回转窑系统的设计计算

1、1,2.6 回转窑系统的设计计算,2,回转窑系统的设计,窑的类型和尺寸 产量标定 单位产品的燃料消耗 主要配套设备： 冷却机 预热器 分解炉 煤磨 收尘器 喂料装置 通风设备,3,2.6.1 回转窑筒体尺寸与产量的关系,影响窑产量的主观因素： 窑的规格尺寸-直径、长度 客观因素：其它,回转窑日产量M（t/d）,回转窑直径D（m） 回转窑产量与直径的关系,窑有效容积Vi/m3 回转窑产量与有效容积的关系,5,产量、直径常用计算公式,日本水泥协会推荐公式，1974 G=KD1.5L G-窑的小时产量，t/h D-窑烧成带筒体内径，m L-窑有效长度，m K-系数，因窑型而异，见P108表2-28

2、窑的生产能力主要与气固传热能力有关,6,水泥工业设计院，湿法窑生产能力,7,产量、直径常用计算公式,日本池田，计算SP窑生产能力， 1973 G=1.425Di2.88 G-熟料小时产量，t/h Di-回转窑烧成带衬砖内径，m 为反映窑长影响，该式附带要求窑长与内径Di的关系应符合： L=23Di-20,8,北京建材院，NSP窑生产能力： G=KD2.5L0.762 G-熟料小时产量，t/h K-系数，0.1140.119,产量、直径常用计算公式,9,南京化工学院新型干法窑产量计算经验公式,1986年，南京化工学院汇总了世界上54个国家、从1951年到1984年投产的617台各类悬浮预热器窑和

3、预分解窑的生产数据或设计资料，利用微机进行产量回归分析，得到表2-29所示的悬浮预热窑、立筒预热器窑和预分解窑三组产量计算公式。鉴于在同一规格下，立筒预热器窑产量一般稍低于旋风预热器窑的产量这一事实，因此专门建立了一组立筒预热器窑产量公式。,南京化工学院，新型干法窑产量计算经验公式,p109,n-统计样本数，r-相关系数,11,其中： G-窑的台时产量，t/h L-窑的长度，m D，Di-分别表示窑筒体内径、窑筒体衬砖内径，m Vi-窑的有效容积，m3 DiD-2；窑衬砖厚度按经验值计算： D4m，=0.15m； 4D5m，=0.18m； 5D6m，=0.2m；D6m，=0.23m 1984年

4、前统计数据，对规模较大的窑结果偏低,12,2.6.2 回转窑筒体尺寸的确定,窑的规格尺寸 直径，长度或长径比 窑的类型、规格不同则窑的单位产量指标也不同 确定尺寸时，一般根据选取合理的单位熟料产量指标计算窑的尺寸,13,回转窑筒体尺寸的确定,2-100 回转窑mv与Di关系,2-101 回转窑mA与Di关系,Di/m,mA t/m2 h,mv t/m3 d,回转窑筒体尺寸的确定,2-102 回转窑mF与Di关系,MF kg/m2 h,Di/m,15,由统计分析结果、单位产量指标定义与窑尺寸的关系，可推导结果如下表,16,窑的长径比L/Di的关系 悬浮预热窑： 立筒预热窑： NSP窑： 按单位产

5、量指标确定窑产量，由定义可推以下关系： Di=0.096mF/mv ，m （2-109） L= 24mA/mv ， m （2-110） L/Di=250mA/mF （2-111）,水泥回转窑规格确定步骤,根据设计任务，按窑单机要求产量G，查图2-98或表2-29中计算公式（2-82）,（2-86）,（2-90）计算估计新窑的直径Di 参照图（2-100），（2-101），（2-102）选取合理的单位产量指标mF，mv， mA，或根据国内外同类型窑的生产数据计算mF，mv， mA 据公式（2-109），（2-110），（2-111）计算Di，L和L/Di，确定窑的尺寸,18,窑型,筒体型式:直筒

