炭素回转窑内物料停留时间的确定

炭素回转窑内物料停留时间的确定
陈文仲;王春华
【摘要】在前人建立的等径回转窑内物料料层轴向厚度变化公式基础上,推导出了适合于窑尾扩径和内衬增设翻料装置的变径窑内物料层厚度的计算式;同时利用上述两种窑内料层厚度计算式进一步求出了两种窑内物料停留时间的计算式,计算式中综合考虑了窑内径、窑长、窑头挡料圈高度、窑倾角、窑转速、物料体积流率、物料安息角、物料颗粒粒径等多种因素;为了验证计算公式的正确性,建立了实验装置,进行了冷态实验测试.结果表明,公式计算值与实验测试值比较吻合,误差较小,并且计算中不需要引入修正系数.
【期刊名称】《东北大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2010(031)009
【总页数】5页(P1313-1317)
【关键词】炭素回转窑;等径窑;窑尾扩径;翻料装置;物料停留时间
【作者】陈文仲;王春华
【作者单位】东北大学,材料与冶金学院,辽宁,沈阳,110004;辽宁石油化工大学石油天然气工程学院,辽宁,抚顺,113001
【正文语种】中文
【中图分类】TF062
炭素回转窑是对炭素材料(主要是石油焦)进行煅烧的回转圆筒设备。

物料在窑内的
停留时间是影响物料运动状态的重要因素之一,它直接影响着物料的煅烧质量和回
转窑产量。

另外,物料停留时间对回转窑的设计也起着决定作用,在炭素企业初始配
备回转窑时,物料停留时间是计算回转窑筒体尺寸和全企业所需回转窑条数的重要
依据[1]。

众多研究者对影响物料停留时间的因素譬如①筒体尺寸：直径和长度;②操作参数：进料速度、窑转速、窑倾角;③物料性质：物料安息角;④是否安装挡料圈等进行了
研究,并得出了物料停留时间与各影响因素之间具体的关系式[2-5]。

但其物料停留
时间的计算式均是通过实验得出的经验公式,且在使用过程中均需引入修正系数以
使计算值与实验测试值相吻合,这样不能被推广使用到其他实验窑或生产窑上。

本
文在前人建立的等径回转窑内料层厚度数学模型基础上推导出变径窑内料层厚度计算式、等径窑和变径窑内物料停留时间的计算式,并通过冷态实验测试进行了验证。

1 等径回转窑内料层厚度数学模型
Saeman[6]和 K ramers等[7]根据固体颗粒在窑内流动历程的几何特点导出了等
径回转窑内料层厚度沿轴向 x变化的计算式：
式中：h为某一横截面料层厚度,m;n为窑转速,r/min;Q为物料体积流量,m3/s;R
为窑内半径,m;α为窑体倾角,(°);θ为物料安息角,(°)。

Spuring等[8]给出求解式(1)的边界条件(坐标轴 x方向指沿窑体轴向由窑头指向窑尾,x=0为窑头)：
1)窑头未安装挡料圈时：h(x=0)=d;
2)窑头安装挡料圈时：h(x=0)=d+h dam,dis。

由式(1)可知,料层厚度的变化与窑内径、窑长、窑头挡料圈高度、窑倾角、窑转速、物料体积流率、物料安息角、物料颗粒粒径等有关。

该公式已被多人用不同的方法推导过,它的有效性也被多次证明,并且实验数据与模型计算十分吻合。

比如Labas
等[9]运用回转窑冷态实验证明了该模型计算出的料层厚度与实验数据十分吻合。

2 回转窑内物料停留时间的确定
2.1 等径回转窑内物料停留时间的确定
物料轴向平均速度¯u(m/s)可以由下式计算：
式中,A¯为所有料层截面的平均面积,由A¯=R2(¯φ-sin¯φcos¯φ)确定,m2。

物料停留时间τ(s)定义为
式中L为窑长,m。

将式(2)带入式(3)得到：
图1 变径窑窑体结构示意图Fig.1 Schematic of structure of diameter-variable rotary kiln
等径回转窑内物料停留时间的计算式为
2.2 变径回转窑内物料停留时间的确定
对窑尾内径扩大和内衬增设翻料装置的回转窑,窑内半径 R可以设为轴向位置的函数,即可以表示为 Ri(x),如图1所示。

