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直接VS.间接燃烧的回转窑和干燥器：热处理的初学者指南本文由以下人员共同撰写：流程和销售工程师热处理专家CarrieCarlson技术作家一个多世纪以来，旋转设备已被广泛接受作为散装固体的热处理的优选手段，与固定处理设备相比具有明显的优势。当圆柱体旋转时，翻滚，滑动，提升或淋浴不断地搅动内部的材料。这些措施确保被加工的材料均匀地暴露于热源，最终导致相对于静止过程更高的效率和更短的加工时间。从干燥到煅烧，以及各种放热和吸热化学反应，旋转设备已成为许多工业过程的基石。本文将研究间接和直接旋转干燥器和回转窑之间的异同，以及它们之间的选择。直接旋转干燥机和旋转窑虽然旋转式干燥机和窑炉之间存在一些重叠，但它们通常用于实现明显不同的目标。该旋转干燥器是最常用的“低温”应用的传热装置，其中所述目标是降低该材料的水分含量。相反，回转窑用于所谓的高温加工应用，其目标是在材料中引起物理变化或化学反应。直接旋转干燥器和回转窑都依赖于材料和工艺气体之间的直接接触来处理材料。由于旋转式干燥机在低温下运行，因此无需对干燥机外壳进行内部排线，因此可以安装各种内部构件以改善传热。最常见的内部形式是提升飞行或“提升器”，其通常是垂直向内朝向汽缸中心线延伸的板钢。这些升降机用于从床上拾取材料，该材料在汽缸内表面的向上运行面上形成弧形。该材料床的横截面积通常约为总横截面积的10％。直接燃烧的旋转干燥器内部构件有效地从这个准转动的固体床中移除材料，并沿着壳体的内周边提升材料，然后在内部接近旋转的最高部分时淋浴或分散材料幕。淋浴帘的密度是旋转干燥机设计者和操作者的关键考虑因素。该设备的效率和有效性部分取决于固体与容器内流动的热气体之间存在多少紧密接触。请参考下面的图1，图1回转窑最典型的是内部带有耐火材料的碳钢圆筒。在直燃窑中，热的燃烧气体仅与耐火衬里和产品接触，从而保护容器的钢结构免受高温应力。这种设计的结果是产品可以升高到高达约3000°F而不会对旋转容器造成损坏。较高温度的耐火衬里回转窑的操作与旋转干燥器的操作非常相似。主要的区别在于回转窑的操作不是通过在热气流中喷淋材料来定义的，而是形成的材料的电弧可以有意地保持完整并且不分散。传递到固体的热量通常不受对流的支配。热气体连续加热窑壳的内部耐火衬里，当圆筒旋转时，固体的翻滚床不断暴露在热的耐火表面上。由于固体与较热的表面紧密接触，因此传热是通过传导进行的。辐射效应也会发生，特别是如果耐火材料在高于1200°F的高温下发光。固体床的表面（朝向窑中心线）也经历辐射的热传递，因为材料处于热发光耐火材料的“视野”中。固体的最内表面和流过床的热气体之间也存在直接对流。与旋转干燥器一样，窑中典型的床负荷约为10％。正如人们所预料的那样，用作分散装置的直燃式旋转干燥器可以实现比耐火衬里窑更高的传热率。结果是旋转干燥器每单位体积可以传递比回转窑更多的热量。间接旋转干燥机和回转窑尽管间接燃烧的回转窑和干燥器与运行中的直燃式旋转装置非常相似，但间接燃烧的窑或干燥器与其直接燃烧的对应物不同，因为传导到加工材料的所有热量都是进行的（和/或辐射穿过容器壳壁。在间接装置中，没有内部气流作为热源，因此诸如起升飞行的部件将不会提供可感知的优势。通过固体与固体和窑的热内壁之间的传导之间的传导将热量传递到固体床。在大多数应用中，壳体被加热到1200°F或更高的温度，因此壳体和固体之间的辐射也占优势。由于燃烧产物与正在处理的产品完全隔离，因此发生两种传热机制。热量通过隔离的热源传递到旋转壳体的外表面，最常见的是;燃气或燃油燃烧器定向成在热燃烧产物中“洗”壳表面。取决于特定单元的尺寸和几何形状，可以采用形成阵列的多个燃烧器来避免壳体通过过度局部放热而局部过热。