回转窑设计手册.docx

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回转窑设计手册

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

窑    类

K值

铅锌挥发窑

0.05~0.07

铜矿离析窑

0.05~0.07

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

0.071~0.074（有热交换器时

0.09~0.10（热端扩大时）

湿法水泥长窑

0.028~0.032

干法水泥窑

0.048~0.056

（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。

（3）按单位容积产能计算：

G=GV×V    吨/日

式中：

V——窑的工作容积，米3；Gv——窑的单位容积产量，吨/日.米3。

     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。

      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

窑    类

常用转速n值

铅锌挥发窑

0.0667~0.75

离析窑

0.8~1.2

黄铁矿烧渣球团焙烧窑

0.5~1.3

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

碳素窑

1.1~2.1

水泥窑

0.5~1.84

2.斜度（i）的确定

       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。

        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）

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：

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°；氧化铝焙烧窑：

α=30~33°；贫铁矿磁化焙烧窑：

α＝36~40°。

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。

（1） ω料=5.78D均×β×n

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。

（2）ω料=3.24×D均×n×i÷（24+α）

式中：

i——窑的斜度，%；α——物料在窑内的自然堆角（安息角），度；

（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=0.61~0.99；花环挂链K1=0.659~0.067；单头垂挂链K1=0.594~0.84。

在挡料圈或隔板影响范围内还要乘以系数：

K2＝2H÷ （Hh+h）0.5

式中：

H——出口挡料圈作用范围外的料层高度，米，即弓形鼓面的矢高；

h——出口挡料圈高度，米。

出口挡料圈的作用范围为100h/i米，其中i为窑的斜度，%。

      当已知窑体长度L及物料轴向移动速度ω料的情况下，停留时间τ可按下式求出：

τ=L÷ω料    小时或（分）

       重有色冶金回转窑物料在窑内停留时间介于1~2小时。

4.物料在窑内填充系数ψ

       某一截面上的填充率ψ等于物料层的截面与整个截面面积之比。

某一段窑长的平均填充率等于该段窑长内装填物料占有体积与该段窑的有效容积之比。

                   ψ=f料÷（π÷4×D2均）或ψ=4Gm÷（πD2均×ω料×γ料）

式中：

f料——i物料层所占弓形面积，米2；Gm——物料流通量，吨/小时。

在窑的出口处及冷却机内，Gm等于窑产量，在窑的入口处，Gm等于原料最；喷入法的氧化铝熟料窑应按干生料量近似估算，Gm＝1.4G（G为窑的小时产能，吨/小时）；氧化铝焙烧窑的湿氧氧化铝量Gm（1.7~1.87）G（当水分为10~18%时）；在窑的中部，Gm可取窑出、入口平均值；D均——窑的某处、某段或全窑长的平均有效内径，米。

