短窑的长径比探讨及其性能优势分析.pdf

中图分类号 T Q l7 2 6 文献标识码 B文章编号 1 0 0 7 0 3 8 9 2 0 1 2 0 5 1 0 0 5 短窑的长径比探讨及其性能优势分析 梁栋1 邓荣娟1 种正江2 1 中材装备集团有限公司 天津3 0 0 4 0 0 2 中国中材国际工程股份有限公司 南京 江苏南京2 1 1 1 0 0 摘要 探讨了两档短窑的长径比和窑内各带的最佳长度以及物料在各带的停留时间 结果表明 二档短窑的各带长度为 烧成带5 2 D 一5 5 D 过渡带1 8 D 2 5 D 分解带1 D 2 D 总长为8 D 1 0 D 考虑实际生产的波动性 两档短窑的长径比控制在 1 0 1 2 是完全可行和可靠的 此外 详细分析了两档短窑的的性能优势 其节能和节省成本优势明显 关键词 短窑 两档 长径比 分解率 烧成带 过渡带 分解带 D is c u s s io no nle n g t h d ia m e t e rr a t ioo fs h o r tk ilna n dit sp e r f o r m a n c es u p e r io r it y L ia n gD o n g D e n gR o n g j u a n S in o m aT e c h n o lo g y E q u ip m e n tG r o u p T ia n j in g 3 0 0 4 0 0 A b s t r a c t L e n g t h d ia m e t e rr a t ioo fs h o r tk iln b e s tle n g t ho fe a c hz o n ea n dr e s id e n c et im eo fm a t e r ia l a te a c hz o n ew e r ed is c u s s e d T h e r e s u lt ss h o wt h a tt h ele n g t ho fe a c hz o n ef o rt w o s u p p o r ts h o r tk ilnisa sf o llo w s b u r n in gz o n eis5 2 D 5 5 D t r a n s it io nz o n eis1 8 D 2 5 D c a lc in a t io nz o n eis1 D 一2 D a n dt h et o t a lle n g t his8 D 一1 0 D W it ht h ec o n s id e r a t io no fp r o d u c t io nf lu c t u a t io n itisf e a s ib let o c o n t r o lt h ele n g t h d ia m e t e rr a t ioo ft w o s u p p o r ts h o r tk ilna t1 0 1 2 A d d it io n a lly t h es u p e r io r it yo ft w o s u p p o r ts h o r tk ilnw a sa n a l y s e dind e t a il a st h eo b v io u se n e r g ya n dc o s ts a v in g K e yw o r d s s h o r tk iln t w o s u p p o r t le n g t h d ia m e t e rr a t io c a lc in in gr a t e b u r n in gz o n e t r a n s it io nz o n e c a lc in a t io nz o n e 0 前言 众所周知 预分解窑生料的预热和大部分物料 的分解移至窑外的预热器和分解炉 且由于悬浮态 