（工程热物理专业论文）炭素回转窑结构及物料运动规律的研究.pdf

， 参 ad i s s e r t a t i o ni ne n g i n e e r i n gt h e r m o p h y s i c s 删 s t u d yo nc y l i n d e rs t r u c t u r ea n dm o v e m e n t r u l eo fs 0 1 i dp a r t i c l e si nc a r b o nr o t a r y l n s b yy i nz h e n h u i s u p e i s o r ：触s o c i a t ep r o f e s s o rc h e nw r e n z h o n g n o r t h e a s t e mu n i v e r s i t y m a r c h2 0 0 8 ijh_， l 0 独创性l 声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中 取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表 或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了 明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：夕魏 日期：a 卯z 够，哆 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同意。) 学位论文作者签名：严震獬 签字日期：删暑口3 。够 导师签名： 签字日期： ，oi jl_ 东北人学硕i j 论文摘要 摘要 石油焦的煅烧是一个极其复杂的物理、化学过程，而炭素回转窑是煅烧石油 焦的核心设备。对炭素回转窑结构及窑内物料运动规律的研究，有助于石油焦煅 烧工艺改进和技术改造；有助于提高我国炭素行业的生产水平和竞争能力。 本文对炭素回转窑工艺参数、结构参数进行了阐述，对回转窑结构进行了优 化，确定了下料管高度和安装位置、窑尾挡料圈的高度范围、窑内增设翻料装雹 的合理尺寸和合理位置、同时对二、三次送风管进行了技术改造。 对炭素回转窑内物料运动过程进行了分析，介绍了物料运动的几种形式，得 出适宜于炭素回转窑正常生产工况时窑内物料运动状态滚落发生的两个条 件；从质量守恒和动量守恒定律出发，应用无量纲分析原理，建立了回转窑内物 料滚落运动的数学模型，导出了物料活动层的最大厚度公式；利用统计学方法对 物料轴向运动进行了分析，导出物料轴向运动速度和平均体积流量的计算公式， 并用实验数据验证公式的精度。 进行了回转窑模型的冷态实验，运用o r i 西n 软件将实验数据绘制了曲线图 和直方图，并对实验数据进行分析；借助于e x c c l 软件，得到物料轴向运动速度 的回归方程，在此基础上导出回转窑产量和物料停留时间的计算公式，并用实验 数据验证了精度。 综上研究结果为炭素回转窑工程设计提供了参考，并为石油焦煅烧工艺发展 提供方向。 关键词；炭素回转窑：结构：物料运动；模型实验：数据回归 -rj i扎 - 一 东北人学倾l j 论义 a b s t i 锄c t a bs t r a c t t h ec a j c i n a t i o no fp e t r o l e u mc o k ei sa ne x t r e m e l yc o m p l e xp r o c e s si n c l u d i n gp h y s i c sa n d c h e m i c a lc h a n g e ，b u tt h ec a r b o nr o t a r yk i l ni sat y p i c a le q u i p m e n tt oc a l c i n ep e t r o l e u mc o k e s t u d i e so nk i l ns t m c t u 陀柚dm o v e m e n tm l eo fs 0 l i dp a n i c l e si nc a r b o nf o t a r ) rk i l n 盯eh e l p f u l t o i m p r o v et l l ep e t r o l e u mc o k ec a l c i n a t i o nt e c h n o l o g i c a lp r o c e s sa n dt e c h n o l o g y a m d “s oa 他 h e l p f i l l t oe n h a n c ct h