R1,R2分别表示带有翻料装置内衬段和窑尾扩大段的窑内半径,Li表示半径Ri(x)对应的窑体长度,由此各部分窑内半径R i( x)可表示为
将式(6)沿轴向由窑头至窑尾进行积分,便可求得不同位置处料层的厚度。

在积分过程中,若在某一位置 x c时,窑内径变径,此时前一微分方程在x c处的厚度值 h c是后一微分方程求解的初值;若某窑体段内窑内径沿轴向逐渐变化(如图1所示的 L4
段),此段窑内径 Ri可以用关于x的一次函数来表示,并将此函数表达式代入式(6)中计算即可;如果某窑体段内增设翻料装置(如图1所示的 L2段),此段窑内径取该段的当量直径代入式(6)中计算即可。

将式(5)变换形式就可以得出适用于窑尾内径扩大和内衬增设翻料装置的回转窑内物料停留时间的计算公式：
3 实验装置和实验方法
3.1 实验装置
实验装置如图2所示,窑外径0.686 m,筒体长度3m,窑外壁由钢板卷成,在筒体内浇铸一定厚度的耐火材料;其转动系统由1个3 kW的无级变速电机驱动,转速调节范围为0～16.7 r/min。

实验时通过调整两端底座的相对高度来调整窑体的倾斜角,用加料仓下端管道上的调节阀门来控制物料的进料量。

为了研究回转窑结构参数、操作参数对物料停留时间的影响,制作了4种不同结构的窑：内径分别为
0.45,0.554m的2个直筒窑,窑尾直径0.45m,窑头直径0.35m和窑尾直径0.554m,窑头直径0.45 m的 2个变径窑,同时都增设翻料装置,如图3所示。

同时制作了2个外径等于回转窑筒体外径,内径分别为0.3m和0.4m的环形挡料圈来研究窑尾挡料圈高度与物料停留时间的关系;实验原料为平均粒径3.5mm的冶金焦(安息角约为34°,密度755 kg/m3)。

图2 回转窑实验装置示意图Fig.2 Schematic of testing setup o f rotary kiln 1—窑尾罩;2—调节阀;3—加料仓;4—大齿轮;5—窑体;6—窑头罩;7—出料口;8—回转窑架台;9—回转托辊;10—可调底座。

图3 变径回转窑实验模型Fig.3 Schematic of diameter-variab le rotary kiln 3.2 实验方法
实验时通过改变窑转速、窑倾角、窑内径、窑尾挡料圈高度等参数来模拟不同的生
产工况。

采用示踪粒子法测量物料在窑内的停留时间,即当回转窑在某一设定工况下运行稳定时,将一定数量的示踪粒子由进料口加入,测量示踪粒子由出料口流出时所用的时间。

但由于固体物料颗粒是非连续体,其在沿回转窑轴线向前运动的同时会发生扩散,在同一工况条件下,即使是同时进入回转窑内的物料在回转窑内的停留时间也不相同,而近似呈正态分布[4]。

因而实验时物料在回转窑内的平均停留时间用下式求得：
式中：m为示踪粒子的个数;τ为物料的平均停留时间,min;τk为第k个示踪粒子的停留时间,min。

4 物料停留时间的计算值与实验值比较
4.1 等径回转窑内物料停留时间计算值与实验值比较
为了比较文中建立的等径回转窑内物料停留时间计算式的正确性与优越性,文中引入了他人建立的物料停留时间计算式。

无挡料圈回转窑窑内物料停留时间的计算式[2]：
式(9)中未考虑物料体积流量的影响,但文献[3]中考虑了其对物料停留时间的影响,
式中Q为物料体积流量,m3/min。

将物料停留时间的实验测试值与式(9),式(10)和式(5)的计算值进行了比较,如图4所示。

式(5)的计算值与实验值除1点误差达到19%外,其余的误差范围在-5%～13%之内,平均误差为6%,计算结果相对比较理想。

而式(9)和(10)的计算结果与实验值相差悬殊。

式(9)和式(10)计算式只适用于它们各自的实验测试条件,而不能被推广应用到其他窑上,具有一定的使用限制。

式(5)虽然计算麻烦,但无论对两端无挡料圈的回转窑还是对窑尾安装挡料圈的回转窑,其计算结果与实验值相差都比较小。

窑
尾挡料圈高度对物料停留时间的影响在式(5)中并没有直观表现出来,它是通过物料体积流量的增加引起料层厚度变化表现出来的。

但它只适用于直筒窑,不适用于变径窑。

图4 等径窑停留时间计算值与实验值对比Fig.4 Comparison between calculated and measured values o f stock residence time in diameter-invariab le kiln
4.2 变径回转窑内物料停留时间计算值与实验值比较
图5 显示了变径回转窑内物料停留时间的计算值与实验值比较结果。

