CN102374789A - 一种强化对流换热过程的热态颗粒物料冷却方法及冷却器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种强化对流换热过程的热态颗粒物料冷却方法及冷却器，该方法涉及诸如水泥回转窑等工业窑炉设备所生产的熟料颗粒物料的冷却过程，通过该方法，来自回转窑的高温颗粒物料被输送到冷却器入口阶梯篦床后再进入水平篦床，来自篦床下的冷却空气穿过篦床与热态颗粒物料层进行换热，达到冷却热态颗粒物料的作用，在物料进入水平篦床后，用一种往复摆扫式推料刮板可以使热态颗粒物料在换热的过程中，产生强制搅动均化和翻滚前进两种运动叠加，颗粒形成三维空间的曲线运行轨迹，物料层温度分布相应趋于均衡，颗粒的均布主动平衡了整个料层阻力，使冷却空气分布更加均匀，降低了对篦床下自动空气流量调节阀的依存度，换热效率及换热速度明显提高。

Description

一种强化对流换热过程的热态颗粒物料冷却方法及冷却器

所属技术领域

本发明涉及一种诸如水泥回转窑等工业窑炉设备所生产的热态熟料颗粒物料的冷却方法及冷却器，通过使用该冷却器可以使热态颗粒物料在基于对流换热的过程中，强化对流换热过程的效果，达到高效冷却热态颗粒物料的目的，从而可以减少热量及电能损失，本方法及冷却器可广泛适用于建材、化工、冶金等行业，例如用于水泥生产中的高温熟料颗粒冷却，是属于高效节能技术领域。

背景技术

在诸如水泥回转窑等工业窑炉设备生产运行时，常以对流换热的方式来利用冷却空气对热态颗粒物料进行冷却，在冷却过程中，当热态颗粒物料由回转窑进入冷却机时，由于重力作用及机械旋转运动使颗粒在篦床上的粒度分布和颗粒层厚度都不可能很均匀，粒度的不均也导致了料层阻力的差异，相应目前采用先进技术的冷却换热方法基本是依靠篦床下的空气流量自动调节阀被动的适应料层阻力的变化，料层颗粒粒度及阻力不均的状况仍然客观存在，冷却空气在整个篦床上达不到均布的效果，换热效率的提高有限。同时，目前冷却机中热态颗粒物料的运动基本上是随篦床的前后推动而单一的近似直线运动，并未存在强制提高其换热效率的有效手段和方法，因此其换热效率也难达到预期的效果。

由于对流换热是流体流经固体时流体与固体表面之间的热量传递现象，是在流体流动进程中发生的热量传递，它是依靠流体质点的移动进行热量传递的，与流体的流动情况密切相关。流体流动状态在其他条件一定时，紊流换热强度较层流强烈，同时，换热表面的几何因素，例如换热表面的形状、大小、状态、几何布置等因素都影响换热效率。在不同的情况下，换热强度会发生明显的变化，所以对流换热是一个受许多因素影响且其强度变化幅度又很大的复杂过程。

而热态颗粒物料的流动性较差，因此为了进一步提高热态颗粒物料的冷却效果，高效合理地进行气与物料之间的气固热交换，减少冷却空气消耗量，有效降低冷却过程的热耗和系统电耗，必须在基于对流换热的原理下，来改变热态颗粒物料的运动方式及冷却空气的流动状态，增加强化冷却的手段和方法，以此来提高换热效率，从而达到显著提高冷却效率的目的。而现有类似技术和相关冷却机基本都是以近似直线运动推动物料前移，基本没有形成物料的交错混合作用，由于料层阻力不均，很大程度主要是被动依赖空气流量调节装置来平衡用风差异，而本发明从主动的角度消除了料层的不均衡因素，为高效率的冷却提供了有利条件。

发明内容

本发明针对目前热态颗粒物料冷却过程所存在的问题，在分析了对流换热原理的基础上，提供一种强化对流换热过程的热态颗粒物料冷却方法及冷却器。使用该方法的冷却器可提高热态颗粒物料的冷却效果，减少冷却空气用量，降低流出冷却器颗粒物料的温度。