6、型、热端扩大型、冷端扩大型、哑铃型 延长物料在窑内的停留时间 增加窑的有效容积 降低窑内截面风速 提高窑发热能力和熟料产量，降低料耗和热耗 解决回转窑内烧成能力与预烧能力的矛盾,19,直径扩大型窑的缺点,扩大处形成不规则通道，破坏了物料在窑内运动的均衡性，不利于窑的操作 大直径到小直径的过渡段，易出现物料堆积现象，并且产生扬尘 窑内耐火砖易损坏，筒体制造和维修困难,例试确定一生产能力为日产2000t熟料的预分解回转窑筒体的尺寸 解据要求生产能力，查图2-98（p107）得： 回转窑筒体内径D3.8m； 则回转窑衬砖内径： DiD23.820.153.5m； 再由图2-100、图2-101、图2

7、-102查得： Mv2.4 3.5，取平均值2.95t/m3日； MF86 132，取平均值109kg/m2h MA6.1 8.6，取平均值7.4t/m2h,再由公式(2-109), (2-110) , ( 2-111): Di=0.096 mF/mv =0.096109/2.95 =3.55m L= 24 mA/mv = 247.4/2.95=60.2 m L/Di=250 mA/mF =2507.4/109=17 考虑衬砖厚度 则筒体内径 DDi + 23.55 + 20.153.85m； 考虑窑体数据应取整，确定回转窑筒体内径为 3.9m,长度为60m,22,2.6.3 回转窑产量的标定

8、,回转窑产量是确定工厂生产规模，原、燃料消耗定额，全厂设备选型的依据，是水泥厂设计重要指标 产量的标定:确保优质、低消耗、长期安全运转的前提下，窑所能达到的合理产量,23,2.6.3 回转窑产量的标定,产量标定的意义: 除了窑的类型和尺寸外，影响回转窑产量的因素很多，特别是随着生料预均化系统的逐步完善，悬浮预热与窑外分解技术的不断发展，电子计算机过程控制的广泛应用，科学管理的加强，使窑的单位产量指标有所提高，因此对设计中已确定的回转窑，必须进行产量的标定。,24,2.6.3 回转窑产量的标定,产量标定的要求: 标定过低，在设计计算其他附属设备时，可能出现选型小，投产后出现限制窑生产能力的发挥。

9、 标定过高，附机选型偏大，而窑实际产量达不到，造成设备能力浪费，同时给窑生产达标带来困难,25,2.6.3 回转窑产量的标定,产量的标定方法： 据经验公式计算 据工厂具体条件及我国生产水平综合考虑 计算公式与实际产量结合,26,2.6.3 回转窑产量的标定,据经验公式计算 可根据同类型窑的理论与经验公式计算，标定时多个公式计算，以平均值为标定产量 据同类型同规格窑产量标定 根据国内外已投产的同类型同规格窑的实际产量标定，综合多家生产数据取平均值； 同时结合国内生产条件、生产实际情况综合考虑,27,说明,为检验表2-29建立的公式在标定产量中的精确度，用不同公式对12种大小不同规格的三类窑的产量

10、进行标定，结果表明，对1984年前投产的窑都较接近于实际窑产量的平均值。 综合标定结果，发现三类窑的计算公式中，窑产量G与Di，L之间的相关关系，即Gf(Di，L)更接近实际窑的平均产量值，其相关系数比其他公式的相关系数要高些，故计算产量时，使用Gf(Di，L)较合理和可靠。 通常实际能力比计算能力高出至少10%,28,2.6.4 回转窑系统热耗与热平衡计算,窑的单位热耗： 窑系统生产单位熟料产量的实际烧成熟耗 由于熟料煅烧时损失了大量热量，如废气、熟料带走的热焓，窑体向外界散失的热量，湿法生产中蒸发料浆水分的耗热量等，因此窑的实际热耗比理论热耗高很多。,29,2.6.4 回转窑系统热耗与热平