ep r o d u c t i o nl e v e la n dc o m p e t i t i v ea b i l “y0 fo u rc o u n t r yc a r b o np r o f e s s i o n i nt h i sa n i c l e ，t e c h n o i o g i c a la n ds t m c t u r a lp a n m e t e r so ft h ec a r b o nr o t a f ) rk i l na 他i l l u s t r a t e d i i ld e t a n a n dt l l e nk i l ns t m c t u 他i sc a r r i e do no p t i m i z a t i o n a l s ot h eh e i g l l ta n di n s t a l l a t i o n p o s i t i o no ft h cc h a r g ep i p e ，t h eh e i g h to ft l l ec h a r g ed a m ，t h er e a s o n a b l es i z ea n di n s t a l l a t i o n p o s i t i 彻0 fm cs t i 玎i n g u pd e v i c ea 他d e t e 咖i n e di nt h i ss t u d y i na d d i t i o n ，c o n d a r y 柚dt e m a r ) r a i rs u p p l yd u c t sa 他m a d et l l et e c h n o l o g i c a l t r a n s f o r m a t i o n s i nt l l e 柚a l y s i s0 fm o v e m e n t0 f l i dp a n i c l e s ，i ti n t r o d u c e ss e v e m lf o r m so fm o t i o n o ft h e f 0 皿畸，t h e 陀i so n em o t i o nt y p e ，n a m e l yr o l l i n gm o t i o ns u i t a b l ei nc a r b o nm t a 巧l 【i l n 、0 r k c o n d i t i o n t w 0c o n d i t i o n s u s i n gr o l l i n gm o t i o no c c u r 陀n c ea r eo b t a i n e d b a 辩d0 ft h el a w0 f c o n r v a l i o n0 fm a s s柚dm o m e n t u m ， a p p l i c a t i o n 0 fd i m e n s i o n l e 鼹 柚a l y s i sp r i n c i p i e ， i t e s t a b l i s h e sm a t l l e m a t i c a lm o d e lo ft i l er o l l i n gm o t i o no fp a r t i c l e sa n dd e d u c e sc a l c u l a t i o nf 0 啪u l a o ft l l eg r e a t e s tt h i c h e 醛i na c t i v el a y e r i tc a 盯i e so nt l l ea n a l y s i so ft l l e 觚i a l 嘶s p o r to fp a n i c l e s b ym e 柚s0 fs t a t i s t i c a lm e t h o d 柚dd e r i v e st h ec a l c u l a t i o nf b 咖u l a eo ft h em e 卸积i a lv e l o c i t ya n d t l l em e 柚v 0 l u m ef l o w ：f i n a l l y t h ed e d u c e df o 巾1 u l a ea 陀d e m o n s t 豫t e db ye x p e r i m e n t c 0 l dc x p c r i m e n ti sc 州e d0 nt h el a b o n t o r yr o t a r yk i l n t h e 麟p c r i m e n t a jv a l u e sa r