CN102589330A - 滚筒式高温粉体冷却装置 - Google Patents

Abstract

一种滚筒式高温粉体冷却装置，可用于动力发电(如循环流化床锅炉的高温灰渣冷却)、工业炉窑(如高温窑料冷却)、化工过程(如反应固体介质的冷却)以及其他高温粉体的冷却过程。包括内筒1、外筒2、外筒壁上的扬灰片3和内外筒壁上的凹槽4，内筒和外筒均由膜式水冷壁(肋片5和水冷管6)构成。该装置主要分为辐射换热段、对流段和导热段。辐射段外筒水冷壁上布置辐射换热肋片来强化换热；对流段和导热段内筒为凹槽膜式壁结构，旨在膜式壁上形成有效的对流传热，外筒水冷壁上设置具有传热功能的扬灰片3，凹槽边缘设置承灰片7来承接外筒扬灰片抛撒的颗粒，其弯向与滚筒的旋转方向相同。本发明提供的滚筒式高温粉体冷却装置从颗粒与器壁间的传热机理出发组织颗粒的冷却过程，可有效增大装置的冷却能力，缩小滚筒长度，为厂房让出检修和消防通道，保障生产正常运行。

Description

滚筒式高温粉体冷却装置

技术领域

本发明提供了一种工业过程高温粉体冷却装置，可用于动力发电(如循环流化床锅炉的高温灰渣冷却)、工业炉窑(如高温窑料冷却)、化工过程(如反应固体介质的冷却)以及其他高温粉体的冷却过程。 

背景技术

工业装置中的高温粉体携带大量物理显热，如不回收利用就会造成巨大的能量浪费。以火力发电厂循环流化床锅炉为例，若300MW循环流化床锅炉底渣排放量为100t/h，将这些灰渣由出炉温度冷却到略高于环境的温度，锅炉效率可以提高1％～2％，并且单台炉的燃料节省将达到(2～2.5)万吨/(5000～6000)小时。工业粉体(建材、石灰、粉体矿料)生产过程中的粉体冷却过程会直接影响到产品的产量和质量，组织好这类粉体废热的回收可以收到非常可观的经济效益。 

目前常规的粉体冷却装置都是采用表面式换热原理来运行的。 

以发电厂循环流化床锅炉的高温灰渣冷却装置为例。经过技术竞争和市场淘汰，目前只剩下流化床冷渣器和滚筒冷渣器两种。前者是利用流化床原理，在流化床中设置埋管受热面吸收高温灰渣的物理显热，后者是利用滚筒旋转使高温灰渣周期性地接触滚筒内表面的水冷壁放出物理显热。 

大型循环流化床锅炉使用的流化床冷渣器对颗粒尺寸十分敏感，一旦颗粒尺寸超过设计尺寸就会造成冷渣器塌床，进而引发锅炉停炉，经济损失巨大。因此，滚筒冷渣器得到了迅速的发展，其最大优点是对颗粒尺寸麻痹，只要锅炉能运行的颗粒都可以在滚筒中进行冷却。滚筒冷渣器缺点是传热系数低，冷却能力小，为满足锅炉排渣的冷却要求，必须采用增大传热面积的方法，由于受到一系列技术限制，目前常规的做法是加大滚筒冷渣器长度。这不仅妨碍锅炉正常运行及检修，还会占用部分消防通道，安全隐患巨大，同时材料耗量也会随之增大。 

现有的滚筒冷渣器有多种型式，如百叶式、多管式、螺旋式等。中国专利网显示，目前关丁流化床锅炉滚筒冷渣器的专利约有30个，这些冷渣器在换热方式上绝大部分是依靠高温灰渣与筒壁间的导热来进行的。部分冷渣器在结构上做出了改进，如徐杰等人的专利《滚筒式冷渣器》(专利号CN 201181175Y)，改变外筒内壁的扬料板结构，使得不与灰渣接触的换热面降低到约三分之一；任让等人的专利《扬料板滚筒冷渣器》(专利号CN 201181176Y)，改变了扬料板的结构，将其做成直板或下部弯折型，加大了颗粒物料的翻动程度；曹煦澄等人的专利《高效冷却滚筒式冷渣器》(专利号CN 200979169Y)，在导渣叶片上设置一根以上的水管，提高了冷却效果。在套筒式利水冷筒壁的基础上，这些专利主要是改进扬料板结构，使高温灰渣随着滚筒的转动到达滚筒内较高位置向下抛洒，有些还设法在筒内空间增加换热面来强化换热。这些专利解决的主要问题包含两个方面内容：第一，解决了灰渣最大限度跟随滚筒运动问题，即有效延长了灰渣有效传热的时间；第二，解决了滚筒冷渣器承压能力问题。前者主要反映在各种扬灰板，后者反映在夹套水冷结构基础上的水冷壁结构。 

