整个空气流动面积的15％或更少，优选为10％或更少。

在本申请的范围内，管口或开孔的横截面积应理解成有效流动面积。圆筒或开孔可具有一横截面积，但是，当存在浮体构件时，有效面积是圆筒的面积减去该特定横截面中的浮体构件的面积。

以这种方式，当(浮体构件的)横截面积仅代表整个横断的开口面积的一小部分时，每个气体流动控制装置具有通过该气体流动控制装置的基本恒定的空气流量，而浮体构件帮助和调整恒定的和最优的空气流量。

为了提供进一步调节的可能性，本发明在另一有利的实施例中可设有覆盖基板前侧的大部分的罩，其中，所述罩可枢转地连接在基板上，从而在基板前侧和罩的边缘之间提供一可调节的间隙。罩和罩的枢转安装在罩和基板之间生成一通风间隙，使得罩、特别是对间隙的调节用作最主要的空气流动阻力部件。空气流量控制装置可在使用中进行调节，以使被引入颗粒床层下方的隔间中的全部通风空气的均匀分布由于罩的设置而可粗略地调节穿过整个冷却区域的通风空气。另外，通过调节不具有浮体构件的开孔的尺寸，可与相邻的浮体装置相关联地调节每个单独的空气流量控制装置，以进一步改善通风空气的分布；最后，通过调节通过浮体构件的空气流量和浮体构件的重量，可设计和调节穿过颗粒物料的冷却床层的全部空气流量的非常准确的调节，从而实现最优的冷却。

如在另外的有利实施例中所述，本发明还涉及一种用于冷却颗粒物料床层的方法。

附图说明

下面将参照附图说明本发明，其中：

图1示出冷却器；

图2示出结合在冷却器底板中的通风装置的断面视图；

图3是示出图2的细节的三维视图；

图4是空气流量控制装置的断面视图；

图5是空气流量控制装置的底侧；

图6是不同的流动设定的曲线图；

图7、8和9是空气流量控制装置的不同的设定。

具体实施方式

图1示出包括入口端2和出口端3的冷却器1。该冷却器与回转窑炉4相连接，并从该回转窑炉4中接收待冷却的热物料。来自回转窑炉的物料落到设在冷却器1中的分配底板5上，并作为分配底板5上的物料层6通过输运装置(未示出)从冷却器1的入口端2传送到出口端3。所述输运装置可以是但不局限于往复式炉篦、往复式炉排或活动式底板(walkingfloor principle)。在分配底板5的下方，冷却器1包括一个或多个隔间7，每个隔间被供给有来自鼓风机设备的冷却空气。隔间7可沿冷却器的纵向和横向分成许多小隔间(未示出)，在这种情况下，向每一单个隔间供应冷却空气。分配底板5分成许多较小的分配区9。每个较小的分配区9通过管道10、11和12与隔间7相连，参见图2。管道10具有固定的管口面积。管道11和12具有浮体13A/13B、止挡端14A/14B和底部支承件15A/15B，其中，浮体13A示出为处于被支承在15B处而不限制管道11的空气流动管口面积的分离位置；13B示出为处于抵靠在14B上而限制管道12的空气流动管口面积的闭合位置。图3与图2所示的相同，只是以三维视图示出——管道被切开以示出浮体13、止挡端14和底部支承件15。多个浮体可如图所示在单独的管道中工作，或者可能在接合的管道中被引导。由此使每个浮体在关闭时使那部分空气流动管口面积减小。

通过平行于固定的管口10向底板5的每个分区9引入一个开/关装置(13、14和15)——其中，13A的开/关操作的压力变化(delta pressure)相对较小，且打开/关闭管口面积14A相比于固定的管口面积16相对较小——如果向各区供应恒定的流量，则可以获得较优的热交换效率，同时还不会遭受与关闭由鼓风机8供给的隔间中的每个装置有关的消极的连锁反应的危险。

当开启一个装置时，由于上方熟料层中的流动阻力低，隔间中的压力将略有升高，但总的情况将是：与具有未开启的装置的其它分区相比，已开启的装置向位于其上方的熟料供应较少的空气流量。当具有均匀的熟料阻力并存在来自鼓风机的设计总气流量时，使装置上的正常的压力变化稍微低于将装置开启的压力变化是重要的。