11、衡计算,窑的热平衡计算： 主要目的，对新窑确定燃料消耗量，计算单位熟料热耗，对生产窑分析窑系统热工技术性能，为优质、高产、低耗及节能技改提供科学的依据。,30,2.6.4 回转窑系统热耗与热平衡计算,窑的热耗、发热能力和热负荷 回转窑烧成热耗及分析,31,通常为了比较，取热值为29270kJ/kg煤为标准煤，则单位熟料耗燃料量mr可转换为标准煤耗mbr:,2000t/日，带二次燃烧的SP窑熟料热耗, QrR 匈牙利学者,QrR=4589.70.71M+1.6K2.6AM150.9SM1.5SLT QrR-熟料热耗，kJ/kg熟料 M-熟料日产量，t/日 K-二次燃烧燃料（窑尾上升烟道加入燃料量

12、）比例，% AM-生料铝氧率：0.91.7 SM-生料硅酸率：1.72.7 LST-生料石灰标准,33,回转窑的发热能力及热负荷,回转窑的发热能力：窑单位时间发出的热量,34,回转窑的发热能力及热负荷,提高窑的产量必须提高窑的发热能力 窑的发热能力受到燃烧空间的限制，因为燃烧带热负荷是有限的，过高会损坏窑的内衬，降低窑的运转率，影响熟料煅烧质量 窑的热负荷/窑的热力强度:有一定限度，实际生产中，应选择最佳的热负荷，才能保证窑的长期安全运转,35,回转窑的热负荷,三种表示方法:燃烧带容积热负荷，衬砖表面积热负荷、断面积热负荷 燃烧带容积热负荷:燃烧带单位容积、单位时间所发出的热量 燃烧带衬砖表面

13、热负荷:燃烧带单位表面积、单位时间内所承受热量 燃烧带断面热负荷:燃烧带单位截面积、单位时间内所承受的热量,36,燃烧带容积热负荷,燃烧带火焰的长度，窑皮长度。,烧成带致密坚固的窑皮代表 燃烧带直径的倍数,37,燃烧带衬砖表面热负荷,燃烧带断面热负荷,与窑长无关，最简单，可比较不同型式窑，国际应用多,38,热平衡计算基准、范围及原始数据,1热平衡计算基准 物料基准：以1kg熟料为基准； 温度基准：以0为基准； 2热平衡范围 据回转窑系统设计或热工测定的目的要求确定 回转窑 窑+预热分解系统 窑+预热分解系统+冷却机,39,3原始数据,生料用量、化学组成、水分、入窑温度 燃料成分、工业分析和入窑

14、温度 一、二次空气的比例、温度，空气过剩系数、漏风系数，废气量与废气温度 飞灰量、飞灰温度及烧失量 收尘器收尘效率 窑体散热损失，熟料带走热 熟料形成热：可根据熟料物理化学热效应求得或选定,物料平衡,窑+预热系统,收入： 燃料消耗量 入预热器物料量 入窑系统空气量,支出：熟料量； 废气量； 出预热器飞灰量,41,物料平衡 收入项目,燃料消耗量mr（kg/kg熟料） 入预热器物料量： （kg/kg熟料） 考虑飞损后生料实际消耗量ms +入窑回灰量myh a干生料理论消耗量 mgsL （kg/kg熟料） b入窑回灰量myh和飞损量 mFh （kg/kg熟料） c考虑飞损后干生料实际消耗量 mgs

15、（kg/kg熟料） d考虑飞损后生料实际消耗量 ms,42,物料平衡 收入项目,入窑系统空气量 a燃料燃烧理论空气量 b入窑实际干空气量 c漏入空气量（包括生料送风量） 收入= 燃料消耗量+入预热器物料量 +入窑系统空气量,43,物料平衡 支出项目,熟料量：1kg 废气量： a 生料中物理水 b 生料中化学水 c 生料分解放出CO2气体量 总废气量 d 燃料燃烧生成烟气量 e 漏入空气量 出预热器飞灰量：,热量平衡,45,热量平衡 收入项目,燃料燃烧生成热q1 燃料带入显热q2 生料带入显热q3 回灰带入热量q4 空气带入热量：一次q5、二次空气q6+漏入空气q7,总收入热量,46,热量平衡

