На вращающихся печах мокрого способа производства производительностью свыше 50 т/ч для охлаждения клинкера устанавливают колосниковые холодильники «Волга».

На современных печах сухого способа охлаждение клинкера производится на колосниковых холодильниках разных фирм, имеющих некоторые отличия.

Теплопередача от холодильника косвенно влияет на производительность печи, что имеет решающее значение для производства цемента. Колосниковые клинкерные холодильники минимизируют температуру клинкера за счет ощутимого нагрева, что приводит к рекуперации энергии. Горячий клинкер выходит из вращающейся печи в колосниковый охладитель при температуре приблизительно 1400°C и охлаждается до температуры, которая на 85°C выше температуры окружающей среды.

Рекуперированный горячий воздух из охладителя используется в качестве вторичного воздуха для содействия полному сгоранию топлива из горелки печи. Оставшееся рекуперированное тепло также используется в качестве топлива для предварительного обжига (третичный воздух). Отработанное тепло передается в окружающую среду через циклон или рукавный фильтр для удаления пыли. В этом варианте воздух направляется в слой клинкера более эффективно, чем это возможно в обычной конструкции. Кроме того, решетки, используемые с воздушными балками, называемые «решетками с регулируемым потоком», позволяют воздуху проходить горизонтально через щели в углубления на поверхности решетки. Это в значительной степени устраняет просыпание мелких частиц клинкера и делает воздушный поток менее зависимым от сопротивления слоя. Другие усовершенствования в конструкции колосникового охладителя включают маятниковую раму для подвижной колосниковой решетки, которая, как утверждается, сводит к минимуму техническое обслуживание привода.

Недавнее развитие конструкции колосникового холодильника представляет собой «поперечный охладитель», который полностью состоит из неподвижных колосниковых решеток, транспортировка клинкера осуществляется возвратно-поступательными движениями толкателей над поверхностью решетки. Этот холодильник также оснащен оригинальным регулятором расхода воздуха под каждую решетку, который поддерживает постоянный поток воздуха через слой клинкера независимо от пористости слоя. Инновационные конструктивные особенности также проявляются в холодильниках «Polytrack», «Pyrofloor» и «Eta-cooler», поставляемых различными производителями.

Можно также упомянуть о новом холодильнике с вращающимся диском (RDC), который установлен под разгрузочным концом печи и снабжен системой распределения клинкера (CDS) над медленно вращающимся диском. Специальное извлекающее устройство выгружает клинкер в валковую дробилку, расположенную на внешнем диаметре RDC. Диаметр RDC синхронизирован с диаметром печи и производительностью печи. Общее время пребывания в этом охладителе оценивается в 30 мин, что несколько меньше, чем в охладителе с возвратно-поступательной решеткой (~ 45 мин).

В современном колосниковом охладителе потери тепла могут быть снижены примерно до 400 кДж/кг клинкера.

Рекуперация тепла в виде вторичного и третичного воздуха показана на рисунке, на котором также показаны две зоны охладителя: вентиль с регулируемым потоком (CFG) и быстрое прохождение (RFT). В зоне рекуперации тепла охлаждающий воздух подается непосредственно на колосниковые плиты через систему воздуховодов и полых балок, а не через нижнее отделение решетки, как в обычных холодильниках. Благодаря быстрому прохождению из клинкера устраняется эксплуатационная проблема отвода полос раскаленного клинкера, часто называемая «красной рекой».

Более эффективный холодильник позволяет полностью контролировать вторичный воздух и температуру клинкера. Тепловые потери этого холодильника за счет излучения и конвекции чрезвычайно низки. Более эффективный холодильник обеспечивает быстрое первоначальное охлаждение клинкера. Этот факт имеет большое значение для образования алита. Этот холодильникобеспечивает температуру подачи клинкера около 1360-1400°C, что повышает тепловую эффективность до 72-75%. Подача избыточного охлаждающего воздуха приводит к охлаждению клинкера до 65°C; эта температура позволяет немедленно измельчать клинкер до готового цемента.

На работающих печах мокрого способа производительностью до 50 т/ч охлаждение клинкера производится в рекуператорных холодильниках. Рекуператорные холодильники представляют собой барабаны, расположенные  в виде венка вокруг выгрузочного горячего конца печи, являясь неотъемлемой частью вращающейся печи. Рекуператорные барабаны вращаются вместе с вращающейся печью, без отдельного привода. Применяют холодильники 2-х типов: традиционные короткие, когда 8-12 барабанов диаметром 1,5м и длиной до 7 м подвешены консольно на корпусе печи, и модернизированные удлиненные рекуператоры до 2 м диаметром и длинной до 20 м, которые из-за большой массы устанавливаются на продленном корпусе печи с выносной роликоопорой.

Рекуператорный холодильник – вид на узлы крепления рекуператорных барабанов к корпусу вращающейся печи.

Схема рекуператорного холодильника.

Клинкер через периферийные отверстия в конце печи по загрузочным лейкам (патрубкам) поступает в рекуператоры. Навстречу клинкеру движется воздух, так что холодильник работает по принципу противотока. Для интенсификации теплообмена внутри барабана устанавливаются пересыпные элементы. Форма элементов выполняется таким образом, чтобы клинкер пересыпался по всему сечению рекуператора. В зависимости от температуры клинкера по длине рекуператора устанавливаются пересыпные элементы различной формы.

В высокотемпературной области выполняется футеровка из огнеупорного шамотного кирпича переменной высоты. Далее устанавливаются полки из жаропрочной стали, а затем жаростойкие ковши. Для снижения теплопотерь через корпус необходимо высокотемпературную часть барабана (примерно 65%) теплоизолировать. Весь охлаждающий воздух поступает в печь в виде воздуха для горения (вторичный воздух) с температурой 500-600°С.

