回转窑热工设计有色金属.docx
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回转窑热工设计有色金属
回转窑热工设计
回转窑热工设计刘杰:
D6\4|4p;`/H0s"N7Q一、窑型和长径比
1.窑型^,V*g4R&n9x*C(H0b
所谓窑型是指筒体各段直径的变化。
按筒体形状有以下几种窑型:
0t#A:
?
8y9\'D7e1
j#U4h
(1)直筒型:
制造安装方便,物料在窑内移动速度较均匀一致,操作控制较易掌握,同时窑体砌造及维护较方便;
(2)热端扩大型:
加大单位时间内燃烧的燃料量及传热量,在原窑直径偏小的情况下,扩大
热端将相应提高产量,适用于烧成温度高的物料;/c$l.R"N2~#U,v2D,y
(3)冷端扩大型:
便于安装热交换器,增大干燥受热面,加速料浆水分蒸发,降低热耗及细尘飞损,适用于处理蒸发量大、烘干困难的物料;&c&~&R3G:
n5B+j,K.V
(4)两端扩大型(哑铃型):
中间的填充系数提高,使物料流动的机会减少,还可以节约部分钢材;
还有单独扩大烧成带或分解带的“大肚窑”,这种窑型易挂窑皮,在干燥带及烧成带能力足够时,可以显著提高产量。
但这种窑型操作不便。
9Z(s4v)n9t;H
总之,不论扩大哪一带,必须保持预烧能力和烧结能力趋于平衡。
只有在生产窑上,
经过生产实践和充分调查研究(包括必要的热工测定和计算),发现某一带确为热工上的薄弱环节,在这种特定条件下将该带扩大,才会得出较明显的效果。
目前国内外发展趋势仍以直筒型窑为主,而且尺寸向大型方面发展。
"o2p#y0s/]:
g6[2
M
其他有色金属工业用回转窑(还原、挥发、硫化精矿焙烧、氯化焙烧、离析、烧结转化等)多采用较短的直筒窑。
0q:
[!
h-H'T#A+~'Y
2.长径比
窑的长径比有两种表示方法:
一是筒体长度L与筒体公称直径D之比;另一是筒体长度L与窑的平均有效直径D均之比。
L/D便于计算,L/D均反映要的热工特点更加确切,为了区别起见,称L/D均为有效长径比。
1c2p"y,A"m-X0P$e
窑的长径比是根据窑的用途、喂料方式及加热方法来确定的。
根据我国生产实践的
不完全统计,各类窑的长径比示于表1中。
长径比太大,窑尾废气温度低,蒸发预热能力降低,对干燥不利;长径比太小,则窑尾温度高,热效率低。
4CV1s)Y7J
同类窑的长径比与窑的规格有关,小窑取下限,大窑取上限。
4{*O&z.T(o8[+X
表1各类窑的长径比:
K8~%q6@*R#e1L9z
+Q&u0U0Z!
v:
{2I:
G'T2N;t
窑的名称公称长径比有效长径比
氧化铝熟料窑(喷入法)20~2522~27
氧化铝焙烧窑20~23/L6z3fF&p8B!
B
21.5~24%S/o$b%?
5x7z1E
%e%s-s.f)G"\"I
碳素煅烧窑13.5~19's$m.g"},g3e$y/Y$P
17~24
干法和半干法水泥窑11~15
——9K4`#t6b(E3@2qC
0l/a-|;h0G2A(B
湿法水泥窑30~42
——1{/p+Q1@4p$T3Y4d
-O7Il8\9A:
t1j*?
单筒冷却机8~123{8@'e&L+f+ci+u*N;[
——#M+~1U'X#u-A2e%Y.M4d1w2K
铅锌挥发窑14~1716.7~18.3
2h0a0T1l7s/T
铜离析窑——)_1K(m3k4J$q-R1Q
15~16"M3u5i$]M1q;\-e
氯化焙烧窑——
12~17.7
二、回转窑的生产率
回转窑生产是一个综合热工过程,其生产率受多方面因素影响。
分析其内在规律性,可以建立以下几个方面的数量关系。
9z$b:
l/^'n
1.按窑内物料流通能力:
G=0.785D均2×ψ×ω料×γ料吨/小时
(1)
式中:
'r:
^0|8g)q9B,]*i'N
G——单位生产率,吨/小时;D均——窑的平均有效内径,米;#l*D)
y0u6T%q*X8a(n
ψ——物料在窑内的平均填充系数,一般为0.04~0.12。
各类窑的填充系数见表2。
'u*c!
