3新型干法回转窑设计参数节能优化及传动功率计算分析探讨会议投稿.docx
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3新型干法回转窑设计参数节能优化及传动功率计算分析探讨会议投稿
新型干法回转窑设计参数节能优化及传动功率计算分析探讨
南京邦齐建材设备工程有限公司梁镒华郝景歆
前言：
作者早期曾参与部分湿法、干法短窑和NSP窑的工艺、设备开发，为新设备开发提供荷载资料等。
在工作中对窑内物料荷载负荷率计算比较粗略，按保守的最大值提，至于生产中窑内物料负荷率是一个随窑型、转速和产量变化的变量关注研究较少，对窑的研究较多注意在热工方面，而对设计参数如斜度、长径比等对窑经济运行的影响有所忽略或重视不够。
因此工作中存在一定的盲目性，有些参数的确定，往往参照外国公司现有同类窑型设计数据或根据实际情况做少量调整参照使用，所以会存在Φ4.0×60m斜度3.5%使用30年不变，设计中有随意加大长径比的情况。
随着技术装备引进和后期技术进步，NSP窑产量大幅提高，传动功率逐步加大，近年来由于有NC院Φ4.0×60m斜度4%传动功率由315kw改为280kw的启发，以及早期日产2000吨技术引进中国外各公司报价资料回转窑设计参数和装机功率差异很大，一直未能深入研究搞清所以然，以致引起笔者着手研究NSP窑设计参数和功率的计算问题，拟建立一个表征性数学模型做一些探索性工作。
前面发表两文[1][2]，是关于NSP窑设计节能优化和新窑型的探索，本文拟把NSP窑设计参数优化及功率计算方法介绍给大家供研究探讨。
一、NSP窑设计参数计算
1、物料停留时间（T）计算
窑内物料停留时间是NSP窑设计的主要参数之一。
一般意义上讲，停留时间是保证物料在窑内高温热工制度下完成多种物理化学反应所需的时间。
停留时间不足熟料“欠烧”影响产品质量性能，时间过长熟料“过烧”，使熟料晶体生长过大，且结构致密而影响熟料的易磨性并造成动力消耗和热耗增大，因此缩短物料停留时间“薄料快烧”是优质、高产和节能的重要工艺原则。
这里研究物料停留时间除一台窑在日常操作中的改变窑速来调节物料停留时间达到物料烧成的目的外，主要是研究新设计或改造窑型可通过设计参数优化和缩短物料停留时间来达到NSP窑运行节能的要求。
1.1缩短窑内物料停留时间的理论依据
NSP窑的技术进步经验告诉我们：
缩短物料在窑内的停留时间“薄料快烧”是实现优质、高产、低能耗的重要工艺手段之一。
缩短物料在窑内停留时间的理论依据是：
NSP窑入窑物料经预分解系统已快速完成95%以上的碳酸钙分解，物料内含有大量CaO、SiO2等均为新生态物质，入窑后分解带很短能迅速升温至1100～1200℃，即有效进行固相反应，生成新生态C2S与之同时存在的CaO晶体尺寸都＜2μm，反应表面积大，微晶体缺陷多、活性高。
进入烧成带后易溶于熟料液相，化学反应扩散迁移速度较快，反应能力强，更有利于熟料主要矿物C3S的形成，且因烧成带“合理控制”烧结反应，熟料矿物C3S微晶和再结晶的C3A、C4AF等晶体生成尺寸小，结构较疏松，能提高熟料质量，且易磨性好。
因此，NSP窑在满足主要化学反应时间要求的基础上，尽量缩短窑内物料停留时间是可行的。
1.2窑内物料主要物理化学反应过程和停留时间
以KHD超短窑为例说明窑内主要物理化学反应过程和物料停留时间。
经预分解系统入窑物料碳酸钙表观分解率达到95%以上，入窑后尚需完成<5%的碳酸钙分解反应和升温，分解带很短物料能迅速升温至950℃吸热量168kj/t·cl，接着过渡带物料升温950～1300℃及部分液相出现，吸热量约448kj/t·cl，此间1100～1200℃时固相反应生成C3A、C4AF、C2S和钙离化子（Ca+）达到最大值，反应以放热约485kj/t·cl（设熟料矿物组成：
