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炭素回转窑的工艺设计与计算 崔东生 摘要 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 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 中图分类号 TQ127 1 1 文献标识码 文献标识码 A 文章编号 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 1 设计参数设计参数 1 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 针焦堆积密度 0 8g cm3 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 2 设计条件设计条件 2 12 1 物料在窑内的移动速度物料在窑内的移动速度 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 窑倾斜角 物料安息 角 2 22 2 物料在窑内的停留时间物料在窑内的停留时间 式中 t 停留时间 min L 窑长 m vm D n 见式 2 32 3 填充率填充率 平均填充率 3 式中 G 为窑产量 为物料堆积密度 kg m3 C 为 1 1 1 45 水分 10 可取 1 3 2 42 4 窑的产能公式窑的产能公式 4 3 3 回转窑的长度和内径的计算回转窑的长度和内径的计算 2 3 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 D2 窑的产能 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 4 回转窑的煤气量与空气量回转窑的煤气量与空气量 4 14 1 回转窑的热效率与热耗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 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 24 2 燃气量与空气量燃气量与空气量 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 19 时 燃气量 Vm 420m3 t 19 时 燃气量 Vm 252m3 t 16 时 燃气量 Vm 593m3 t 16 时 燃气量 Vm 368m3 t 4 2 2 空气量 当 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 5 回转窑物料平衡与热平衡回转窑物料平衡与热平衡 5 15 1 物料平衡与热平衡物料平衡与热平衡 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 产生气体 项目CO2H2O O2N2 湿气体 干气体 焦炉煤气 342832 773 2967 2907 41413309 挥发分182854 780 3029 2934 40653211 烧损537 537202025572557 水分 511 511 小计1061 2197 2090 8016112749077 过剩空气 1430537868086808 总计1061 2197 143013394 1808215885 总烟气含氧气量为 9 则过剩空气 9077 A 0 09 0 21A A 6808m3 h 表 2 排烟组成表 m3 h 项目 CO2H2OO2N2 湿5 87 12 15 7 91 74 07 干6 689 084 32 表 3 热平衡计算表 kJ h 收入支出 项目 热量 103kJ 质量分数 项目 热量 103kJ 质量分数 原料显热1050 25焦炭带走热 678316 27 空气显热4351 04水分蒸发热 9292 23 煤气燃烧热1376133 03回转窑散热 854120 49 挥发分燃烧热 1641039 38排气显热2543961 01 烧损热1096126 29 小计41692100小计41692100 5 2 热收支热收支 5 2 1 入热 燃气燃烧热 18200 756 13761 103kJ h 挥发分燃烧热 39924 411 16410 103kJ h 烧损 38074 4110 0 07 10954 103kJ h 送入空气显热 取 20 CP 1 3kJ m3 9959 6806 20 1 3 436 103kJ h 原料显热 按 20 CP 1 256kJ kg 1 256 20 4110 105 103kJ h 5 2 2 出热 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 水分蒸发热 539 411 927 103kJ h 烟气带走的热量 CP 1 482kJ m3 t 950 烟气热容 im 1407kJ m3 1407 18082 25437 103kJ h 窑皮散热 8541kJ h 6 6 传热计算步骤传热计算步骤 以被煅烧物料的状态为基准 按图 1 分成 5 个带 收缩带 焦炭由 1370 1100 进行冷却 煅烧带 大部分挥发分燃烧 加热带 部分挥发分燃烧 干燥带 水分蒸发 预热带 把原料预热到 100 图 1 煅烧物料传热示意图 计算时先由 至 按顺序进行 分别假定各带的窑长 Li 及焦炭的入口 出口温度 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 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 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 求出被煅烧物料平均温度后确定辐射 对流传热量 qGc q Gc 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 U 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 CG为 15 式中 0 85 受热面的黑度 故辐射传热量 qGC AC CG 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 温度函数 见表 4 表 4 温度函数表 t 200 400 600 8001000 0 12 0 10 0 09 0 085 0 08 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 对各带进行以上的计算 便可得出窑长 各段 及温度分布 7 7 传热计算传热计算 7 17 1 受热面和辐射面计算 见图受热面和辐射面计算 见图 2 2 图 2 受热面与辐射面的示意图 焦炭的断面积 R2 360 1 2R2sin 回转窑的断面积 R2 填充率 8 则 0 08 R2 R2 360 1 2R2sin 得 86 因此 AC 2sin 86 2 0 9 1 23 AR 2 360 360 86 4 78 7 27 2 热损失热损失 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 hc 自然对流传热系数 kJ m2 h 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 8 回转窑物料平衡和热平衡计算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 18 1 收缩带收缩带 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 CO2 342 H2O 832 煤气燃烧用空气 3688 125 4610 N2 3642 O2 968 N2 3642 O2 195 焦炭烧损 在 1000m3 h 的空气内有 50 用于燃烧 1000 50 0 21 12 22 4 56 25kg h CO2 105 从窑头来的空气 1000 N2 790 O2 210 N2 790 O2 105 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 排烟带走的热量 103kJ h CO2 0 342 0 105 2 294t 1 025t 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 28 2 煅烧带煅烧带 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 内 约占全部挥发分的 50 在加热带 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 A B 和 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 干燥带 加热带 煅烧带 收缩带 B A E D C B A 窑长 m10443333312 假定温度 20030050080010001200127013701370 表 7 物料平衡表 m3 h 收入量支出量 从收缩带 排出的烟气 CO2 447 H2O 832 N2 4252 O2 300 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 CO2 27 H2O 128 N2 454 O2 183 喷入空气量为 2000 N2 1580 O2 420 N2 1580 O2 603 烧损 按 40kg 计算 CO2 75 O2 528 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 支出 Qout 103kJ 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 2