炭素煅烧回转窑的优化设计与数学模拟_图文

1、铝用炭素炭素煅烧回转窑的优化设计与数学模拟崔银河,王敏,许开伟(沈阳铝镁设计研究院,辽宁沈阳110001摘要:本文全面分析了目前国内炭素煅烧回转窑存在的主要技术问题,提出了回转窑优化设计的解决方案,并通过数学模拟的方法对新、老式回转窑进行了模拟验证。优化设计的新型回转窑已经通过生产运行实践检验,取得了很好的使用效果,对今后我国炭素煅烧回转窑的设计及改造具有借鉴和指导意义。关键词:回转窑;数学模拟;优化设计中图分类号:TF806.1文献标识码:A文章编号:100221752(20071123024Optimum designing and numerical simulating of rota

2、ry kiln for carbonCU I Y in-he,WAN G Min,XU Kai-wei(S henyang A l um i num&M agnesi um Engi neeri ng&Research Instit ute,S henyang110001,Chi na Abstract:By generally analyzing the main problems on the rotary kiln at present,this article gives the solving plan of its optimum design,and makes

3、the validation both for new type ones and old ones by the way of numerical simulation.The new type rotary kiln has been tested by application and gets a good effect,so it will have a good reference and instruction for the rotary kiln design and its modification in the later.K ey w ords:Rotary kiln;n

4、umerical simulation;optimum design石油焦是电解铝用预焙阳极生产的主要原料,石油焦煅烧是预焙阳极生产的主要工序之一。煅烧质量的好坏,直接影响产品的质量,因此,煅烧设备的选型尤为重要。回转窑是目前世界上采用最多的煅烧设备。其结构简单,生产能力大、机械化、自动化程度高。1煅烧的原理及设备煅烧石油焦的目的是将延迟石油焦进行热处理,使之成为阳极、阴极制品的合格原料。石油焦通过在煅烧窑(炉里的加热,排除其中的挥发分和水分,提高碳质原料的密度、机械强度、导电性能及化学稳定性1。石油焦经过12001350煅烧后,真密度提高30%左右。在我国石油焦煅烧设备主要有罐式炉、回转窑、

5、回转床和电煅炉四种类型。回转窑煅烧石油焦具有产能大,投资少,对原料的适应性较广,产品质量容易控制,易于实现生产过程的自动化控制等优点。世界上约有85%的石油焦都采用回转窑煅烧。目前国内产能较大的阳极生产工厂,均采用回转窑作为石油焦的煅烧设备。2目前国内炭素煅烧回转窑存在的主要技术问题近年来,尽管国内的炭素煅烧回转窑技术取得了长足的进步,但与国外先进技术比较,目前国内正在使用的大多数炭素煅烧回转窑仍有许多不足的地方、甚至是明显的缺陷,主要体现在:(1窑头、窑尾密封不严。由于回转窑煅烧过程是负压操作,从窑头、窑尾缝隙进入少量空气,使煅烧过程中碳烧损和煅烧焦微孔含量增加,从而影响到粘结剂的用量和粉末

6、电阻率。另外也使煅烧焦体积密度降低。(2二、三次风管安装位置不合理、寿命短。二、三次风管安装位置没有与挥发分大量逸出的位置相适应,造成挥发分不能及时充分燃烧,大量的可燃物进入到燃烧室燃烧,浪费了能源,降低了回转窑的热效率。二、三次风管浇注料是回转窑内最薄弱环节,特别是由于二次风风管位于回转窑内温度最高的煅烧带,使用寿命16个月不等2。因修补风嘴而造成的频繁停窑,大大降低了回转窑的运转率。(3窑皮温度过高。窑皮温度高达250 300,造成工人操作环境恶劣,散热损失大,降低了回转窑的热效率。(4设备运转率低、产能较小。国内在运行的回转窑全年运转率一般在270天300天之间,与国外先进水平年运转率3