C3A0.08、C4AF0.10、C2S0.20和C3S0.60），过度带吸、放热两项抵消后呈微放热状态约37kj/t·cl，过度带需时约6分钟。
分解、过度带约占窑长53%左右。
烧成带液相增加微吸热55kj/t·cl，通过液相烧结由C2S吸收Ca+最终形成熟料主要矿物碳酸三钙（C3S），反应放热量约279kj/t·cl，因此入窑物料化学反应和升温需吸热量较少，主要化学反应以放热反应为主，窑内熟料形成热基本为负值。
由于窑内水泥物料是个多组分、多离子的混合体，各组分、离子对液相量和粘度有较大影响，进而影响生成C3S的反应速率和熟料矿物组成，另外温度对C3S形成速率的影响和C3S晶格形成和微晶生长的热、动力学因素均需要有一定的反应距离和停留时间来保证反应完成。
烧成带约占窑长40%左右，需时约10分钟，而冷却带很短约占窑长7%，出料温度＞1300℃，需时仅1～2分钟。
因此，窑内物料总停留时间仅为19～20分钟。
表1超短窑内各带物料主要化学反应过程及停留时间
名称
物料温度
（℃）
主要化学反应及形成主要矿物
热量
（kj/t·cl）
占窑长（%）
停留时间（min）
分解带
880～950
物料升温
碳酸钙分解＜5%CaCO3→CaO+CO2↑
吸热+85
吸热+83
53左右
约1～2
过渡带
950～1300
其间1100～1200
物料升温及部分液相出现
固相反应生成C3A、C4AF和C2S
吸热+448
放热-485
约6
烧成带
1300～1450
液相量增加
烧结反应2CaO·SiO2+Ca+→3CaO·SiO2
吸热+55
放热-279
40左右
约10
冷却带
＞1300
C3A、C4AF等重新晶体部分液相形成玻璃体
物料升温、冷却吸、放热抵消
6～7
约1～2
1.3窑设计中物料停留时间的合理选择
合理确定物料停留时间很重要，随NSP的技术进步，我们逐步探索到合理物料停留时间的相关规律。
首先我们进行国内外公司部分NSP窑物料停留时间的计算统计，结果列于下表。
表2部分NSP窑物料停留时间计算统计
厂名（公司）
规模
规格
斜度
操作转速/装机转速
计算停留时间
备注
万年（TC）
2000
Φ4.0×60
3.5
3.2
27.3
80年代初
冀东（IHI）
4000
Φ4.7×74
4．0
3.0
26.5
1984年
柳州（FLS）
3200
Φ4.55×68
4.0
3.0
25.2
1986年
报价（UBE）
2000
Φ3.7×58
3.5
3.0
30.7
80年代
宁国（MHI）
4000
Φ4.7×75
4.0
4.0
20.1
1987年
顺昌（FLS）
2000
Φ3.95×56
4.0
3.2
22.4
1989年
新疆天山（KHD）
2000
Φ4.0×43
3.5
2.5/3.67
25.0/16.8
1993年
鲁南报价（KHD）
2000
Φ4.0×42
3.5
3.2
19.1
80年代
花莲·台（KHD）
5000
Φ5.0×55
3.5
2.5/3.0
25.4/21.1
1992年
新广州（KHD）
6000
Φ5.2×70
3.5
3.2
24.2
2005年
京阳（KHD）
5000
Φ5.2×61
3.5
3.2
21.0
1999年（2009年达6700t/d）
联合（NC）
5000
Φ5.2×61
3.5
3.5/3.8
19.3/17.7
2005年（考核5700t/d）
TC
2500
Φ4.0×60
3.5
3.9/3.95
22.4/22.1
80年代初
NC
2500
Φ4.0×60
4.0
3.9/4.07
19.5/18.6
90年代初
TC
5000
Φ4.8×74
3.5
4.0
22.3
2002年
海螺（NC）