16、支出项目,熟料形成热q8 蒸发生料水分耗热q9 废气带走热量q10 出窑熟料带走热量q11 出预热器飞灰带走热量q12 系统表面散热损失q13,总支出热量,47,物料平衡计算：,收入项目,1、燃料消耗量,（kg/kg熟料）,设计新窑或技术改造时，mr是未知量，通过热平衡方程求得，已生产的窑，通过热工测定得到。,2、入预热器物料量,干生料理论消耗量：,式中：,干生料理论消耗量，kg/kg熟料；,燃料应用基灰分含量，%；,a 燃料灰分掺入熟料中的量，%；,生料的烧失量，%。,48,入窑回灰量和飞损量：,式中：,入窑回灰量，kg/kg熟料；,出预热器飞灰量，kg/kg熟料；,出收尘器飞灰损失量，kg

17、/kg熟料；,收尘器、增湿塔综合收尘效率，%。,49,考虑飞损后干生料实际消耗量：,式中：, 考虑飞损后干生料实际消耗量，kg/kg熟料；,飞灰烧失量，%。,考虑飞损后生料实际消耗量：,式中：,考虑飞损后生料实际消耗量，kg/kg熟料；,生料中水分含量，%。,mFh出收尘器飞灰损失量，kg/kg熟料,50,入预热器物料量：,（kg/kg熟料）,3、入窑系统空气量,燃料燃烧理论空气量：,式中：,燃料燃烧理论干空气量，Nm3/kg煤；,燃料燃烧理论干空气量，kg/kg煤。,、,、,、,燃料应用基元素分析组成，%。,51,入窑实际干空气量：,式中：, 入窑实际干空气量，Nm3/kg熟料；, 入窑实际

18、干空气量，kg/kg熟料；, 窑尾空气过剩系数。,52,漏入空气量（包括生料送风量）：,式中：, 窑尾系统漏风量，Nm3/kg熟料；, 窑尾系统漏风量，kg/kg熟料；, 预热器出口过剩空气系数。,漏入空气量也可用漏风系数求得。,53,支出部分,1、熟料量：,2、废气量：,生料中物理水：,式中：,0.804为水蒸汽密度，kg/Nm3；,生料中物理水量，kg/kg熟料；,生料中物理水量，Nm3/kg熟料。,54,生料中化学水：,式中：, 生学中化学水量，kg/kg熟料；, 生学中化学水量，Nm3/kg熟料；, 干生料中三氧化铝含量，%。,55,生料分解放出,气体量：,式中：, 生料中分解出,气体

19、量，kg/kg熟料；, 生料中分解出,气体量，Nm3/kg熟料；, 干生料中,含量，%。,1.977 为,密度，kg/ Nm3。,56,式中：,、, 分别为干生料中CaO和MgO的含量，%；,、,、, 分别为,、CaO和MgO的分子相对质量；,57,燃料燃烧生成烟气量：,（Nm3/kg煤）,（Nm3/kg煤）,（Nm3/kg煤）,（Nm3/kg煤）,58,（Nm3/kg煤）,（kg/kg煤）,式中：,燃料燃烧实际烟气量，（Nm3/kg煤）；,燃料燃烧实际烟气量，（kg/kg煤）。,59,（5）漏入空气量：,，Nm3/kg熟料；,，kg/kg熟料。,总废气量：,（Nm3/kg煤）；,（kg/kg

20、煤）。,60,3、出预热飞灰量,（kg/kg熟料）,四、热量平衡,参见教材p119图2-104，热量平衡图。,支出项目 （1）熟料形成热 （2）蒸发生料中水分耗热 （3）废气带走热量 （4）出窑熟料带走热 （5）出预热器飞灰带走热 （6）系统表面散热损失,收入项目 （1）燃料燃烧生成热q1（2）燃料带入显热q2（3）生料带入显热q3（4）回灰带入热量q4 （5）空气带入热量,61,（一）收入项目,1、燃料燃烧生成热,（kJ/kg熟料）,式中：,燃烧应用基低位发热量，（kJ/kg煤）,2、燃料带入显热,（kJ/kg熟料）,式中：,燃料的比热，kJ/kg；,燃料入窑温度，。,62,3、生料带入显热