cd r a w n u pt h ed i a g 珊mo fc l l r v e s 柚dt l l eh i s t o 伊锄u s i n gt l l eo r i g i n f 细a 他，a n da n a l ) r z c d w i t ht h ea i d o ft h ce x c c l f m a 心，他g 他鼹i o ne q u a t i o n so ft h e 戤i a lv e l o c i t y0 fp a n i c l e sa 他o b t a i n e d a d d i t i 仰a l ，c a l c i l l a t i o nf b 珊u l a eo fk i l np 刚u c t i o n 锄dm e a n 他s i d e n t i i i l e0 fp a n i c l e s 玳a l d e r i v e d a n dt l l e nt h e p 陀c i s i o no f t l l ef 0 珊u l 扯a 北c 0 i 册e dw i t ht l l em e 雒u r e m e n t t h cr c a f c h 陀s u l t sm e n t i o n e da b o v eh a v es u p p l i e dt h e 陀f e 陀n c cf o ft h ee n g i n e e r i n gd e s i g n o fc a r b o nr o t a l 可l 【i l n ，柚dp v i d et h ed i 他c t i o nf o rd e v e l o p m e n t0 ft h ep c t r o l c u mc o k ec a l c i n a t i o n t e c h n o l o 卧 k e yw o r d ：r b o nm t a r ) ，k i l i l ；s t m c t u 他；m o v e m e n to fs o l i dp a r t i c l e s ；m o d e lc x p c 硒e n t ；d a t a 陀l e 鹞i o n 卜r；f辛 t；-fj l 0 ， 东北人学硕l ：论文目录 目录 独创性声明i 摘要1 i a b s t r a c t i i l jj i ：1 1 0 ， 第1 章绪论。1 1 1 本文研究的主要内容1 1 1 1 炭素回转窑工艺、结构参数的研究1 1 1 2 炭素回转窑内物料运动规律的研究2 1 1 3 炭素回转窑模型实验与实验结果分析2 1 2 国内外研究状况3 1 2 1 国外研究状况3 1 2 2 国内研究状况4 1 3 本论文研究的目的和意义5 第2 章炭素回转窑工艺和结构参数研究7 2 1 炭素回转窑工艺参数。9 2 1 1 炭素回转窑的转速。9 2 1 2 物料在窑内轴向运动速度与物料停留时间9 2 1 3 物料填充率1 0 2 1 4 炭素回转窑内负压1 0 2 1 5 二、三次风量配比。1 1 2 1 6 煅烧温度1 1 2 1 7 给料量1 2 2 2 炭素回转窑结构参数研究1 2 2 2 1 回转窑的长径比1 2 2 2 2 回转窑的窑型1 2 2 2 3 窑体斜度1 3 2 3 炭素回转窑结构改进1 3 2 3 1 炭素回转窑窑尾结构改造。1 3 2 3 2 炭素回转窑窑筒结构的改造1 6 2 3 3 二、三次风管( 嘴) 的结构改造1 6 2 4 本章小结1 9 第3 章炭素回转窑内物料运动过程分析2 0 3 1 回转窑内物料运动机理2 0 3 2 物料运动形式简介。2 0 3 2 1 滑移运动2 1 3 2 2 泻落运动。2 1 3 2 3 抛落运动2 1 3 3 滚落运动及其发生的条件2 2 f jl 顾i j 论文目录 3 3 1 滚落运动2 2 3 3 2 滚落运动发生的条件2 2 滚落过程的横向运动分析2 8 3 4 1 滚落过程横向运动描述2 8 3 4 2 物料滚动数学模型建立与分析2 9 滚落过程的轴向运动分析3 4 3 5 1 单颗粒运动的计算简化3 4 3 5 2 单历程颗粒轴向位移的确定3 5 3 5 3 物料在窑内平均停留时问的确定3 6 3 5 4 物料平均轴向运动速度的计算3 7 3 5 5 物料平均体积流量的计算3 7 3 5 6 利用关系因子对公式进行修正3 8 3 5 7 与实验结果对比3 8 3 5 8 与实际生产对比4 1 本章小结4 2 炭素回转窑模型实验4 4 实验原理4 4 实验装置4 4 4 2 1 回转窑模型结构4 4 4 2 2 动力、传动及变速装置4 5 实验内容4 6 4 3 1 实验工况4 6 4 3 2 记录数据、测试方法和位置4 7 4 4 实验过程4 7 4 4 1 实验准备。