的传热速率大大高于回转窑内物料层表面的接触传 热速率 人窑物料分解率显著提高 窑的煅烧能力得 到很好发挥 所需窑的规格得以缩小 随着预分解 技术的进步和发展 窑的单位容积产量不断提高 决定新型干法窑系统产量高低的因素不仅是窑的规 格 在很大程度上还在于组成烧成系统的旋风筒 连 接管道 分解炉 冷却机和燃烧装置的合理匹配与生 产优化操作 即烧成能力应与预烧能力相适应 预 分解技术的发展进步为回转窑中物料的煅烧提供了 很好的预烧条件 新型高效篦冷机及大推力燃烧器 的应用为回转窑中熟料的烧成提供了先决保证 所 以两档短窑的开发和研制及其在新型干法窑上的应 用得以可能 两档短窑的长径比L D 1 0 1 3 较常规的回转 窑明显为短 因此两档短窑能否满足回转窑中物料 的煅烧要求是其投入应用的关键 在此首先对回转 窑的长径比的要求及回转窑中物料煅烧要求所需的 停留时间进行相关探讨论证 继而进行两档短窑的 性能优势分析 1 两档短窑的长径比和最佳长度 预分解窑是在预热器窑基础上发展而来的 在 窑体设计时 目前所采用的常规窑的长径比基本在 L D 1 4 1 6 为三档支撑型式 1 9 8 1 年西德S p e n n e r 水泥厂一条 4 m x 4 0 m 预分解窑 为K H D 公司设计 的投产 打破了预分解窑长径比为1 4 1 6 的设计理 念 目前两档短窑的长径比基本在L D I O 一1 3 且 从实际投产运行的情况看 这些不同长径比的短窑 均能满足生产要求 可见预分解窑的长径比有一较 大的适应范围 但从技术经济的角度分析 显然短 窑更具优势 预分解窑中物料主要经历的物理化学反应过程 有 分解带的少量物料分解 过渡带物料由9 5 0o C 升 温至 1 3 0 0 0 C 并完成固相反应 烧成带的熟料烧成 以及冷却带的熟料冷却等过程 因熟料冷却主要有 配套的篦冷机承担 所以从理论上讲 预分解窑有分 解带 过渡带和烧成带这三带即可 下面从这三个 温度带的长度出发 对预分解窑的长径比进行论 述 在论述中我们以预热器窑为参照依据 并假定 预热器窑的长径比为 1 5 且是合适的 1 1 烧成带的最佳长度探讨 影响烧成带长度的主要因素有 物料负荷率 物 料运动方式及速度 二次风温 燃烧器的型式及物料 燃料的物理化学性质等 为便于讨论 再次设定预 分解窑和预热器窑两种窑的规格相同 窑规格 4 m x 6 0 m 斜度S 3 5 所使用的原燃料相同且 其煅烧差异不影响窑的有效长度 1 1 1 预分解窑和预热器窑的负荷比 1 0 永淀工疆型 设定 窑转速 预分解窑3 3 r r a in 预热器窑 1 9 r r a in 熟料产量 预分解窑G 分 9 9 0 1t h 预热器窑 G e 4 1 4 1t h 则二种窑型的负荷率及物料负荷比 髓计算如下 1 物料负荷率p 按下式计算 0 0 3 7 6 G 压 一 一 S D 7 n 式中 G 一熟料产量 t h t 2 一物料休止角 o S 一斜度 y 一物料质量密度 t m 3 2 一窑 速 r r a in D 一窑有效内径 2 物料负荷比风计算 从前述可知 两种窑 的a S y D i均相等 故二种窑的物料负荷率之 比见为 R 塑 挚塑 1 3 8 预C r i 顶n 根据理论计算 预分解窑的实际物料负荷率 考 虑窑皮因素 一般为 7 9 则预热器窑为 5 7 1 1 2 烧成带物料运动规律及其对传热过程的影响 在烧成带 物料受二种热的作用 见图1 其 中 一是火焰以辐射传热 包括对流传热 的形式将 火焰中的热量传递给表层物料 二是以传导形式将 热窑衬和窑皮吸收的热量传给与其接触的底层物 料 前者传递的热量约占整个烧成带传热的9 0 后者占1 0 传热的效率直接受物料运动和窑负荷 率大小的影响 从图1 可知 当料层中某质点被提升到 点后 在重力作用下 按自然休止角下滑 每分钟的下滑 从 点下滑到6 点的速度远大于质点从6 点提升到血 点的速度 前者的大小与窑内物料性质有关 