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石灰回转窑主要参数计算及选型方法研究pdf

时间:2020-12-19 00:45

  河南科技大学硕士学位论文石灰回转窑主要参数计算及选型方法研究姓名:张伟伟申请学位级别:硕士专业:机械制造及其自动化指导教师:贾现召;刘永刚20100401 摘 要 I论文题目论文题目: 石灰回转窑主要参数计算及选型方法研究石灰回转窑主要参数计算及选型方法研究 专专 业:业: 机械制造及其自动化机械制造及其自动化 研研 究究 生:生: 张伟伟张伟伟 指导教师:指导教师: 贾现召贾现召 刘永刚刘永刚 摘摘...

  河南科技大学硕士学位论文石灰回转窑主要参数计算及选型方法研究姓名:张伟伟申请学位级别:硕士专业:机械制造及其自动化指导教师:贾现召;刘永刚20100401 摘 要 I论文题目论文题目: 石灰回转窑主要参数计算及选型方法研究石灰回转窑主要参数计算及选型方法研究 专专 业:业: 机械制造及其自动化机械制造及其自动化 研研 究究 生:生: 张伟伟张伟伟 指导教师:指导教师: 贾现召贾现召 刘永刚刘永刚 摘摘 要要 活性石灰是钢铁冶金工业的基本原料,可以提高炼钢的速度、产量和质量。除此之外,活性石灰还广泛被应用到污水处理、垃圾、化工、造纸等各行业。回转窑作为煅烧活性石灰的主要设备之一,有着广泛的用途和非常好的发展前景。随着有色冶金行业、建材行业发展和活性石灰在其它行业的广泛应用,对回转窑的需求越来越多,规格要求也会不断扩大。这将有利于我国回转窑技术的研究和发展,从而提高我国回转窑的技术水平。 随着科技的发展进步和回转窑的广泛实际应用,石灰回转窑逐渐有多档支承向两档支承发展的趋势。本论文以两档支承的石灰回转窑作为研究的对象,阐述了石灰回转窑系统三大主机的基本结构、工作原理和工艺流程。分析了石灰物料在回转窑内的运动状态,研究了回转窑的传统设计理论及方法,通过对检测结果、试验数据的分析比较,总结出影响石灰回转窑设计主要参数的主要因素。通过实验数据和相关分析,生产中经验的总结,完善和优化了石灰回转窑的主要参数的计算和选型。编写了石灰回转窑选型计算和结构设计的软件,方便了两档支承回转窑的设计计算和结构优化,使计算更加方便迅速。并对软件计算的结果进行了对比验证,具有一定的实用价值。此软件与实际工况和生产经验相结合,所设计的石灰回转窑更能符合实际生产的需求,结构更加合理,可以提高产品的竞争力。 该研究为两档支承的石灰回转窑的设计和的生产提供指导,有利于提高活性石灰产品的质量。 关关 键论文类型:论文类型:应用研究 键 词:词:活性石灰,回转窑,主要参数,选型,结构设计 摘 要 IIISubject: Research on Main Parameters and Selection of Lime Rotary Kiln Specialty: Mechanical Manufactruing and Automation Name: Zhang Weiwei Supervisor: Jia Xianzhao Liu Yonggang ABSTRACT As the main raw material of ferrous steel making and metallurgical industry, active lime can improve the speed, quantity and quality of the steel-making. In addition, the active lime is also applied the sewage treatment, trash, chemical industry, papermaking and other industries widely. As one of the principal manufacturing equipment to calcine active lime, rotary kiln is applied broadly and has the excellent market prospect. The increasing demand for active limestone by nonferrous metallurgy, architectural