本发明通过安装在水平篦床上的推料刮板装置，实现热态颗粒物料的强制前进运动，而来自篦床下风室的冷却空气经由篦床上低阻力无漏料篦板的风翅开口处通过热态颗粒物料层，完成换热过程以冷却热态颗粒物料。热态颗粒物料由安装在水平篦床上的单端驱动刮板以扫摆式弧线运动推动前进，这将有别于目前的单一近似直线推动运动，而此时由交错的刮板弧线运动使热态颗粒物料形成搅动均化，颗粒间进行了交错混合。通过这种弧线运动，热态颗粒物料在整个篦床宽度上被均化布置，颗粒物料层粒度分布均匀，厚度趋向一致，颗粒间的接触机会及面积增加。冷却空气的分布也更加均衡，冷却空气与热态颗粒物料形成的动态换热方式使换热效率明显提高。更重要的是，热态颗粒物料在扫摆式弧线运动过程中，被强制搅动，因此冷却空气的流动状态也发生了变化，形成局部的紊流形态，相比对流换热效率较稳定的层流形态有所提高，同时颗粒间的碰撞也增加了热传导速率，有助于整个篦床上颗粒层的冷却换热过程。

本发明的冷却方法，通过利用具有近似三角形形状(其前沿斜面较陡而后沿斜面较为平缓)的刮板进行扫摆式弧线运动，使得水平篦床上的热态颗粒物料在运行中受到不同方向的轮流推挤和抽空的作用力。在冷却器工作状态时，随着热态颗粒物料层厚度的增加以及刮板带动颗粒物料的连续运动，篦床上的热态颗粒物料，随上述作用力形成上下翻滚、曲线前移的运动。这两种运动的叠加使得位于物料层表面的物料会与中下层的物料相互翻转，横向两侧的物料与中间的物料也相互交错，并在三维空间上形成交错曲线的运行轨迹，使得整个料层颗粒分布和阻力分布都保持均衡，颗粒表面呈动态的变换与冷却空气接触，强化了冷却空气与热颗粒物料的换热过程，单位时间内换热速率急速增加，从根本上强化了热态颗粒物料的冷却速度和冷却效果。同时，这种方式具有主动平衡料层阻力的作用，因此对被动调节冷却空气流量的依存度降低，冷却空气的有效利用率提高，同时具有明显的节能降耗作用。

使用本发明冷却方法的冷却器，除通过利用上述两种运动的叠加作用，使热态颗粒物料表面接触冷却空气的机会增加，换热效率提高外，同时，安装在水平篦床上的低阻力无漏料篦板具有斜向开口的风翅，当冷却空气经由风翅开口而与热态颗粒物料进行换热时，形成了一定的倾斜角度，改变了以往冷却空气直接沿着与物料层垂直的方向经过的换热方式，从而延长了冷却空气通过热态颗粒物料层的时间，进一步强化了换热过程和冷却效果。

本发明所使用的冷却器，在冷却器入口阶梯篦床段，从回转窑的出口自由下落的热态颗粒物料，进入冷却器入口没有设置推料刮板装置的阶梯篦床段时，此处的阶梯篦板具有一定倾角，便于热态颗粒物料滑动前移进入水平篦床，而冷却空气的流量则由安装在阶梯篦板下的自动流量控制阀调节。由于没有刮板的强制运动，此处颗粒物料层厚度变化最明显，因此冷却空气的流量是由每块篦板下的流量控制阀，根据颗粒物料厚度变化引起的压力变化来自动控制，确保冷却空气的流量稳定，降低冷却空气用量，尽量避免冷却空气在低阻力区短路流失的情况发生，充分提高了冷却空气的利用效率。同时，冷却空气的流量曲线在冷却器运行期间是可调节的，其中流量曲线调节随篦床上层热态颗粒物料厚度变化而改变。

附图说明

下面通过示意性的附图来更加详细的描述本发明：

附图1是本发明冷却器的侧视结构示意图。

附图2是本发明刮板的扫摆式弧线运动结构示意图。

(A、B、C、D分别表示一个运动周期内刮板四个位置的状态；黑色粗箭头表示物料运动方向)

附图3是本发明的热态颗粒物料翻滚前进运动示意图。

(A、B分别表示刮板1的两个极限位置的状态)