4 7 4 4 2 实验测试过程4 8 4 4 3 堆积密度测试补充实验4 9 4 5 本章小结5 0 第5 章模型实验结果与分析5 1 5 1 直筒型回转窑实验结果与分析5 1 5 1 1 咖4 5 0 m m 直筒型回转窑实验结果与分析5 1 5 1 2 巾5 5 4 m m 直筒型回转窑实验结果与分析5 4 5 1 3 两个不同内径直筒窑的产量和物料轴向运动速度的对比5 5 5 2 变径窑带翻料装置的回转窑实验结果与分析5 7 5 2 变径窑带翻料装置的回转窑实验结果与分析5 8 5 2 1 直筒内径4 5 0 m m ，窑尾直径5 5 4 m m 回转窑实验5 8 5 2 2 直筒内径3 5 0 m m ，窑尾直径4 5 0 m m 回转窑实验6 0 5 3 不同内径回转窑中物料轴向运动速度和窑产量的比较6 2 5 4 窑中物料轴向运动速度经验公式的回归拟合6 3 5 4 1 直简无挡料圈回转窑内物料轴向运动速度的回归拟合6 3 5 4 2 直简窑存在挡料圈时，窑内物料轴向运动速度回归拟合6 5 5 4 3 引入物料安息角时物料轴向运动速度回归公式6 6 5 5 回转窑内物料流通能力( 产量) 公式的推导6 7 5 6 回归拟合公式与运用统计学方法导出公式的对比6 7 l f ； l 东北人学硕l j 论义 目录 5 7 本章小结7 0 第6 章结论。_ 工：7 1 参考文献7 3 致 谢7 6 v 1 ， - 一 东北人学顾1 ：论文第l 章绪论 第1 章绪论 在建材、冶盒、水泥、化工等许多行业中，广泛地使用回转窑、筒式干燥机、 冷却机等回转系统进行原材料的煅烧、焙烧、干燥、冷却等。这类系统的主体为 一回转圆筒( 又称筒体) ，在热态下运行，并对其内的物料进行复杂的物理和化 学处理。在处理过程中，物料从简体的高端( 又称冷端) 加入，燃料由燃烧器从低 端( 又称热端) 喷入简体内的高温带燃烧，烟气通过筒体由高端排出。由于简体倾 斜安装，在回转时，简体内物料在沿径向翻滚的同时沿轴向向低端移动，与热气 流逆流换热，完成热交换过程，经过物理与化学变化，成为合格产品从低端卸出。 这类系统在我国以回转窑最为典型，我国是世界上使用回转窑数量最多的国家， 共1 0 0 0 余刨1 t 2 j ；而目前，在国内炭素行业中应用炭素回转窑就有6 0 多台。 近年来，随着我国电解铝工业的迅猛发展，用于铝用阳极炭块的炭素材料产 量也随之剧增。炭素材料( 通常是石油焦，简称生焦) 的煅烧过程是生产阳极炭 块的第一道热处理工序。石油焦煅烧的好坏是阳极炭块质量控制的前提，如果煅 烧不好，即使后面工序再严格也会使炭块机械强度、导电性、抗氧化性具有先天 性缺陷，造成更大损失。目前，石油焦的煅烧设备一般有两种，即炭素回转窑和 罐式煅烧炉。在国内，大多数厂家的石油焦煅烧采用产能较大炭素回转窑。它的 优点是：直接加热、连续操作、需要操作人员少、建设投资低、生产能力大。从 原料库到破碎、煅烧、储存可以实现机械化和自动化操作。它的不足之处是：原 料的烧损较大、煅后焦炭的机械强度相对低一些。在国内，回转窑用于煅烧炭素 制品仅有二十多年的历史，与国外同种类型的回转窑相比，无论在窑产能、炭素 制品的煅烧质量，还是炭素制品的实收率、窑体寿命等方面都存在一定的差距。 这些问题的存在，加之国家推出节能、环保等一系列措旆，在很大程度上限制了 整个电解铝工业的发展，因此，加快其工艺的研究和技术改造步伐，全面提升煅 烧工艺技术水平刻不容缓1 3 ，4 1 。 1 1 本文研究的主要内容 1 1 1 炭素回转窑工艺、结构参数的研究 炭素回转窑结构参数繁多、煅烧工艺复杂，很难使其在生产过程中经常处于 最佳状态。为了使炭素回转窑运行达到优质、高效、低耗的目的，因此需要对影 响回转窑产能的结构参数进行研究，找出回转窑的产量与各个参数的关系；同时 东北人学硕j ：论文第1 章绪论 为炭素回转窑工程设计提供一些参考。炭素回转窑的结构参数包括窑体斜度、窑 简直径、加料管高度、窑尾挡料圈的高度、窑筒变径比、窑内翻料装置的设定( 导 流槽) 、二( 三) 次风管的设置等，这些参数都影响着炭素回转窑的产量、窑内 物料运动状况和物料煅烧质量。 本文对炭素回转窑结构研究主要集中在四个方面：翻料装置尺寸和位置的确 定、回转窑下料管位置的确定、窑尾挡料圈高度的确定、二( 三) 次风管的改造。 1 1 2 炭素回转窑内物料运动规律的研究 物料( 石油焦) 在炭素回转窑的运动过程是一个非常复杂的过程，其运动受 到多种因素的影响，每个物料颗粒都处于不断变化的运动状态之中。