a4n.w:
Q4q#u,MK7^
γ料——物料堆比重,吨/米;某些物料的堆比重见表3;
ω料——物料轴向移动速度,米/小时;其值取决于窑运转情况,可按式(12)、式(13)
及式(14)计算或测定。
表2各类窑的平均填充系数
窑名称
平均填充系数ψ
铜离析窑$L%d,G4l6C"L&q8H9P
0.06~0.08
2Z!
O1L;N"b)G3@2Q
铅锌挥发窑
0.04~0.08
0e7N/Q!
y)[6V-T:
w
氧化焙烧窑5BE,N;{)}7h&o!
L"u
0.04~0.07
氯化焙烧窑;L'E8H2B$o7B2e5vV
0.04~0.07
氧化铝熟料窑(o*v2D-k,D/Kx7r
0.06~0.08-U&t6A7W;P5@$F5t
$I*F(U%u:
W;f氧化铝焙烧窑0.06~0.08
表3某些物料的堆比重,~1b+z(z9\!
m-S8t6{
!
z2o2T*@!
r$]1N
物料名称+x9s2?
#}1i4x7}-H3b(~
堆比重
锌浸出渣
1.6~1.65,j&B4v2e;G1V
-d0C*E/Q0F'E
锌浸出残渣与50%焦粉混合料
1.2~1.3
铅鼓风炉水碎渣与50%焦粉混合料6d-O.f;m)o4}(_
1.4~1.5/M0x5b$X7R#`%s8z"h:
e1O*Z
:
^6t%O'e1D
氯化铜矿
1.160~5Y3q"{2`/o7H'S+Y"f
锌沸腾焙烧细尘
1.80
;M.S:
I2l2Y
硫化镍精矿
1.6~1.8
1Z&b+o1`g
硫化镍焙砂
1.2~2.0
){!
\!
F2q9t*U
氧化铝和干氢氧化铝$R&t:
P3p'f-M8x%p8q
1.0
8]5?
*O%Y-V
碱石灰铝土矿干生料3I#V2c5]%v)w
1.2
%B(U/^;@!
uk9BY7{9b
碱石灰铝土矿熟料3W!
G.}'z)\:
u+S
1.3~1.4
:
W7k-v*p(G*m#[
2.按物料反应时间
有些工艺过程要求物料有一定的高温持续时间,以完成物理化学反应。
若通过实验
或生产实践得知物料必须在窑内停留的时间,则:
G=0.785×L/τ×D均2×ψ×料γ吨/
小时
(2)
式中:
L——窑长(或某带长度),米;τ——物料在窑内(或某带)停留时间,小时;
其他符号同前。
3.按正常排烟能力0I'a(f&F4[#}7v4S7v
为了控制窑灰带出的循环量,往往选择一个适宜的窑尾排气速度范围。
!
{6D,w;i0X-
K-]
G=2826×D均干2×ωt×(1-ψ干)/V0×(1+βt尾)吨/小时(3)*u,?
5`+b%e-_*U,w"u式中:
V0——每吨产品的窑气量,标米3/吨;t尾——烟气离窑温度,℃;β——气体体积膨胀系数,β=1/273;
ωt——窑尾排气速度,m/s,一般3~8m/s;ψ干——干燥带物料填充系数;
D均干——干燥带平均有效内径,米。
(?
({.o;t(?
4.按供热能力
G=K×B×Q低×η/q料吨/小时(4)5H'U3y6E4{;y&Y
式中:
B——燃料消耗量,公斤/小时或标米3/小时;Q低——燃料低发热量,千卡/公斤或千卡/标米3;|:
N;]4F5B"Z5B!
i"N5w:
k
K——系数,对铝厂用窑预热二次空气时,K=1.1~1.15;不预热时,K=1.0;
η——窑的热效率,一般为55~65%;8X(~2|:
o0~#ck#\,N$f/}(j:
v
q料——每吨产品必须消耗的有效热,千卡/吨。
&\4o9F+z)Q,W0]7O3q1P3M4K"H)O0X
q料=(G干料+A)(q吸+C×t高+600w/100-w)×103千卡/吨)a(y&S+q%h
%s:
A%d(i"L$k9g.s:
S:
I
式中:
G干料——每公斤产品理论消耗干生料量(不包括水分),公斤/公斤;A——每公斤产品不可返回的飞尘损失,公斤/公斤
q吸——每公斤产品吸热反应吸热量(除去放热反应放热量),千卡/公斤;"
M0[4D%J5P!
