回转窑设计手册.doc

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回转窑的设计

一、窑型和长径比

1.窑型

       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：

（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；

（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；

（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。

      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。

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。

2.长径比

      要得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。

  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。

同类窑的长径比与窑的规格有关，小窑取下限，大窑取上限。

 表1各类窑的长径比

窑的名称

公称长径比

有效长径比

氧化铝熟料窑（喷入法）

20~25

22~27

氧化铝焙烧窑

         20~23

21.5~24

碳素煅烧窑

13.5~19

17~24

干法和半干法水泥窑

11~15

——

湿法水泥窑

30~42

——

单筒冷却机

8~12

——

铅锌挥发窑

14~17

16.7~18.3

铜离析窑

——

15~16

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。

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：

         G——单位生产率，吨/小时；         D均——窑的平均有效内径，米；

         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。

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

0.06~0.08

铅锌挥发窑

0.04~0.08

氧化焙烧窑

0.04~0.07

氯化焙烧窑

0.04~0.07

氧化铝熟料窑

0.06~0.08

氧化铝焙烧窑

0.06~0.08

表3某些物料的堆比重

物料名称

堆比重

锌浸出渣

1.6~1.65

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

1.4~1.5

氯化铜矿

1.16

锌沸腾焙烧细尘

1.80

硫化镍精矿

1.6~1.8

硫化镍焙砂

1.2~2.0

氧化铝和干氢氧化铝

1.0

碱石灰铝土矿干生料

1.2

碱石灰铝土矿熟料

1.3~1.4

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×γ料       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

        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。

        G=2826×D均干2×ωt×（1-ψ干）/V0×（1+βt尾）     吨/小时（3）

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。

4.按供热能力

                   G=K×B×Q低×η/q料吨/小时（4）

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；

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%；

q料——每吨产品必须消耗的有效热，千卡/吨。

q料=（G干料+A）（q吸+C×t高+600w/100-w）×103千卡/吨

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；

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）

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；

 [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。

       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；

Δt干——干燥带两端炉气与物料温度差的对数平均值，℃。

                                   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

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.℃；

α辐——炉气及窑壁对物料的辐射给热系数，千卡/米2.小时.℃。

 α辐=C气料壁[（T1/100）4-（T2/100）4]/t气-t料

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/小时式中：

ε料，ε气——物料及炉气的黑度；

                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：

                         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″）℃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

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：

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：

式中符号意义及单位同前。

[附]F弦、F弧、F壁的计算：

①计算出各带的填充系数ψ：

ψ＝4G÷（π×D2均×ω料×γ料）    （a）

②计算物料填充的弓形面积：

f料=ψ×π×R2     （b）

③计算物料填充中心角θ：

因f料=0.5×R2×（π÷180θ-sinθ）

联解（b）、（c）两式得：

2π×ψ=π÷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×π×D均   米；L壁＝π×D均 ×（1-θ÷360）  米

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）。

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。

（1）回转窑产能与筒体尺寸之间关系：

G=K×D1.5均×L　吨/小时

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。

   表4经验系数K