materal industry and active lime is used other industries broadly, the demand for specification of rotary kiln would be expanded too. This will be beneficial to the research and development of rotary kiln and to improve the technological level of rotary kiln of our country. The model of rotary kiln changed from multi-supporting to two-supporting with the progress of science and the practical application abroad of rotary kiln. In the paper, two-supporting lime rotary kiln is the object of researched, elaborated the basic structrure, the principle of work and the technological process of three main equipments of lime rotary kiln system. The motion states of the lime materials in rotary kiln was analyseed and the traditional theory and method for the design of rotary kiln were studied. Analysed and compared the testing result and experimental data, the primary factors influenced the design of lime rotary kiln were summarized. Through the experimental data and correlative analysis, experience in production was summarized, to improve and optimize the main parameters and selection of lime rotary kiln. Software about the mathematical model and structural design of lime rotary kiln was written. It will be beneficial to designing calculation and structrural optimization of two-supporting rotary kiln and to the calulcation more easily and quickly. The calculating results of software were compared and verified, has some practical value. The software conbined with the actual working conditions and production experience, the lime rotary kiln is desinged to meet the needs of actual production very well and 河南科技大学硕士学位论文 IVstructure is more reasonable. So the competitiveness of active lime produced by the rotary kiln is relatively great. The study priovide the instrution to design and product of two-supporting lime rotary kiln. It will be beneficial to improve the active lime quality. KEY WORDS: active lime, rotary kiln, main parameters, selection, structural design Dissertation Type: Applied Research 第 1 章 绪论 1第第1 1章章 绪论绪论 1.1 活性石灰概述活性石灰概述 石灰作为一种基础原料,在工业生产中占有一定的比重。