L
C×t高——将物料加热到最高温度(烧成带)所需物理热,千卡/公斤;W——
湿生料中所含水分,%。
5.按窑内传热能力:
G=∑Q÷q料或G=Qi÷[q料]i千卡/小时(5),L8Y7B?
'z#C1C8@
式中:
∑Q——窑内各带对物料的总给热量,千卡/小时;Qi——窑内某一工作带中对物料的传热量,千卡/小时;
q料——物料必须在窑内吸收的总有效热量,千卡/吨;8`%a8|+X1`/{#@9P"
F$w
[q料]i——物料在某一工作带内必须吸收的有效热量,千卡/吨。
所谓有效热量指的是不考虑非生产性消耗和热损失的热量。
/o#l*R/P&f3F(}3R
回转窑内传热过程比较复杂,各工作带内传热方式也不尽相同。
在干燥带,气体温
度较低,传热以对流为主。
另外,窑壁及热交换装置对物料也有传导作用,因传导的计算较繁杂,而辐射的份量又不大,为简化计算,往往将两种热交换综合在对流给热系数之中,用一个经验公式表示:
Q干=α干×F干×Δt干2|6z4I4h&@
式中:
α干——干燥带给热系数,千卡/米2.小时.℃,根据热交换装置类型不同,有各种经验公式,如在挂链条情况下:
(式中ω0为窑全断面的平均流速,Nm/S);F干——干燥带中总传热面积(窑的内衬表面+热交换装置总表面),m2;6Q&?
5x"b1j
Δt干——干燥带两端炉气与物料温度差的对数平均值,℃。
'\;a&a7Z#{2q&K$W5
D
;|)C/f/i'o#s%d1]
图1回转窑内传示意图
图2回转窑内壁示意图
其他带内,对物料裸露表面的传热可近似按火焰炉内传热公式计算;对与窑衬接砝
的物料表面,窑衬表面将通过辐射与传导向物料传热,但随着窑衬温度升高及物料颗粒变粗
(由粉料变成小球进而烧结成块),其间传导作用将越来越小,传热量按下式计算:
Qi
=αΣ×Δt×F弦×C壁料[(T壁/100)4-(T料/100)4]×F弧1{&S(]3_(r0_
.i+l!
}!
R&^&T7g.W2|
式中:
αΣ——综合给热系政,等于α对+α辐,千卡/米2.小时.℃;α对——炉气对物料的对流给热系数,千卡/米2.小时.℃;'V"D#i;F!
I+^
α辐——炉气及窑壁对物料的辐射给热系数,千卡/米2.小时.℃。
[)w:
k/E#J2H$q!
N
α辐=C气料壁[(T1/100)4-(T2/100)4]/t气-t料:
|*~0`'F5v-W)E
/P7q%a#P*@0O6J/]-u
式中:
C气料壁=4.88ε料(F壁/F弦+1-ε气)/[ε料+ε气(1-ε料)]1-ε气/ε气+F壁/F弦千米/
小时$C-x8S"u1?
;j-Y
式中:
ε料,ε气——物料及炉气的黑度;
t$O2j9h3\$[!
w#{7g7?
F壁/F弦=π×D-L弧/L弦
Δt——该带内炉气与物料的平均温度差,℃,取始末两端温差的对数平均值:
3}(t0j1Zl)I(R'g*e%c
Δt=Δt′-Δt″/ln(Δt′/Δt″)℃
其中:
Δt′、Δt″——始端及末端的气与料的温度差,℃;
当Δt′与Δt〃之值相差不大(不超过一倍)时,可用算术平均值,即:
Δt=1/2(Δt′+Δt″)℃)b'N3v"u9o&v$V%l'{
式(7)中第二项系考虑窑衬遮蔽表面与接触物料弧形表面间的辐射(视为两平行表面组成的封闭体系),式中有关参数确定如下:
C壁料=4.88÷(1/ε壁+1/ε料-1)千卡/米2.小时.K4.J7X2m0D&M$j&sW*`
式中:
ε壁——窑壁黑度;
另外T壁为窑衬遮蔽表面在该带内的平均温度,K;考虑到与物料接触过程中的温度降低,此值可近似取以下平均值:
9P!
