炭素回转窑的工艺设计与计算

炭素回转窑的工艺设计与计算

崔东生

摘要：通过对各种参数的计算，导出回转窑的长度、内径、煤气量、空气量，并对回转窑的物料平衡和热平衡进行计算，最终计算出烟气量、烟气成分及温度。

关键词：回转窑;煅烧;煤气量;空气量;物料平衡;热平衡 中图分类号：TQ127.1＋1 文献标识码：A 文章编号：1001-3741(2000)01-0034-06

THE PROCESS DESIGN AND CALCULATION FOR

ROTARY KILN

CUI Dong-sheng

(Shenyang Aluminium ＆ Magnesium Engineering ＆ Research,Shenyang

110001 ,China) Abstract: During the design of rotary kiln,the length,the diameter,gas consumption,air consumption could be got through the calculation of all

kinds of parameters.The balance of material and heat,the fume amount and its composition and its temperature are calculated to guide the engineering design for the kiln.

Key words: Rotary kiln;calcining;gas consumption;air consumption;material balance;heat balance

对焦炭的煅烧而言，大规模生产的煅烧设备一般都选用回转窑和回转床，小规模生产的煅烧设备一般都选用罐式煅烧炉。本文对山东济宁煤炭化学公司年产2万t煅烧针状焦用回转窑设备的设计过程做以介绍。

1 设计参数[1]

煅烧物料：针状焦（挥发分10％，水分10％）； 煅烧针状焦产量：3t/h；

煅烧最高温度：1400～1500℃（平均1450℃）； 烧损质量分数：7％；

物料在窑内煅烧时间：2h；

燃气热值：18192kJ/m3(4350kcal/m3)；

燃气成分：CO（9.0％)、H2(50.5％)、CO2(2.6％)、CH4(25.9％)、CmHn(3.9％)、O2(0.1％)、N2(8.0％)； 挥发分热值:39924kJ/kg；

挥发分成分:CO2(0.5％)、O2(2.6％)、CmHn(0.9％）CH4(9.4％)、H2(77.4％)、CO(2.0％)、N2(7.2％)；

针焦发热量：38074kJ/kg;

.

针焦平均比热容：1.88kJ/(kg℃); 空气平均比热容：1.3kJ/(m3.℃);

3

针焦堆积密度：0.8g/cm； 针焦安息角：38°；

回转窑斜度：3％（倾斜角为1.72°）; 回转窑的转速：1.6r/min;

回转窑的填充率：7％～9％（取8％）; 煅烧实收率：73％;

煅前针状焦：4110kg/h; 煅烧焦最高温度：1400℃。

2 设计条件

2.1 物料在窑内的移动速度

⑴

式中：vm——物料在窑内的移动速度，m/min；n——窑转速，r/min；D——窑内径，m；β——窑倾斜角，（°）；α——物料安息角，（°）。 2.2 物料在窑内的停留时间

⑵

式中：t——停留时间，min;L——窑长，m；vm,α，D，n见式⑴ 2.3 填充率

平均填充率：

(3)

式中：G为窑产量；γ为物料堆积密度，kg/m3；C″为1.1～1.45（水分10％，可取1.3）。 2.4 窑的产能公式

（4）

3 回转窑的长度和内径的计算[2,3]

根据煅烧物料来确定煅烧时间，煅烧延迟石油焦时间为60～70min，针状焦煅烧时间为100～120min。根据公式（1）～（4）可计算出针状焦在窑内移动速度：

(5)

针状焦在窑内停留时间：

(6)

则L=28.25D

填充率：

(7)

则L=155.25/D 窑的产能：

2

(8)

则L=158/D2

由公式（6）、（8）得：L=50m,D=1.78m，vm=0.445m/min；L=120×0.445=53.4m，取窑长50m，窑内径1.8m。

4 回转窑的煤气量与空气量

4.1 回转窑的热效率与热耗

根据YS/T131－1－94回转窑等级标准，回转窑热效率：一等为19.0％;二等为17.3％;三等为15.8％。煅烧焦热耗：一级为11.0×106kJ/t;二级为12.0×106kJ/t;三级为13.4×106kJ/t。 回转窑热效率公式：

(9)

式中：

mcbj——针状焦在tk与tbi之间平均质量，kg/h；

Ck——状焦在tk与tbi之间的平均比热容，kJ/(kg·℃)； tk——针状焦煅烧温度，℃（1450℃）； tbi——针状焦煅烧前温度，℃（20℃）； QrR——燃料的燃烧热，kJ/m3； Qx——燃料带入的物理热，kJ/h； Qsjhx——针状焦燃烧的燃烧热，kJ/h。 单位煅烧焦热耗:

（10）

式中：QB——回转窑单位产量煅烧焦热耗，kJ/t； Mdj——煅后焦合格产品每小时产量，kg/h；

公式(9)(10)中Qsjhx中应包括焦炭中挥发分燃烧产生的燃烧热，

(11)

式中：Qjr——焦炭烧损热，kJ/h； Qhr——挥发分燃烧热，kJ/h。

对于回转窑热效率计算公式应修正为

η″=〔(焦炭带走热＋水分蒸发热（原料中）－原料显热）/ （燃料燃烧热＋挥发分燃烧热＋焦炭烧损热－空气显热）〕×100％ 4.2 燃气量与空气量 4.2.1 燃气量

根据回转窑热效率规定一等为19％，三等为15.8％，煤气量在

3

η=19％时，燃气量Vm=420m/t；

η″=19％时，燃气量Vm″=252m3/t； η=16％时，燃气量Vm=593m3/t；

3

η″=16％时，燃气量Vm″=368m/t。 4.2.2 空气量

当η″=19％时，燃气量为252×3=756m3/h，煤气燃烧需理论空气量为3688m3/h；焦炭烧损理论需空气量为2557m3/h；挥发分燃烧需理论空气量为3714m3/h。因此，总的理论空气量为(3688＋2557＋

3714)=9959m3/h。

5 回转窑物料平衡与热平衡

5.1 物料平衡与热平衡

回转窑物料平衡与热平衡如表1～3。

表1 回转窑物料平衡表m3/h 项目 CO2 H2O O2 N2 2967 2907 产生气体 湿气体 干气体 4141 3309 焦炉煤气 342 832 －773 挥发分 182 854 －780 烧损 水分 小计 3029 4065 3211 2934 537 －537 2020 2557 2557 511 511 1061 2197 －2090 8016 11274 9077 1430 5378 6808 6808 过剩空气 总计 1061 2197 1430 13394 18082 15885 总烟气含氧气量为9％，则过剩空气： （9077＋A′）(0.09)=0.21A′

3

A′=6808m/h

表2 排烟组成表

m3/h

项目 CO2 H2O O2 N2 湿 5.87 12.15 7.91 74.07 干 6.68 9.0 84.32

表3 热平衡计算表kJ/h

项目 原料显热 空气显热 收入 3热量/10kJ 质量分数/％ 105 435 0.25 1.04 33.03 39.38 项目 支出 热量/10kJ 质量分数/％ 16.27 2.23 20.49 61.01 3焦炭带走热 6783 水分蒸发热 929 回转窑散热 8541 排气显热 25439 煤气燃烧热 13761 挥发分燃烧热 16410

烧损热 小计

5.2 热收支 5.2.1 入热 ①燃气燃烧热

10961 41692 26.29 100 小计 41692 100 18200×756=13761×103kJ/h ②挥发分燃烧热

39924×411=16410×103kJ/h ③烧损

38074×4110×0.07=10954×103kJ/h ④送入空气显热（取20℃ CP=1.3kJ/（m3．℃）） (9959＋6806)×20×1.3=436×103kJ/h

．

⑤原料显热（按20℃ CP=1.256kJ/（kg℃）） 1.256×20×4110=105×103kJ/h 5.2.2 出热 ①煅烧焦带走的热量

（回转窑出口焦子温度1200℃ CP=1.884kJ/（kg.℃）） 1.884×1200×3000=6783×103kJ/h ②水分蒸发热

539×411=927×10kJ/h ③烟气带走的热量

（CP=1.482kJ/（m℃），t=950

烟气热容 im=1407kJ/m3） 1407×18082=25437×103kJ/h ④窑皮散热 8541kJ/h

3.3

6 传热计算步骤

①以被煅烧物料的状态为基准，按图1分成5个带。 Ⅰ——收缩带，焦炭由1370～1100℃进行冷却； Ⅱ——煅烧带，大部分挥发分燃烧； Ⅲ——加热带，部分挥发分燃烧； Ⅳ——干燥带，水分蒸发；

