回转窑结构及其工作原理.ppt

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1、第四节 回转窑结构及其工作原理,一、回转窑的结构,海螺水泥厂,回转窑齿圈,托 轮,挡 轮,图2-72 轮带与挡轮,轮 带,回转窑轮带的润滑,轮 带 节,图2-73 迷宫式密封装置示意图,迷宫式密封装置是利用空气多次通过曲折通道增大流动阻力而防止漏风的。,水泥回转窑窑尾密封装置,窑 尾 密 封,窑尾密封及冷风套,接触式密封装置,密 封 装 置,二、回转窑的工作原理,物料回转窑内煅烧的过程是生料从窑的冷端喂入，由于窑有一定的倾斜度，且不断回转，因此使生料连续向热端移动。燃料自热端喷入，在空气助燃下燃烧放热并产生高温烟气，热气在风机的驱动下，自热端向次端流动，而物料和烟气在逆向运动的过程中进行热量交

2、换，使生料烧成熟料。因此，研究回转窑的工作原理，主要是研究物料在窑内的运动，窑内气体的流动，燃料燃烧和物料与气体间传热的现象和规律。,（一）回转窑内物料的运动,1、物料在窑内的运动过程,生料从窑的冷端喂入，在向热端运动的过程中煅烧成熟料。,物料在窑内的运动情况直接影响到物料层温度的均匀性；,物料的运动动速度影响到物料在窑内的停留时间（即物料的受热时间）和物料在窑内的填充系数（即物料的受热面积）；因此也影响到物料和热气体之间的传热。,为了使回转达到高产，必须了解窑内物料的运动情况。,图2-75 回转窑内物料充填与运动简图,填充角；窑倾斜角； 物料休止角,窑内的物料仅占据窑容积的一部分，物料颗粒在

3、窑内的运动过程是比较复杂的。,假设物料颗粒在窑壁上及料层内部没有滑动现象，当窑回转时，物料颗粒靠着摩擦力被窑带起，带到一定高度，即物料层表面与水平面形成的角度等于物料的自然休止角时，则物料颗粒在重力的作用下，沿着料层表面滑落下来。,因为窑体以36%的倾斜度安装，所以物料颗粒不会落到原来的位置，而是向窑的低端移动了一个距离，落在一个新的点，在该新的点又重新被带到一定高度再落到靠低端的另一点，如此不断前进。,因此，可以形象地设想各个颗粒运动所经过的路程，象一根圆形的弹簧。,实际上物料在回转窑内运动时，物料颗粒的运动是有周期性变化的，物料颗粒或埋在料层里与窑一起向上运动，或到料层表面上降落下来，但是

4、只有在物料颗粒降落的过程中，才能沿着窑长方向移动。,2、物料在窑内的运动速度,（1）一般速度公式,回转窑内物料运动的情况比较复杂，影响因素很多，因此要想用简单的公式来准确计算物料在窑内各带的运动速度是比较复杂的和困难的。,在对回转窑内物料运动的规律进行分析和模拟试验后，得出很多计算回转窑内物料运动的速度的公式其中最为常用的一般公式为：,式中：,物料在窑内运动的速度，m/s；,L窑的长度，m；,物料在窑内停留的时间：,n窑的转速，rpm；,物料的休止角，度；,窑的倾斜度（角），,，称为斜度；,窑的衬砖内径，m。,关于公式的讨论,（2）物料在窑内各带的运动速度,煅烧过程中，窑内各带发生的物理化学变

5、化对物料颗粒的形状、粒度、松散度及密度均有影响，因此各带物料的运动速度是不同的。,窑内 各带,冷却带,烧成带,放热反 应带,分解带,预热带,干燥带,链条带,喂料中 空部分,速度,（m/h）,28.4,18.4,41.0,46.0,34.5,27.0,28.8,29.3,由上述测定结果得到，各带物料的运动速度相差很大。从干燥带向热端，物料的运动速度不断增加，分解带物料的运动速度最快，之后又不断降低。,（3）影响窑内物料运动的因素,窑内物料运动速度与其物理性质、窑径和窑内热交换装置等有关。,物料的粒度愈小，运动速度愈小，如粉料的运动速度高于料球运动速度。,干燥带的运动速度与链条的悬挂方式、悬挂密度