Для максимальной теплопередачи во вращающихся рекуператорных барабанах следует поддерживать скорость воздуха на входе клинкера в холодильник 3,8-4,3 м/сек. Эти скорости применимы к избытку воздуха в 10% и к объему вторичного воздуха, составляющему 85% от общего объема воздуха для горения.

Потери тепла через корпус рекуператорных холодильников за счет излучения и конвекции находятся в диапазоне 200-340 кДж/кг клинкера.

Тепловой КПД традиционного рекуператорного холодильника составляет обычно примерно 65%, при этом клинкер охлаждается от 1100 до 300°С, КПД удлиненных рекуператоров достигает 75%, клинкер в них охлаждается до 130°С.

Преимуществом рекуператорного холодильника является простота конструкции, отсутствие привода и избыточного аспирационного воздуха.

Недостатки заключаются в невысоком КПД, в повышенной температуре клинкера и в невозможности регулирования скорости охлаждения.

Процесс охлаждения клинкера является сложным процессом из-за огромного количества взаимодействующих рабочих параметров, таких как: длина клинкерного холодильника, температура окружающей среды, ширина клинкерного холодильника, скорость привода клинкерного холодильника, скорость вентилятора клинкерного холодильника, массовый расход клинкера и воздуха, а также плотность клинкера и воздуха.

Чтобы составить мнение об охладителях клинкера, следует учитывать следующие критерии:

1. Тепловая эффективность охладителя определяет отношение тепла, выделяемого из горячего клинкера и используемого в процессе обжига, к общему теплосодержанию клинкера, выходящего из печи. Тепловой КПД (E) выражается как:

Обозначения:

А-теплосодержание клинкера, выходящего из печи;

B- тепловые потери холодильника клинкера;

B- состоит из:

• теплопотери, выходящего из холодильника воздуха;
• потери тепла при выходе клинкера из холодильника;
• потери тепла из-за излучения холодильника.

Если, например, А =1400 кДж/кг и B =400 кДж/кг клинкер, то тепловая эффективность охладителя клинкера рассчитывается следующим образом:

Тепловой КПД клинкерного холодильника во вращающихся печах всех типов конструкции находится в диапазоне от 40 до более чем 80%.

2. Другим критерием оценки эффективности охладителя является разница температур между горячим клинкером, поступающим в охладитель, и горячим вторичным воздухом, выходящим из охладителя. Кроме того, лучшим охладителем является конкретный охладитель, который из-за своей общей эффективности подает максимальное количество тепла во вращающуюся печь вместе со вторичным воздухом.

3. Степень охлаждения клинкера определяется как температура клинкера на выходе. Эта температура различается в различных типах охладителей от 50 до 300C.

4. Объем охлаждающего воздуха в рекуператорных и колосниковых холодильниках ограничен объемом воздуха, необходимым для поддержания процесса горения во вращающихся печах, однако клинкер, выходящий из этих холодильников, имеет более высокие температуры.

5. Более низкая температура клинкера, поступающего из колосникового охладителя, является результатом более высокого объема воздуха, используемого для охлаждения клинкера. Горячий избыточный воздух частично используется для сушки, а частично выбрасывается в атмосферу; это требует сбора пыли, что приводит к дополнительным расходам.

Эти влияющие факторы препятствуют оценке охладителей клинкера, поскольку часто преимущество, с одной стороны, должно быть компенсировано потерями, с другой.

Существует два основных типа клинкерных холодильников:

1. Охлаждающие барабаны, прикрепленные к окружности разгрузочного конца вращающейся печи - рекуператорные холодильники.
2. Колосниковый охладитель.

Охлаждение является неотъемлемой и существенной частью процесса получения клинкера.

Процесс охлаждения клинкера происходит в два этапа:

1. внутри печи между зоной обжига и разгрузочным концом печи;
2. внутри клинкерного холодильника.

На первом этапе клинкер охлаждается от температуры зоны обжига примерно до 1200-1250 C, а на втором этапе процесс охлаждения продолжается примерно до 100 C.

Клинкерные холодильники при производстве цемента предназначены для выполнения следующих задач:

• повысить качество цемента и улучшить размалываемость клинкера. При быстром охлаждении клинкера образование в нем минеральных кристаллов замедляется. Даже если некоторые из них кристаллизовались, они более мелкие, чем кристаллы, образующиеся при нормальной скорости охлаждения. Этот вид клинкера может быть превращен в высококачественный цемент. Между тем, из-за быстрого охлаждения в частицах клинкера возникают термические напряжения и трещины, что облегчает их измельчение.
• утилизировать тепло, выделяемое клинкером, для предварительного нагрева вторичного воздуха, чтобы улучшить процесс сгорания топлива, сэкономить энергию и снизить стоимость топлива. Вторичный воздух называется воздухом для горения. Он отличается от первичного воздуха, который подает топливо в корпус печи через обжиговую трубу. Охладитель клинкера передает тепло от клинкера к воздуху для горения, чтобы улучшить процесс теплообмена и в некоторой степени снизить расход топлива.
• упростить дальнейшее измельчение, хранение и транспортировку. Цементный клинкер после спекания не является конечным цементным продуктом, продаваемым на рынке. Необходимо подать его на цементную мельницу для дальнейшего измельчения с гипсом и минеральными добавками для достижения определенной степени измельчения и различных характеристик. Поэтому нам необходимо заранее снизить температуру клинкера (обычно на 50-300 С), чтобы обеспечить следующий процесс.