建筑材料热工设备水泥窑第节回转窑结构及其工作

1、建筑材料热工设备过程裝备与控制工程糸严险第一章水泥回转窑横密的结构海螺水泥厂fi C4-4C-C图冋转窑组成示您图1 一轮帯谆一简样;3大齿圈沁一托轮注T号动机构M抒轮一基础密筒体轴向位移2-72轮带与挡轮卜带忙修止后的堆准线（封闭线）=3=n修止前的站准线（不封闭线）rs=n1=1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O图1改进前密封装置2改进后密封装置示意77 7托轮綁I4腓轮曲黑轮蒂蒜瞬詡r r r r/i密封装搠绑装翟柔性密封装遍I耐驕调築套| iH播支果灰斗亚s物料回转窑内锻烧的过程是生料从窑的冷端 喂入，由于窑有一定的倾斜度，

2、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懒 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

3、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。高端AS转窑内物料充填与运动简80填充角；P窑倾斜角； 料休止角因此，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

4、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：物料在窑内运动的速度，m/s；L窑的长度，m；m 物料在窑内停留的时间：n一窑的转速，rpm；物料的休止角，度；0 窑的倾斜度（角），Tg0esin0 ,称为斜度;Di一窑的衬砖内径，mo关于公式的讨论 物料运动速度v,与窑的倾斜角窑的衬砖内径Di 和转速n成正比，与物料休止角0的平方根成反比。 当窑径一定时， 与n。的积成正比。若使物料的运动 速度保持一定，贝怙与0 成反比，即窑的倾斜角愈大， 窑的速度应愈低。 实际生产中，Di、P已为定值，则儿”与n成正比,即改变窑速，窑内物料的运动速度随之变化。 如窑内有结圈或人工砌筑的挡料

5、圈时，物料的运动速度 要降低。 窑内的热交换装置（如链条、热交换器）也会影响物料的 运动速度。(2)物料在窑内各带的运动速度锻烧过程中，窑内各带发生的物理化学变化对物料颗粒的 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。为了了解窑内各带物料的运动速度，可将放射性同位素掺 入生料中进行测定，如某厂曾在150米的湿法长窑上，通过实 际测定和计算而得的物料运动的平均速度 f 为：S冷却带一烧成带一热反应一分解带一预热带一干燥带链条带1速度 % (m/h418.48.24+P 帀41.0O&4EECC&2rp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

6、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

7、；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，若因锻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。回转窑内气体的流动1、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

8、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吋，根据窑尾负压可以判断窑的工作情 况。2、窑内气流速度的人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，

9、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254次方成正比。在回转窑的烧成带，物料进行的主要物理化学反应是C2S 吸收f-CaO生成C?S ,这是微吸热反应。为了使生成 GS 的反应完全，必须使物料在14001450C的高温卜停留一定的时间。（关于燃料的燃烧过程已在硅酸盐工业热工基础中燃烧学 部分讨论，要课程不再重复）1、燃料在回转窑内燃烧应满足的要求171为了使生成GS的反应完全，使生料烧成熟料并获得 较高的产量，燃料在转窑内的燃烧必须满

10、足一定的要求：燃料燃烧的火焰温度要达到16001800C；（保持咼温）火焰要有适当的长度；（保持物料高温时间） 处于适当的位置。（适合CQ 的形成的反应）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贾低热值:X挥发份:X灰分：X水分：Q和w 0 20600kJ / kgV8 二 18 30%Ag V2530%Wy VI2%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

11、是一项目前在水泥行业的新 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6001000C,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1.05110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

12、。火焰中部区域温度高，达16001800C,此时熟料被加 热到13001450C,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，是窑内锻烧制度正常 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

13、有很大的变化。火焰长度对烧成工艺影响很大，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、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

14、速度的关键。气体流速：主要指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。煤粉从喷管喷岀后，须经过干燥预热至700800C才着 火燃烧，回转窑中所看到的黑火头就是煤粉从喷出后至着火