5000
Φ4.8×74
4.0
4.0
19.4
2002年
上表可见：
（1）由80年代的25～30分钟（如万年、冀东、柳州和日本宇部报价资料等）到80年代后期90年代初的20～25分钟（如宁国、顺昌、天津院等）。
（2）KHD的选择。
KHD对停留时间有个探索过程，体现在最初超短窑，如：
斯伯纳厂配最高转速3.5r/min，实际操作转速3.0r/min，计算停留时间为16.6和19.4分钟；80年代鲁南报价装机最高转速3.2r/min，计算停留时间为19.1分钟；后来台湾花莲配装机最高转速3.0r/min，实际操作转速2.5r/min，计算停留时间为21.1和25.4分钟；江苏京阳配装机最高转速3.2r/min，实际按此转速操作，计算停留时间为21.1分钟。
（3）NC的选择。
南京院90年代对最高转速配置均考虑物料停留时间＜20分钟的可能，如：
华润5000t/D配最高4.2r/min，计算停留时间为18.5分钟；江苏联合超短窑配最高3.8r/min，操作转速3.5r/min，计算停留时间为17.7和19.3分钟，比京阳超短窑缩短了2.2分钟，负荷率降低0.7%，体现了“薄料快烧”的运行效果。
（4）笔者建议。
实践证明物料停留时间有随原燃料条件和窑系统工艺、装备的技术进步、生产管理控制水平的提高有缩短的趋势，因此我们在窑的设计时应给窑速配置留一定的余地。
笔者建议：
设计中最高操作转速按目前生产水平控制在19～20分钟左右，装机最高转速可按～18分钟左右考虑，是合理可行的。
1.4物料停留时间（T）计算
min
（1）
式中：
；
—分别为窑有效内径和长度，m；P—窑斜度（度），其中3.5%（2.0º），4.0%（2.3º），4.5％（2.58º）；
—窑转速，r/min；
—物料休止角，（º），全窑平均一般取35°
计算公式
（1）建立起停留时间（T）与长径比成正比和斜度（P）、内径（Di）、转速（
）成反比的关系，即：
在同转速下，窑的长径比大、斜度小物料在窑内停留时间延长；而大斜度，小长径比将缩短物料在窑内停留时间。
若两台窑停留时间相同，能达到降低转速而节能。
当设计参数
、L、P确定后代入上式可得计算简式
（2）如下：
T=K1·
-1（min）
（2）
式中：
K1——窑型时间系数，即K1=10.4715L/PDi
2、物料负荷率（
）计算
负荷率
为窑内物料的容积与窑有效容积的百分比。
由于窑各带物料性质、状态和运动速度不同，物料负荷率
各不相同，这里所指的是平均负荷率的概念，它是个虚拟表征性指标。
据资料介绍，NSP窑一般
＝5%～13％，目前窑产量大幅提高并有向“薄料快烧”发展则
＝6%～9.0％左右（见图1）。
这里研究负荷率
除对具体某窑，因产量提高窑速调节后计算物料负荷率外，主要研究新设计窑设计参数斜度、直径选择和产量对负荷率、物料量和节能的影响。
（%）（3）
式中：
取1.0625
—料耗kg·s/kg·cl取1.62
—入窑物料表观分解率，％取0.90
（根据日本水泥协会数据计算）
Gcl—窑小时熟料产量，t/h
将公式
（1）和参数R、
代入后得下式（4）：
（%）（4）
为使用方便将窑规格设计参数代入公式（4）可得计算简式（5）如下：
K2·Gcl·
-1（%）（5）
式中：
K2——窑型物料系数即K2=21.7757/PDi3
计算公式建立起负荷率与产量成正比，而与斜度、转速和直径三次方成反比的关系，即负荷率随窑产量提高而加大，随斜度、直径和转速加大而减小。
这些结论从图1中都能得到印证。
3、窑内物料量（Gw）计算
窑内物料量和运动状态速度是构成物料运动功耗的两个组成部分，正常状态下，物料运动功耗约占据窑实际运动功耗的70～75%左右，因此在窑设计中，力求降低窑内物料量是节能降耗要考虑的主要因素之一。