Ⅴ——预热带，把原料预热到100℃。

图1 煅烧物料传热示意图

②计算时先由Ⅰ至Ⅴ按顺序进行。

③分别假定各带的窑长Li及焦炭的入口、出口温度。

④挥发分发生量按上述的灼减量特性数据及各带焦炭的温度分布推定。

⑤列出各带热平衡的基本式

挥发分燃烧的煅烧带的热平衡（如下式所示）

式中：

B——燃烧的挥发分的量，kg/h； H——挥发分的发热量，kJ/kg； Qa——入窑空气的显热，kJ/h；

QG(i－1)——从前面一个带来的热气带来的热量，kJ/h； QGi——去Ⅲ带热风带走的热量，kJ/h； QCi——加热物料的热量，kJ/h； QCOSS——热损失，kJ/（m.h）。

后确定辐射、对流传热量qGc＋q′Gc，

⑥求出被煅烧物料平均温度

根据5.2.2基本考虑方法，辐射传热是由下式求出的，首先按下式决定烟气的辐射能UG：

（12）

(13)

式中：Uc——CO2气的辐射能；UW——水蒸汽的辐射能;l——烟气有效厚度;TW——烟气平均温度（K）;ΔU——CO2与H2O的热辐射共存修正项0.022;PC——CO2气的分压;PW——水蒸汽的分压。 考虑反射面传递系数

(14)

式中：

．

AG——烟气的表面积；AC——受热面AC=（AG/AR）FCR；AR——辐射面；

AT——全壁（窑体内表面积），面积=AR＋AC=AG，FCR=1。 因此，总吸收率ΦCG为：

（15）

式中：

0.85——受热面的黑度，故辐射传热量

qGC=AC·ΦCG(EG－EC) （16） EG=4.88(TG/100)4 （17） EC=4.88(TC/100)4 （18）

另外对流传热系数用Nusselt公式求得：

（19）

式中：Li——窑长，m；D——内径，m；v——这种温度中的流速，m/s；Θ——温度函数（见表4）。

表4 温度函数表 t/℃ 200 400 600 800 1000 Θ 0.12 0.10 0.09 0.085 0.08

⑦根据被煅烧物料的辐射、对流传热量计算求得Li值，即按下式计算：

（20）

如果Li与L′i基本相同，即可进行下一个带的计算，如果差别较大,应再次假定Li与被煅烧的物料温度，然后进行同样计算，直到Li和L′i达到近似为止。

⑧对各带进行以上的计算，便可得出窑长（各段）及温度分布。

7 传热计算

7.1 受热面和辐射面计算（见图2）

图2 受热面与辐射面的示意图

焦炭的断面积=πR2(θ/360)－1/2R2sinθ 回转窑的断面积=πR2 填充率8％，则：

222

0.08πR=πR(θ/360)－1/2Rsinθ 得：θ=86°

因此：AC=2sin(86/2)×0.9=1.23 AR=(2π/360)×(360－86)=4.78 7.2 热损失

外壁面温度按高温带200℃和低温带150℃平均分布算出热损失。热损失Qcoss按下式求出：

式中：

d——窑的外径,2.5m;

2..

hc——自然对流传热系数，kJ/(mh℃)； hr——辐射传热系数，kJ/(m2h.℃)； to——外壁表面温度，℃； ta——窑外气温，℃； hc=20．93＋14．24W

W——风速，m/s，取2m/s； To——窑壁表面温度，K； Ta——窑外气温，K。 当窑壁温度为200℃时：

当窑壁温度为150℃时：

8 回转窑物料平衡和热平衡计算

在二段煅烧的情况下，按前述计算顺序进行以下的传热计算。 8.1 收缩带Ⅰ

本收缩带设定长12m。在本带内，从窑头来的空气使焦炭氧化，供给氧化用的空气按图推定。物料平衡按以下求出。 a.物料平衡（见表5）

表5 物料平衡表m3/h 收入量 支出量 焦炉煤气 756 C H 煤气燃烧用空气 3688×125=4610 N2 3642 O2 968 CO2 342 H2O 832 N2 3642 O2 195 焦炭烧损 在1000m3/h的空气内有50％ CO2 105 用于燃烧1000×50％×0.21×12/ 22.4=56.25kg/h 从窑头来的空气1000 N2 790 O2 210