6、有关。,预热带的物料运动速度与窑内热交换装置有关。,分解带，由于碳酸盐分解放出的二氧化碳气体使物料呈流态化，因此物料运动速度最快，在分解带，碳酸盐分解需要吸收大量的热，但是物料流速又快，所以窑的分解带比较长。,窑内料层厚度不同，物料被带起的高度也不同，料层厚，带起高，在窑回转一周时，物料被带起的次数少，即翻动的次数少，受热的均匀性就差；但料层过薄，窑的产量降低，因此必须选择合适的料层厚度，通常窑内物料的填充系数为615%。当窑内物料流量稳定时，移动速度快的地带，其填充系数小。,因此在实际生产上，为了稳定窑的热工制度，必须稳定窑速，若因煅烧不良而降低窑速时，需相应地减少喂料量，以保持窑内物料的填

7、充系数不变。,因此，一般回转窑的传动电机和喂料机的电机是同步的，以便于控制。,（二）回转窑内气体的流动,1、回转窑内气体的流动过程,为了使回转窑内燃料燃烧完全，必须不断地从窑头送入大量的助燃空气，而燃料燃烧后产生的烟气和生料分解出来的气体，在向窑的冷端流动的过程中，将热量传给与之相对运动的物为以后，从窑尾排出。,窑内气体在沿长度方向流动的过程中，气体的温度、流量和组成都在变化，因此流速和阻力是不同的。通常有窑尾负压表示窑的流体阻力，在窑操作正常时，窑尾负压应在不大的范围内波动，如窑内有结圈，则窑尾负压会显著升高。在生产在当排风机抽风能力相同时，根据窑尾负压可以判断窑的工作情况。,2、窑内气流速

8、度的大小对窑内传热的影响,影响换热系数：因而影响传热速率、窑的产量和热耗；,影响窑内飞灰生成量：即影响料耗。,当流速过大时，传热系数增大，但气体与物料的接触时间减少，总传热量有时反而会减少，表现为废气温度升高、热耗增大、飞灰增多、料耗加大，不经济。,相反，当流速低时，传热效率降低，产量会显著下降，也不合适。,窑内气流速度，各带不同，一般以窑尾风速来表达，如直径为3米的湿法窑，以5（米/秒）左右为宜。干法窑的窑尾风速相应大一些，一般约10（米/秒）左右。,窑尾风速增大，回转窑的飞灰量增多，一般，窑内的飞灰量与窑尾风速的2.54次方成正比。,（三）回转窑内燃料的燃烧,（关于燃料的燃烧过程已在硅酸盐

9、工业热工基础中燃烧学部分讨论，要课程不再重复）,回转窑喂煤系统,1、燃料在回转窑内燃烧应满足的要求,燃料燃烧的火焰温度要达到16001800；（保持高温）,火焰要有适当的长度；（保持物料高温时间）,2、回转窑对入窑煤粉和助燃空气的要求,（1）对入窑煤粉的质量要求,低热值：,挥发份：,=1830%,灰分：,2530%,水分：,12%,细度：15%（0.08mm方孔筛筛余）,这些要求都是为了保证烧成带温度和热力强度以及火焰的稳定性而提出的，当采取有效措施（如提高助燃空气温度等）改善燃烧条件时，对煤质的要求也可适当放宽。,另外，现国内有不少企业已成功采用无烟煤作为回转窑生产燃料，这是一项目前在水泥行