L!
k0X,z-])E
T壁=1/2(T料+T′壁)
其中未遮蔽的窑壁表面温度T壁可近似按火焰炉内炉墙表面温度公式确定:
(]6E7Y;]z0O7F5T#A
#R&t$I;ml:
T&t9|$Q,Y
式中符号意义及单位同前。
8{(~8s%m:
~&x6}!
l
-x$d3q4A0s3M'W8P6C1P9G9k
[附]F弦、F弧、F壁的计算:
/H'['N"r2r&V2L3C4G7g$j&q$R8q
①计算出各带的填充系数ψ:
ψ=4G÷(π×D2均×ω料×γ料)(a)2b&X;I"}5?
/i.{
②计算物料填充的弓形面积:
f料=ψ×πR×2(b)"g/z0m:
n'L;g;j#^
③计算物料填充中心角θ:
因f料=0.5×R2×(π÷180θ-sinθ)0~;g,r8{,a(|"^(j'f
联解(b)、(c)两式得:
2π×=ψπ÷180θ-sinθ
参考弓形几何尺寸表,由f填÷R2之值可查出对应的θ值,其中间值可按试算逼近法求出。
④求弦长及弧长:
L弦=D均×sinθ/2米;L弧=θ÷360×πD×均米;L壁=π×D均
×(1-θ÷360)米
*{2E(C/q!
s7\.K
⑤求面积:
F弦=L弦×L带m2;F弧=L弧×L带m2;F壁=L壁×L带m2;式中L带为各相应带的窑长,米。
以上五个方面确立的生产率关系式是确定窑体尺寸、运转参数及操作条件的理论依据。
热工设计的任务就是综合五个方面的关系,合理确定各参数,使上述各式反映出的生产能力达到平衡(即设计的生产能力水平)。
生产中必然由于某一参数的波动或突破,引起原来平
衡的破坏,再经过操作中对有关参数的调整,使达到新的水平上的平衡(实际生产能力)。
"{/M"?
-}$A6Q
6.按经验公式
在计算窑的实际生产能力时,往往用一些具体化了的简化公式。
在具体条件相同时,这些简化公式能简明、准确地反映生产率与其中1~2个参数的关系。
.E/G'e9W2o5d"T
(1)回转窑产能与筒体尺寸之间关系:
G=K×D1.5均×L吨/小时
"c2^+^#X:
O+U'X
式中:
D均——窑的平均有效内径,米;L——窑的有效长度,米;
K——经验系数,受多方面因素的影响。
根据我国生产实践的统计,各类窑的数据列于表4中。
4t%o-B$d-Q
表4经验系数K
4y#r!
c2q([3Y:
b!
H
窑类'P*@+c(E4x4X5m1w+d
K值
_-H0k7D)c*F"W
铅锌挥发窑
0.05~0.07
5]7c9C2{*p
铜矿离析窑.Q+iD-w+?
H'n;u,_0v
0.05~0.07
0b-M$q8I%c!
a.G,Q
氧化铝焙烧窑
0.07~0.08(有热交换器时
氧化铝熟料窑
0.055~0.065(无热交换器时
%G0r!
V"E(O7\)l/i
0.071~0.074(有热交换器时#R'J']1d0t4_
0.09~0.10(热端扩大时)
湿法水泥长窑!
o({/K'r4{;@;y9^9Q#N
0.028~0.032
干法水泥窑
0.048~0.0567}9P/^*r-u5j(W-h*g
%s!
]&m0z2o%d8c6h;K
(2)按单位面积产能计算:
G=GF×F÷1000吨/日
式中:
F——窑的有效内表面积,m2;GF——窑的单位内表面积产能,公斤/米2.小时。
根据我国生产实践统计:
铅锌挥发窑:
GF=23~30公斤/米2.小时;氧化铝熟料窑
GF=41~48公斤/米2.小时;
氧化铝焙烧窑:
GF=33~40公斤/米2.小时;单筒冷却机:
GF=120公斤/米2.小时。
{6~7|$z,p:
S'a
(3)按单位容积产能计算:
G=GV×V吨/日-d&J1s;^5~;f0u(G
式中:
V——窑的工作容积,米3;Gv——窑的单位容积产量,吨/日.米3。
!
