回转窑焙烧的热分析

回转窑焙烧的热分析

1支撑剂焙烧技术的应用烹饪是原油提取工艺中最重要的工艺之一，也是最困难的工艺之一。这对圆形、破裂率和成品率这三个指标最为直接。产品的成品率通常为70.90%，20%的波动范围为30.10%。在40%或10%的条件下，燃烧后的硬块度和体积是较大的。如果返回做原料细粉,再加工利用的加工成本一般在300元/t,对年产3万t加工产品的厂家,有300元×20%×3万t(即180万元)的利润波动幅度。通过对焙烧进行有效研究,不仅使产品的圆度和破碎率指标稳定,成品的合格率也可上升10~15%。对年产在3万吨左右的厂家,如果焙烧率能控制提高10~15%,一吨利润一般为500元,产生的直接效益在(3万×10%×500元)150万元。如果焙烧技术成熟,对一个年产达3万吨支撑剂的加工品公司,一年至少可创利180+100=280万元。如此巨大的利润空间,其经济效益和社会效益可想而知。因此,攀钢冶材公司将支撑剂焙烧技术做为该公司工艺研究的重点,从公司两年的实际生产和工艺研究来看,不仅收到了理想的效果,同时,焙烧技术的研究也取得了一定的突破。本文主要从热力学、动力学和工艺性等三个方面进行焙烧的研究分析。2焙烧温度对莫来石、刚玉相的影响粒径在0.45~1.2mm左右的支撑剂小球,焙烧过程通常包括干燥、预热、焙烧、均热、冷却五个阶段,小颗粒在受热的条件下不仅产生如水分蒸发、矿物软化和冷却等物理过程,也伴随着矿物新相产生、水合分子的分离、分子团聚等化学过程,其温度变化如图1。现有的焙烧设备主要用小内径(1.0~1.4m长约30~40m)的小回转窑生产,因为支撑剂球径小,要求焙烧均匀性高;大径回转窑的径向温度分布差异大,热散失明显,而增加下料量(即小时产量)会因时间短,均热不好影响产品质量的稳定等不利因素,所以一般不采用大径回转窑。物料随着回转窑的转动在回转窑内侧的靠底层滚动,依靠窑体的倾角产生重力的径向分力使物料在窑内呈螺旋型前进。煤气与氧气(或压缩空气)通过烧嘴混合燃烧,在回转窑窑头抽风除尘的抽力作用下在窑内形成长10m左右的火焰,使热空气呈波状向前流动。因为火焰的最高温度在火焰最外层,所以窑内最高温度区为10~15m之间,窑内高温区的长度随物料的热交换的强度有明显变化。热空气做为加热介质,其温度、流量及还原气氛的高低,直接对热交换程度和物料的升温速度控制有密切的联系,焙烧温度的高低直接导致物料形成不同的矿物相,影响产品的耐压强度。达到一定温度后,各组成微粒间发生一系列的固相反应,其过程大致为:低熔点物质率先软化起助烧剂的作用,粒径小的微粒和率先受高温作用的微粒也同时软化,与周围微粒中其它组分结合形成二元和三元化合物,组份之间发生结晶和再结晶,形成新的熔融物;晶体在小球内由外向内径向生长,形成网状结构,微粒间孔隙率减小,小球密度增加,致密化,晶体结构呈网状的分布的小球的耐压强度提高。要达到69MPa的耐压强度,对支撑剂的初始密实度和新形成的矿物相提出了一定的要求,现有支撑剂焙烧一般以促进莫来石相(3Al2O3·2SiO2)和刚玉相(Al2O3)的形成为主要控制目标,也有厂家充分利用TiO2中Ti的多晶键的作用开发新型支撑剂,来提高其耐压强度。为了使小球在焙烧过程中形成更多的莫来石和刚玉相的矿物成分,成球粉料的粒径﹑成球初始密度和半成品细粉量﹑焙烧温度高低﹑焙烧温度的稳定性控制及下料量、焙烧区的长短及冷却速度等都有严格要求,在焙烧过程中主要对焙烧温度高低﹑焙烧温度控制、下料量、冷却速度与焙烧区的长短五个可控性因素实施严格的控制。因小球间彼此磨擦和内部水份的干燥,在运输和运动过程中发生表层脱落,小球在到达高温区前不免产生一定量的细粉。细粉主要由-325目的粉末组成,因粒径相当细小,比表面能大,其软化温度比小球需要的最佳焙烧温度低40~50℃。特矾细粉为主要原料生产的支撑剂小球(Al2O3为70~90%),焙烧温度一般大于1380℃,而-325目特矾细粉一般在1340~1370℃就软化,细粉中的MnO﹑FeS、Na2O等低熔点成分的存在使软化温度更低,软化的细粉达到1450℃高温时,几乎成熔融状态,粘结性迅速增加,甚至连小球表面也开始部分软化,与其它熔融状态的细粉相互粘结成团,并随着物料的前进进一步长大,成为层状块料和球状块料。