虽然在结构上做出了各种改进，但灰渣冷却所依靠的主要还是灰渣颗粒群与筒壁间的导热。导热是三种传热过程中严重依赖于物质物性的一种传热过程。与辐射和对流相比，认为其影响传热的限度极其有限。对流传热可以通过改变流体速度来改善传热效果。滚筒冷渣器工作时，总会存在部分筒壁不被灰渣颗粒覆盖的工作状态，由于灰渣温度不断下降，依靠辐射力降低颗粒温度的能力越来越弱，此时处于很弱的传热状态。特别是当颗粒温度低于500℃以后，辐射能力急剧下降，单靠导热方式来回收热量必然需要非常大的传热面积。 

国内冷渣器主要生产厂家在相关学术会议上对产品性能及相应的技术研究等方面的介绍与现有的专利内容是一致的，国内期刊中的相关报道也没有超出上述专利的技术范围。由于滚筒冷渣器的诞生地是中国，可以认为其他语言文献中没有相关的技术内容。 

本发明提供的滚筒式高温粉体冷却装置从颗粒与器壁间的传热机理出发组织颗粒的冷却过程，将滚筒分为辐射换热段、对流段和导热段，根据传热机理强化不同阶段颗粒与冷却介质的换热，可有效增大冷却能力，缩小滚筒长度，节约制造材料。同时为厂房让出检修和消防通道，消除安全隐患，保障生产正常运行。 

发明内容

本发明的目的是克服现有滚筒冷渣器的技术缺点，提供一种效果更好的滚筒式高温粉体冷却装置。 

高温颗粒内部的传热过程可以分为四部分：①高温颗粒温度很高，具有较强的辐射能力，与外界主要进行辐射换热；②颗粒温度较高，但辐射换热不显著影响颗粒与外界的换热；③颗粒仍具有较大热量，其表面与内部温度之间存在较大梯度，此时颗粒与外界主要以对流换热为主；④颗粒温度逐渐降低，其表面与内部温度梯度逐渐减小，此时以颗粒内部导热为主，由颗粒内部向其表面进行导热。 

技术方案如下： 

一种滚筒式高温粉体冷却装置，包括内筒、外筒、外筒壁上的扬灰片以及内外筒壁上的凹槽。内筒和外筒均由膜式水冷壁构成，可以是圆筒形或带有凹槽的圆筒形。外筒内壁布置扬灰片，其功能是将进入装置内的高温颗粒分配进入内外筒之间和内筒；内筒凹槽边缘设置承灰片，其主要功能是将外筒抛洒的颗粒引进内筒凹槽，实现高温颗粒与水冷壁之间的对流换热。外筒内侧和内筒两侧设置传热肋片，其功能是强化颗粒与水冷表面之间的传热。 

所述的滚筒式高温粉体冷却装置由旋转滚筒、进料机构、出料机构、支撑机构、电机和传动机构组成。旋转滚筒2通过传动机构4(大链轮或环形齿条)由驱动电机5提供动力。冷渣器由支撑机构支撑，包括支撑圈3、支撑轮7(高度可调)以及挡轮6。冷却水从入口9进入，经过滚筒吸收热量后从出口10汇集，且依靠旋转接头11把冷却水入口管、出口管与旋转滚筒连接起来。 

本发明提供的滚筒式高温粉体冷却装置主要分为辐射换热段(图1中进料机构与虚线前部分)、对流段和导热段。以实施例1(图2、图3)为例，辐热段以颗粒与壁面间的辐射换热为主，该段内筒为鼠笼式光管结构，外筒为膜式水冷壁结构，其内侧布置有辐射换热肋片13，可增大颗粒与壁面之间辐射换热量。对流段通过带有一定倾角的扬灰片17推进颗粒向排渣口前进，扬灰片17、凹槽18和承灰片19一起促成颗粒与水冷表面之间的对流换热，可有效提高冷却能力。导热段颗粒温度比较低，主要由颗粒内部导热和通过外表面的向外传热实现逐步降低的动态平衡。 

高温颗粒从进料机构1进入冷渣器，经过辐射换热段时与水冷壁膜片16及辐射换热肋片13辐射换热后，在旋转滚筒2的带动下进入到内外筒间和滚筒内部，然斤由扬灰片17和承灰片19将颗粒导流到凹槽18，与对流段水冷壁膜片16交换热量。到达颗粒出口后，依靠重力落入出料机构8。在滚筒中高温颗粒不断冲刷凹槽内外表面形成颗粒与水冷表面的有效对流，可增强总体换热效果。承灰片19承接外筒抛洒下来的颗粒，并将其导入内筒凹槽进行换热。 