10、业的新技术，对提高水泥企业经济效益效果显著。,（2）对入窑助燃空气的要求,煤粉自喷煤管以较高气速（4080m/s）送入窑内。,通过喷煤管输送煤粉的空气，习惯上称为一次风。从安全角度考虑，一般一次风不预热。因此其用量不宜过多，因窑型和燃烧器的不同，其量约占总燃烧空气量的1030%，大量的二次风由冷却机提供，故已被预热到6001000，它既能回收熟料中的热量，又可促进燃烧反应完全并提高实际燃烧温度。,为了确保窑内燃料燃烧完全和燃烧安全，一、二次风用量的总和应略高于理论空气需要量，控制过剩空气系数为1.051.10为宜。,3、回转窑内的燃烧带与烧成带,火焰覆盖的区域，称为燃烧带。,火焰中部区域温度高

11、，达16001800，此时熟料被加热到13001450，其中有相当量（约2530%）的组分熔融成液相，粘附在窑内耐火材料的表面上形成一定厚度的粘稠状物料，即俗称的主窑皮。,窑内这一区域称为烧成带。通常烧成带的长度用主窑皮的长度来判定。,由此可见，烧成带是燃烧带中高温部分。,平整的窑皮、合适的厚度和长度，是窑内煅烧制度正常稳定的标志。窑皮的形成还可以保护窑内耐火衬料，延长回转窑的运转周期。,4、窑内火焰长度与火焰温度分布（火焰形状）对烧成的影响,（1）火焰长度,火焰长度及火焰长度对烧成的影响：,火焰的长度一般是指从喷煤管口到火焰终止断面的距离，燃烧条件的变化则火焰长度会有很大的变化。,火焰长度对

12、烧成工艺影响很大，当发热量一定时，如火焰过长，烧成带的温度就会降低，物料过早出现液相，易引起结圈，此外还会造成不完全燃烧，废气温度会提高，煤耗加大等。,相反，火焰过短，高温部分过于集中，容易烧垮窑皮及衬料，不利于窑的长期安全运转。,因此，火火焰长度应根据窑的实际操作条件，加以调整与控制。,影响窑内火焰长度的因素：有很多。主要有：燃烧速度和窑内气体的流速。,燃烧速度：,粉煤的细度、煤粉与空气混合情况、一、二次风的温度等因素有关。,煤粉粉愈细，或在喷煤管内加装风翅，以加还煤与空气的混合，或提高一、二次空气的温度，均能提高燃烧速度，而使火焰短。,风煤的混合速度和均匀程度也是影响燃烧速度的关键。,气体

13、流速：主要指一次风,一次空气主要供挥发分燃烧，因此一次风量主要决定于煤粉中挥发的含量。挥发分多的煤粉，如一次风量少燃烧速度就减慢，会使火焰拉长。,回转窑的直径愈大，一次风速愈高，直么2.54.0米的回转窑，一次风速为5070米/秒。一次风速增加，一方面能增加煤粉单位时间的有效射程，另一方面又使煤粉的燃烧速度加快，燃烧时间缩短，因此在实际操作中，一次风速增加后，火焰变长或变短，应视两者的影响程度而定。,（2）火焰温度分布（火焰形状）,窑内火焰温度分布，通常是两头低、中间高。热端较低温度区就是窑内的冷却带。,煤粉从喷管喷出后，须经过干燥预热至700800才着火燃烧，回转窑中所看到的黑火头就是煤粉从

14、喷出后至着火燃烧前气流所移动的距离。黑火头长则使回转窑的传热面积减小，对产量、质量不利，黑火头过短则冷却带短，熟料离窑的温度提高，增加冷却机的负荷。,影响黑火头长度的因素有：,煤粉的组成与细度、一次空气的温度和流速、二次风量与风温等。,煤粉愈细，煤粉中挥发分的含量越高，提高一次风温，增加一次空气的比例，都会使黑火头缩短。,在窑的操作中，应形成适合烧成需要的好火焰，即高温部分较长，黑火头较短，火焰平稳。,燃 烧 器,5、煤粉燃烧器（喷嘴）喷煤管,煤粉在窑内的燃烧情况与喷煤管的结构尺寸和参数选择有很大关系。喷嘴的形状和出口尺寸主要影响煤粉和一次风的混合程度和喷出速度。,（1）传统喷嘴,传统喷嘴的形