D!
H*Z#r)]$v"Q
根据我国生产实践的不完全统计,Gv的数值推荐如下:
氧化铝熟料窑:
Gv=1.3~1.5吨/日.米3;氧化铝焙烧窑:
Gv=1.4~1.6吨/日.米3;铅锌挥发窑:
Gv=1.0~1.2吨/日.米3。
9a"Q4V0D9X5b3x*E%J
应该指出,按经验公式计算,虽然简单也较准确,但它是统计某一时期的某些厂具体
窑的产量得出来的,随着窑型及运转情况的变化和生产技术水平的提高,式中的经验数据就会有某种程度的差别。
三运转参数的确定
1.转速(n)的确定
回转窑转速对窑内物料活性表面、物料停留时间、物料轴向移动速度、物料的混合
程度以及窑的填充系数等都有密切关系。
窑的转动起到翻动物料的作用,在一定条件下,提高转速可以强化物料与气流间的热交换。
近来趋向“放平快转”,国内某氧化铝熟料窑的转速达到4.5转/分。
但转速太大,则物料在窑内停留时间短,反应不完全,产品质量不能保证,设备维修困难;转速大小,会降低窑的生产率。
根据我国生产实践,各类回转窑的常用转速
n(转/分)推荐如下,供选用时参考。
表5回转窑常用转速n:
h7Y!
H7J/_
;s%u+f"t:
z
窑类
常用转速n值7d#Z-N+|:
[t+E6M)Y/S"i
铅锌挥发窑0]*|;X5B@+z5T!
T$N)e.F
0.0667~0.75
离析窑
0.8~1.2
;A8K(?
9W+f3^3F8i
黄铁矿烧渣球团焙烧窑5W(g2I7c5z+g3V
0.5~1.3)u&_;i$U9W&I.e
.D)W)U#a1?
氧化焙烧窑
2~4.5
氧化铝熟料窑
1.83~3
氧化铝焙烧窑
1.71~2.74
0F&l1Z)v2Q$W7m
碳素窑
1.1~2.1/V;q'L9?
*Ib.G+P
水泥窑
0.5~1.84
%s,R'V0}1U-\#t%c-]
2.斜度(i)的确定"w9j6])l'e
回转窑的斜度i一般指窑轴线升高与窑长的比值,习惯上取窑倾角β的正弦sinβ,一般范围为2~5%。
斜度过高会影响窑体在托轮上的稳定性。
B3R({6w$r8d*P!
W'm
对于物料流动性强的窑,如氧化铝焙烧窑,斜度不宜过大,取2~2.5%;水泥及
氧化铝熟料窑通常采用3~4%;铅锌挥发窑多采用5%;氧化及氯化焙烧窑多用
2~3%。
斜度与转速的关系密切,选择时应满足下列关系式:
n×i=G×sinα÷(1.48×D3均
×ψ×料γ)#H0D&X9a#{7b
式中:
G——单位生产率,吨/小时;D均——窑的平均有效内径,米;n——窑的转速,转/分;i——窑的斜度,%;
ψ——物料在窑内的填充系数;γ料——物料在窑内的堆比重,吨/米3(见表
4);α——窑内物料的自然堆角(安息角),度。
某些物料在窑内的自然堆角(安息角)如下:
'I-H!
M0o8p0Q
有色重金属烧结窑:
α=50~60°;有色重金属焙烧窑:
α=32~40°铅锌挥发窑:
α=50~60°;氧化铝熟料窑:
α=35~45°;#K2^5]8w9U
氧化铝焙烧窑:
α=30~33°;贫铁矿磁化焙烧窑:
α=36~40°。
*c9w8r7J-V6w1FD
3.物料在窑内轴向移动速度四料和停留时间τ
窑内物料轴向移动速度ω料与很多因素,特别是与物料的状态有关。
虽然对窑内物料移动速度ω料做过各种研究,得出了不少的经验公式,但各个公式不是普遍适用的,有其局限性。
下面推荐几个常用的公式