给焙烧到1380℃甚到更高温度造成一定难度,有时甚至以牺牲20%左右的成品率使焙烧温度升高到最佳焙烧区,以确保成品质量的稳定。为解决此问题,我们不妨对焙烧的全过程进行分析和控制,做到成品率与焙烧温度两者之间的一致。3支撑剂燃烧的影响因素控制3.1活性物质的培烧细粉量由两部分组成,初始细粉量和二次细粉量、初始细粉为经充分干燥后的半成品在成球、干燥、筛分和运输到达下料前所产生的细粉量,由筛分不充分﹑干燥爆裂﹑运输挤压、摩擦中产生的细粉所形成,这占半成品焙烧前总粉量的85%~90%,其中约50%在窑头受热软化块结成片状的粉料块,进入成品在筛分中去除。如果后期温度过高,小球表面直接熔合形成球团核,增加了大块料的形成机率。粘结焙烧成厚的窑皮使回转窑的内径减小,无法正常生产,缩短了连续焙烧的生产时间;因窑皮太厚、窑头内径太小,增加了焙烧温度控制难度,尤其是焙烧区域温度控制难度增加。另外30%的初始细粉量会直接成为物料块状和大团块的粘结剂。降低初始细料量成为焙烧控制的首要环节。一般在物料下料进入窑头前采用筛分加抽风的方式,将半成品内的粉料直接过筛,可筛除初始细料的90%。筛下的细粉因未经过烧结,可直接沉积回收做为原料返回再利用,免除了经烧结成块后再破碎再加工所增加的成本,也大大降低块料和团料的形成机率,成品率可提高5~10%,因细料造成的废品降低近50%。残余的细粉与物料进入窑内后产生的二次粉量,对支撑剂焙烧仍造成一定影响。二次粉量主要在物料下落碰撞和物料在回转窑内螺旋曲线前进碰撞、摩擦所产生;同时,预热迅速升温,小球内部残留的部分结合水受热汽化需要迅速扩散到表面,而表面已干燥,毛细管收缩,无法迅速排除,汽化的水份直接在小球内部产生膨胀,造成表层层状脱落产生粉量,只有温度升到1300℃的焙烧温度区内,表层的低熔点成分和最小微粒才开始软化发生小球固结,热膨胀逐渐停止,二次粉量不再产生。要消除这部分粉量对成品高温烧成的破坏作用,就必须从温度加以控制。1300~1360℃之间大约有60℃的温度区域内,二次粉量已基本不再形成,残留的初始粉量和二次粉量,在此温度区内逐步软化,并贴近回转窑内壁于物料底层运动,当物料随窑运动到最高点,小球已经大部分脱落,底层的粉料显露出来,在高温空气作用下迅速软化。因细粉的表面能大,吸附力强,软化后迅速粘结并收缩,被物料挤压成层状结构的粉料层,在强的吸附力作用下牢牢地吸附在窑的内壁,通过拱桥作用形成完整的粉料圈。粉料层随同窑旋转上升,温度逐渐上升,软化程度逐步增加,粘结收缩度更明显。而支撑剂小球的比表面能降低,在均匀的热传递和物料滚动的相互掩盖下,使小球表层不至于及时软化,完成粉量与小球的成功分离,消除了支撑剂在高温焙烧时受粉料的熔融粘结的不利影响。要做到这一些就必须具备以下条件:(1)焙烧区长度较大。1300~1360℃的60℃温度变化区有足够的长度和时间使粉料充分板结结合成粉料块;如果升温过快,粉料在该温度区域停滞的时间不够充分,粉料来不及板结成块,粉料将直接成为后序高温焙烧的直接粘结剂,其焙烧温度也不能升得很高。否则成品率也将直接受影响。因未达到最佳焙烧温度,产品的耐压强度受损,导致产品质量降低。(2)窑内1300~1360℃温度区烧结的粘结层不能太厚。如果粘结层太厚造成窑头口径收缩,热气流在此将忽然收缩,热空气在此产生回流发生二次燃烧,使温度梯度增大,温度区域缩短,细粉无足够的时间来软化粘结结块,而直接进入高温焙烧区。(3)抽风强度不宜偏小,窑速不能过快。抽风强度偏小,窑内负压减小,燃烧火焰长度缩短,燃烧不充分,同时温度梯度过大,温度1300~1360℃温度区域缩短,不利于细料成块与支撑剂小球分离。窑速过快,在有限长度内无足够时间使粉料与小球充分分离。(4)小球的低熔点物质不宜高于5%。通过实际表明,当支撑剂表层组成中的低熔点物质超过5%,在高温火焰直接加热作用下,相互紧靠的两球表层软化低熔点物质相互作用,足够使两球彼此粘结,表面明显有玻璃相产生,连球比例增加,从而大大增加产品的废品率。