15、状,如图所示为常用的几种传统喷嘴。,缩口型：有一节16的缩口（也称拔哨），其作用是使煤粉和空气接触机会增加，混合较好，从而使火焰集中，适用于烟煤。,直管型：风煤直线喷出，不利于风煤混合，不利于煤粉充分燃烧。,目前大多数窑上的喷煤管装成活动的，在操作时可以根据窑内煅烧情况前后移动，以改变喷嘴在窑体中位置。,拔哨型：在缩口外再加一节平头，能延长火焰，且使火焰平衡。,风翅型：为加速风煤的混合，在喷煤管内加装风翅，翅片与管壁中心线呈730，角度大，火焰短，但流股发生旋转，会扫伤窑皮。,喷嘴的直径,这种传统简单喷嘴直径可以用下式计算：,式中：,d喷嘴直径，mm；,一次风用量，,v喷嘴内风速，m/s。,在

16、常规情况下，一次空气量约占总空气用量1520%。,式中：,燃烧1kg煤所需实际空气量，N,单位熟料煤耗，kg煤/kg熟料；,G每小时熟料产量kg/h；,P一次空气占总空气用量的百分率。,因此,例：在下述条件下，计算喷煤管的直径d。,G=300吨/日=12500kg/h；,=0.2 kg煤/kg熟料；,【解】v=60m/s,此为喷嘴有效内径的估算值。,P=20%,（2）新型燃烧器（三通道、多通道喷煤管）,随着窑外分解技术的发展，窑的单机产量增大以及为了适应煤质的变化，近年来各国水泥设备制造公司对于喷煤管的结构作了大量的开发与研究工作，取得了卓有成效的成就。主要是开发的多通道喷煤管。,新型喷煤管很

17、多，共同的特点是喷出的空气分成多股，即内风、外风和煤风，各有不同的风速和方向，从而形成多个通道。最常用的是三通道喷煤管。,这种喷煤管，内、外两个通道为净风道，分别称内风和外风。,内风通道的出口端装有旋流叶片，所以又称为旋流风。,中间通道为输送煤粉的通道，称为煤风。,三股风在出口处汇合形成了同轴旋转的复杂射流。操作时通过改变内、外风速和风量的比例，可以灵活调节火焰形状和燃烧强度，以满足窑内煅烧熟料温度分布的要求。,当旋风强度大，火焰变得粗而短，高温带会相对更集中。反之，火焰会被拉长。,煤风采用浓相低速喷射，通常在保证不发生回火的条件下取接近输送粉料的速度2030m/s。由于粉粒体的存在强化了射流

18、中的湍流强度，因而改善了煤粉与一、二次风的微观混合。,内外净风出口风速可高达75150m/s 。煤风浓度允许有较大波动（经验为3.58.0kg煤粉/m3空气）。故在窑用煤量有所变动时，输送煤粉的空气量也可保持稳定不变。这对喷煤管的空气动力学设计是有利的。,当喷煤管喷射流动动量很大时，会引射下游区域的高温燃气而形成回流。这种回流一方面会提高上游火焰温度，提高燃烧速度，从而使煤粉着火稳定，另一方面又可能冲淡可燃混合物中氧气含量，使燃烧速度降低，从而增长了火焰长度。,另外还有多种形式的喷煤管，其目的是加强风煤混合、一、二次的混合，减少一次风用量，加快燃烧速度。目前我国一些水泥厂采用无烟煤技术，其关键