通常所说的石灰是指石灰石在高温煅烧下放出 CO2 气体以后得到的以 CaO 为主要成份的产物。石灰按照其活性度(availability of lime)的大小可分为活性石灰和普通石灰。石灰的活性度是指熔渣中与其它物质的反应能力,用石灰在熔渣中的熔化速度来表示。由于直接测定石灰在熔渣中的熔化速度(热活性)比较困难,通常采用酸碱滴定法测定,石灰的活性大小是表征水化反应速度的一个指标,是指在充足时间内,是以中和生石灰消化时产生的 Ca(OH)2所消耗的 4mol/L 盐酸的毫升数来表示[1,2]。一般石灰的活性度平均值超过 300ml/4N-HCl(4NHCl401C,10min 盐酸滴定值),被称为活性石灰。活性石灰与普通石灰的主要成份都是 CaO,但活性石灰 CaO 的含量高达 85%以上,是一种性能活泼、反应能力强、含硫量低的优质石灰,具有体积密度小、气孔率高(50%左右)、比表面积大(1.5~2.0㎡/g)、氧化钙的矿物结晶细小(一般为 1~3m)等特性,SiO2+Fe2O3+AL2O3等杂质含量小于 2%,残余 CO2含量一般不超过 2%,甚至有的石灰的活性度最高能达到 420ml 以上。活性石灰又称软烧石灰,其外观呈现乳白色的块状物,当含有杂质时,呈灰色、淡黄色或褐色[2,3]。 生产活性石灰所用的原料石灰石是一种天然的矿物,不是一种纯净的物质,由 CaCO3、MgCO3、SiO2、K2O、Al2O3、FeO3、P、S、Na2O 等物质组成。其矿物组成以方解石(CaCO3)为主,有些也有白云石共生。石灰组成中有游离CaO 和结合 CaO,游离氧化钙中又分活性氧化钙和非活性氧化钙。非活性氧化钙在普通消解条件下,不能同水发生反应,但是有可能转化为活性氧化钙,如磨细后。而活性氧化钙则是在普通消解条件下,能同水发生反应的那部分游离氧化钙。结合氧化钙是不可回复的,故不能称为非活性氧化钙。石灰的活性主要取决于活性氧化钙的质量分数。石灰石的锻烧是石灰石菱形晶格结构重新结晶转化为石灰的立方晶格结构的变化过程。其变化所得到的晶体结构与形成新晶核的速度和它的生长速度有关。当前者大于后者时,所得到的为细粒晶体,其活性氧化钙分子数量多;反之,所得为低表面能的粗粒晶体,其活性氧化钙分子数量少。石灰石在低温下锻烧,所得到的为细粒晶体结构的石灰即活性石灰[5,6]。活性石灰 河南科技大学硕士学位论文 2的质量指标主要有两个,一是化学成份,有效 CaO 含量要高,杂质成分 SiO2、P、S 等含量要低。另一个是石灰的活性度要高。 活性石灰是炼钢的重要辅助原料,与普通石灰相比,采用活性石灰炼钢,不仅可缩短冶炼时间,降低石灰消耗约 40%,延长炉衬寿命 20%以上,还能使炼钢造渣成分比较稳定,造渣速度快,脱磷、脱硫、脱硅等彻底,加入活性石灰的目地是脱磷、脱硫、脱硅等其它杂质。从而可以提高钢铁产品的质量,增加钢铁的产量,降低炼钢各种消耗和成本,稳定操作等一系列优点。实践证明,凡采用活性石灰炼钢的企业都取得了显著的经济效益,因此,采用活性石灰炼钢已成为世界钢铁企业发展的必然趋势,我国“ 十五” 规划对钢铁行业提出了新的要求即限制普通钢的产量,大力发展优质钢及特殊钢的产量和品种。从而活性石灰作为提高钢的质量和产量的关键造渣材料将得到广泛的应用和发展。除了钢铁行业大量需要活性石灰外,也是其它冶金工业的重要辅助原料。在电厂脱硫和污水处理、各种卫生和矿山废液的处理都需要大量的活性石灰;现在新法氧化铝生产也需要活性石灰。活性石灰深加工产品超细氧化钙、轻质碳酸钙、氢氧化钙、氰氨化钙等。用在轻工和食品方面的造纸、皮草行业、制糖和食用钙等方面;此外,在橡胶工业中用做补强型填充剂、在涂料工业和塑料工业中用作填充剂等方面,每年也需要大量活性石灰[7,8,9]。