由比较结果明显看出,计算值与实验值比较吻合,误差范围在-15%～13%内,平均误差为7%,误差比较小,计算中不需要引入修正系数,且计算中考虑了物料质量流率和窑内衬结构的影响,但本式只适用于窑尾扩大型窑,而不适用于窑头扩大型窑。

图5 变径窑停留时间计算值与实验值对比Fig.5 Comparison between ca lculated and measured values o f stock residence time in diameter-variable kiln
虽然式(5)和式(7)的计算比较准确,但现阶段只在冷态回转窑实验上进行了验证,而未在实际回转窑煅烧过程中有效验证。

回转窑煅烧过程中,窑内物料运动与传热十分复杂,与物料运动相反的高温烟气流、高温物料颗粒形状的改变等对停留时间都有一定的影响,所以两式的应用还有待在实际生产回转窑上进行验证,但它对实际生产回转窑内物料停留时间的确定具有一定的实用价值。

5 结论
1)在前人建立的等径回转窑内料层厚度数学模型基础上推导出了等径窑内物料停留时间的计算公式;计算式中综合考虑了窑内径、窑长、窑头挡料圈高度、窑倾角、窑转速、物料体积流率、物料安息角、物料颗粒粒径等多种因素对物料停留时间的影响,具有较强的实用性。

2)通过改变等径窑的料层厚度数学模型,对回转窑窑体进行分段积分,推导出适用于窑尾扩径和内衬增设翻料装置的回转窑内物料停留时间的计算公式。

3)建立了实验装置,进行了冷态实验测试,将导出的等径窑和变径窑内物料停留时间的计算值与实验测试值进行了比较。

同时也对他人导出的等径窑内物料停留时间与实验测试进行了对比。

结果表明,计算值与实验值比较吻合,而且计算中不需要引入修正系数,这将明显优于其他的研究成果。

参考文献：
[1] 《有色冶金炉设计手册》编委会。

有色冶金炉设计手册[M]。

北京：冶金工业出版社,2000：402。

(“Non-ferrous M etallurgy Furnace Design Manual” Editorial Comm ittee.Non-ferrous metallu rgy fu rnace design
manual[M].Beijing：M etallurgical Industry Press,2000：402.)
[2] Liu X Y,Spech tE.Mean residence timeand hold-up ofsolids in rotary kilns[J].Chem ical Engineering Science,2006,61(15)：5176-5181.
[3] Chatterjee A,Sathe A V,M ukhopadhyay P K.Flow of materials in rotary kilns used for sponge iron manufactu re：partⅡ.effect of kiln
geometry[J].Metallurgica l and Materia ls Transactions B,1983,14(3)：383-392.
[4] Li S Q,Yan J H,Li R D,et al.Axial transport and residence time of MSW in rotary kilns：partⅠ .experimental[J].Pow der Technology,2002,126(3)：217-227.
[5] Li SQ,Chi Y,Li RD,et al.Axial transport and residence time of MSW in rotary kilns：partⅡ.theoretical and optimal analysis[J].Pow der Technology,2002,126(3)：228-240.
[6] Saeman W C.Passage of solids through rotary kilns：factors affecting
timeof passage[J].Chem ica lEngineering Progress,1951,47(10)：508-514.
[7] K ramers H,Croockewit P.The passage of granular solids through inclined rotary kilns[J].Chem ical Engineering Science,1952,1(6)：259-265.
[8] Spurling R J,Davidson JF,Scott DM.The no-flow problem for granularmaterial in rotating kilns and dish granulators[J].Chem ical Engineer ing Science,2000,55(12)：2303-2313.
[9] Labas E,Houzelot J L,Ablitzer D,et al.Experimen tal study of residence time,particlemovement and bed depth profile in rotary kilns[J].Canadian Journalof Chem ical Engineering,1995,73(2)：173-180.。