19、是用好三通道或多通道喷煤管。,6、窑的发热能力、燃烧带的热力强度（热力强度也称窑的热负荷）,（1）回转窑的发热能力：就是窑单位时间内发出的热量。,为了满足生产熟料所需的热量，回转窑必须具有一定的发热能力，其大小为：,式中：,Q窑的发热能力，kJ/h；,m窑的小时产量，kg/h；,q熟料烧成热耗，kJ/kg熟料；,B窑小时用煤量，kg/h；,煤的应用基低热值，kJ/kg煤。,（2）燃烧带的容积热力强度（也称容积热负荷）：,指燃烧带内单位时间、单位容积所发出的热量。,显然，提高窑的发热能力，能为回转窑增产创造条件。但发热能力受到燃烧空间的限制，因回转窑燃烧带的容积热力强度是有限的，过高会损坏窑的内

20、衬，会使熟料中液相增多。多数工厂回转窑燃烧带的容积热力强度控制在1.21.5106 kJ/m3h左右，个别的也有高达2.1106 kJ/m3h。,容积热力强度的计算公式为：,式中：,窑内物料的填充系数，一般为0.060.15；,窑内物料的填充系数，一般为0.060.15；,燃烧带的直径，m；,燃烧带的长度，m。,燃烧带长度：,根据实际生产情况，燃烧带的长度可按下式计算：,湿法长窑：,带多筒冷却机，,带单筒冷却机，,=4.9,=4.2,立波尔窑：,=3.2,烧成带长度：,燃烧带只是烧成带中温度最高的部分，烧成带长度,可按下式计算：,=（0.600.65）,（3）燃烧带的表面积热力强度（也称表面积

21、热负荷）和截面积热力强度（也称截面积热负荷）,表面积热力强度：燃烧带单位表面积上所发出的热量。,截面积热力强度：燃烧带单位截面积上所发出的热量。,计算公式分别为：,式中：,燃烧带表面积热力强度，kJ/m2h；,燃烧带截面积热力强度，kJ/m2h。,（五）回转窑内的传热,回转窑是个高温反应器，因此回转窑的传热问题对于回转窑的产质量至关重要。,1、研究回转窑内传热的目的,（1）对窑内各带传热机制进行理论分析，从而理解窑的下列因素对传热过程的影响，达到提供调节控制窑内各带传热条件与措施的理论依据。,结构参数：如窑的直径、窑型及窑内特殊构件等；,操作参数：如气体与物料运动速度，气体、物料及进出口温度；

22、窑的转速；物料在窑内的填充系数等；,物性参数：如气体、物料及衬料的导热系数、黑度、热容、密度等；,（2）对已投产运行的窑（规格尺寸已知、生产条件相对固定），可根据给定的操作情况通过传热计算，分别求得窑内各带相应点处气体、物料与窑衬的温度，从而绘出沿窑长温度分布曲线，作为评价分析窑内煅烧工艺和热工制度的依据。,（3）在设计时根据生料煅烧过程中复杂的物理化学变化所需的总热量和窑内各带高温气体通过各种途径传给物料按单位长度计的传热总量，再结合设计生产条件和烧成工艺要求而确定回转窑的规格和尺寸。,2、研究的难度,上述要求是对于化学反应器传热计算的一般要求，但对于水泥窑来说，却具有特殊的难度：,要对高温

23、下气固、固固间稳态和非稳态传热量精确计算；,涉及到所有反应的速度和完成度等高温工业反应动力学问题；,涉及到各种反应在给定条件下物性参数的确定问题。,这些问题至今尚未解决，还有待理论和实践两方面的深入研究与探讨。,3、回转窑内的传热机制,仅从热力学和传热学的观点出发讨论。,回转窑内的传热源是燃料燃烧后的高温烟气，受热体是生料和窑内壁。是典型的气固传热，传给生料的热量供煅烧过程中干燥、预热、分解和煅烧，用以完成全部艺要求。,（1）窑内传热的综合分析与传热方式,高温气体中具有辐射传热能力的组成，主要是,和,（汽），但由于烟气中夹带着粉体物料，因此增大了气体的辐射率。,同时因为窑内流动气体和湍流作用，