从而可知,活性石灰的用途是十分广泛的,市场需求十分巨大。而活性石灰的生产,以前传统的方法是采用土窑来生产活性石灰,活性度不高,生烧率较大,产品质量不稳定,且生产能耗高,污染严重。随着国家环保力度加大,土窑石灰很难再有生存空间。在现代的所有活性石灰生产工艺中,目前最先进的还是回转窑生产工艺,由于煅烧均匀,对原料适应性强,其产品的活性度很高,所以得到广泛应用并迅速发展。 1.2 石灰回转窑的发展和应用石灰回转窑的发展和应用 图 1-1 为实际生产中的石灰回转窑系统。回转窑最先是用于水泥生产上的,1824 年英国水泥工人 J.阿斯普发明了间歇操作的土立窑;1883 年德国人狄茨发明了连续操作的多层立窑;1885 年英国人兰萨姆发明了回转窑,随后在英国、美国取得专利后开始将它投放实际生产中,很快就获得了相当可观的经济效益。回转窑的发明,使得水泥工业生产迅速发展,同时也促进了人们对回转窑新应用的研究,很快回转窑被广泛应用到许多生产领域,并在这些生产领域中起着越来越重要的作用,成为相应企业生产的核心设备。它的技术性能和运转情况,在很大程度上决定着企业产品的质量、产量和成本,随着科技的进步、生产的需求,回转窑的发展呈现一个物料流、信息流、能量流不断改进,整个系统整体不断优 第 1 章 绪论 3化的趋势[3]。回转窑应用于活性石灰的生产,使活性石灰的产量和质量都得到更大的提高。 图 1-1 石灰回转窑系统 Fig.1-1 The system of lime rotary kiln 现代生产活性石灰的窑炉种类有很多,有传统式直筒竖窑、回转窑、并流蓄热式竖窑、环形套筒式竖窑、双梁石灰竖窑、沸腾窑、外火箱窑及双斜坡窑等。从有关统计分析可知,我国大部分符合炼钢用的高档活性石灰是由回转窑和先进的竖窑生产的。前几年我国花巨资从国外引进技术先进的竖窑,如贝肯巴赫套筒窑、麦尔兹双膛蓄热式竖窑和弗卡斯竖窑等,这些窑的窑体结构复杂,适合煅烧40~120 ㎜的大块石灰石,这就不能够充分利用矿山资源,且投资大,单位产品投资在 350~400 元/吨石灰。日产 500 吨活性石灰生产线 万元以上,甚至高达 800 万元,况且竖窑生产活性石灰的质量不稳定是其最大的缺点。所以从总的发展趋势,我国冶金工业用的石灰窑应立足于国内国情,应重点发展带预热器和冷却器的回转窑,以适应大多数钢铁企业的生产的需求。回转窑又可分为长回转窑和短回转窑,长径比不大于 16 的称为短回转窑,长回转窑的长径比大于 16,长回转窑的热耗比较高,现在长回转窑正在逐渐被短回转窑所取代。自1939 年美国 Kengnedy Van Sanun 公司设计制造了带竖式预热器和竖式冷却器的回转窑,使回转窑系统的发展更进一步,随后在世界上很多国家相继建造并使用,用回转窑系统烧石灰已成为一个发展方向[8]。德国在 60 年代自已成功研制 河南科技大学硕士学位论文 4了带竖式预热器和竖式冷却器的回转窑,其发展速度远远超过了其它国家,成为向世界各国出售这一技术的主要国家。在国外,煅烧活性石灰大都采用回转窑煅烧方式。回转窑在环保方面也开始得到了极大应用,美国、欧盟、日本等世界上一些发达的国家早在 20 世纪 70 年代已开始采用回转窑处理工业、生活废弃物以及有害废弃物等。在化学工业中,用回转窑可以生产小苏打,锻烧磷肥、硫化钡等。近年回转窑又用于生产人造轻骨料,对医术水平有一定的提高。现在美国已经有几十座回转窑,用于将有害废弃物作为替代燃料在回转窑中进行锻烧处理,替代量一般在 20%-60%。欧洲一些国家的回转窑将有害废弃物作为替代燃料的替代量最高已经达到 75%。瑞典己制订了具体措施,计划 2008 年全国使用废弃物作为替代燃料的量的比例达到 50%以上,而我国远远低于这一水平,有待进一步持续快速发展[7,8]。 我国对回转窑的应用和发展都相对起步比较晚,最先也是应用于水泥工业上的。1920 年,在上海龙华建起了我国第一座湿法水泥回转窑,解放前回转窑在我国的应用都相对极少。新中国成立后,回转窑迅速发展并应用到冶金、建材、化工等行业中。1988 年北京市水泥厂、上海金山水泥厂开始利用水泥回转窑焚烧危险废弃物等,从此我国在环保方面开始使用回转窑处理废弃物和垃圾,取得了一定的进步,随后也在其它地区相继使用,不过数量相对于发达国家还是很少的[8]。 对于煅烧石灰石的回转窑系统及设备,无论在国外还是在国内进行研究的单位和人员都比较缺乏。