附图4是本发明冷却空气流经低阻力无漏料篦板风翅的运动示意图。

附图5是本发明的流量控制阀剖视和俯视结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行说明：

由附图1所示，本发明的强化对流换热过程的热态颗粒物料冷却方法及其冷却器，使用在诸如水泥回转窑等工业窑炉设备所生产的熟料颗粒物料的冷却过程，来自回转窑8的高温颗粒物料被输送到冷却器9入口阶梯篦床10后再进入水平篦床11，来自篦床下的冷却空气Q穿过篦床与热态颗粒物料层进行换热，达到冷却热态颗粒物料的作用，在物料进入水平篦床11后，用一种往复摆扫式推料刮板1装置可以使热态颗粒物料在换热的过程中，产生强制搅动均化和翻滚前进两种运动叠加，颗粒形成三维空间的曲线运行轨迹，使冷却空气分布更加均匀，换热效率及换热速度提高。

附图2为本发明扫摆式弧线运动推料刮板1的实施案例，由方案1和方案2两种布置结构可供选择，冷却器在正常工作期间，冷却空气Q由篦床下的风室供入，通过篦床上的低阻力无漏料篦板2斜向开口的风翅3来通过料层冷却物料。整个篦床上的刮板1采用双列交错排列方式，每列按设计规模的不同划分为多组标准模块组合，而每个模块都具有独立的驱动，在驱动装置的驱动下，所有刮板进行摆扫弧线运动，其动作顺序为A-B-C-D是一个循环，由此连续不断运行。每个刮板都是在向后摆扫过程中接住其后一个刮板推上来的颗粒物料，并在向前摆扫过程中将颗粒物料推到其前一个刮板的摆扫范围内，并形成有效的强化搅动均化效果，颗粒间的碰撞也增加了热传导速率，有助于整个篦床上颗粒层的冷却散热过程。同时，冷却空气Q的流动状态发生变化，形成局部的紊流形态，相比对流换热效率较稳定的层流形态有所提高。

附图3为本发明的热态颗粒物料上下翻滚、曲线前移的运动示意图，当刮板1在A、B限位间运动时，热态颗粒物料受到不同方向的轮流推挤和抽空的作用力。这两种运动的叠加使得位于物料层表面的物料会与中下层的物料相互翻转，同时横向两侧的物料与中间的物料也相互交错运动(附图1的物料运动示意)，并在三维空间上形成交错曲线的运行轨迹，颗粒表面呈动态的变换与冷却空气Q接触，单位时间内换热速率急速增加，从根本上强化了热态颗粒物料的冷却速度和冷却效果。同时，这种方式具有主动平衡料层阻力的作用，因此对依靠流量阀自动调节冷却空气Q流量的依存度降低，冷却空气Q的有效利用率提高，同时具有明显的节能降耗作用。

附图4是冷却空气Q流经低阻力无漏料篦板2的风翅3的运动示意图，安装在篦床上的低阻力无漏料篦板2具有斜向开口的风翅3，当冷却空气Q经由风翅3而与热态颗粒物料进行换热时，沿斜向开口的风翅3结构形成了一定的倾斜角度，避免了以往冷却空气Q直接沿着与物料层垂直方向迅速经过的方式，从而延长了冷却空气Q通过热态颗粒物料层的时间，强化了换热过程和冷却效果

使用本发明冷却方法的冷却器，在利用上述运动作用的同时，为了更明显的降低冷却空气用量，稳定入口阶梯篦板处热态颗粒物料层厚度的剧烈变化，在入口阶梯篦床下安装了自动流量控制阀，如附图5所示。在供应源头压力一定的情况下，冷却空气Q的通过流量是由流速和开口面积共同决定的，而流速又与壳体内外的压差(即调节器阻力)相关。在密封环7的作用下，阀芯4上的开口5只有在壳体以外的部分才能供流体通过，这部分开口面积为有效开口面积。当下游负载即热态颗粒物料层阻力降低时，引起流速上升，将使壳体内外的压差增大，压差作用于阀芯4底面形成的作用力增大，推动阀芯4向壳体内部移动，迫使弹簧6产生长度位移后作用于阀芯4的反向作用力随之增大，当与压差作用于阀芯4底面形成的作用力达到平衡后，阀芯4停止在新的位置上，此时阀芯4侧壁上供冷却空气Q通过的有效开口面积已减小，抵消了流速上升的影响，使冷却空气Q的通过流量仍然保持在这一系列变化之前的水平，达到控制流量的作用。反之则相反，当下游负载即热态颗粒物料层阻力增大时，阀芯4将向壳体外部移动，有效开口面积增大，抵消了流速降低的影响使流量保持在控制范围内。另外，冷却空气Q的流量曲线在冷却器运行期间是可调节的，其中流量曲线调节随篦床上层热态颗粒物料厚度变化而改变。