24、产生了有效的对流传热。,堆积生料之间以及窑回转时物料周期性地与受热升温的窑体内壁相接触而有辐射与传导传热共存。,总之，窑内气固与固固之间同时存在辐射、对流、传导三种传热方式。其间关系错综复杂。再加上回转窑系统中，预热器和冷却机都与窑首尾相衔，在一定程度上对窑内气固温度分布也会产生一定影响。以及回转窑作为输送设备，物料运动规律，粉尘飞扬循环等也对传热有影响，从而更增加计算难度和复杂性。,（2）传热机制,经简化后，取回转窑内某一断面1m长的范围内，综合传热机制关系如下图所示：,图2-82a 窑内传热机制分析传热流流图,图2-82b 窑内传热机制分析传热框图,讨论：,由于窑的回转运动，因此窑内衬板上

25、某一点B，在不同时间内依次分别和高温气体接触（蓄积热量）和被覆盖在物料内（放出热量），其本身温度周期性地变化。其变化规律如下图所示。,图2-83 窑内转一周衬料蓄热放热情况示意图,在窑回转过程中，物料由表面向内部导热和衬料表面向堆于其上的物料内部导热都是不稳定导热，即其传导热量随时间而变化。,（3）传热计算,基于上述分析，原则上可根据各自的传热方式进行传热量的计算，然后按图17传热框图所示的传热机制进行综合（串联、并联）计算。,根据热量传递的基本规律，将各类传热量Q（W/m）有统一方程式表达。即以1m长度的窑体作为计算标准。,（W/m）（1）,式中：,由物体1传给物理2的总热量，（W/m）；,

26、A物体1与物体2之间的传热面积，m2；,h各种方式传热系数，（W/m2）；,两物体间的温度差，。,由此可知传热量的计算，关键可集中在传热系数h的确定。,气体对物料表面的传热,、,、,气体（g）以辐射方式（c）传给物料表面（s）的热量，W；,气体（g）以辐射方式（r）传给物料表面（s）的热量，W；,气体（g）以辐射方式（r）传给窑内衬，再折射（rt）给,根据各自传热方式计算如下：,（W/m） （2）,物料表面（s）的热量，W。,式中：对流换热系数：,（W/m2）（3）,G气体的质量流量，kJ/ m2h；,气体定压比热，kJ/kg；,气体粘度，kg/mH；,气体的导热系数，W/m；,在1m窑长内，

27、气体与物料的接触面积，m2。,（W/m） （4）,式中：辐射系数：,（W/m2） （5）,气体黑度；,物体黑度。,（W/m） （6）,式中：考虑折射的辐射系数,（W/m2）（7）,考虑折射后气体的相当黑度。, （8）,气体传给窑壁衬料的热量,、,（W/m） （9）,式中：对流换热系数,（W/m） （10）,式中：辐射换热系数,（W/m2） （11）,窑内衬料黑度。,窑内衬料以辐射方式通过气层传给物料表面之热量,（W/m） （12）,式中修正后辐射传热系数,（W/m2） （13）,窑内衬料传给物料的不稳定导热,（W/m） （14）,考虑到对物料粉粒内部不稳定导热的复杂性，实际计算,时推荐用以下经

28、验式：,（W/m2） （15）,式中系数：, （16）, （17）,、,衬料与物料的导热系数，W/m2；,、,衬料与物料的比热，kJ/kg；,、,衬料与物料密度，kg/m3；,在通过单位长度窑体时，特定物料与衬料的接触时间，s；,N窑回转次数，次/s。,物料表面向内部的非稳态导热,（W/m） （18）,式中：,（W/m2） （19）,原料在表面上停留时间，s。,衬料通过窑壁向大气散热量,、,、,窑内衬料向窑外壳传导传热量；,窑外壳向大气对流散热量；,窑外壳向大气辐射散热量。,（W/m）（20）,（W/m） （21）,（W/m） （22）,窑筒体表面散热总量：,=,+,+,（W/m） （23）,在稳定运转情况下：,=,（W/m） （24）,因此上述计算方法更重要的现实意义在于掌握分析和处理复杂传热问题的方法以及了解影响传热速率的诸因素。,