炭素回转窑的工艺设计与计算

1、.炭素回转窑的工艺设计与计算崔东生摘要：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：回转窑;煅烧;煤气量;空气量;物料平衡;热平衡中图分类号：TQ127.11文献标识码：A文章编号：1001-3741(2000)01-0034-06THE PROCESS DESIGN AND CALCULATION FOR ROTARY KILNCUI Dong-sheng (Shenyang Aluminium Magnesium Engineering Research,Shenyang 110001 ,Ch

2、ina) 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 des

3、ign 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设计参数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：14001500（平均1450）；烧损质量分数：7；物料在窑内煅烧时间：2h；燃气热值：18192k

4、J/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：79（取8）;

5、煅烧实收率：73;煅前针状焦：4110kg/h;煅烧焦最高温度：1400。2设计条件2.1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，（）。2.2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2.3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1.11.45（水分10，可取1.3）。2.4窑的产能公式（4）3回转窑的长度和内径的计算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6070min，针状焦煅烧时间为100120min。根据公式（1）（4

6、）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=1200.445=53.4m，取窑长50m，窑内径1.8m。4回转窑的煤气量与空气量4.1回转窑的热效率与热耗根据YS/T131194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11.0106kJ/t;二级为12.0106kJ/t;三级为13.4106kJ/t。回转窑热效率公式：(9)式中：mcbj针状焦在

7、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

8、燃烧热挥发分燃烧热焦炭烧损热空气显热）1004.2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2523=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(368825573714)=9959m3/h。5回转窑物料平衡与热平衡5.1 物料平衡与热平衡回转窑物料

9、平衡与热平衡如表13。表1回转窑物料平衡表m3/h项目CO2H2OO2N2产生气体湿气体干气体焦炉煤气3428327732967290741413309挥发分1828547803029293440653211烧损537537202025572557水分511511小计1061219720908016112749077过剩空气1430537868086808总计106121971430133941808215885总烟气含氧气量为9，则过剩空气：（9077A）(0.09)=0.21AA=6808m3/h表2排烟组成表m3/h项目CO2H2OO2N2湿5.8712.157.9174.07干6.68

10、9.084.32表3热平衡计算表kJ/h项目收入项目支出热量/103kJ质量分数/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416921005.2热收支5.2.1入热燃气燃烧热18200756=13761103kJ/h挥发分燃烧热39924411=16410103kJ/h烧损3807441100.07=10954103kJ/h送入空气显热（取20CP

11、=1.3kJ/（m3）(99596806)201.3=436103kJ/h原料显热（按20CP=1.256kJ/（kg）1.256204110=105103kJ/h5.2.2出热煅烧焦带走的热量（回转窑出口焦子温度1200CP=1.884kJ/（kg.）1.88412003000=6783103kJ/h水分蒸发热539411=927103kJ/h烟气带走的热量（CP=1.482kJ/（m3.），t=950烟气热容im=1407kJ/m3）140718082=25437103kJ/h窑皮散热8541kJ/h 6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13701100

12、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(i1)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

13、定辐射、对流传热量qGcqGc，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：UcCO2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）;UCO2与H2O的热辐射共存修正项0.022;PCCO2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=ARAC=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=ACCG(EGEC)（16）EG=4.88(TG/100)

14、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/20040060080010000.120.100.090.0850.08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Li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Li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传热计算7.1受热面和辐射面计算（见图2）图2受热面与辐射

15、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：0.08R2=R2(/360)1/2R2sin得：=86因此：AC=2sin(86/2)0.9=1.23AR=(2/360)(36086)=4.787.2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=20931424WW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

16、壁温度为150时：8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。8.1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756CHCO2342H2O832煤气燃烧用空气3688125=4610N2 3642O2 968N23642O2195焦炭烧损在1000m3/h的空气内有50用于燃烧1000500.2112/22.4=56.25kg/hCO2105从窑头来的空气1000N2 790O2 210N2790O2105b.热平衡收入：Qi

17、n103kJ/h焦炉煤气：18200756=13760焦炭烧损：3807456.25=2142空气：13205610=147焦炭：18843000(14001200)=1130小计：17179支出：Qout103kJ/h热损失13512=1620排烟带走的热量103kJ/hCO2：(0.3420.105)2.294t=1.025tH2O：0.8321.788t=1.487tN2：(3.4620.790)1.424t=6.053tO2：(0.1950.105)1.495t=0.448t水分带走的热量：83222.418(3352257)=1733小计：9014t3353因为Qin=Qout，则t

18、=1534即收缩带往煅烧带排的烟气温度推定为1534。8.2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BAEDCBA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

19、缩带排出的烟气CO2447H2O832N24252O2300CO2447H2O832N24252O2300挥发分的发生量占总量的15CO227H2O128N2454O2117CO227H2O128N2454O2183喷入空气量为2000N21580O2420N21580O2603烧损：按40kg计算CO275O2528b.热平衡收入：Qin103kJ/h从收缩带排出的热量：171791620=15559挥发分发热量：3992441115=2461空气显热：2000130220=52烧损热：3807440=1523小计：19595支出：Qout103kJ/h烟气带走的热量：CO2:(044700270075)2294t=1259tH2O：(08320128)1788t=1716tN2：(42521580)1424t=8302tO2：05281406t=0742t水分带走的热量：96022.418(3352257)=2001焦炭显热：30001.884(14001320)=452热损失：1353=405小计：286012.019t根据热平衡Qin=Qout，求得烟气温度。理论最高温度为200112.019tt=1459最低温度286012.019tt=1388烟气平均温度：(14591388)2=1424