后者 在不考虑物料与窑衬间滑动的情况下 等于窑衬的 线速度 前者的大小影响辐射传热 后者的大小影响 传导传热 从上面的讨论中得知 窑内某质点每翻动一次 与窑皮的接触时间 正比于弧长荔 反比于窑衬的 线速度 即 t o b K 历 u 一矣 丝 1 H 工Jf t 式中 K 一物料与窑衬接触的概率 与窑负荷率成 反比 同规格窑 该值为常数 一窑衬线速度 m s v p D n D 一窑衬内径 m Y 一窑速 r r a in 历一 为口到b 点的弧长 m 设烧成带总长为 物料在烧成带翻动一次的 行程距离为f 见图2 则烧成带物料的翻动次数 为 N L l 次数与窑转速成正比 在窑一定转速范围内 质点 图2 烧成带内物料运动距离三与z 的关系示意图 巡丝 羽蕊 图1 窑内物料运动及传热 D 假设预分解窑烧成带长度 分与预热器窑的烧 成带长度三预相等 虽然两窑的负荷率有所区别 但 每转物料的行程距离近似可认为相等 即N 分 预 L l 烧成带内物料与窑皮的接触时间为 拉 鬲K 尘 N 则二种窑的接触时间比坛一t 舅r t 预 为 驴蓍型型竺 蝰 2 坛 甄 面蒜 眩 根据预分解窑和预热器窑的负荷率 7 9 5 7 计算得到的窑内对应物料层的圆心角分别 为 g 分 8 5 5 6 q 预 7 6 1 5 则有 求滩工程型幽 象a b 一铬 黑7 61 5 乩 2 一预 臼预 l厶 代入上式得 t K 一1 1 2 1 9 3 3 0 6 4 条件是 同 直径 斜度 相同内衬布置 K S H 同 这说明同直径的窑 即热窑衬和窑皮吸收的热 量相同条件下 当预分解窑烧成带与预热器窑烧成 带长度相等时 预分解窑通过窑衬向物料传导的热 量仅为预热器窑传导热量的6 4 关于窑内辐射传热的问题 众所周知 物料所吸 收火焰辐射热的多少 取决于它在物料层表面的停 留时问 如前所述 表层物料从8 点运动到6 点的时 间主要取决于物性参数 而与窑速关系较小 从而 可近似地认为在两种窑烧成带内物料每随窑转动一 次 从点a 滑动到点b 所需的时问大致相等 如两窑 烧成带长度相等 则在烧成带内物料的滑动次数其 N 旃值应相同 所以我们可以近似地认为在烧成带 全长范围内所吸收的热量为 Q K L 曲N 洁 3 3 式中 Q 一物料某质点在烧成带吸收的热量 k J L 一一窑内物料表层的弦长 m N 洁一滑动次 数 K 一物料某一质点在料层表面的概率 两窑内 物料吸收的辐射热量比为 n n Q 分K 分L 盼 洁分万u 8 m 分化 吣 Q 预K L 曲预N 洁预 上D s in 0 葡 2 篙一妒分 s m6 预 2 即当烧成带长度相等 火焰温度相同时 预分解窑烧 成带内吸收辐射热量仅为预热器窑的8 0 也就是 说 当要求两窑烧成带单位物料吸收辐射热相同时 预分解窑需加长2 0 1 1 3 二次风温和火焰形状对烧成带的影响 以上考虑预分解窑烧成带的长度时未考虑火焰 的影响 但实际火焰温度及形状的影响是巨大的 尤其是火焰温度 由于预分解窑的单位容积产量成 倍提高 出窑物料温度高达1 4 0 0o C 窑内已不存在 冷却带 二次风温可高达1 2 0 0o C 以上 这与预热器 窑二次风温仅7 0 0o C 左右相比会大大提高火焰温 度 使烧成带缩短 设定以热值为2 30 0 0 k J k g 的煤通过理论计算 可求得预分解窑火焰温度t 分 19 8 5o C 预热器窑火 一1 2 一 焰温度为t 预 17 8 6o C 两种火焰温度的比值n 1 9 8 5 2 7 3 1 7 8 6 2 7 3 1 0 9 火焰辐射能力比为 Q R 一 丁足 4 1 4 1 即由于火焰温度提高 预分解窑 内辐射传热速率较预热器窑提高 1 4 1 倍 可见当考虑二次风温对火焰传热影响及烧成带 物料运动规律的影响 预分解窑和预热器窑的传热 比为Q Q 预一0 8 1 4 1 1 1 3 综合上述分析 尽管预分解窑窑内负荷率较预 热器窑增加3 8 