客观上讲， 在回转窑内，物料随着转动的窑体在摩擦力作用下上升到一定高度( 即达到物料 动态安息角时) 后，由于重力大于摩擦力，物料便向下滑落和滚落，落到最低点 后又被内衬带动上升，然后再滑下如此往复。由于回转窑窑体的倾斜安装，滚落 下来的物料不会落到原来位置上，而是向回转窑轴向的低端移动一段距离。物料 在回转窑内不断地上升、滚落，物料不断地向窑头移动，最后流出筒体而跌入冷 却窑内。 物料在回转窑内既有轴向运动又有径向运动，轴向运动形式较为单一，即沿 着窑筒斜度方向从窑尾向窑头移动；而径向运动形式多种多样，根据不同的工况 物料有着不同的运动状态，即分为滑移( s l i d i n g ) 、脉冲( s u 晒n g ) 、塌落( s l u m p i n g ) 、 滚落( r o u i n g ) 、泻落( c a a d i n g ) 、抛落( c a t a m c t i n g ) 和离心( c e n t r i f u g i n g ) 运动等【5 1 。滚 落运动对于炭素原料的煅烧来说是最优的，它是本文分析的重点。 本文运用力矩平衡原理分析了物料滚落运动，并提出滚落发生的条件；这对 炭素回转窑内物料运动规律分析提供了前提。物料滚落过程中径向运动和轴向运 动分析是本文研究的重点，它包括滚落过程数理模型的建立和分析、物料活动层 厚度的确定、物料单颗粒运动的简化、颗粒单历程轴向位移的确定、窑内物料停 留时间的确定、物料平均轴向运动速度的计算、物料平均体积流量的计算等。并 用模型实验数据和炭素公司实际生产数据进行验证。 1 1 3 炭素回转窑模型实验与实验结果分析 炭素回转窑模型实验目的是研究物料在回转窑内停留时间和回转窑产量与 回转窑各个结构参数和操作参数之间的关系。窑内物料停留时间，即物料从窑尾 加入到窑头流出的时间：窑的产量就是单位时间内从窑筒内流出的质量。在回转 窑结构和工艺参数不同的条件下，运用控制变量法，测出物料的停留时间和回转 东北人学顾i j 论文第l 带绪论 窑的产量。记录下大量实验数据，为进一步分析打下基础。 影响炭素回转窑产量因素很多，包括：窑简转速、窑筒斜度( 即倾角的f 弦 值) 、窑内径、内衬结构、物料颗粒粒径、物料填充率等。本实验的目的就是对 上述影响因素进行大量实验，运用误差分析、数据回归等方法，从实验数据中找 出其存在的函数关系，即物料停留时间、窑产量与上述影响因素的关系。通过对 实验模型进行实验，得出炭素回转窑产量的回归方程；并与理论推导的公式进行 分析、比较，进而导出理论方程的修正系数，验证理论推导的j 下确性。 1 2 国内外研究状况 1 2 1 国外研究状况 近几年来，国外相关领域的许多学者对回转窑技术的改进进行了不懈的努 力，从不同角度对回转窑的结构参数、操作参数的优化和窑内物料的运动特性进 行了有益尝试和探索，取得了可喜的成果。 德国j m e l l m a n n l 5 j 在2 0 0 0 年对回转窑中物料的运动形式进行了研究，并对各 种运动形式建立了数学模型。由数学模型计算出的结果与实验测试结果十分吻 合，并且与生产实践中的现场实测吻合的也比较好。他运用f r o u d e 数、填充角。 度、壁面摩擦系数、颗粒直径与筒体直径的比率、内摩擦角度、静态和动态安息 角等作为物料层颗粒运动的特征参数。提出了固体颗粒运动形式的过渡准则数， 并且绘制了物料层的运动特征图表，借助这个图表，就可以根据实测的固体颗粒 的特征来判断固体颗粒在窑内的运动形式。最终，通过选择操作参数( 如转速、 填充率或者在窑内壁上安装肋) 来改变物料的运动形式。 德国马德堡大学j m e l l m a n n ，e s p e c h t 和x y l i u l 6 j 建立了回转窑中滚动 运动形式的数学模型来计算固体物料的传输运动。模型中建立了边界线、活动层 厚度、质量流率和料层表面上的速度与转速、填充率和窑体直径的函数关系式。 计算中不需要修正系数，同时为了验证这个模型的正确性，进行了多种物料和转 速的实验。 德国马德堡大学的x y l i u ，e s p e c h t 【7 j 等人在2 0 0 5 年根据朋c h ej 0 u m a lf j m e l l m a n n ，e s p e c h t ，x y 【j u 建立的数学模型和舢c h ej 5 0 ( 1 1 ) ( 2 0 0 4 ) 2 7 8 3 - 2 7 9 3 】p r e d i c t i o no fr o l l i n gb e dm o t i o ni nr o t a t i n gc y l i n d e r s 分析了回转窑中 物料活动层界面上的固体颗粒的滚动状态。建立了活动层的最大厚度和最大质量 流量与转速、填充率、窑内径和物料属性之间的关系式，并且公式中不含有修正 系数。 