窑内物料量可通过窑内平均负荷率查“园截面积内弓形函数表”如下表【见水泥工厂设计手册（下册）第871页】。
表3窑内负荷率与园截面积内弓形函数表
A
A
A
A
A
0.060
0.047124
0.069
0.054193
0.078
0.061261
0.087
0.0683294
96
0.0753984
61
0.047909
0.070
0.054978
79
0.062047
88
0.0691148
97
0.0761838
62
0.048695
71
0.055763
0.080
0.062832
89
0.069002
98
0.0769692
63
0.049480
72
0.056549
81
0.063617
0.090
0.070686
99
0.0777546
64
0.050266
73
0.057334
82
0.0644024
91
0.0714714
0.100
0.078540
65
0.051051
74
0.058120
83
0.0651878
92
0.0722568
66
0.051836
75
0.058905
84
0.0659732
93
0.0730422
67
0.052622
76
0.056690
85
0.0667586
94
0.0738276
68
0.053407
77
0.060476
86
0.067544
95
0.0746130
窑内物料量Gw可根据计算负荷率
从表三中查取A值，用下式（6）进行计算。
Gw=A×
×
×L（t）（6）
式中：
—窑有效内径（m），
—物料平均容重取1.085，A—弓面积查上表
二、NSP窑传动功率（N）计算
正确计算选择传动功率很重要。
如果电机选型小了则会使传动电机过载过热影响生产正常进行和产量的提高，有时甚至会因过载而烧坏电动机；如果电动机选型过大，不但增加投资造成资源浪费，而且电动机长期低负荷运转会降低传动效率而浪费能源，为此许多人都在研究，探讨回转窑传动功率的计算方法。
随着NSP窑技术进步，窑产量大幅度提高，主传动功率配置选型不断加大，特别是各种不同设计参数窑型在能耗和对窑产量能力研判上的差异，往往造成额定功率配置不合理而导致使用过程中再行改造。
因此，正确合理计算选择主传动功率显得尤为重要。
（见图2NSP窑的斜度、长径比对能耗的影响。
）笔者根据国内早期Φ4.0×60斜度3.5%日产2000吨时的部分研究成果，结合当前实际生产数据探索传动功率的计算方法如下。
2.1窑内物料运动功耗（Nw）计算
2.1.1对早期物料运动功耗计算式的修正
根据熊氏介绍物料运动功耗计算式（见前期Φ4.0×602000t/d时计算）
（kw）（7）
式中：
Nw—物料运动功耗（kw）
—物料容重取1200kg/m3，
—物料休止角取35°,θ—为弓形物料截面积相对应中心角之半，查表（省略）得0.655，将参数代入公式（7）得：
（8）
=0.0592×3.63×0.6553×60×3.0=139.7kw*
由于上式计算中物料平均容重取1200kg/m3偏高，现按1085kg/m3（日本水泥协会）代入公式（8）得修正公式（9）：
（kw）（9）
2.1.2笔者物料运动功耗（Nw）经验式计算
正常情况下物料运动功耗主要由物料量和窑转速构成物料运动速度两部分组成。
笔者根据早期研究成果和当前实际生产数据探索物料运动功耗的计算方法，把公式改为经验公式（10）如下：
Nw=0.9214×Gw×n（kwh/h）（10）
式中：
Gw—窑内物料重量（t）;n—转速（r/min）
将表5方案1数据（窑速n=2.8r/min，物料量Gw=45.7t）代入公式（10）得：
Nw=0.9214×45.7×2.8=117.9*kwh/h