在国外活性石灰回转窑先进设计研究单位,主要有美卓矿机(Metso)、伯力鸠斯、日本川崎等公司,其中美卓公司最具代表性,处于世界领先的地位。而在我国回转窑系统锻烧石灰在 70 年代初期才开始进行研究和试验,但由于理论基础差,没有一定的经验,试验手段落后等原因,所以技术水平上没有很大的突破,且没有能取得在工业上的推广使用。八十年代我国开始引进国外先进的工艺及设备,通过转化设计和安装调试,开始积累了一定的经验,开始测绘、翻版移植,自行设计了国内带竖式预热器、竖式冷却器的回转窑系统,但这二十年来,由于实验手段和试验条件的不建全,科研开发的投入又相对很少,再加上科研人员的短缺,致使我国虽然在引进国外先进回转窑系统设备的基础上,回转窑锻烧石灰的工艺及设备没有较大的进步,导致与国外先进的回转窑技术的差距加大了。1976 年吉林铁合金厂用 0.9×15m 回转窑做活性石灰煅烧试验取得可喜成果,为我国的活性石灰回转窑系统及设备开发及研制打下了坚实的基础[5]。鞍山焦化耐火材料设计研究院在焙烧工艺和武钢进口活性石灰设 第 1 章 绪论 5备国内配套设计方面,洛阳矿山机械工程设计研究院在测绘和翻版移植武钢进口设备方面都做了大量工作,并积累了一定的经验和理论基础。洛阳矿山机械工程设计研究院在六十年代初开始了回转窑的开发和设计,在七十年代初开始了活性石灰生产工艺及设备的开发研制,并在七十年代中期采用小型回转窑进行活性石灰煅烧试验取得了成功。并相继自行设计了回转窑系统,提高了我国回转窑系统的设计技术水平[6,8]。 洛阳矿山机械工程设计研究院于 1993~1995 年为武钢二期,1995~1998 年为鞍钢二期各设计、制造了一套 KMAG 改进型的日产 600 吨石灰回转窑系统设备。随着我国近几年来钢产量的迅速增长,使活性石灰能在大、中、小型钢铁企业均得到广泛应用,矿研院开发研制了日产 150~1000 吨石灰回转窑系统工艺及设备。并根据我国国情及设计、制造业的水平,矿研院研制的活性石灰回转窑以发展短回转窑为主,且致力于发展带竖式预热器和竖式冷却器的石灰回转窑。实践证明,这种生产活性石灰工艺、设备不论用于大、中、小型规模生产线,或是用于新建回转窑还是旧窑改造,都取得显著效果。近年来,我国活性石灰回转窑有了较快发展。然而,由于我国机械制造和自动化水平限制,再加上回转窑新技术和新结构的推广耗资巨大,使得我国目前回转窑应用技术和装备水平相当落后,在生产工艺和设备的设计、制造方面等需要更多的精力来研究[7,8]。 1.3 课题研究的背景及意义课题研究的背景及意义 随着钢铁产量的提高和冶炼周期的加快,钢厂对冶炼造渣用的活性石灰的质量的要求越来越严格,产量需求越来越大,对活性石灰的研发越来越重视。活性石灰的产量和质量不仅影响钢铁工业的发展,也影响着我国其它行业的发展,对我国经济的发展具有十分重大意义。其它行业对活性石灰的应用也在加大,活性石灰的需求量十分巨大。因此对回转窑的技术水平也提出了更高的要求。目前我国拥有各种规格的回转窑 2000 余台,随着工业和科技的发展,国民生产各部门对回转窑的应用会越来越广泛,数量需求也会越来越多,规格要求也会越来越大[3,8]。 最初设计回转窑时,支承点有很多,从理论上看,多支点、厚筒体有利于回转窑的运转。但由于安装误差,很难将窑中心安装调整成一直线,并且由于各支承点对基础受力不均以及地耐力不一致,在回转窑工作一段时间后,基础下沉不均;又由于各档托轮、轮带及轴承磨损不同;还有温度的不同对其影响,必然会造成各档支承力发生很大变化,会在窑筒体内产生附加弯曲应力,这对窑的寿命有很大影响。随着技术的发展,二支座回转窑已成为石灰回转窑的发展趋势。二 河南科技大学硕士学位论文 6支座回转窑是静定的支承系统,支承力变化不大,且减少了建设回转窑的费用。但二支座回转窑中间跨的挠度大,易使传动装置的大齿圈及小齿轮齿面啮合不良和托轮与轮带产生边缘接触,另外二支座回转窑的进料端和出料端相对悬臂较长,端部偏摆量会较大,要求采用更先进的密封装置,二支座回转窑的设计技术水平不高,迫切需要新型的回转窑设计方法及理论,需要对传统的设计理论与方法进行优化。 通过对多档支承回转窑的研究和分析,并总结前期的研发成果,由于实验手段的逐渐健全及完善,通过现场测试数据分析,得到不同燃料、海拨、石灰石性能对回转窑系统有主要影响的基础数据,优化回转窑计算的数学模型,使系统三大主机的配置更加合理,并形成一套完整的确定回转窑主要参数的软件。