与现有技术相比，本发明的优点是： 

1、从高温颗粒与器壁传热机理出发组织传热过程，将滚筒分为辐射换热段、对流段利导热段。与现有滚筒冷渣器相比，重点强化了辐射传热和颗粒与器壁间的对流换热，可有效增大冷却能力； 

2、相同体积前提下，可显著增加有效传热面积，提高装置的吸热能力； 

3、在辐射换热段，利用辐射换热肋片来增大颗粒与壁面之间的辐射换热量； 

4、在对流段，通过承灰片、扬灰片和凹槽使颗粒不断冲刷水冷壁及对流换热肋片，强化对流换热； 

5、由于强化了传热效果，滚筒直径不变的前提下可缩小滚筒长度，节约材料。同时可为厂房让出检修和消防通道，消除安全隐患，保障生产正常运行。 

附图说明

图1是本发明的结构示意图； 

图2是图1中筒体的A-A断面图(辐射段剖面)； 

图3是图1中筒体的B-B断面图(对流段剖面)； 

图4、5、6、7、8是筒体A-A五种形式的断面图； 

图9、图10、图11、图12、图13是筒体B-B五种形式的断面图，图14是筒体B-B的内筒断面图。 

图中：1.进料机构，2.旋转滚筒，3.支撑圈，4.传动机构，5.驱动电机，6.挡轮，7.支撑轮，8.出料机构，9.冷却水入口，10.冷却水出口，11.旋转接头，12.冷却水管，13.辐射换热肋片，14.外筒，15.内筒， 16.水冷壁膜片，17.扬灰片，18.凹槽，19.承灰片。 

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进行说明。 

实施例1：设计参数：灰渣温度850℃，冷却到150℃ 

如图2、图3所示。 

滚筒式高温粉体冷却装置筒长4.5m，水冷外筒直径1.2m，内筒有效直径0.8m；辐射换热段长1.5m，沿外筒圆周布置45根水冷管，直径50mm，两管中心线夹角为8°，且两管之间用5mm厚钢板焊接形成膜式壁，同时在该膜式壁的水冷管上焊接5mm厚直角形钢板肋片来加强颗粒与壁面间辐射换热，方向垂直管壁；在对流换热段，沿内筒圆周共布置48根水冷管，每个凹槽壁上均匀布置九根，同样每两根水冷管间焊接5mm厚钢板作为对流换热肋片，内筒共设有6个凹槽，凹槽深0.3m，其两侧水冷壁有效夹角为35°，凹槽边缘设置承灰片承接外筒扬灰片抛撒的颗粒，同时该段的外筒膜式壁水冷管上焊接5mm厚下部弯折钢板做为扬灰片，弯折角度为24°，弯向与滚筒旋转方向相同。 

实施例2 

如图9所示，本实施例与实施例1的区别在于所述对流换热段内外筒均为凹槽结构，且内筒水冷管上未布置承灰片。外筒凹槽深70mm，其两侧水冷壁有效夹角为25°，沿外筒圆周共布置54根水冷管，其中每个凹槽内布置6根。 

实施例3 

如图10所示，本实施例与实施例1的区别在于所述对流换热段内筒为膜式水冷壁结构，外筒为实施例2所述凹槽结构。沿内筒圆周共布置30根水冷管，两管之间用5mm厚钢板焊接形成膜式壁。 

实施例4 

如图11所示，本实施例与实施例1的区别在于所述对流换热段内外筒均为凹槽结构，但与实施例2不同的是凹槽个数。本实例中内外筒均布置四个凹槽，内筒槽深150mm，其两侧水冷壁有效夹角为45°，外筒槽深70mm，其两侧水冷壁有效夹角也为45°；外筒圆周共布置48根水冷管，每个凹槽内布置8根，内筒圆周共布置44根水冷管，每个凹槽内也布置8根。 

实施例5 

如图12所示，本实施例与实施例1的区别在于所述对流换热段内筒为膜式水冷壁结构，外筒为与实施例4相同的凹槽结构。内筒圆周共布置30根水冷管，两管之间用5mm厚钢板焊接形成膜式壁。 

实施例6 

如图13所示，本实施例与实施例1的区别在于所述对流换热段内筒凹槽数量。本实施例中，内筒设有四个凹槽，槽深150mm，其两侧水冷壁有效夹角为45°，内筒圆周共布置44根水冷管，每个凹槽内布置8根。 

实施例7 

如图4所示，本实施例与实施例1的区别在于所述辐射换热段内筒膜式水冷壁上布置辐射换热肋片，弯折角度为24°，弯向与旋转方向相同。 

实施例8 

如图5所示，本实施例与实施例1的区别在于所述辐射换热段外筒为膜式水冷壁结构，内筒水冷壁上设置与实施例7相同的辐射换热肋片。 

实施例9 

如图6所示，本实施例与实施例1的区别在于所述辐射换热段内外筒均为膜式水冷壁结构。外筒上布置45根水冷管，内筒上布置30根，每两管之间用5mm厚钢板焊接形成膜式壁。 