可以采用其他热源，例如电阻加热元件或热废气或来自隔离源的热传递流体。在使用燃气或燃油燃烧器的情况下，燃烧产物通过烟囱作为清洁烟道气排出。在间接燃烧的回转窑中，无论热源来自不同的点，壳温度沿着圆周趋于均匀。毫无疑问，这是由于结构合金的优异导电性。一旦壳体达到工作温度，热量将径向向内流过壳壁到达内表面。第二种传热方式是将热量从内壳表面传递到较冷的固体床。传热过程最好建模为通过边界层（壳）的热通量。请参考下面的图2，表明间接燃烧旋转干燥器或回转窑的典型布置。图2在燃气燃烧器是热源的情况下，壳体的洗涤是主要的，因为它采用辐射和对流模式。因此，从壳内表面到被处理固体的热传递是控制条件。因此，大多数设计和尺寸公式反映：Q=h*A*DT哪里：Q=以Btu/hr转移的热量h=传热系数Btu/ft2•Hr•华氏度A=壳体内表面的表面积，单位为ft2DT=固体入口和出口之间的对数平均温度以及壳表面的最热和最冷的温度这种简单的传热方程在间接回转窑或干燥器的建模中相当准确，无论是作为整个系统还是作为特定区域。表征系统的最准确方法是通过有限元分析，其中分析单元的离散部分。这种彻底的调查很少得到保证，但整个过程最好被视为由在不同温度下发生的几个不同阶段组成。例如，考虑含有水分的原料，挥发性有机化合物，以及可能在高温下的吸热反应。在这样的系统中，出现了六个单独的步骤，包括整个单元操作：1.1.将总进料加热至212°F，水分容易蒸发。回想一下，没有载气可以稀释放出的水的分压。2.水蒸发。3.将干燥固体加热至有机物蒸发的温度。4.有机化合物的蒸发。5.将固体加热至反应温度。6.进行吸热反应。将这样的整个过程视为不同的步骤变得至关重要，因为每个过程都发生在固定的温度范围内。正如人们可能意识到的那样，这样的固定温度允许系统设计者更准确地确定对数平均温度差，这是整个设计方程中的一个控制变量。直接与间接旋转窑和旋转干燥器：对您的应用有何意义？事实上，任何可以在直接燃烧的回转窑或干燥器中进行的过程也可以在间接加热的装置中进行。两种类型的系统都具有归因于其操作的固有优点和缺点。作为一般规则，直接燃烧装置的运行效率更高，并且其资本成本也低于间接装置。因此，直接发射装置比间接发射装置更常见。然而，有许多应用，其中间接单元提供更好的整体经济性。虽然间接过程是在100多年前构思和使用的，但仅在过去的25年中间接旋转船才成为广泛的商业现实。这主要是由于能够承受更高温度的结构材料的进步。因此，间接加热的干燥机和窑炉继续受到关注，既改善现有工艺又开发新工艺。在许多行业中，间接燃烧单元被用于需要更专业化处理需求的过程设置中。此处列出了间接单元提供更好处理介质的常用设置。细分的固体当待加工的材料由细碎的固体组成时，间接烧制的回转窑可能是有益的。在直燃式回转窑中，热源是以固有速度流动的热气体（燃烧产物和空气产物）。这些气体可以通过阻力携带离散的颗粒。夹带程度取决于多种因素，例如气体速度，气体密度，颗粒密度和形状。由于夹带潜力，直接燃烧回转窑加工精细材料要求设计以允许的气体速度为中心而不是传热要求。间接燃烧的回转窑不依赖于与热燃烧气体紧密接触的加工材料。直接燃烧的回转窑通常具有在容器内流动的工艺气体的质量或体积的100倍，而不是具有相同负荷的间接单元。通常使用间接燃烧回转窑加工的精细材料的一些例子是炭黑，化学沉淀物，滤饼和精细研磨的固体等。惰性系统间接加热单元优于直接加热单元的另一种设置是在惰性环境中进行加工时。例如，大多数含碳固体在高温下在游离氧存在下燃烧。可以在直燃式旋转设备中对煤，石油焦，污泥和许多有机固体等可燃产品进行高温处理，但必须仔细规定以确保安全。必须开发富含燃料或接近精确的化学计量火焰以减少游离氧的存在。这种系统的控制复杂，可能涉及氧气检测，防爆门和自动灭火系统。这些广泛的规定涉及增加的成本和谨慎的许可和保险细节。