其他符号意义同前。

      填充率是筒体及传动功率计算的依据之一，它对传动功率的影响甚大，需通过生产实践和必要的测定摸清各项操作条件对填充率的影响，从而确定填充率的准确值。

四、回转窑筒体尺寸的计算

1.窑体直径计算

（1）从控制窑灰循环量的观点，选定窑尾排烟速度ωt，由公式（3）得：

D=188×[V0×（1+βt尾）÷ωt×（1-ψ干）0.5    米

式中：

ωt——窑尾在实际温度下的排气速度，米/秒，一般3~8米/秒，对细料多取2.5~5米/秒。

近来有些氧化铝厂，为了强化窑的干燥能力，有意加大窑灰循环量，在这种情况下应适当提高流速，多取6~8米/秒。

（2）按物料流通能力，即由公式

（1）及（4），可得：

D=0.82×{[G×sinα×（θ-sinθ）]÷[n×i×ψ×ωt×γ料×sin3θ/2]}1/3 米

式中符号同前。

      由于影响物料流通能力的因素较多，求出的直径有一定误差，故式（8）仅能作为验算参考。

上面公式决定的直径D均为有效内径，加上窑衬厚度，即得筒体直径为：

D筒=D+2δ    米。

式中：

  δ——窑衬厚度，一般为0.15~0.25米。

2.窑体长度计算

       对一般高温烧结及焙烧窑，都按物料进行的物理—化学变化将窑分成若干工作带。

首先分别确定各带长度，然后可得全窑长度，再从结构、单位生产率及物料停留时间等参数进行验算校正。

（1）干燥带：

L干＝G干料×G×（W/100-W）×1000÷0.785D2干×ΔW    米

式中：

G干料——每公斤产品的理论干生料消耗量，公斤/公斤；C——窑小时产量，吨/小时；

Ｗ——生料含水员，%；

           ΔW——干燥带干燥强度，公斤水/米3.小时，随该带内热交换装置的型式及窑尾气体温度与流速的不同而异，一般在65~190之间　对于直筒型或冷端扩大型氧化铝熟料窑，料浆水分40%±，窑尾气体温度200~500℃时，220~260公斤水/米3.小时。

但实际上出干燥带的球料还含有水分10%±。

另外，这里包括了部分料浆在立烟道与旋风器之间蒸发的水分量。

故干燥带的实际干燥强度要比上述数值小。

干燥带长度虽然可用上式计算，但对于氧化铝熟料窑（喷入法）一般认为干燥带长度就是窑尾刮料器的长度。

（2）预热带及分解带

①根据分段热平衡确定各带物料所需热景[q料]i千卡/吨；

②根据分段热平衡确定各带界面物料及窑气温度；

③由公式（5）及（7），可得：

Li＝G×{[q料]i÷[αΣ×L弦+C壁料[（T壁/100）4-（T料/100）4]}L弧    米。

式中符号及单位同前。

（3）烧结带

       若烧结带物料吸热较大时，也必须按式（11）计算长度。

但对一般过程，物料在该带吸热不多，主要是完成物料中的物理化学变化及晶形转变，故主要应保证物料在这一带的停留时间。

按公式（14）,（13）或（14）计算出该带物料的轴线移动速度（ω料，米/秒），式中物料堆角α相应取烧结带数值。

      根据实验或工厂生产经验，确定物料必须在烧结带停留的时间τ烧结（小时）后，则L烧结＝ω料×τ烧结米。

（4）冷却带

     高湿产品离开烧结带后应将自身的热量传给喷入窑内的燃料与空气，使后者加热到着火温度，故这一带的长度取决于：

①燃烧器伸入窑内的长度；②混合物喷出的流速；③空气预热的温度。

    一般烧结及焙烧窑中：

L冷却=5~8米

[附]：

按烧结烧带概念计算烧结带及冷却带长度的方法

①烧结带长与冷却带长度之和称为燃烧段长：

L燃=L烧结+L冷却

②根据经验，燃烧段长度有如下公式：

对湿法烧结窑：

L燃=（4~5）D米

对干法加料烧结窑：

L燃=（3~4）D米

③根据物料必须在烧结带及冷却带停留的时间，分别确定烧结带及冷却带长度。

以[ω料]燃代表燃烧段内物料轴线运动速度，其值等于：

[ω料]燃=L燃÷（τ烧+τ冷）     米/小时

        L烧结=[ω料]燃×τ烧  米；L冷却=[ω料]燃×τ冷    米

这一方法的优点在于能确保物料在烧结及冷却带的停留时间，但的经验公式有一定局限性，仅可作前一种方法的补充。

（5）窑总长的验算

         根据前几项的计算，可得窑总长：

L=L干+L预+L分解+L烧结+L冷却另外还可参考综合性经验指标——单位面积产能C，验算窑长：

L=318×G÷GF×G均式中符号及单位参看式（9）。

3.窑体尺寸的经验计算法

（1）确定窑的生产率：

        根据设计的生产规模，通过冶金计算确定窑的生产率G，吨/小时或吨/日。

（2）选定同类生产窑的单位容积产量Gv，吨/米3.日，或单位面积产量Gf，公斤/米2.小时。

参考公式（10）或公式（9）。

（3）算出窑的总容积或总面积（V/F）

         V=G/Gv  m3                F=1000G/GFm3；

（4）选定窑的直径D，或选定窑尾烟气流速ω尾，用公式（17）求D尾。

（5）求窑长并验算长径比L/D