A 火格子クーラー ロータリーキルンから排出されたクリンカーを、超過温度から急速に冷却するセメント製造における重要な装置です。 1,400℃から100℃未満まで —同時に熱エネルギーを回収して燃焼用空気を予熱します。効率的な火格子冷却器がないと、クリンカーの品質が低下し、燃料消費量が増加し、下流の処理装置の摩耗が加速します。
最新の火格子クーラーが復活 熱量の最大 75% 熱クリンカーに含まれる空気を二次および三次空気としてキルン システムに戻し、クリンカー kg あたり 80 ～ 120 kcal の比熱消費量を直接削減します。これにより、火格子冷却器は、品質とエネルギー効率の両方の観点から、セメント生産ライン全体の中で最も大きな影響を与えるコンポーネントの 1 つとなります。
火格子冷却器はロータリー キルンの排出端のすぐ近くに配置されています。赤熱したクリンカーノジュールが 1,350 ～ 1,450 °C の温度でキルンから出ると、移動する多孔格子の上に落下し、各格子コンパートメントの下に配置された高圧ファンによって大量の周囲の空気がそこを通って上向きに押し上げられます。
クーラーはセメント製造プロセスにおいて 3 つの機能を同時に果たします。
クーラーから回収された熱風は 2 つの流れに送られます。 二次空気 ロータリー キルン バーナーに直接入ります (通常 900 ～ 1,050 °C)。 三次空気 5 段階または 6 段階の予熱システム (通常は 850 ～ 950 °C) でか焼炉にダクトで送られます。生産的に利用できない余分な熱気は、多くの場合、発電用の廃熱回収ボイラーを通過した後、冷却された排気筒から排出されます。
格子クーラーの動作を順番に理解することは、設計の詳細がパフォーマンスの結果に非常に重要である理由を明確にするのに役立ちます。
火格子の下の気流管理は重要です。最新の火格子冷却器は、可変周波数ドライブ (VFD) と圧力センサーを備えた個別に制御されるコンパートメント ファンを使用して、クリンカー ベッド全体の空気分配を最適化し、適切な空気との接触を迂回する不十分に冷却されたクリンカーの流路である「レッド リバー」を防ぎます。
火格子クーラー技術はいくつかの異なる世代を経て進化しており、それぞれが前世代の特定の制限に対処しています。発電分類は、設備の技術レベルを説明するためにセメント業界で広く使用されています。
初期のグレート クーラーは、空気分配が固定された単一速度の往復グレートを使用していました。熱回収効率が低かった - 通常 55～62% そして設備は、クリンカーが格子の隙間を通って落下することにより深刻な磨耗を被った（入口では「雪だるま形成」、クーラー排出口では「赤い川」と呼ばれる）。これらのユニットは頻繁にメンテナンスを停止する必要がありました。
第 2 世代の設計では、火格子の下に複数の独立して制御される空気コンパートメントが導入されました。可変風量制御により熱回収率が向上 65～70% 。しかし、火格子プレートの機械的磨耗は依然として重大な運用コストであり、クリンカーの「フォールスルー」は依然として問題であった。
第 3 世代クーラーの主な革新は、入口ゾーンを移動格子から分離したことです。曝気チャンバーを備えた固定静的入口セクションにより、クリンカーが不均一に堆積するのを防ぎ、最高温度ゾーンでの機械的摩耗を排除します。熱回収効率が向上 70～75% 。例としては、FLSmidth Cross-Bar Cooler や thyssenkrupp Polytrack などがあります。
最新世代では、従来の往復火格子プレートが完全に廃止され、 ローラーベースの搬送システム (KHD パイロフロアまたは FLSmidth SF クロスバー クーラーなど)。クリンカーはプレートからプレートへとスライドするのではなく、ローラーによって搬送されるため、摩耗とメンテナンスが大幅に軽減されます。これらのシステムは、 75～78% 冷却空気の比消費量は 1.8 Nm3/kg クリンカー未満です。
火格子冷却器の性能を評価するには、いくつかの相互依存パラメータを追跡する必要があります。以下の表は、正常に動作する最新の火格子クーラーの一般的なベンチマーク範囲を示しています。
| パラメータ | 代表的な範囲 | クラス最高の目標 |
|---|---|---|
| クリンカ入口温度 | 1,350～1,450℃ | — |
| クリンカ出口温度 | 65～150℃ | <65°C (周囲温度 65°C) |
| 熱回収効率 | 68～75% | >75% |
| 比冷却風量 | 1.8 ～ 2.5 Nm3/kg クリンカー | <1.8 Nm3/kg クリンカー |
| 二次空気温度 | 900～1,050℃ | >1,000℃ |
| 三次空気の温度 | 850～950℃ | >900℃ |
| 節約された比熱消費量 | 80 ～ 120 kcal/kg クリンカー | — |