东北人学硕i ：论文 第l 章绪论 x y l i u ，e s p e c h t 【8 j 又于2 0 0 6 年就操作参数对固体物料在回转窑内平均停 留时间( m r d 和滞留量的影响进行了实验研究。实验结果显示停留时间随进料 速度的增加而略有增加，在高速旋转时，停留时间的增加速率将变小。滞留量与 回转窑每转的进料量近似成线性的关系，并用实验测试数据验证了不同研究者的 停留时间的推导公式。 1 2 2 国内研究状况 我国相关领域的广大科技工作者紧跟国外的科研步伐，并从我国的基本国情 出发，对炭素回转窑的开发和应用也进行了许多卓有成效的研究。 邱夏陶、韩小良1 9 】在1 9 9 4 年利用辐射系数法建立了回转窑的传热数学模型， 并进行了仿真计算。刘志山1 1 0 】在1 9 9 9 年对回转窑的煅烧带进行了探讨，文中分 析了影响煅烧带的因素，并提出煅烧带的控制方法主要是通过调整加料量、窑转 速、负压、燃料、助燃空气量等参数来达到控制煅烧带的目的，他还提出要对石 油焦的粒度、水分和挥发份等参数进行适当的调整。 任林【1 1j 在2 0 0 2 年对m 2 2 4 5 m 回转窑煅烧带温度的合理制定进行了研究。 张志霄、池涌1 1 2 】l 等人在2 0 0 3 年对回转窑的传热过程进行了数值模拟，他们将窑 体长度方向分成了数个控制体，并作了如下简化：( 1 ) 在各轴向位置物料、窑壁 和气体温度均匀，忽略轴向和径向传热；( 2 ) 忽略各控制体间的轴向传热；( 3 ) 窑 进出口端面绝热；( 4 ) 回转窑处于稳态条件。 彭思众、马晓茜、赵绪新f 1 3 】在回转窑内物料流动模型研究一文中研究了 l d 1 0 的回转窑内颗粒的运动，采用颗粒矢量分析确定颗粒运动轨迹，推导 出了单历程颗粒的位移和时间，引进差补方法计算了物料平均轴向位移和平均停 留时间，分析了物料填充角对轴向位移速度的影响。刘刚、池涌【1 4 l 等人在模拟 危险废物颗粒回转窑内运动特性实验研究中，运用实验的方法研究了回转窑倾 角、转速、给料率对物料停留时间、填充率和体积流率的影响。 于国友【1 5 j 在2 0 0 5 年就如何对炭素回转窑热工参数进行调整进行了阐述，文 中介绍了影响炭素煅烧回转窑热工参数的主要因素：窑转速、窑内径、窑体斜度、 填充率和窑长度，并提出了回转窑热工参数的调整方法。侯帆、吴家风1 1 6 j 在关 于焦炭煅烧回转窑设计的思考一文中通过对焦炭煅烧回转窑的一些设计和运行 参数的分析，设计了锥形回转窑和双锥形回转窑的实验模型，并阐明了其先进性 和可靠性。 张宝珊f l7 l 在对引进炭素煅烧回转窑设计的改进一文中提出了将窑尾变径， 改变窑尾结构，改进加料管安装位置，设置沉降燃烧室及沉降物料回收装置的改 东北人学颂l ：论文 第1 章绪论 进意见。于进i l8 i 在浅谈回转窑工艺操作最佳化的途径一文中论述了三次风流 速、回转窑转速和生焦加料速度对回转窑操作的影响，以及通过对三种控制变量 的调节使回转窑的操作达到最佳值，但没有提出这三种控制变量的取值。 杨振剩1 9 j 在碳素煅烧回转窑窑尾翻料问题的处理中提出了窑尾翻料与窑 尾加料管的安装位置、窑尾的收口尺寸有关，并给出了加料管的最低安装高度的 基本公式，窑尾收口尺寸的确定不小于料层厚度的1 3 倍，又不可使收口尺寸中 的气流速度太高。 雷先吲2 0 1 在回转窑内物料动态安息角的确定中提出运用受力分析和力矩 平衡原理的方法对物料进行分析，得出了影响物料轴向运动速度的动态安息角的 确定方法。从而完善了物料流通能力的计算公式，为回转窑转动电机的选型和拖 动方式的选择提供了依据。 宁德峰1 2 l j 2 0 0 7 年发表了波纹内衬回转窑结构和特点分析，在这篇文章中 介绍了美铝c m 娘l e s 厂的波纹状回转窑技术优势，如：窑内衬便于翻料，且辐 射面积大：窑的倾角大( 4 1 0 0 ) ，物料运行速度快( 4 5 6 0 m i n ) ；产量和产能指数，( 单 位回转窑内衬表面积的单位时间产量) 远远超过国内同种型号的回转窑。文中还 介绍了波纹回转窑减少了窑尾返料、漏料，对煅烧的实收率有所提高，使窑内衬 的寿命增长，同时波纹内衬起到了翻料的功能等。 避? ：和 综上所述，国内外广大科技工作者对回转窑的研究投入了很大的力量。正是 由于他们的积极努力和探索，回转窑工艺技术水平都得到了较大提高，但仍存在 许多问题有待进一步解决，许多问题还不能从理论上得到很好的解释。因此加强一 对炭素煅烧回转窑的设计和运行等方面的研究，增加这方面的投入，对改善目前 国内回转窑的煅烧状况，提高回转窑的产量，降低炭素制品的烧损，提高炭素制 品的煅烧质量都有着重要的现实意义。 