通过向每个分区引入多个平行的开/关装置13A/13B，可进一步改善热交换效率。在此情况下，对于这组装置中的每个开/关装置，必须使用于开/关操作的压力变化不同。

必须使压力变化并且从而使截止流量(cut-off flow)和管口面积变化与关于流化床和喷动床的专利DE1221984中所示的非常不同。在DE1221984中，一旦装置开启，则流量约为在未开启时经过该装置的总流量的20％。对于本发明则是另一种方式：当一个装置被触发时，总的管口面积从100％降至约80％。

在实践中，通常平行的一组或多组开/关装置在开启时将各使总的管口面积减小少于10％。

图4示出了空气流量控制装置的横断面。在基板20中设有多个开孔21、22、23。第一开孔21只是通过基板的孔洞，而开孔22、23设有与之相连的圆筒24、25。所述圆筒或至少是开孔22、23具有不同的尺寸，从而使浮体构件可在圆筒24、25内响应于由箭头A所示的空气流动而上下移动，所述浮体构件之一26以断面(视图)示出。在圆筒中还设有径向限制机构27、28。下部径向限制机构27用于在没有空气流动A通过该装置时将浮体构件26保持在圆筒内。在空气流动A如此缓慢以至于浮体构件26的重量克服空气流动的情况下，浮体构件26将朝向下部径向限制机构27移动。在增大空气流动A的情况下，空气流动将使浮体构件向上移动靠在上部径向限制机构28上，该上部径向限制机构28同时设计成用于浮体构件的垫圈座，从而使通过开孔22的空气流动被截断。

在该具体的实施例中，浮体构件26通过轴29、30被引导，以避免该浮体构件26卡在圆筒内并因此造成空气流量控制装置不能正确地对所需的空气流量作出响应。

设有罩31，该罩31大致覆盖基板20的整个顶侧，使得所有的开孔21、22、23都容纳在罩的内部。该罩在一端枢转地安装，并在另一端设有调节机构32以使得位于基板20和罩31之间的气隙33可被调节。通过这种方式，罩31能用于粗略地调节通过空气流量控制装置的全部空气流量。

在实践中，当在冷却器中安装多个空气流量控制装置时，将把每个装置预调节成一定百分数的通风效果，例如在冷却器的中心部为80％而沿冷却器的边缘可能为60％。通过调节通过自由开孔21的有效流动面积来实现预调节。为了实现这种效果，可预知所述基板具有标记以使预调节易于实施。此后，调节所述罩以使中间圆筒内的浮体构件漂浮于气流上。在此位置中的特征在于，空气流量控制装置将大致处于中间的Z字型曲线的中间，见图6及下文的说明。

还设有用于调节开孔21的横截面积的调节板34。这在图5中可以更好地看出。

在图5中示出了空气流量控制装置的底面，其中，只需围绕螺栓36转动板构件35并利用螺栓37将该板构件固定便可调节开孔21。按照这种方式便可设定出固定的空气流动横截面积，其中，圆筒24、25和38设置用于空气流量的调节，这将参照图7、8和9进行说明。

在图6中描述了根据本发明的空气流量控制装置的典型的空气流动特性。“经过装置的压力变化”表示与流速相关的压力增加。当流速基本恒定即例如处于区间8-10中时，可以实现颗粒床层的均匀冷却。通过使用如图4和5所示的空气控制装置，开孔21的尺寸将决定级别——即所要实现的流速是系列1、2或3，而结合有浮体构件的三个圆筒24、25和38将决定何时发生“病囊(sick-sack)”40、41和42。第一病囊40对应于最大的圆筒，而病囊42对应于最小的圆筒(有效流动面积)。因此，通过调节通过空气流量控制装置的空气流动，例如通过改变开孔21的尺寸，可将通过空气流量控制装置的空气流动调节成：在正常情况下——即当床层上的颗粒物料层的厚度按最佳方式进行冷却即当热交换最佳时，病囊41所代表的浮体由于空气流动的影响而漂浮即悬浮在圆筒中。因此，如果颗粒床层的厚度增加，则打开另一浮体构件，而在相反的情况下关闭该浮体构件。下文将参照图7、8、9对其作进一步说明。