存在其他应用，其中产品的氧化不会引起爆炸或燃烧风险，但产品的质量可能受到氧化的不利影响。在高温氧气存在下形成不希望的氧化物的应用通常最好通过间接加热的方法进行。一个常见的例子是金属产品。可能存在其他孤立的情况，其中固体可能在高温下与氮形成不希望的化合物。在这种情况下，在直接燃烧的回转窑中几乎不可能从加工的固体中除去氮组分，但在间接燃烧的回转窑中相对容易。可控气氛化学反应间接燃烧单元也用于执行一系列气体到固体反应。间接单元可以证明在高温下将固体暴露于气态化学反应物是理想的，其中反应以加速的速率发生。陶瓷催化剂的“掺杂”可以作为一个实际的例子。可以将这些化学反应物引入直接燃烧的单元中，但是反应物被所需的热气体稀释，作为传热介质。在间接单元中，任何使用的反应物都可以通过管道输入和计量以达到精确的浓度。处理高价值的挥发性产品一些过程的目标是从一些无价值的固体载体中回收高价值的挥发性组分。例如，考虑油页岩中油的热分离。这种应用可能最适合间接发射装置。与可燃材料的情况一样，可以仔细设计直接燃烧的容器以进行分离，但是分离设备（例如冷凝器）上的负载由于不希望的杂质空气而大大增加。与这些辅助分离装置相关的成本可远远超过传热容器本身的成本。通过在间接燃烧单元中处理这种材料，所需的挥发性产物高度浓缩，并且不会给回收设备带来不必要的杂质空气负担。另一个非常有前途的应用是使用间接燃烧回转窑有效地从低价值废物中提取有价值的油，例如废旧轮胎，石油饱和土壤和石油钻井废料（钻屑）。处理危险废物存在一系列应用，其中有害成分可以吸附在惰性固体基质上。其实例是用过的活性炭，用于从液体或气体流中吸附不希望的废物组分。在这种情况下，可以通过间接燃烧的回转窑激活“用过的”或用过的碳以便再利用。用完的碳可以保持在高温下并且吸附的组分将挥发并有效地从碳中解吸，使碳再次准备好吸收危险组分。解吸后，挥发的废物通过强制通风从系统中排出。来自间接燃烧回转窑的这种废气将装载有危险的废物组分，然后可以以高纯度冷凝，或者作为浓缩蒸汽流焚烧。这种重新激活固体基质的操作可以在直燃式回转窑中进行，但废气负担会显着增加。根据对挥发性化合物的规定，对这种废气的处理可能非常昂贵。化学负荷土壤;吸收剂，罐废物和其他惰性基质非常接近上述条件。间接回转窑的所有先前应用仅仅是间接回转窑可能有利的许多情况中的一些。如这些实施例所示，存在无数的应用，其中间接燃烧的回转窑可以总体上产生更具成本效益的系统。高温处理应用的开发者必须考虑所有所需辅助设备的成本，运行成本，产品质量要求和其他几个变量，而不仅仅是主要热传递设备的成本。在评估整体系统方法时，设计人员还必须考虑运营成本因素，如燃料成本，冷却水，电力，仪表空气，空气质量限制以及不合格产品的成本。最近的开发已经用于开发结合直接和间接处理步骤的设备流程图。已经开发了一些混合设备，其中直接和间接相发生在单个容器中。作为一个例子，考虑将干净的烟道气从间接装置的炉段输送到直接旋转干燥器。这种情况可以在一艘船上实现。请参考下面的图3。图3在该装置中，热烟道气在初始预干燥部分中非常有效地干燥潮湿的废碳，并且由于碳含有高水分含量，因此不会发生碳的燃烧。结论旋转窑和干燥器已成为当今许多工业过程的基础，与固定设备相比具有明显的优势。虽然直接燃烧装置是主要配置，但耐热合金的最新进展为使用间接燃烧容器的更专业的加工应用打开了大门。在选择回转窑或干燥器时，可能需要联系两种技术的供应商来比较任一种方法的属性。除船舶本身外，还应考虑其他各种因素：1.1.产品质量燃料和电力成本资金成本能量源仪表空气辅助设备的成本，如粉尘控制和废气的二次燃烧环境许可和持续合规空气质量限制不合格产品的成本产量和灰尘损失自1951年以来，FEECO一直提供定制旋转干燥机和窑炉。我们熟悉数百种材料，可以帮助您围绕您独特的材料和加工目标开发工艺和商业规模的单元。欲了解更多信息，请立即联系我们！