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\'D7e1j#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$l.R"N2~#U,v2D,y
（3）冷端扩大型：
便于安装热交换器，增大干燥受热面，加速料浆水分蒸发，降低热耗及细尘飞损，适用于处理蒸发量大、烘干困难的物料；&c&~&R3G:
n5B+j,K.V
（4）两端扩大型（哑铃型）：
中间的填充系数提高，使物料流动的机会减少，还可以节约部分钢材；
还有单独扩大烧成带或分解带的“大肚窑”，这种窑型易挂窑皮，在干燥带及烧成带能力足够时，可以显著提高产量。
但这种窑型操作不便。
9Z（s4v）n9t;H
总之，不论扩大哪一带，必须保持预烧能力和烧结能力趋于平衡。
只有在生产窑上，经过生产实践和充分调查研究（包括必要的热工测定和计算），发现某一带确为热工上的薄弱环节，在这种特定条件下将该带扩大，才会得出较明显的效果。
目前国内外发展趋势仍以直筒型窑为主，而且尺寸向大型方面发展。
"o2p#y0s/]:
g6[2M
其他有色金属工业用回转窑（还原、挥发、硫化精矿焙烧、氯化焙烧、离析、烧结转化等）多采用较短的直筒窑。
0q:
[!
h-H'T#A+~'Y
2.长径比
窑的长径比有两种表示方法：
一是筒体长度L与筒体公称直径D之比；另一是筒体长度L与窑的平均有效直径D均之比。
L/D便于计算，L/D均反映要的热工特点更加确切，为了区别起见，称L/D均为有效长径比。
1c2p"y,A"m-X0P$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$T3Y4d
-O7Il8\9A:
t1j*?
单筒冷却机8~123{8@'e&L+f+ci+u*N;[
——#M+~1U'X#u-A2e%Y.M4d1w2K
铅锌挥发窑14~17
16.7~18.3
2h0a0T1l7s/T
铜离析窑——）_1K（m3k4J$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×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$f/}（j:
v
q料——每吨产品必须消耗的有效热，千卡/吨。
&\4o9F+z）Q,W
0]7O3q1P3M4K"H）O0X
q料=（G干料+A）（q吸+C×t高+600w/100-w）×103千卡/吨）a（y&S+q%h
%s:
A%d（i"L$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$w
[q料]i——物料在某一工作带内必须吸收的有效热量，千卡/吨。
所谓有效热量指的是不考虑非生产性消耗和热损失的热量。
/o#l*R/P&f3F（}3R
回转窑内传热过程比较复杂，各工作带内传热方式也不尽相同。
在干燥带，气体温度较低，传热以对流为主。
另外，窑壁及热交换装置对物料也有传导作用，因传导的计算较繁杂，而辐射的份量又不大，为简化计算，往往将两种热交换综合在对流给热系数之中，用一个经验公式表示：
Q干=α干×F干×Δt干2|6z4I4h&@
式中：
α干——干燥带给热系数，千卡/米2.小时.℃，根据热交换装置类型不同，有各种经验公式，如在挂链条情况下：
（式中ω0为窑全断面的平均流速，Nm/S）；F干——干燥带中总传热面积（窑的内衬表面+热交换装置总表面），m2；6Q&?
5x"b1j
Δt干——干燥带两端炉气与物料温度差的对数平均值，℃。
'\;a&a7Z#{2q&K$W5D
;|）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&V2L3C
4G7g$j&q$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×π×R2（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×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
*{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$r8d*P!
W'm
对于物料流动性强的窑，如氧化铝焙烧窑，斜度不宜过大，取2~2.5%；水泥及氧化铝熟料窑通常采用3~4%；铅锌挥发窑多采用5%；氧化及氯化焙烧窑多用2~3%。
斜度与转速的关系密切，选择时应满足下列关系式：
n×i=G×sinα÷（1.48×D3均×ψ×γ料）#H0D&X9a#{7b
式中：
G——单位生产率，吨/小时；D均——窑的平均有效内径，米；n——窑的转速，转/分；i——窑的斜度，%；
ψ——物料在窑内的填充系数；γ料——物料在窑内的堆比重，吨/米3（见表4）；α——窑内物料的自然堆角（安息角），度。
某些物料在窑内的自然堆角（安息角）如下：
'I-H!
M0o8p0Q
有色重金属烧结窑：
α=50~60°；有色重金属焙烧窑：
α=32~40°铅锌挥发窑：
α=50~60°；氧化铝熟料窑：
α＝35~45°；#K2^5]8w9U
氧化铝焙烧窑：
α=30~33°；贫铁矿磁化焙烧窑：
α＝36~40°。
*c9w8r7J-V6w1FD
3.物料在窑内轴向移动速度四料和停留时间τ
窑内物料轴向移动速度ω料与很多因素，特别是与物料的状态有关。
虽然对窑内物料移动速度ω料做过各种研究，得出了不少的经验公式，但各个公式不是普遍适用的，有其局限性。
下面推荐几个常用的公式。
）b0f+I8?
6J/s2P-z
（1）ω料=5.78D均×β×n$x!
D3X1V9Q/[;I#A!
n%q
式中：
D均——窑的平均有效内径，米；β——窑的倾斜角，度；m——窑的转速，转/分。
3a（[8r#x#J'P.a（E*l7`
（2）ω料=3.24×D均×n×i÷（24+α）*s;W*h#O!
o!
y'e（]
式中：
i——窑的斜度，%；α——物料在窑内的自然堆角（安息角），度；
/W3U3N4\8A0S5K7C!
\
（3）ω料=2.32×D均×n×i÷sinα×sin3θ/2÷（θ-sinθ）米/小时
式中：
θ——窑内物料填充中心角，见图2，度；式中其它符号同前。
在窑内各种热交换装置影响区，粗略计算时，可在ω料公式中乘入校正系数K1，其近似数值如下：
扬料抄板K1=0.829~0.808；格子式热交换器K1=0.61~0
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