再将表5方案1中数据（n=2.8r/min，Di=3.6，L=60m）代入修正公式（9）得：
Nw=0.05353×3.63×0.6553×60×2.8=117.9kw
用经验式（10）与修正式（9）计算值吻合。
（*前两篇“文章”—参考文献【1】【2】中相关物料运动功率计算值均偏高，请读者按公式（10）自行修正——笔者注）
2.2主传动额定装机功率（N）计算
2.2.1计算分析依据
根据前期Φ4.0×60斜度3.5%日产2000t时计算和研究成果数据为分析依据。
（1）该窑的装机功率为2×125kw，2000t/d时，计算装机功率224kw。
（2）计算托轮、挡轮轴承磨损阻力和轮带表面滚动摩擦消耗功率为57.5kw，约占计算装机功率0.257。
（3）研究和实践经验表明：
一台新安装的窑在未砌砖时窑胴体空载试运转功率正常为额定装机功率的10%左右，而砌砖后烘窑时为额定装机功率的20%左右，若超过太多则可认为窑安装或托轮调整有问题；窑内物料运动功耗约占实际运动功耗70～75%。
2.2.2额定装机功率（N）计算
经分析研究笔者建议用经验公式（11）如下：
（kw）（11）
式中：
N—额定装机功率（kw），η—传动效率，减速机+电动机一般取0.88。
经验计算式（11）建立起主传动装机功率与物料运动功耗的关系，也可简化为窑设计高产量下物料运动功耗乘以1.9倍，确定为该窑额定装机功率。
以上述2000t/d时计算得Nw=117.9kw，参数代入得：
=224kw，验证与早期计算值吻合。
2.2.3窑产能大幅度提高后装机功率推算
在其他因素不变的情况下，窑产能与装机功率成正比关系。
因此提高产量后的装机功率可按如下公式（12）计算。
（kw）（12）
式中：
G1、G2—提产前、后熟料小时产量（t/h·cl）
N1、N2—提产前、后装机功率（kw）
三、计算实例（表5方案2）
已知：
Φ4.0×60m，斜度4.0%，产量2800t/d（117t/h）计算设计参数及装机功率？
1、物料停留时间（T）的合理选择和确定最高操作和装机转速（n）
已知：
P=4.0%即2.3°，Di=3.6m，L=60代入公式
（1）得计算简式
（2）如下：
（2）
选择T=20.0min代入简式
（2），求得该窑最高操作转速n=3.8r/min。
装机最高转速计算：
r/min，选择4.2r/min为发展预留余地是合理的。
2.窑内物料负荷率（
）计算
已知：
参数Di、L、
、R和简式
（2）代入下式得计算简式（4）如下：
（4）
当2800t/d（117d/h）时，n=3.8r/min，代入简式（4），求得
6.25%。
3.窑内物料量（Gw）计算：
由
6.25%查函数表得A，和其他参数代入得
Gw=A×
×
×L=0.0490875×3.62×1.085×60=41.4t
4.物料运动功耗（Nw）计算
已知：
2800t/d（117t/h）时，操作转速为3.8r/min及GW=41.4t代入公式（10）得：
Nw=0.9214×Gw×n=0.9214×41.4×3.8=145kwh/h
5.主传动额定装机功率（N）计算
已知：
物料运动功耗为145kw代入公式（11）得：
kw
或者可简化为：
N=1.9×Nw=275.5kw
装机功率配280kw能满足2800t/d的生产要求。
6.窑实际运行功耗（N实）估算
由于熟料的物料运动功耗约占窑实际运行功耗的70～75%即：
kwh/h
7.窑产量若提高到3200t/d（133t/d）时，计算装机功率
已知：
产量117t/h，装机功率276kw，求133t/h时装机功率，代入公式（12）得：
=313.7kw
选配额定装机功率315kw电机能满足窑产量3200t/d时的生产要求。
四、应用分析与探讨
1.物料停留时间计算式应用。