21、,（kJ/kg熟料）,式中：,、,分别为生料、水的比热，kJ/kg；,生料入窑温度，。,4、回灰带入热量,（kJ/kg熟料）,式中：,回灰的比热，kJ/kg；,回灰入窑的温度，。,63,5、空气带入热量,（1）一次空气带入热量：,（kJ/kg熟料）,一次窑占总入窑量的比例，%；,式中：,一次空气在0,温度的平均比热，kJ/ Nm3；,一次空气入窑温度，。,64,（2）二次空气带入热量：,（kJ/kg熟料）,式中：,二次空气在0 ,温度的平均比热，kJ/ Nm3；,二次空气入窑温度，。,65,（3）漏入空气带入热量：,（kJ/kg熟料）,式中：,漏入空气在0,温度的平均比热，kJ/ Nm3；,漏

22、入空气入窑温度，。,总收入热量：,66,（二）支出项目,1、熟料形成热,（kJ/kg熟料）,2、蒸发生料中水分耗热：,（kJ/kg熟料）,式中：,入窑生料温度时水的汽化热，kJ/kg水。,67,（3）废气带走热量：,（kJ/kg熟料）,式中：,混合气体的平均比热，kJ/ Nm3；,废气温度，。,式中：,、分别为相应应气体在,温度时的平均比热，kJ/ Nm3；,、分别为废气中各气体的量， Nm3/kg熟料。,68,（4）出窑熟料带走热：,（kJ/kg熟料）,式中：, 熟料在0,温度间的平均比热，kJ/ kg；,出窑熟料温度，。,（5）出预热器飞灰带走热：,（kJ/kg熟料）,式中：, 在 0,温

23、度间飞灰的平均比热，kJ/ kg；,飞灰温度，。,69,（6）系统表面散热损失：,（kJ/kg熟料）,总支出热量：,收支热量平衡：,70,由热量平衡、物料平衡方程可求得单位熟料燃料消耗量mr 熟料烧成热耗： 回转窑热效率 =（熟料形成热 / 入窑总热量）100% 窑的发热能力 燃烧带衬砖断面热负荷 建立物料平衡表、热量平衡表,（kJ/kg熟料）,71,三大热损失 预热器出口废气、飞灰热损失大 系统表面散热损失大 冷却机的热效率对熟料热耗影响大：废气、熟料、散热损失,72,1、预热器出口废气与飞灰热损失大：,影响废气热损失的主要因素是废气温度及单位熟料废气量，因此降低废气温度和单位熟料废气量是减

24、少废气热损失的主要途径。,降低废气温度，除了保持窑、炉的合理煅烧外，应设计换热效率高的预热器系统，并注意系统参数的优化匹配，或采用五级旋风预热器以有效降低废气温度。,降低废气量，必须重视窑系统的密封堵塞，减少系统漏风及燃烧过剩空气量。,减少飞灰热损失，应采用分离效率高的预热器和密封性能好的锁风装置，减少飞灰量。,73,2、系统表面散热损失大：,单位熟料散热损失主要与窑系统的隔热保温材料和耐火材料及窑的操作有关，因此，必须大力改善隔热材料及耐火材料的性能，合理使用隔热材料和耐火材料；优化窑的操作，稳定窑的热工制度。,74,3、冷却机的热效率：,冷却机的热效率对熟料热耗的影响很大。因此，在回转窑系

25、统的设计中，还需进行冷却机热平衡。,冷却机的热损失包括废气、熟料带走热及冷却机表面散热等。,采用新型冷却机，改进冷却机的结构和扬料装置，可提高入窑、入分解炉助燃空气的温度，降低冷却机出口熟料温度，减少排出废气量，提高冷却机热效率，也是降低熟料热耗的有效措施。,75,以上三大热损失，是各种类型水泥回转窑的主要热损失，减少三大热损失降低熟料热耗的主要途径。,进行热平衡计算时，物料平衡和热量平衡总收支绝对误差绝对值占总收入量的比例不得大于5%，否则测定无效，应分析原因并重测。,76,2.7 立窑,普通立窑 cement shaft Kiln / ordinary shaft Kiln 机械化立窑 m