其中MnO增加所产生的不利因素尤为明显。以上四点成为当前制约焙烧温度上限的主要因素,也是焙烧控制的难点,燃烧参数之间的相互协调和初始粉量的尽量去除成为控制的重点。利用一定强度的抽风和定期采取措施消除粉料层的窑皮来控制窑皮厚度,结合窑速的调节,应尽量延长粉料软化区长度和1300~1360℃温度区运动的长度及物料在该温度区的停留时间。3.2加热速度对al2o3活性小鼠尾白的影响升温速度与温度梯度由物料与热介质间的温差来决定。与粉料部分分离的支撑剂小球,经过均热后其温度一般也达到1360℃以上,升温速度过快,支撑剂所用原料的导热性不良,温度梯度增大,当小球和表面物料升温到一定的限度,表层物料直接熔化,与周围软化的小球直接结合粘结成团,小球内部的莫来石相和刚玉相来不及充分形成,对下层物料更来不及均热而形成新矿相,就已经粘结成团,小球的耐压强度达不到要求,直接成为废品。实验表明,当升温速度越过35℃/min时,每分钟升温速度每增加5℃,其粘结成团机率上升10%。对Al2O3含量75%的支撑剂的焙烧来看,最适宜的加热速度临界值为30~35℃/min,小球内温度梯度增大,受热冲击和断裂应力作用而产生微裂纹,不利于晶体的径向生长。产生断晶和微小裂缝,即使延长其在高焙烧温度内的保温时间20min也无法将其消除。以69MPa压力检测的破碎率来看,当加热速度超过40℃/min,其升温速度每提高5℃/min,其破碎率上升近1.5~20%,最高耐压下降近5MPa。所以控制升温速度,减小温度梯度,成为焙烧技术的控制关键。3.3最佳上料量对焙烧的影响下料量是单位小时产量的决定性因素,是料层厚度和物料在有效高温焙烧区的翻转次数调整的条件,是物料焙烧均匀性的决定性因素。过低的下料量使生产效率降低,温度控制难度增加,热能利用率降低,产品的制造费用和人工费用明显增加,产品的经济效益下降。过高的下料量使物料翻转,受热空气直接加热次数少,过厚的料层和过低的热传导性使表层与内层物料之间温差大,焙烧均匀性大大降低,实际生产表明,内径1.25m的回转窑生产支撑剂时,当小时产量超过5t/h,出现“夹生饭”的焙烧不均匀性尤为明显,产品质量也无法保证。如果适当减缓窑速,其不均匀性更加突出。最佳小时产量与回转窑内径的关系如表1。下料量与成品强度的均匀性到底有多大的影响,成为控制焙烧下料量的另一佐证,通过生产实验的试样分析表明;回转窑生产超过上述表格内的最佳产量上限,耐压强度比以最佳下料量时产品平均强度低的不合格强度的小球百分比量迅速增加。窑长为30m﹑内径为1.25m的回转生产实际的来看,下料量与该百分比的关系大致如下表2:因为物料太多,料层太厚,翻转次数减少,受高温加热机率降低,物料导热性较差,过厚的料层导致物料均热不不充分,使部分无料无法得到有效焙烧。因此严格控制下料量也是焙烧的值得注意的问题。3.4不同冷却速度对产品破碎率的影响物料达到窑尾下料温度一般在1100~1200℃,炽热的物料要冷却才能进行运输,筛分和包装,因为支撑剂粒径仅为0.45~1.20mm,经过长约10~15m的外水冷却的冷却筒,就可以使物料降低到100~150℃,一般采用鼓风和延长水冷长度来强化冷却过程,研究证明冷却速度与小球直径D-1.4成正比,所以直径愈小冷却愈快,冷却速度是决定支撑剂强度的重要因素,快速冷却会增加小球的温度应力,降低耐压强度。冷却对比试验表明:从回转窑窑尾出来的约1200℃的高温物,以40~50℃/min的自然风冷﹑70~90℃/min强鼓风冷却﹑以及400~500℃/min水冷却﹑150~200℃/min的风冷加冷却筒壁冷却四种方式将其冷却到200℃,其结果是:冷却速度为80~90℃/min强鼓风冷却方式冷却的物料,小球的耐压强度最高;当冷却速度超过此冷却速度,耐压强度降低,是强冷却产生的温差超过晶粒间的应力界限,导致焙烧形成的粘结键部分破坏所致;冷却速度过低,冷却的条件不准许,细化低熔点物相的晶粒的增强作用下降。过高﹑过低的冷却强度产生的不良效果直接导致产品破碎率上升。同一产品在不同冷却速