| グレートローディング（特定の処理量） | 35–45 t/d/m² | 最大 50 t/d/m² |
| ファンの消費電力 | 3.5 ～ 6 kWh/t クリンカー | <4 kWh/t クリンカー |
格子冷却システムの各コンポーネントは、定義された役割を果たします。各部品の機能を理解することは、保守計画とトラブルシューティングに不可欠です。
火格子プレートは、クリンカー支持面を形成する穴あきまたはスロット付きの鋳造合金コンポーネントです。入口での最高 1,200°C の温度、移動するクリンカーによる連続的な機械的摩耗、および熱サイクル応力に耐える必要があります。最新の火格子プレートは耐熱合金鋼 (通常、クロム、ニッケル、モリブデンを含む) で作られており、火格子を完全に停止することなく個別に交換できるように設計されています。 グレートプレートの磨耗は、クーラー運転における単一の最大のメンテナンスコストです 、多くの場合、クーラーのメンテナンス費用全体の 40 ～ 60% を占めます。
格子の下で、ハウジングは複数の空気コンパートメントに分割されています。クーラーのサイズに応じて、通常は 8 ～ 16 のセクションに分かれています。各コンパートメントには、専用の遠心ファン、ダンパー、圧力測定ポイントがあります。各ファンモーターの可変周波数ドライブにより、クリンカーベッドの深さと熱電対によって検出された温度プロファイルに合わせた正確なエアフロー制御が可能になります。最新のシステムは、自動プロセス制御ループを使用してファン速度を継続的に調整します。
往復格子は、油圧シリンダーまたは電気機械駆動装置によって駆動されます。ストロークの周波数と長さは、クリンカーベッドの深さと滞留時間を制御するために調整可能です。最新のクロスバーおよびローラータイプのクーラーでは、個別の列ドライブにより各火格子セクションが異なる速度で移動できるため、古い均一ドライブ設計で見られた雪崩現象を発生させることなく、クリンカーの分配を最適化できます。
冷却器の排出口に配置されたクリンカークラッシャーは、下流のコンベアで安全に取り扱えるよう、特大の塊や凝集物を 25 mm 以下に減らします。主なタイプは次の 2 つです。 ローラークラッシャー （発塵が少なく、ギャップを調整できるため好ましい） ハンマークラッシャー (スループットは向上しますが、摩耗と粉塵が増加します)。メンテナンスの必要性が低いため、新規設置ではローラー クラッシャーがハンマー タイプに代わって大部分が使用されています。
特に高温ゾーン (最初の 8 ～ 12 メートル) の低温壁には高アルミナまたは炭化ケイ素の耐火レンガが並べられ、鋼殻を放射熱や高温ガスの浸食から保護します。ブルノーズ (キルンの火炎ゾーンと冷却入口を隔てる耐火棚) は重要な摩耗点であり、大規模な停止ごとに検査が必要です。
火格子冷却器の動作上の問題は、認識可能なパターンに従って発生します。早期の診断と的を絞った是正措置が、生産損失と機器の損傷を最小限に抑える鍵となります。
雪だるまの形成は、液体または半液体のクリンカーが冷却入口セクションに蓄積して固化し、キルンの排出と空気の流れを制限する大きな不規則な塊を形成するときに発生します。これは通常、過剰な液体クリンカー (28% を超える高い液相含有量)、キルン コーティングの低下、または低いクリンカー排出量によって引き起こされます。解決には、原料混合組成の調整 (Fe2O3 と Al2O3 の削減)、コーティングの崩壊を避けるためのキルン操作の最適化、蓄積された堆積物を破壊するための放水銃や空気圧ハンマーの使用が含まれます。
レッドリバーは、通常の空気の流れを迂回して、400 ～ 600 °C を超える温度で冷却された排出物に到達する、冷却が不十分で光るクリンカーの流れです。これらは下流の機器に損傷を与え、空気の分配が不十分であることを示します。原因としては、不均一なクリンカー ベッドの深さ、火格子プレートの損傷または詰まり、空気コンパートメントの圧力不足などが考えられます。この修正には、コンパートメントの空気量の再バランス、損傷した火格子プレートの交換、入口でのクリンカーの分布の改善が含まれます。
火格子プレートの穴から落ちた細かいクリンカー粒子は火格子の下のコンパートメントに蓄積し、ファンの効率を低下させ、火災の危険を引き起こします。 深刻な場合には、火格子の下にクリンカーが蓄積すると、1 つまたは複数の区画への空気の流れが完全に遮断されることがあります。 局所的な過熱を引き起こします。アンダーグレートホッパーの定期的なパージ、最適化されたグレートプレートの穿孔形状、および適切なベッド深さの維持により、落下率が減少します。