有利于提高两档支承回转窑的设计水平,促进我国石灰窑的技术水平,对填补国家空白的大型活性石灰生产线有重要意义,并提高活性石灰的产量和质量,有利于大力提高钢产品的产量及质量,也有利于促进其它行业的发展,促进我国国民经济的发展具有重要意义,也必将带来显著的综合经济效益和社会效益。 1.4 课题的来源和本文的主要研究内容课题的来源和本文的主要研究内容 1.4.1 课题的来源课题的来源 课题来源于国家科技支撑计划(2007BAF26B03 ):低能耗、智能化、高活性大型石灰成套关键技术及设备。 1.4.2 本论文的主要研究内容本论文的主要研究内容 1. 了解活性石灰生产设备的市场需求和发展方向。 2. 对活性石灰回转窑系统的组成、结构及工艺流程进行研究。 3. 熟悉多档支承回转窑的结构及工作原理,确定两档支承回转窑的基本结 构,分析各自的优缺点。 4. 研究回转窑的传统设计理论及方法,通过对检测、试验数据的分析比 较,总结出回转窑设计参数的影响因素,完善和优化石灰回转窑的主要参数的计算和选型。 5. 设计编写回转窑主要参数确定的软件,实现两档支承石灰回转窑的选型和计算。 第 2 章 石灰回转窑基本结构及工作原理 7第第2 2章章 石灰回转窑基本结构及工作原理石灰回转窑基本结构及工作原理 2.1 石灰回转窑的结构及特点石灰回转窑的结构及特点 2.1.1 石灰回转窑的结构石灰回转窑的结构 在许多行业的工业生产中,使用各种不同的大型回转圆筒体设备对物料进行机械、物理和化学等加工处理,这类大型设备被称为回转窑(俗称旋窑)[5,6]。这类设备应用于活性石灰的生产中,被称为石灰回转窑。石灰回转窑以小角度倾斜安装,低速回转。如图 2-1 所示的正在实际生产运行的石灰回转窑设备。 图 2-1 石灰回转窑设备 Fig.2-1 Lime rotary kiln equipment 两档支承的活性石灰回转窑的外形与结构见下图 2-2 所示。 河南科技大学硕士学位论文 8 a.燃烧器 b.窑头罩 c.筒体 d.滚圈 e.支承装置 f.窑衬(耐火砖) g.传动装置 h.齿圈 i.进料口 j.窑尾罩 图 2-2 回转窑基本结构图 Fig.2-2 Basic structure figure of rotary kiln 回转窑的窑型有直筒、扩大热端(窑头扩大)、扩大冷端(窑尾扩大)、及双端扩大[5]。现代设计的回转窑多采用直筒型,因为其部件和衬砖的规格较少,结构简单,有利于统一零部件、简化制造和安装维修等。筒体由钢板卷成圆筒,然后一段一段地采用自动焊焊接而成,是物料完成物理与化学变化的容器,是回转窑的基体。窑内物料温度可达 1300℃左右,故筒体内砌筑有耐火材料(即窑衬),减少对筒体的热辐射和热流损失,提高回转窑系统的热效率,降低物料的热耗,起保护筒体和减少散热的作用,有利于提高筒体的寿命。一般回转窑的高温带窑衬需要经常更换,它的更换周期即为窑的生产运转周期,使用优质的耐火材料,砌筑且维护好窑衬,对窑的长其稳定生产运行起着重要作用。按照石灰物料在回转窑筒体内部的变化过程,可将筒体内部在长度方面上化分成各个工作带,即预热带、分解带、烧成带、冷却带。滚圈为一厚圆环,也称为轮带,套在筒体上,与筒体外表面的连接方式分为固定式和活套式两种[5,8]。固定式连接方式是将滚圈(或轮带)处的筒体外表面与滚圈通过焊接连在一起,这种连接结构的筒体刚度好,但是由于回转窑工作时和非工作时的筒体和滚圈的温差较大,会产生较大热应力,现在的回转窑设计中很少采用此连接方式。活套式连接方式是将滚圈松套(或轮带)在筒体外表面上,滚圈和筒体之间加装焊接式垫板,垫板可以加强筒体的刚度、垫板之间的空隙增大了滚圈的散热面积,减小滚圈对筒体的磨损以及调整筒体与滚圈的间隙大小,防止由于温度变化引起的筒体“ 缩颈” 现象[5,10,11,12]。现在回转窑多用活套式连接。当轮带内径磨大,筒体垫板外径磨小,其间隙会加大,超出允许范围时,可以更换垫板来重新调整间隙。如图 2-3 所示的滚圈。 第 2 章 石灰回转窑基本结构及工作原理 9 图 2-3 滚圈 Fig.2-3 Supporting wheel 回转窑筒体、齿圈、物料等所有回转部分的载荷,通过滚圈加到托轮上。支承装置承受了回转部分的全部重量,由托轮轴承组和基础(大底座)组成,每档支承装置由一对托轮、托轮轴、轴承组和一个大底座组成,支承装置的组数称为档数[8]。