实施例10 

如图7所示，本实施例与实施例1的区别在于所述辐射换热段内筒为与实施例1中对流换热段内筒相 同的凹槽结构，也就是采取内筒不分段，外筒分段的结构。 

实施例11 

如图8所示，本实施例与实施例1的区别在于所述辐射换热段内筒为与实施例9结构相同的膜式水冷壁结构。 

实施例12 

如图4、9所示，本实施例与实施例1的区别在于所述的辐射换热段中内筒为与实施例7相同的膜式水冷壁结构，所述的对流换热段内外筒采用与实施例2相同的凹槽结构。 

实施例13 

如图4、10所示，本实施例与实施例1的区别在于所述的辐射换热段中内筒为与实施例7相同的膜式水冷壁结构，所述的对流换热段采用与实施例3相同的内外筒结构。 

实施例14 

如图4、11所示，本实施例与实施例1的区别在于所述的辐射换热段中内筒为与实施例7相同的膜式水冷壁结构，所述的对流换热段采用与实施例4相同的内外筒结构。 

实施例15 

如图4、12所示，本实施例与实施例1的区别在于所述的辐射换热段中内筒为与实施例7相同的膜式水冷壁结构，所述的对流换热段采用与实施例5相同的内外筒结构。 

实施例16 

如图4、13所示，本实施例与实施例1的区别在于所述的辐射换热段中内筒为与实施例7相同的膜式水冷壁结构，所述的对流换热段采用与实施例6相同的内外筒结构。 

实施例17 

如图5、9所示，本实施例与实施例1的区别在于所述的辐射换热段采用与实施例8相同的结构，所述的对流换热段为与实施例2相同的内外筒结构。 

实施例18 

如图5、10所示，本实施例与实施例1的区别在于所述的辐射换热段采用与实施例8相同的结构，所述的对流换热段为与实施例3相同的内外筒结构。 

实施例19 

如图5、11所示，本实施例与实施例1的区别在于所述的辐射换热段采用与实施例8相同的结构，所述的对流换热段为与实施例4相同的内外筒结构。 

实施例20 

如图5、12所示，本实施例与实施例1的区别在于所述的辐射换热段采用与实施例8相同的结构，所述的对流换热段为与实施例5相同的内外筒结构。 

实施例21 

如图5、13所示，本实施例与实施例1的区别在于所述的辐射换热段采用与实施例8相同的结构，所述的对流换热段为与实施例6相同的内外筒结构。 

为保护金属管壁延长滚筒工作寿命，在凹槽突出处焊接防磨肋片。低矮的防磨肋片既有防磨效果也加强了管子的传热效果。防磨肋片的焊接方法见图14。 

基于本发明的构思，可以发现所述内外筒可以有多种结构(凹槽个数0～18)和组合形式，任何基于本发明思路的实施方式，均属于本发明的保护范围之内。 

Claims (9)

1.一种滚筒式高温粉体冷却装置，按照高温粉体冷却机理分成辐射换热段、对流段和导热段。

2.根据权利要求1所述滚筒式高温粉体冷却装置，其特征在于：包括内筒、外筒、外筒壁上的扬灰片以及内外筒壁上的凹槽。内筒和外筒均由膜式水冷壁构成，扬灰片沿外筒内壁圆周布置，弯向与滚筒的旋转方向相同，内筒凹槽边缘设置承灰片来承接外筒扬灰片抛撒的颗粒。

3.根据权利要求1所述滚筒式高温粉体冷却装置，其特征在于：所述滚筒冷渣器由旋转滚筒、进料机构、出料机构、支撑机构、电机和传动机构组成。

4.根据权利要求1和2所述滚筒式高温粉体冷却装置，其特征在于：内筒和外筒可以是圆筒形或带有凹槽结构的筒体，旨在促成高温颗粒与内外筒壁之间的对流传热。

5.根据权利要求1所述滚筒式高温粉体冷却装置，其特征在于：所述辐射换热段的外筒水冷壁内侧布置带有换热功能的肋片。

6.根据权利要求1所述滚筒式高温粉体冷却装置，其特征在于：所述对流段通过扬灰片、承灰片和凹槽配合实现颗粒对冷却结构的有效对流换热。

7.根据权利要求3所述滚筒式高温粉体冷却装置，其特征在于：冷却水进口和出口采用旋转接头连接，以保证滚筒旋转时不发生漏泄；

8.根据权利要求1和2所述滚筒式高温粉体冷却装置，其特征在于：内筒与外筒之间的联络采用水管连接，保证滚筒整体的刚性。

9.根据权利要求1和2所述滚筒式高温粉体冷却装置，其特征在于：凹槽突出处采用防磨肋片。

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