开口的组合、即由浮体构件51、52、53及通过罩31和通过板构件34或多或少关闭的开孔所决定的空气流动对应于图6中的系列3。图8对应于系列2，图9对应于系列1。按照这种方式可清楚地看出，通过使用这里示出为折流板的板构件34调节尺寸、即开孔21的面积，可以确定通过空气流量控制装置的空气流动的总体级别。通过进一步调整折流板34，可预知浮体51、52、53将达到如下状况：浮体51位于关闭位置，浮体52位于恰好漂浮在气流上的中间位置，而浮体构件53位于底部位置。当空气流速如图6所示增加时，浮体52将被向上推动并最终封闭通过该圆筒的空气，由此发生如图6所示的病囊41。最终，通过空气流量控制装置的空气流量可能由于薄的颗粒层或由于瞬间吹出——即所有的颗粒物料都被通风系统吹走——而进一步增加，由此浮体构件53将被向上推动而截断通过空气流量控制装置的气流。

通常，在窑炉下游用于冷却水泥熟料的冷却器床具有大致恒定的流量并因此具有如图7、8和图9中的P1所示的熟料层厚度。但是，沿壁面和在冷却熟料时，如上所述，在冷却器的一个位置处的压力降将不同于其它位置。为此，可以调节空气流量控制装置，测试表明，通过在每个400×400mm的正方形内布置一个空气流量控制装置，可以优化通风状况以使水泥熟料颗粒物料的热交换最优，并可将通风空气用作加热窑炉的经预热的燃烧空气。

通常，节电约10％，对应于0.5KWh/公吨；根据整个工厂的技术水平可节省燃料100-250KJ/kg。

在已使用了20年的设备中，每天生产5000吨：250KCal/kg×5000吨/天×1000kg/吨＝1.25×10⁹KCal/天(对于热值为10000KCal/kg的燃油，相当于每天节省125吨燃油)，节约电能为2500KWh/天。

这里，另一优点在于降低了CO₂排放，其原因在于，由于通过冷却器床时的热交换增加了用于窑炉的经预热的空气的温度，因此，经预热空气不需要通过化工燃料进行加热。

Claims (8)

1.空气流量控制装置，其中，所述空气流量控制装置包括适于安装在底板、壁面、顶板或其它分隔件中的基板，其中，该基板具有前侧和与该前侧相对的后侧，所述前侧适于被设置成朝向气流被导向其中的物料；在所述基板中设有两个或多个开孔，其中至少一个开孔为圆筒形状，该圆筒的轴线与基板平面不平行；在所述圆筒内，靠近圆筒的两个开口端设置有径向限制机构；在所述径向限制机构之间设有浮体构件，其中，当浮体构件与靠近基板的前侧设置的上部径向限制机构接触时，通过圆筒的流动被切断。

2.根据权利要求1所述的空气流量控制装置，其特征在于，设有两个或三个圆筒，其中，这些圆筒都具有不同的有效流动横截面积，或者浮体构件的重量不同，使得通过空气流量控制装置的流动导致一个或多个浮体构件与上部径向限制机构相接合。

3.根据权利要求1或2所述的空气流量控制装置，其特征在于，一个开孔没有设置浮体构件，该开孔的横截面积可以改变。

4.根据前述权利要求中任一项所述的空气流量控制装置，其特征在于，具有浮体构件的每个圆筒的横截面积相应于该装置的整个空气流动面积的15％或更少、优选为10％或更少。

5.根据权利要求1所述的空气流量控制装置，其特征在于，设有覆盖基板前侧的大部分的罩，其中，所述罩可枢转地连接在基板上，从而在基板前侧和罩的边缘之间提供一可调节的间隙。

6.根据权利要求1所述的空气流量控制装置，其特征在于，设有结合在一盖板中的折流板，所述折流板覆盖基板前侧的大部分，其中，所述折流板操作用于调节通过空气流量控制装置的空气流量。

7.一种用于冷却颗粒物料层的方法，其中，颗粒物料由空气分配底板支承；向位于空气分配底板下方的一个或多个隔间供应冷却空气；在所述空气分配底板中设有根据权利要求1至5中任一项所述的空气流量控制装置，以借助于设置在空气分配底板中的空气流量控制装置驱使经调节和受控的冷却空气流向上通过颗粒物料层。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述颗粒物料是水泥熟料，待冷却物料的床层位于回转窑炉的下游，将空气分配底板划分成区段，每个区段为约400×400mm，在每个区段中设有一个空气流量控制装置，其中，通过调整没有浮体构件的开孔的横截面积和/或通过调节罩和基板之间的间隙来对每个空气流量控制装置进行预调节。

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