1 3 本论文研究的目的和意义 随着工业和科技的快速发展，炭素回转窑的数量不断增加，规格要求越来越 大，相关流程工业在生产中的地位也越来越重要。炭素回转窑的技术性能和运转 状况，在很大程度上决定煅烧产品的产量、质量、成本与企业的经济效益。目前， 国内炭素回转窑都存在着部分结构参数配置不合理、窑产量以及物料停留时间的 设计公式偏差较大等诸多问题。本论文针对上述问题展开了研究，对回转窑结构 进行了优化和技术改造；对以前的经验公式进行了修j 下并得出新的经验公式，用 实验模型加以验证。本论文研究的目的分两方面：通过对炭素回转窑结构和工 艺参数的详细分析，找出窑的部分结构( 下料管、挡料圈、翻料装置) 合适的安 东北大学硕 j 论文第1 章绪论 装尺寸以及二次风管技术改造的新思路。这为炭素回转窑运行过程中出现的故障 提供了解决方案，为炭素回转窑的结构优化提供了依据。通过对回转窑内运动 物料理论分析、计算以及大量的模型实验并找出炭素回转窑产量、停留时间与回 转窑结构、工艺参数之间的函数关系，这为炭素回转窑的工程设计提供了理论依 据。 尽管近年来广大科技工作者对回转窑的结构设计和操作控制等方面作了不 少的改进，但是与国外同类型的回转窑相比，国内使用的炭素煅烧回转窑在设计 和生产中仍然存在一些问题。最突出的问题是在生产和使用中普遍存在产量低、 自身能量利用率小，烧损大等缺点。这些缺点也大大限制了回转窑的使用范围， 因此，如何提高回转窑的运转率，降低能耗，提高产品产量和质量，一直是科研 设计部门和生产企业广大科技工作者的重要研究课题。煅烧过程中涉及到许多参 数，这些参数既包括设备方面的也包括操作方面的。本文是通过实验的方法来探 求回转窑的最佳工艺参数，找出回转窑的最佳参数和物料运动规律公式。这将有 利于指导回转窑的设计及生产，对提高我国炭素行业的生产水平，赶超国外先进 水平【4 1 ，以及提高我国在国际铝行业中的竞争力都有着重要意义。 东北人学顺i j 论义第2 章炭素i 口i 转窑t 岂和结构参数的研究 第2 章炭素回转窑工艺和结构参数研究 炭素回转窑是煅烧炭质原料工艺的主体设备。回转窑的基本结构如图2 1 所 示，其主要由以下几个部分组成：筒体、窑头罩和窑尾罩、燃烧器、滚圈、托轮、 挡轮、支承装置、传动装置、二、三次风装置和冷却窑等【2 2 l 。 图2 1回转窑结构不恿图 1 一窑筒；2 炉衬；3 一托轮：4 一滚圈；5 一大齿轮；6 一传动齿轮；7 一窑头罩8 一料口； 卜冷却窑：1 卜窑尾罩与尘降室；1 1 燃料喷嘴 f i g 2 1d i a 伊a m m a i i cs k e t c ho fr o t a r yk i l n 1 c y l i n d e r ；2 _ i 衄e rl i n i n g ；3 _ - j o c k e yp u u e y ；4 - 一r o l l i n gr i n g ；5 一b u l lg c 缸；6 _ 一d r i v eg e a r ； 7 二d i s c h a i 翟ee n dc 0 v e r ；8 - - 】陀e dc n d ；9 3 0 0 l i n gc y l i n d e r ；1 0 f 色e de n dc 0 v c ra n ds e t t i e m e n t h o u ；1 1 b m b u s t o r 1 筒体简体由钢板卷制焊接而成，是容纳煅烧物料、燃料燃烧和进行热交 换的容器，是回转窑最基本部分。简体内砌筑或浇注耐火材料，称为窑衬，一般 厚度为1 5 0 m m 一2 5 0 m m ，用以保护筒体和减少散热损失。回转窑窑体按一定的倾 角( 2 0 一5 0 ) 安装在两对托轮上。 2 滚圈简体、衬砖和物料等所有回转部分的重量通过滚圈传到支撑装置 上，滚圈还能提高简体刚度，减少简体径向变形。滚圈传递着几百吨的载荷，其 本身的重量也达几十吨，是回转窑最重的部分。 3 支承装置支承装置承受回转窑的全部重量，它由托轮轴承组及底座组 成。托轮对称稳定的支承着滚圈并允许滚圈自由滚动，同时还向基础传递巨大的 重量。支承装置的套数称为窑的挡数，一般有2 7 挡。其中一挡或几挡支承装置 东北人学硕j ：论文第2 章炭素| 口l 转窑t 艺和结构参数的研究 上带有挡轮，称为带挡轮的支承装置。挡轮的作用是限制或控制回转部分的轴向 位置。 4 传动装置传动装置由主电机、辅助电机、制动器、减速机和升式齿轮 等组成，简体的回转是通过传动装置实现的。传动术级齿圈由两个半圆构成，通 过焊接在简体的弹簧板及销子安装在简体上。回转窑在工作状态下不允许长时间 停止运行，以避免产生过大的简体变形。为解决突然停电或电机故障等问题，有 的厂家还专门配备了柴油机和备用电机。为了安全和检修的需要，较大型的回转 窑还设有使窑以极低转速转动的辅助传动装置。 