托轮支承着滚圈,允许筒体自由转动,又承受巨大的载荷,是支承装置中最容易损坏的部件。托轮与垂直方向成 30的夹角安装,支承截面示意图如图 2-4 所示。 图 2-4 支承截面示意图 Fig.2-4 Schematic drawing of supporting section 河南科技大学硕士学位论文 10在一档附近还装有挡轮支承装置,它用来限制或控制回转窑运转时的轴向窜动。图 2-5 是实际中工作时的状况。 图 2-5 挡轮 Fig.2-5 Thrust roller 传动装置包括电机、减速器等组件,它的作用是通过筒体上的齿圈使筒体回转,齿圈用弹簧板安装在筒体上的。图 2-6 为现场中的传动装置。 图 2-6 传动装置 Fig.2-6 Driving device 第 2 章 石灰回转窑基本结构及工作原理 11窑头罩是连接窑头端与冷却机的中间体,内部也砌有耐火材料,燃烧器及燃烧所需空气经过窑头罩入窑,这里是看火工进行生产操作的地点,因此,窑头罩上设有检修门及看火孔。窑尾罩是连接窑尾端与物料预处理设备以及烟气处理设备的中间体,内部也有砌有耐火、保温材料,烟气经窑尾罩排出而入烟道和收尘系统。燃烧器是燃烧煤粉、煤气和液体燃料,对石灰物料进行加热的设备,通过窑头罩,伸入窑头筒体内,通过火焰与热辐射,将物料加热到需要的温度燃烧器有喷煤管、油喷枪、煤气喷嘴等多种型式,因燃料品种而异。进料口(也叫喂料设备)是经过预热的石灰物料入窑的通道[3,5,8]。 在生产过程中,石灰物料从窑尾(筒体的高端)进入回转窑窑内进行煅烧。由于筒体的倾斜和缓慢的回转作用,石灰物料既沿圆周方向翻滚的同时又沿轴向(从高端向低端)移动,物料在移动过程中,通过与窑头喷入的热气流逆流进行热交换,得到加热煅烧,经过物理和化学变化,成为合格的产品从低端排出。 2.1.2 石灰回转窑的特点石灰回转窑的特点 根据对材料的参考和现场的测试,从而把石灰回转窑的特点总结如下: 1. 回转窑的产量高,非常适合大型活性石灰生产线 吨的石灰回转窑投入生产;国内外已建成很多日产 300~1000 吨石灰回转窑。 2. 回转窑属敞开式煅烧方式,窑体结构简单,气流畅通,含硫烟气可及时排出,燃料中的硫成份不易附着,因而产品含硫量低,符合炼钢的要求。同时因物料在窑内均匀滚动前进,物料受热均匀、充分、热传递迅速,窑内热工制度稳定,生产出的活性石灰产品质量稳定,生、过烧率很低,可以煅烧出高活性度的炼钢用活性石灰。 3. 回转窑可以直接煅烧不大于 50mm 的细粒级石灰石,一般石灰石矿山产品中 10~30mm 细粒级石灰石约占总产量的 30~40%,这部分石灰石在其他窑型中不能利用。建设回转窑生产线不但能充分利用优质石灰石矿山资源,且符合石灰工业的可持续发展的方针。 4. 在窑尾配置竖式预热器可以充分利用回转窑内煅烧产生的高温烟气,将石灰石从常温预热到初始分解温度状态,有部分石灰石被分解。这不仅能大大提高回转窑的产量,还能降低单位产品热耗。 5. 在窑头处配置竖式冷却器不仅可使高温石灰骤冷,提高产品活性度,也便于运输和储存。同时还能得到较高温度的入窑二次风。能有效地提高窑内锻烧的温度,降低燃料消耗。 河南科技大学硕士学位论文 126. 经窑尾竖式预热器排出的烟气温度低,在 280~350℃之间,含尘量较低,约为 20g/Nm3,使后续烟气处理设备的配置简捷有效,可顺利的达到环保要求。 7. 回转窑生产的活性石灰质量稳定是其最大的优点。回转窑传动的特点是速比大,转速低。系统的稳定性也相对较好。 8. 机械化程度高,易于控制,劳动条件好,产量大。回转窑煅烧使用燃料范围较为广泛,可采用天然气、高炉煤气、焦炉煤气或混合煤气、重油和煤粉等。 9. 回转窑煅烧系统设备较多,重量大,投资高,占地面积大,它比并流蓄热式竖窑单位产品耗钢材量大 3~5 倍,投资高出 50%~80%,占地面积多出一倍。回转窑对煅烧的石灰石强度有一定的要求,在煅烧过程中强度变低、易爆裂的石灰石不适合在回转窑中煅烧[7,9]。 从总的发展趋势分析,我国活性石灰生产设备应立足于国内。不论从生产能力的适应性,还是从能生产满足炼钢要求的高活性、硫含量低、质量稳定的活性石灰,还是能充分利用优质石灰石矿山资源等方面,回转窑均具有很好的应用发展前景。 