在应用中除对设计参数确定的具体窑，在运行中停留时间与转速成反比，即窑速下调物料停留时间延长外，主要可研究在窑的设计中设计参数（斜度、直径和长径比）优化对节能的影响，即在合理设定最短物料停留时间后，设计参数选择决定了该窑的最高操作转速，也就是选择大斜度，大直径和小长径比时在保证物料停留时间前提下，该窑将有相对较低的操作转速能减少物料运动功耗而节能。
（见表5方案1～5和图1、2中）
2.负荷率计算式应用。
在应用中除对设计参数确定的具体窑在运行中计算负荷率和产量、窑速参数的影响关系外，主要研究在新窑设计中设计参数的选择如何相对降低负荷率对增产节能有利。
即选择大斜度、大直径和小长径比可相对降低负荷率和物料量能减少物料运动功耗而节能，选大直径还对提高产量和相对降低负荷率有利。
（见表5方案1～5和图1、2中）
3.关于物料运动功耗。
窑的实际运行功耗主要由物料运动和机械运行摩擦阻力两部分功耗组成。
在正常情况下，物料运动功耗约占窑实际运行功耗0.70～0.75占主导地位（KHD设备运行摩擦功耗低时，物料运动功耗可占到80%左右），因此降低窑内物料量和运动速度是设计节能考虑的主要因素。
（见表5和图2中）
综上分析可见，通过对窑设计参数的优化，能达到既保证物料停留时间，又能相对降低负荷率、物料量和相对降低窑速而节能的要求。
4.关于窑实际运行功率估算。
窑内物料运动功耗约占实际运行功耗70～75%，因此计得窑产量下物料运动功耗后除以0.70～0.75即为窑在该产量下的实际运行功率。
5.关于额定装机功率。
本计算额定装机功率值在设计最高产量正常运行状态下尚有25～30%的富裕功率应对设备和生产中各种不正常因素以保证生产的正常运行。
额定装机功率简化计算。
在计得该窑产量下的物料运动功耗乘以1.9倍即为额定装机功率，也可以从某窑计算得到单位熟料装机功率值乘以预期窑小时高产量求得额定装机功率。
（见表5中）
6.NSP窑设计结构参数对窑实际运行功耗和装机功率的影响
从上述计算可知窑设计结构参数（P、L/D）对窑实际运行功耗和装机功率配置影响很大，笔者对国内外相关公司的2500、5000t/d规模窑型进行统计、计算结果见下表4
表4不同设计参数的新型干法窑熟料能耗指标计算结果比较
公司、方案
长径比
L/D
斜度
P
实际运行功耗kwh/t·cl
额定装机功率kwh/t·cl
节能比较
%
备注
TC
15～15.4
3.5
1.90～2.10
2.70～2.78
100
NC
15～15.4
4.0
1.65～1.80
2.36～2.43
～87
KHD**、NC
11～12
3.5
1.37～1.53
1.97～2.15
～73
BQ
14
4.5
～1.4
～1.96
～73
BQ
12
4.0
～1.34
～1.87
～69
**KHD引进设备实际运行功率为1.30～1.40kwh/t·cl左右。
（KHD资料介绍：
台·花莲Φ5.0×55实际运行功耗为1.3kwh/t·cl）
7.对“表5”的分析探讨
①设计参数：
斜度和长径比对节能的影响。
长径比相同时斜度4.0%比3.5%节能13%左右；（方案2与1比较）长径比＜12，超短窑斜度4.0%比3.5%节能11%左右；（方案5与4比较）斜度相同，长径比10.75比15节能29%左右，即长径比减少1节能6.8%左右。
（方案4与1比较）。
②关于NSP窑加大斜度的探讨
目前有窑斜度大物料运动速度快会影响熟料烧成的观点，真是这样吗？
通过上述大量计算，分析和研究得出：
NSP窑设计参数P、L/D、n与窑内负荷率和物料量有如下内在规律：
不同设计参数P、L/D、n的窑，当调速至物料停留时间相等时，若单
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