7、30天以上存在较大差距。与国外先进的同等规格的炭素煅烧回转窑相比,目前国内的回转窑产能仅为其产能的40%60%。(5碳质烧损高、实收率低。国内回转窑的碳质烧损在8%10%之间,实收率约70%(干基,国外先进的回转窑碳质烧损在5%7%之间,实收率收稿日期:2007-05-2775%以上,与之相比我们还有一定差距。(6煅烧焦理化指标较差。主要表现在真密度低,电阻率高,国内真密度2.02g/cm32.05g/cm3,电阻率450m500m;国外先进水平2.05g/ cm32.08g/cm3,电阻率400m450m。真密度低,电阻率高导致的直接后果就是焙烧后的预焙阳极在铝电解过程中易产生掉渣和脱落的现

8、象,最终影响铸造铝锭的性能参数和理化指标。(7自动化水平较低。目前国内回转窑煅烧技术自动控制变量和联锁控制回路普遍较少。回转窑转数,二、三次风风量调节,窑内负压等重要参数都是根据操作者的经验手工调节,人为因素占主导作用,容易造成生产中的误操作,甚至引发事故。由于煅烧系统自动控制水平偏低,造成工人劳动强度高,生产运行费用高等弊端。3回转窑优化设计方案(1采用新型的窑头、窑尾密封技术采用重锤拉紧径向接触式石墨块密封与轴向迷宫式密封相结合的新型密封结构。石墨块与筒体钢板接触具有润滑功能,磨损慢、寿命长,相邻两块石墨块相互重迭,可以保证筒体偏摆量在0.05m以下时不产生缝隙的有效密封。数量可调的重锤通

9、过钢丝绳把一定的压紧力施加在石墨块上,可以保持石墨块与筒体的紧密接触。这种密封结构,能够最大限度的减少窑头及窑尾冷空气的进入量,从而降低石油焦的碳质烧损。(2优化设计回转窑二、三次风管出口方向在回转窑二、三次风管的结构设计上将二次风风管的出口方向与烟气流动方向一致。三次风风管的出口方向与烟气流动方向相反。这种结构形式的设计将对回转窑内挥发分的浓度分布产生强烈的扰动,有利于加快挥发分与空气的混合速度,从而加速挥发分的燃烧。(3优化设计二、三次风管与耐火浇注料的联接形式在二、三次风管的金属管与浇注料之间增加一层绝热层,减少浇注料与金属管之间的热传递,提高二、三次风管的使用寿命。在浇注料用的金属锚钉

10、上增加金属编织网,提高浇注料的强度,避免二、三次风管浇注料受石油焦及热冲击影响早期脱落。通过以上改进可将二、三次风管预期的使用寿命提高到1年以上。(4优化回转窑的内衬设计,减少窑皮散热损失老式2.84m×55m回转窑内衬厚度为0. 27m,分为两层,内层厚0.2m,为高铝浇注料,外层厚0.07m,为轻质浇注料。通过数值计算分析,在总厚度不变的情况下,将其改为三层,从内到外分别为:0.1m钢纤维增强浇注料,0.1m高铝浇注料及0.07m轻质浇注料。这样可使窑皮表面温度降到100以下,窑体表面散热损失将减少50%以上。(5优化回转窑窑尾结构,增强预热能力、减少碳质烧损在距窑尾6m7m处至

11、窑尾一段将回转窑直径增大0.6m,这样可以有效降低窑尾预热带生焦的填充率,增大物料与回转窑内衬的接触面积,有利于生焦中水分和挥发分的快速溢出,对于延长煅烧带的长度,提高煅烧带的温度有利。同时,由于回转窑预热带直径的扩大,降低了回转窑窑尾密封圈处的烟气流速,减少了随烟气进入燃烧室的粉料量,从而使回转窑实收率得以提高。(6强化控制、提高转速、增加产能增加工艺操作的连锁控制回路。即将回转窑加料速度、一次风量、烧嘴燃料加入量、二次风量、三次风量、煅烧带温度、窑内负压、回转窑转速及窑尾出口氧含量等控制变量全部纳入到连锁控制程序中,使整个煅烧工艺操作过程由人工手动调节为主变为自动控制为主,手动调节为辅,避