26、echanized cement shaft kiln,77,2.7.1 物料煅烧过程及特点,物料： 生料+煤粉成球 窑内熟料窑底 助燃气体： 窑底部冷却熟料颗粒助燃预热、料球 烟囱 窑腰部,回转下料器,窑顶部,自下而上运动,78,2.7.1 物料煅烧过程及特点,各带划分-不同高度上物料发生的反应 干燥预热带: 高温煅烧带: 冷却带:,79,机立窑各带划分示意图 1一预热带；2一烧成带； 3一冷却带,预热带：料层厚度约0.51.0m，料层温度小于1000 。一般预热带约占全窑高的510。 烧成带(俗称“底火”)：料层为0.61.0m，温度100014501300 。烧成带约占全窑高度的1015

27、。 冷却带：冷却带的位置处于烧成带以下至窑底，约占全窑高度的70左右，物料平均温度在1300以下。,1,2,3,80,煅烧过程的物理化学变化 燃料燃烧与物料煅烧是从料球表面开始。,热气流向料球表面传热，使表面水分逐渐蒸发，并预热料球，随着热量逐渐由表向里传递，料球内部水分也随之蒸发，并向表面扩散。,料球表面煤粒达到燃点，与气流中的氧气反应燃烧，随着氧气自料球表面向内部扩散，燃料不断燃烧，料球温度逐渐升高，燃料燃烧与生料碳酸钙盐的分解同时进行。,碳酸盐分解的CO2与产物CO、CO2等由内部向表面扩散到气流中。,81,煅烧过程的物理化学变化,随着碳酸钙的分解和燃料的燃烧，温度继续升高，固相反应也同

28、样由料球表面向中心推进，逐渐完成熟料的烧成过程。,在料球从上到下的运动过程中，经历了生料的干燥、预热、分解、固相反应、烧成、冷却等阶段。不过，在同一时间内，料球内外煅烧不是均匀一致的。,烧成的熟料遇到冷空气，同时进行熟料的冷却与空气的预热。,82,2.7.1 物料煅烧过程及特点,各带物料发生的主要反应 干燥预热带: 游离水蒸发 挥发分逸出 固定碳的不完全燃烧 化学不完全燃烧热损大，选用无烟煤、焦炭,83,2.7.1 物料煅烧过程及特点,高温煅烧带: 表面燃烧作用（直接反应） 料球内固定碳与CaCO3反应（间接反应） 生成C3S,C2S,C3A,C4AF 保证底火稳定：高温带温度、位置 氧化气氛

29、下煅烧（否则结大块）-快烧,84,2.7.1 物料煅烧过程及特点,冷却带:熟料的冷却 提高冷却速度助燃空气预热温度快速烧成 熟料优质、高产、低耗的关键：快烧快冷 前提：操作正常、热工制度稳定 加料、用风、配煤、卸料配合,85,2.7.2 立窑结构,窑体：竖放筒体 规格：内径有效高度 2.58 内径：决定立窑产量因素之一 有效高度：窑内装填了物料层的高度 形状 直筒型 带喇叭口的筒体：锥角12-17，高度0.5D-0.7D 高径比：高度:内径 = 3-4,保证熟料的充分烧成、冷却,高温带内径,86,2.7.2 立窑结构,窑体： 耐高温、散热少、不漏风，具有一定强度 钢板厚10mm，内衬耐火砖+隔热材料，总厚300-500mm,87,2.7.2 立窑结构,成球与加料装置 卸料装置 密封装置 通风装置：烟囱、鼓风方式,88,机械化立窑水泥生产工艺流程,89,2.8 煅烧系统衬料,2.8.1煅烧系统衬料作用及对衬料的要求 2.8.2窑外分解窑系