b.热平衡

收入：Qin×103kJ/h

焦炉煤气：18200×756=13760 焦炭烧损：38074×56.25=2142 空气：1．3×20×5610=147

焦炭：1．884×3000×(1400－1200)=1130 小计：17179

支出：Qout×103kJ/h 热损失135×12=1620

3

排烟带走的热量×10kJ/h

CO2：(0.342＋0.105)×2.294t=1.025t

N2 790 O2 105

H2O：0.832×1.788t=1.487t

N2：(3.462＋0.790)×1.424t=6.053t O2：(0.195＋0.105)×1.495t=0.448t 水分带走的热量：

832÷22.4×18×(335＋2257)=1733 小计：9014t＋3353

因为Qin=Qout，则t=1534℃

即收缩带往煅烧带排的烟气温度推定为1534℃。 8.2 煅烧带

将本煅烧带和加热带更为详细地划分后，再计算传热量。这两个带的各分带的窑长和被煅烧的焦炭温度，假定如表6。按前述挥发分的发生量为，在煅烧带Ⅱ内，约占全部挥发分的50％；在加热带Ⅲ内，约产生余下的50％，上述挥发分量适当分配给各带。二、三次风设置在Ⅱ－A，Ⅱ－B和Ⅲ－A分带。各处空气量为2000。根据以上基础资料，做如下计算：

a.物料平衡见表7。

表6 窑长与假定温度 三次风 二次风 窑长/m 干燥带 ←——加热带↓→——煅烧带——↓——→ Ⅳ 10 收缩带 Ⅲ－B Ⅲ－A Ⅱ－E Ⅱ－D Ⅱ－C Ⅱ－B Ⅱ－A Ⅰ 4 4 3 3 3 3 3 12 假定温度/℃ 200 300 500 800 1000 1200 1270 1370 1370 表7 物料平衡表m3/h 收入量 从收缩带Ⅰ排出的烟气 CO2 447 H2O 832 N2 4252 O2 300 挥发分的发生量占总量的15％ CO2 27 H2O 128 N2 454 O2 －117 支出量 CO2 447 H2O 832 N2 4252 O2 300 CO2 27 H2O 128 N2 454 O2 183 N2 1580 O2 603 CO2 75 O2 528 喷入空气量为2000 N2 1580 O2 420 烧损：按40kg计算

b.热平衡 收入：Qin×103kJ/h

从收缩带排出的热量：17179－1620=15559 挥发分发热量：39924×411×15％=2461

空气显热：2000×1．302×20=52 烧损热：38074×40=1523 小计：19595

3

支出：Qout×10kJ/h 烟气带走的热量：

CO2:(0．447＋0．027＋0．075)×2．294t=1．259t H2O：(0．832＋0．128)×1．788t=1．716t N2：(4．252＋1．580)×1．424t=8．302t O2：0．528×1．406t=0．742t 水分带走的热量： 960÷22.4×18×(335＋2257)=2001

焦炭显热：3000×1.884×(1400－1320)=452 热损失：135×3=405 小计：2860＋12.019t

根据热平衡Qin=Qout，求得烟气温度。理论最高温度为2001＋12.019t t=1459℃

最低温度2860＋12.019t t=1388℃

烟气平均温度： (1459＋1388)÷2=1424℃=1697K 被煅烧物料平均温度： (1400－1320)÷2=1360℃=1633K 然后求辐射对流传热量: PC=549/7869=0.070； PW=960/7869=0.122； PW／（PW＋PC）=0．635； PW1=0.122×1.8=0.232， 由式（11）～（19）得： UC=0.087；UW=0.114；UG=0.179；EG=405×103;EC=347×103;hC=64.555

=0.473;1/ΦCG=1/0.437;

因此LⅡ－A=2.979≈3(m)

同假定值基本相同。算定Ⅱ－A后，继续算Ⅱ－B，一直算至最后一个带，其他各带也按上述方法进行计算。这样把二次和三次风的位置定下来。对于一次风、二次风和三次风，尤其二、三次风加入有助于挥发分的燃烧更为充分。窑内挥发分燃烧区域增加，气相温度也相应提高，从而导致焦炭加热速率提高。但是引入的风量越大，在引入处的温度下降得越快。所以风量的控制很重要。另外，空气的温度也很重要，如能把空气进行预热，增加空气的显热，这样也能增加窑内的热量，提高窑内的煅烧温度。本文是理论计算，在实际设计中可以作为参考。

编辑 谷丽萍

作者简介：崔东升男1946年生，1970年毕业于东北工学院有色系轻冶专业，现为沈阳铝镁设计研究院高级工程师。 崔东生（沈阳铝镁设计研究院,辽宁沈阳110001） 参考文献：

［1］日本工业炉协会编.工业炉手册[M].北京：冶金工业出版社,1989.4～5.

［2］D G BROOKS.Light Metals,1989.45～46.

［3］回转窑[M].北京：冶金工业出版社,1976.20～22.

收稿日期：1998－10－05

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/0ak.html