建筑材料热工设备-1-水泥窑-第3节回转窑结构及其工作

建筑材料热工设备过程装备与控制工程系严晗第一章水泥回转窑3第3节回转窑结构及其工作原理一、回转窑的结构海螺水泥厂回转窑齿圈托轮挡轮窑筒体轴向位移窑筒体轮带挡轮图2-72轮带与挡轮轮带回转窑轮带的润滑轮带节窑筒体活动迷宫环固定迷宫环图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。水泥回转窑窑尾密封装置窑尾密封窑尾密封及冷风套弹簧摩擦板筒体接触式密封装置密封装置二、回转窑的工作原理物料回转窑内煅烧的过程是生料从窑的冷端喂入，由于窑有一定的倾斜度，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煅烧成熟料。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。FDBGCAEβαΔS低端高端图2-75回转窑内物料充填与运动简图θ——填充角；β——窑倾斜角；α——物料休止角θ窑内的物料仅占据窑容积的一部分，物料颗粒在窑内的运动过程是比较复杂的。假设物料颗粒在窑壁上及料层内部没有滑动现象，当窑回转时，物料颗粒靠着摩擦力被窑带起，带到一定高度，即物料层表面与水平面形成的角度等于物料的自然休止角时，则物料颗粒在重力的作用下，沿着料层表面滑落下来。因为窑体以3～6%的倾斜度安装，所以物料颗粒不会落到原来的位置，而是向窑的低端移动了一个距离，落在一个新的点，在该新的点又重新被带到一定高度再落到靠低端的另一点，如此不断前进。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：min)/(,77.1)/(,77.16060mnDsmnDLviimm式中：mv—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：min,77.1nDLimn—窑的转速，rpm；—物料的休止角，度；sintg—窑的倾斜度（角），，称为斜度；iD—窑的衬砖内径，m。关于公式的讨论mviD①物料运动速度与窑的倾斜角，窑的衬砖内径和转速n成正比，与物料休止角的平方根成反比。mv②当窑径一定时，与n的积成正比。若使物料的运动成反比，即窑的倾斜角愈大，速度保持一定，则n与窑的速度应愈低。iDmv③实际生产中，已为定值，则与n、、即改变窑速，窑内物料的运动速度随之变化。成正比，④如窑内有结圈或人工砌筑的挡料圈时，物料的运动速度要降低。⑤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煅烧过程中，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mv为：窑内各带冷却带烧成带放热反应带分解带预热带干燥带链条带喂料中空部分速度mv（m/h）28.418.441.046.034.527.028.829.3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；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6～15%。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，若因煅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。（二）回转窑内气体的流动1、回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时，根据窑尾负压可以判断窑的工作情况。2、窑内气流速度的大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，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2.5～4次方成正比。（三）回转窑内燃料的燃烧（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）SC2CaOfSC3SC3在回转窑的烧成带，物料进行的主要物理化学反应是吸收生成，这是微吸热反应。为了使生成的反应完全，必须使物料在1400～1450℃的高温下停留一定的时间。回转窑喂煤系统1、燃料在回转窑内燃烧应满足的要求燃料燃烧的火焰温度要达到1600～1800℃；（保持高温）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SC3的形成的反应）为了使生成SC3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足一定的要求：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低热值：kgkJQgDW/20600挥发份：gv=18～30%灰分：gA＜25～30%水分：yW＜1～2%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（40～80m/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10～30%，大量的二次风由冷却机提供，故已被预热到600～1000℃，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1.05～1.10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。火焰中部区域温度高，达1600～1800℃，此时熟料被加热到1300～1450℃，其中有相当量（约25～30%）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，是窑内煅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、一、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速度的关键。气体流速：主要指一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2.5～4.0米的回转窑，一次风速为50～70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定。（2）火焰温度分布（火焰形状）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。煤粉从喷管喷出后，须经过干燥预热至700～800℃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。燃烧器5、煤粉燃烧器（喷嘴）—喷煤管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①传统喷嘴的形状如图所示为常用的几种传统喷嘴。直管型拔哨型缩口型风翅型缩口型：有一节1～6°的缩口（也称拔哨），其作用是使煤粉和空气接触机会增加，混合较好，从而使火焰集中，适用于烟煤。直管型：风煤直线喷出，不利于风煤混合，不利于煤粉充分燃烧。直管型拔哨型缩口型风翅型直管型拔哨型缩口型风翅型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煅烧情况前后移动，以改变喷嘴在窑体中位置。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7～30°，角度大，火焰短，但流股发生旋转，会扫伤窑