15、 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。5、煤粉燃烧器(喷嘴)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状直管型如图所示为 常用的几种

16、传统喷嘴。拔哨型拔哨型：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。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 内锻烧情况前后移动，以改变喷嘴在窑体中位置。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一喷嘴直径，mm；V 一一次风用量，m- Isv喷嘴内风速，m/so在常规情况下，一次空气量约占总空气用量1520%。式中:匕一燃烧lkg煤所需实际空气量，N加3 /kg0 单位熟料煤耗，kg煤/kg熟料；G每小时熟料产量kg/h；P次空气占总空

17、气用量的百分率。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

18、足窑内锻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20-30m/so由于粉粒体的存 在强化了射流中的湍流强度，因而改善了煤粉与一、二次 风的微观混合。内外净风岀口风速可高达75150m/s。煤风浓度允 许有较大波动（经验为3580kg煤粉/曲空气）。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 O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

19、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。图L4大路HC四通道燃烧器图12扬州新建燃烧器另外还有多种 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 键是用好三通道或多通 道喷煤管。排灰口图4旋流式喷嘴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一窑的小时产量，kg/h；q熟料烧成热耗，kj/kg

20、熟料;B一窑小时用煤量，kg/h；。為一煤的应用基低热值，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、单位容积所发岀的热量。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. 5X106 kj/m3h左右，个别的也有高达2. 1X106 kj/m3ho容积热力强度的计算公式为:式中:Qv 窑内物料的填充系数，一般为006015； 0 窑内物料的填充系数，一般为0. 060. 15； Df 一燃烧带的

21、直径，m；Lf 燃烧带的长度，mo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，Lf=4.9Df带单筒冷却机，Lf=4.26立波尔窑：Lf=3.2Df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Ls 可按下式计算：L =（0.600.65） Lf（3）燃烧带的表面积热力强度（也称表面积热负荷）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/m2ho 随着窑径增大，、Qa的数值增高。/ r rt

22、 -h-h r 11 rfiA Z A- -Fh CS）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；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

23、 带相应点处气体、物料与窑衬的温度，从而绘岀沿窑长温度 分布曲线，作为评价分析窑内锻烧工艺和热工制度的依据。（3）在设计时根据生料锻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。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：/要对高温下气一固、固一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；虽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

24、探讨。亠 占人 上 AE /kN仅从热力学和传热学的观点岀发讨论。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。是典型的气一固传热，传给生料的热量供锻烧过程中 干燥、预热、分解和锻烧，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CO?和日2。 (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，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，窑内气一固与固一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

25、。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。LwQgwc（对流）Qshr（辐射）高温气Qswr、Qwsr体TgTw cQgscQgsrLwsTssTs（2）传热机制经简化后，取回转窑内某一断面Ini长的范围内，综合传 热机制关系如下图所示：图2-82a窑内传热机制分析一传热流流图图2-82b 窑内传热机制分析一传热框图由于窑的回转运动，因此窑内衬板上某一点氏 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）

26、，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口在窑回转过程中，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lm长度的窑体作为计算标准。(W/m) (1)式中：21-2由物体1传给物理2的总热量，(W/m)；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/m? C)；

27、T-T2 一两物体间的温度差，Co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Q巡QgSF 气体(g)以辐射方式（c）传给物料表面（s）的热量，W；以辐射方式（r）传给物料表面（s）的热量，W；QgSFl气体（g）物料表面以辐射方式（r）传给窑内衬，再折射（rt）给 （s）的热量，W。根据各自传热方式计算如下:式屮：对流换热系数:(W/m2 C ) (3)G气体的质量流量，kJ/ m2 h；cpg 一气体定压比热，kj/kg C；一气体粘度，kg/m H；兄g 气体的导热系数，W/m C；Ls 一在lm窑长内，气体与物料的接触面积，m2。一般 hpg 为1 1 (W/m2 - C)左右。(W/m)(4)式中：辐射系数：(W/m2 C ) (5)&g 气体黑度；8S