Claims (6)

1.用于冷却诸如水泥回转窑等工业窑炉设备所生产的热态熟料颗粒物料的方法，通过该方法，来自回转窑的高温热态熟料颗粒物料被输送到冷却器入口阶梯篦床后再进入水平篦床，来自篦床下各风室的冷却空气穿过篦床与热态颗粒物料层进行换热作用，达到冷却热态颗粒物料的作用。其特征在于，热态颗粒物料经过阶梯篦床时，冷却空气经由安装在阶梯篦床下的流量自动调节器控制，以确保冷却空气的流量稳定，当热态颗粒物料进入水平篦床后，热态颗粒物料由安装在水平篦床上的单端驱动刮板以往复摆扫的弧线运动推动前进，而此时由交错的刮板弧线运动使热态颗粒物料形成强制搅动均化，不同粒度的颗粒间进行交错混合，使篦床上物料层粒度分布均匀，整个料床的温度分布及料层阻力都趋于均衡，颗粒间换热接触表面呈动态变化而显著增加，冷却空气的分布也更加均衡，冷却空气与热态颗粒物料形成的动态换热方式使换热效率明显提高，同时有效消除了形成“红河”的条件，使冷却器工作更为可靠。

2.用于实现权利要求1的冷却方法的冷却器，其特征在于，该冷却器从入口到出口由有一定斜度的阶梯篦床和水平篦床组成，阶梯篦床用自动空气流量调节阀调节冷却空气，水平篦床上装有往复摆扫式推料装置，篦床下可用或不用自动空气流量调节阀，篦床出口端装有新型强力辊式破碎机，整个篦床无活动篦板，完全无漏料，对于篦床下的零部件可在设备运行过程中进行在线维护检修。

3.按权利要求1中所述的冷却方法，其特征在于，从回转窑的出口自由下落的热态颗粒物料，进入冷却器入口没有设置推料刮板装置的阶梯篦床段时，此处的阶梯篦板具有一定倾角，便于热态颗粒物料滑动前移而进入第二段水平篦床，而冷却空气的流量则由安装在阶梯篦板下的流量自动调节器控制，由于没有刮板的强制运动，此处颗粒物料层厚度变化最明显，冷却空气的流量由流量自动调节器根据物料层厚度变化引起的压力变化来自动控制，确保冷却空气的流量稳定，避免冷却空气短路流失的情况发生，同时，冷却空气的流量曲线在冷却器运行期间是可调节的，其中流量曲线调节随热态颗粒物料层厚度变化而改变。

4.按权利要求1中所述的冷却方法，其特征在于，以机械方法强化了对流换热的作用，随着安装在水平篦床上的刮板进行的弧线运动，使得篦床上的热态颗粒物料，受到不同方向的轮流推挤和抽空的作用力而形成上下翻滚、曲线前移的运动，并在三维空间上形成交错曲线的运行轨迹，强制搅动和翻滚前进两种运动的叠加使其整个料层颗粒粒度分布和阻力分布都保持均衡，颗粒表面与冷却空气接触的机会增加，强化了冷却空气与热态颗粒物料的换热过程，换热速率急速增加，从而使得热态颗粒物料的冷却速度和冷却效果显著提高。

5.按权利要求1中所述的冷却方法，其特征在于，由单端驱动刮板构成的往复摆扫式推料装置运行所形成的料层运动，具有物料颗粒粒度分布均匀、料层阻力均衡的效果，而且整个料床上的物料颗粒都呈动态方式与冷却空气接触，这种方式具有主动平衡料层阻力的作用，因此对借助流量阀调节冷却空气流量分布均匀性的依存度降低，冷却空气的有效利用率提高，同时具有明显的节能降耗作用。

6.按权利要求1中所述的冷却方法，其特征在于，安装在水平篦床上的低阻力无漏料篦板具有斜向开口的风翅，当冷却空气经由风翅开口而与热态颗粒物料进行换热时，形成了一定的倾斜角度，从而延长了冷却空气通过颗粒物料层的时间，强化了换热过程和冷却效果。

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