单位容积产量增加约1 倍 物料运 动加快 停留时间缩短4 2 但由于烧成带传热辐 射主要是辐射 其传热量的多少与物料在窑内的宏 观速度无关 二次风温的提高使火焰温度提高9 这就大大提高辐射传热效率 综合考虑预分解窑的 烧成带长度应较预热器窑短 约为预热器窑的8 7 现在预分解窑由于广泛采用了筒体扫描装置 正常情况下烧成带的长度基本就是窑皮所反映的长 度 根据现场实际扫描结果 应用最典型的50 0 0 t d 4 8 r e x 7 2 I n 窑窑皮长度平均 2 7 n l 所反映的 烧成带长度基本为2 7m 5 6 D 长径比U D 2 7 4 8 5 6 其它窑型烧成带长度基本上也在在 5 D 6 D 早期有资料介绍曾有人对烧成带的长度 进行过统计 预分解窑的烧成带长度在5 D 6 D 之 间隅1 在上述的分析简化中忽略了一些因素的影响 故其分析结果只能是一种参考 但确实已有人通过 各种方式对预分解窑和预热器窑的烧成带的相对长 度进行过统计比较 一般预热器窑的烧成带长度为 5 D 6 D 而预分解窑烧成带略短 为5 2 D 5 5 D 这 与上面的分析也是吻合的 1 2 过渡带的最佳长度 无论是预热器窑或是预分解窑 其过渡带均是 将物料继续升温至13 0 0 及发生一系列固相反 应 与烧成带相比 除受火焰直接作用较少和不直 接受二次风温影响外 其传热过程与烧成带相仿 由于预分解窑与预热器窑烧成带吸收热辐射的热量 比值为0 8 因此大致认为预分解窑的过渡带长度约 为预热器窑的1 1 0 8 1 2 5 倍 因此当预热器窑的过 渡带长度为1 5 D 2 D 时 预分解窑过渡带长度应为 1 8 D 2 5 D 1 3 分解带的最佳长度 预分解窑的分解带长度与其人窑物料分解率大 小有关 入窑物料分解率越高 其分解带就可相对越 短 见表1 由于预分解窑入窑物料分解率高达9 0 以上 水淀工程型丝篁塑 表1 入窑物料分解率d 与预分解窑的分解带长度f 分的关系 d 4 0 5 06 0 7 08 08 59 09 5 Z 分 m6 D 6 5 D 5 D4 D3 D 一3 5 D 2 D 2 5 D1 6 D 有的甚至9 7 以上 因此回转窑内物料分解的区问 很小 已有资料分析表明当入窑物料分解率 9 0 时 窑内分解带仅有1 D 2 D 就够了 1 4 预分解窑的长径比 从上讨论得知 如果认为预热器窑的各带已处 于最佳状态 则预分解窑的各带长度应为 烧成带 5 2 D 5 5 D 过渡带1 8 D 2 5 D 分解带1 D 一2 D 总 的为8 D 1 0 D 考虑到实际生产可能的波动以提高 回转窑的适应性 两档短窑的长径比控制在1 0 1 2 之间是完全可行的 并是可靠的 2 两档短窑中物料停留时间 随着新型干法生产技术的进步 窑的生产能力 有了很大程度的提高 热消耗的主体C a C O 分解已 基本上从窑内移至窑后 决定窑系统换热与生产能 力的预烧过程也从回转窑内转到大部分在预热预分 解系统内完成 加上冷却机技术的提高 所以 预分 解窑的单位容积产量逐步提高 窑规格 长度 得以 缩小 但回转窑中物料煅烧至完全合格到底需要多 长时间 不同型式的回转窑有不同的要求 对于预 分解窑 只要人窑物料分解率合适 9 2 以上 一般 认为1 8 m in 即可 此时各带的停留时间为 分解带 2 m in 过渡带6 m in 烧成带1 0 m in 表2 为回转窑不同转速下的负 荷率及停留时间比较 由表2 可 见 相同生产规模时 两档短窑窑内 物料停留时间缩短 而其窑内物料 平均负荷率并不比三档窑高 至于 两档短窑抗波动能力差的问题 已 有实践经验证明 如果能够搞好生 产控制与操作管理 保证原燃料质 与量的均衡稳定 则两档短窑是能 够长期安全稳定运转的 3 两档短窑规格与优势分析 3 1 两档短窑规格 我们根据收集到的资料 现把 国内外两档窑的规格与相关指标列 于表3 3 2 性能优势分析 经过理论分析及大量的实际生产实践表明 