5 窑头罩和窑尾罩窑头罩是窑热端( 低端) 与流程中下道工序( 如冷却 筒) 的连接体，煅烧后的物料循此路径进入冷却筒。窑头罩上设有观察孔、检修 门、检测仪表、燃烧器等，燃烧器及燃烧所需空气经过窑头罩入窑筒。窑头罩内 砌有耐火材料，在固定的窑头罩与回转的筒体之间设有密封装置，称为窑头密封。 窑尾罩是连接窑冷端( 高端) 与物料预处理设备以及延期处理设备的中间体， 即窑尾罩位于窑筒高端，直接与沉降室相连，顶端斜插带水冷的下料管，物料经 此进入窑内。出窑的废烟气在沉降室内将挟带的粉尘沉积下来，废烟气中未燃烧 的挥发分在这里可继续燃烧，同时从窑尾返出的物料经窑尾罩进入沉降室。窑尾 罩还与余热锅炉烟道相连或直接与通往排烟机的烟道相连，窑内产生的废气靠烟 囱或排烟机排入大气。窑尾罩内砌耐火材料，在固定的窑尾罩与回转的简体间有 密封装置，称为窑尾密封。 6 燃烧器回转窑的燃烧器多数从窑体热端插入，通过火焰辐射与对流传 热将物料加热到足够高的温度，使其完成物理和化学变化。燃烧器只在点火或烘 窑时使用，正常生产过程中燃烧器不工作。 7 二、三次送风装置为了使物料排出的挥发分在窑内充分燃烧，需要在 窑内分区段供给二次、三次助燃风。二次、三次风由助燃风机提供，风机电机供 电通过与窑筒一起转动的滑环来实现。风管是钢制，外打浇注料。由于窑内温度 很高，风管寿命1 。1 2 个月，特别是二次风管寿命，一般三个月左右，最长不超 过半年。在生产过程中，风管外侧的耐火料脱落后只能裸烧，待钢风管烧损漏料 后从外面用耐火料堵死，回转窑被迫在少风( 或无风) 状态下运行。否则，必须 停窑修复，如此停窑1 5 天左右，影响生产的顺利进行。因此，如何延长二次风 管的寿命成为目前亟待解决的难题p j 。 8 冷却窑冷却窑是一个外面淋水的旋转钢简，内砌耐火材料，其转动和固 定装置与回转煅烧窑基本相似，煅烧好的物料在冷却窑内进行冷却，排料端安装 有密封装置。 8 东北人学硕l ：论义第2 章炭素| 口i 转窑t 艺和结构参数的研究 9 喂料设备它是回转窑的附属设备。根据物料入窑形态的不同选用喂料设 。 j - j 备。干的颗粒物料或块料，由螺旋喂入或经加管流入窑内；水分较大的物料用给 料机喂入。 2 1 炭素回转窑工艺参数 炭素回转窑的工艺操作主要围绕回转窑的产量、煅烧质量及物料氧化损失三 个方面进行合理的控制，以求达到产量高、煅烧质量好和氧化损失少。 炭素回转窑煅烧工艺过程的技术参数有：回转窑的转速、物料填充率、物料 在窑内的轴向运动速度和停留时间、窑内负压、二、三次风量配比、给料量、煅 烧温度( 煅烧带划分依据) 等。 2 1 1 炭素回转窑的转速 窑体转动可起到翻动物料的作用，提高转速有助于强化窑内气流对物料的传 热。回转窑的转速与窑内物料表面活性、物料停留时间、物料轴向运动速度、物 料混合程度以及窑内的填充率等有着密切的关系。 _ 炭素回转窑设计一般为o 5 0 3 4r m i n ，低速用于烘窑或者故障处理，正常生 产时国内通常是2 3 r m i n 。转速的大小是通过调节电动机电流来改变的，由于没意 有测速装置，操作人员只凭肉眼观察、经验判断，误差较大，即使偶尔用手表记 录一下转一圈的时间，也是比较粗略的。在科技发达的今天，这种测速方法显然 已经太落后了1 2 3 1 。 静： 2 1 2 物料在窑内轴向运动速度与物料停留时间 物料在窑内的移动规律是：随着窑筒转动物料被带起到一定高度，随后滚落 下来。由于窑简是倾斜的，滚落的物料同时沿着轴线向前移动，形成了轴向移动 速度。物料轴向移动速度与窑筒内径、窑转速、窑体倾斜角及物料在窑内的动态 安息角等因素有关，特别是与物料的运动状态有关。物料在回转窑内的轴向移动 速度对回转窑的煅烧质量和生产能力都有很大影响，如果煅烧物料在窑内移动速 度过快，物料在窑内的停留时间短，其得不到充分加热，物料煅烧程度和质量将 受到影响。同时物料颗粒升温速率过快将会导致其产生龟裂，煅烧后物料气孔率 增大并使其机械强度变差。如果煅烧物料运动速度太慢，将会使物料氧化烧损增 大，煅后料灰分含量增加，回转窑的生产能力降低。 当窑体长度l 已知时，物料在窑内的停留时间丁按下式计算【2 4 l ： r l y m i n 第2 章炭素同转窑t 艺和结构参数的研究 停留时间一般为3 0 6 0 m i n 。国外 时间一般达到6 0 9 0 m i n 。 图2 2 物料在回转窑中的示意图 f i g 2 2d i a g r 蜀田栅a t i cs k e t c ho fs o l i d p a n i c l e si i lr o t a r yk i l n 物料填充率厂可由下式求出f 2 5 】： ，。生。圭! ：竺二圭! ：竺竺；生二塑璺尘竺! 生 。