12、免人工调节偏差较大的弊端。通过热平衡计算发现,老式2.84m×55m回转窑窑内挥发分的燃烧供热能力完全可以满足提高产能15%的需要,在控制好其它变量及保证煅烧焦质量的同时,将回转窑的转动速度由目前的1.8r/min提高到2.4r/min,产能可提高15%以上。4回转窑的数学模拟4.1老式2.84m×55m回转窑的数学模拟本文通过数学模拟的方法对沈阳铝镁设计研究院为国内某公司设计的老式2.84m×55m煅烧回转窑内流场、温度场以及浓度场进行了模拟,模拟结果如下:图1显示的是沈阳铝镁设计研究院为国内某公司设计的回转窑的实际结构及模拟出的z=0平面温度分布云图。由图1我

13、们可以看出,回转窑内的温度分布与理想状况有较大的差距,尽管能够满足正常生产的需要,但对煅烧焦的质量和实收率影响较大。其燃烧带位于二次风供风处和三次风供风处之间,其烟气温度大都在1200以上,从二次风供风处到窑头之间,温度有所降低,但依旧保持较高温度,基本都在950以上。三次风供风处与窑尾之间温度相对较低,大致在800左右,模拟结果与生产实际情况基本一致 。图1 回转窑内温度分布云图图2回转窑内CH 4 浓度分布图图3回转窑CO 浓度分布云图图24显示的是回转窑内的挥发分气体分布云图。从图中可以看出,挥发分中的可燃气体在回转窑内不能够完全燃烧,到达窑尾时,仍有较多的CH 4,CO ,H 2等可燃

14、气体存在,由于窑尾存在较大的负压,这些可燃气体被抽入燃烧室内继续燃烧,从而造成能源的较大浪费。这也说明了回转窑的二、三次风管安装位置没有与挥发分大量逸出的位置相适应,造成挥发分不能在回转窑内及时充分燃烧,降低了回转窑的热效率。数学模拟的结果从理论上也验证了老式回转窑在结构和操作参数上存在着本文中提到的技术缺陷 。图4回转窑内H 2浓度分布云图图5回转窑温度分布云图(优化后4.2优化设计后2.84m ×55m 回转窑的数学模拟图5显示的是优化结构和操作参数后回转窑内z =0平面温度分布云图,从图中可以看出,其温度场已明显优化,与理想状态极为接近。图6-8显示的是回转窑内的挥发分气体分布

15、云图,从图中可以看出回转窑内挥发分中的可燃气体在窑尾的残余量明显降低,挥发分中的可燃性气体在回转窑内得到了充分燃烧,这对于提高回转窑的热效率,改善石油焦的煅烧质量及实收率极为有利。数学模拟结果表明优化结构和操作参数后回转窑在理论上取得了预期的效果。 图6回转窑内CH 4浓度分布云图(优化后 图7回转窑内CO 浓度分布云图(优化后 图8回转窑内H 2浓度分布云图(优化后5生产运行实践2005年沈阳铝镁设计研究院根据数学模拟及优化设计的研究结果为国内某石化企业设计了2台新型的2.84m ×55m 回转窑,该回转窑于2006年2月投料试车,2006年4月达产达标,截止到2007年4月2台回

16、转窑生产运行平稳,产品质量稳定,产品已成功出口到俄罗斯、澳大利亚、日本等多个国家,受到了广大用户的好评。表1为新、老型回转窑的运行指标对比情况。从表1可以看出,新型回转窑的各项指标均优于老式回转窑,从而证明了回转窑方案优化及数学模拟的正确性。表1新、老型回转窑指标对比项目老式2.84m ×55m 回转窑新型2.84m ×55m 回转窑回转窑产能,t/h811煅烧焦真密度,g/cm 32.032.06煅烧焦电阻率,m500400碳质烧损,%8107天然气单耗,Nm 3少量正常生产时无须外加燃料年运转天数,d 270300窑皮温度,>200150二、三次风管寿命,月36>126结语通过对炭素煅烧回转窑的优化设计、数学模拟以及生产运行实践的检验,有如下主要结论:(1沈阳铝镁设计研究院新开发研制的改进型2.84m ×55m 炭素煅烧回转窑已成功应用于生产实践,解决了目前我国在生产运行的绝大多