两 档短窑具有很多优点 主要有以下几方面 1 降低能耗 研究表明 在C a C O 分解过程 中形成新生态的C a O 其具有很高的活化能和很强 的反应性 在预分解窑中 人窑物料的分解率至少 在9 0 以上 只有很少量的碳酸盐分解任务留待窑 内完成 窑内的高温带仅局限在火焰辐射区段之 内 对一般长径比为L D 1 4 1 6 的预分解窑 已完 成分解任务的物料还要在9 0 0 13 0 0 的过渡带内 停留过长的时间 一般为1 5 1 6 m in 延缓了物料的 加热进程 因此 新生态的C a O 反应活性得不到充 分体现 造成c s 和C a O 的矿物长大 因为在此区 段内没有足够的热量使其迅速升温 制约了熟料的 结粒和烧结 进而造成熟料结构不良 影响熟料质量 和易磨性 而在丽档窑中 物料在过渡带仅停留5 6r a in 就马上进入烧成带 新生态的C a O 反应活性得 到了充分而及时的利用 所以可降低烧成温度 减少 废气的热损失 使热耗降低 在这种情况下所形成 的熟料矿物结粒好 多呈微晶和微孔结构 不仅可以 提高熟料2 8d 强度 而且易磨性获得改善 可以降低 水泥的粉磨电耗 此外 窑体长度减短 不仅简体的 散热损失随之减少 而且传动功率也相应降低 以 55 0 0 t d 的河北燕赵两档窑 中5r e x 6 0m 和三档窑 中4 8 m x 7 2 m 比较 两档短窑的单位熟料表面散热 损失比三档的要降低 5 x 4 1 8 k J k g 2 提高熟料质量 在主要矿物C s 稳定形成 之前 物料在过渡带停留时问越长 C s 矿物生长越 表2 不同转速下的负荷率及停留时间比较 霉学 逝t d L D d篇d 备注 号m t m 一 永淀工程型些 一1 3 一 多 但剩余的f C a O 就有机会再结晶而使其结粒增 大 活性降低 C S 形成过程为固液相反应 其形成 速度即烧成时间取决于C a O 的粒度和活性 C a O 晶 粒越小 活性越强 则越有利于C S 的形成 熟料2 8d 强度越高 此外 升温速度越快 C a O 的吸收速度也 越快 越有利于C 3 S 的形成 而两档窑内的煅烧情 况满足上述要求 因此从理论上分析两档短窑所生 产的熟料质量较好 3 对原 燃料的适应性较好 在相同生产能 力的情况下 两档窑的直径一般大于三档预分解 窑 因此 在相同操作条件下热负荷降低 这样 对 于易烧性较差 碱或其他有害成分含量较高的生料 其适应性更强 一是因为可以得到更好的火焰辐射 传热 二是能更好地控制物料在烧成带的停留时间 三是窑尾温度稍高 碱性物不易在窑内凝结 放风排 碱效率高 可以促进碱或其他有害成分的降低 4 砖耗显著降低 由于烧成带温度可以降 低 窑内气体速度亦随之降低 不仅传热得到改善 而且可减少熟料粉尘的再循环 加之机械方面的有 利因素 所以耐火砖寿命大大提高 砖耗显著降低 对一般预分解窑 吨熟料砖耗的国际先进指标为 0 5 0 6 k 趴 而两档窑可降到0 1 5 0 2k g t 降低约 6 0 砖耗降低对降低水泥成本意义很大 5 设备可靠性提高 避免机件超负荷 由三 档支承改为两档支承后 使结构由静不定变成静定 系统 这样 无论基础下沉 或窑简体变形和弯曲 等 都不会引起简体 托轮 轮带和传动机构等机件 超负荷 也不会造成托轮与轮带的不均匀接触和各 档及每个支承两侧托轮受力的不均衡 从而避免简 体断裂 托轮断轴 轴承超温和烧瓦 托轮与轮带磨 损过快和不均匀磨损 烧毁传动电动机 主减速器的 异常损坏等机械事故发生 大大提高设备的可靠性 6 降低了基建投资 两档新型超短窑的窑体 减轻 支承减少 尽管有的新型超短窑筒体和托轮的 直径稍大 但整台窑的设备重量还会减轻1 4 2 0 从而设备造价可大大减少 另外 由于窑体减 轻 窑墩负荷减小 窑的土建费用亦可降低 窑体减 短 除占地面积减少外 输送设备长度 各种管道和 电线电缆都相应缩短 不但工艺布置更加紧凑 各项 投资也相应减少 7