火格子プレートの過度の摩耗は、多くの場合、研磨性の細かいクリンカー、高い入口温度、または不適切な火格子速度によって引き起こされます（遅すぎると層が深くなり、熱負荷が高くなります。速すぎると層が薄くなり、クリンカーとプレートが直接衝突します）。入口ゾーンでの高合金プレートの使用、定期的な検査による摩耗率の監視、および 400 ～ 600 mm の最適なベッド深さの維持はすべて、プレートの寿命を延長します。
二次または三次空気として有効に回収できる量を超える量の空気がクリンカーに吹き込まれると、高温 (通常は 250°C 以上) で大気への過剰な通気口が発生し、直接的な熱損失が発生し、フィルターバッグの保護が懸念されます。この解決策には、冷却器の通気口に廃熱回収 (WHR) ボイラーを設置して発電するか、空気分配効率を向上させながら総冷却空気量を削減することが含まれます。
火格子冷却器は唯一のクリンカー冷却技術ではありませんが、現代のセメント工場では圧倒的に主流の設計となっています。代替手段を理解すると、なぜ格子クーラーが業界標準になったのかが明確になります。
| 特徴 | 火格子クーラー | ロータリークーラー | プラネタリークーラー |
|---|---|---|---|
| 熱回収効率 | 70～78% | 55～65% | 60～68% |
| クリンカ出口温度 | <100℃ | 150～250℃ | 100～200℃ |
| クリンカー容量 | 最大12,000t/日 | 最大3,000t/日 | 最大3,500t/日 |
| 三次空気抽出 | 簡単に統合 | 難しい | 不可能 |
| メンテナンスの複雑さ | 中～高 | 低～中程度 | 中等度 |
| WHR発電への適合性 | 素晴らしい | 貧しい | 限定 |
| 業界での採用（新規プラント） | 優勢 (>95%) | レア (レガシーのみ) | レア (レガシーのみ) |
ロータリー クーラーとプラネタリー クーラーは 1980 年以前に建設されたセメント工場で主流でしたが、新しい工場には現在設置されていません。現代のすべての大型窯で標準となっている前焼成システムの三次空気ダクトをサポートできないことと、熱回収率が低いため、経済的に劣っています。その後、ロータリーまたはプラネタリークーラーを備えたほとんどのプラントは、能力と効率の近代化プロジェクトの一環として格子クーラーにアップグレードされました。
古い世代のクーラーや性能の低いシステムを運用しているプラントの場合、対象を絞ったアップグレードにより大幅な利益を得ることができます。最も影響力のある最適化手段は、一般的な投資収益率によってランク付けされており、次のとおりです。
固定速度のファンドライブを VFD 制御モーターに置き換え、自動圧力ベースのコンパートメント制御を設置すると、通常、熱回収が改善されます。 3 ～ 5 パーセント ポイント 最小限の設備投資で特定のファン電力を 15 ～ 25% 削減します。これは、ほとんどのプラントで可能な最高の ROI 改善です。
従来の往復式インレットを静的エアレーションインレット (FLSmidth の Static Inlet や thyssenkrupp の振り子フラップ システムなど) に置き換えることで、クーラー内の最も摩耗の激しいゾーンが排除されます。この改修レポートを実施した工場 注入口メンテナンスのダウンタイムを 40 ～ 60% 削減 火格子幅全体にわたるクリンカーの分布が改善されました。
冷却ベントガス流に廃熱回収ボイラーを設置すると、余剰の熱エネルギーで発電できます。一般的な 5,000 t/d のセメント工場は回収可能 8～15MWの電力 クーラーと予熱器の排気ガスを合わせて、プラントの電力需要の 25 ～ 35% を相殺します。 WHR プロジェクトの回収期間は、地域の電力価格に応じて 3 年から 6 年の範囲です。
最初の 3 ～ 4 列の火格子プレートを標準の耐熱鋳鉄から高合金グレード (例: 25Cr-12Ni または炭化ケイ素コーティングされたバージョン) にアップグレードすると、同じ使用条件でプレートの寿命が通常 6 ～ 12 か月から 18 ～ 36 か月に延長されます。プレートのコストは 1 台あたり 2 ～ 3 倍になりますが、交換頻度とそれに伴うメンテナンスの手間が減り、総コストが削減されます。
火格子冷却器によって達成される冷却速度は、完成したセメントの鉱物組成、つまり強度と硬化特性に直接影響します。これは、クーラーのパフォーマンスの最も重要な側面の 1 つですが、過小評価されがちです。
クリンカーには、エーライト (C3S)、ビーライト (C2S)、アルミン酸塩 (C3A)、およびフェライト (C4AF) の 4 つの主な相が含まれています。 1,400 °C から 1,250 ～ 1,100 °C の範囲までの急速焼入れは、次の理由から重要です。
したがって、回復ゾーンで迅速な初期急冷を行い、常に 100°C 以下でクリンカを供給する火格子冷却器は、単なるエネルギー節約装置ではなく、製品の品質と粉砕効率の直接的な決定要因となります。