2.2 回转窑系统的三大主机及工艺流程回转窑系统的三大主机及工艺流程 2.2.1 回转窑系统的三大主机回转窑系统的三大主机 图 2-7 回转窑系统三维图 Fig.2-7 Graphic model of rotary kiln system 第 2 章 石灰回转窑基本结构及工作原理 13图 2-7 为石灰回转窑系统图,主要包括三大主机,即预热器、回转窑、冷却器。图 2-8 为三大主机的基本结构,(a)为竖式预热器,(b)为竖式冷却器,(c)为回转窑。经过几十年的实践和应用,以“ 竖式预热器回转窑竖式冷却器” 三大主机设备的回转窑系统将成为我国活性石灰生产的主要设备和其它行业的核心设备,并将成为石灰窑以后的发展方向。 (a) (b) (c) 图 2-8 回转窑三大主机结构 Fig.2-8 Three major equipments of rotary kiln 预热器的主要作用是把上部输送来的石灰石物料先用在回转窑内煅烧后排放出来的高温废气,在预热器内部将石灰物料均匀地预热到约 900℃,然后再由液压推杆把石灰物料推入到回转窑内煅烧,这样的煅烧工艺不仅使石灰物料在窑内的煅烧时间大大缩短,同时也能获得较高活性度的石灰,充分利用了废气,提高了燃料的利用率。回转窑的主要作用是将预热器送来的预热过的石灰物料进一步煅烧,使石灰物料最大限度的分解。冷却器的主要作用是经过回转窑煅烧之后生成的活性石灰流入到砌有耐火砖的冷却器里进行冷却,冷却风由外部的风机吹入,冷却风与高温的物料完成热交换后,被物料加热的空气,直接由窑头罩进入回转窑,作为二次空气参与锻烧,提高热量的利用率[5,8]。 2.2.2 工艺流程工艺流程 石灰石的主要成份是 CaCO3,含有少量的 SiO2、MgCO3、Al2O3、Fe2O3、P、S 等杂质。石灰石高温煅烧成活性石灰的实质是:石灰石在高温加热的条件 河南科技大学硕士学位论文 14下 发 生 分 解 反 应 从 而 产 生 氧 化 钙 的 过 程 , 即∆ CaO+MgO+CO2+Q。其分解过程可以描述为:常温石灰石∆ 表面分解 内部分解 中心分解(分解完成)晶[7,8]。由于石灰石中含有上述的杂质,这些杂质的存在影响了石灰石的分解条件,从而会导致石灰石在分解过程中发生了一系列的副反应。工艺流程:①石灰石在原料仓下通过振动给料机、皮带、输送提升到筛分设备,适当粒度的石灰石再经输送机进到预热器内,在预热器内石灰石被来自回转窑窑尾的 1000℃左右的高温烟气预热,大约有 20%~25%的石灰石被分解。然后通过均布的推杆把预热后的石灰物料推入到回转窑内。②在回转窑中石灰石进一步锻烧,在 1300℃左右的高温下继续锻烧,直至完全分解,并向前移动。③锻烧好的石灰从窑头排出进入冷却器冷却,石灰进入冷却器时的温度为 1100℃左右,从冷却器底部鼓入的冷风将石灰冷却到 70~100℃,经冷却器下部振动给料机排出到输送机上,再通过输送、筛分、提升设备进入成品仓,即是活性石灰产品。下图 2-9 为两档支承石灰回转窑的工艺流程图。 CaCO3MgCO3 ∆ 膨胀 晶体增长重结∆∆∆ 图 2-9 石灰回转窑系统工艺流程图 Fig.2-9 Process f low chart of lime rotary kiln system 第 2 章 石灰回转窑基本结构及工作原理 152.3 石灰在回转窑内的运动石灰在回转窑内的运动 图 2-10 回转窑截面图 Fig.2-10 Sectional drawing of rotary kiln 图 2-10 为石灰回转窑工作时的横截面示意图,物料在回转窑内的运动状态受窑体尺寸、运行条件、物料特性等多种因素的影响。Henein 最早把物料颗粒在 回 转 筒 体 内 的 运 动 划 分 为 六 种 运 动 状 态 : 滑 移 ( slipping ) 、 塌 落(slumping)、滚落(rolling)、泻落(cascading)、抛落(cataracting)、离心(centrifuging)运动六种运动状态[3,13-16]。因为生产活性石灰的回转窑转速比较低,所以石灰在回转窑的运动多为滑移、塌落、滚落三种运动状态。在滑移的状态下,窑内的石灰物料运动近似于整个料床作为一个刚体,只有料床与壁面间的相对运动,而料床与石灰颗粒之间几乎没有相对运动,颗粒之间的混合非常微弱。在蹋落和滚落状态下,物料的运动充分体现了散体运动的特点,物料将在料床的上表面产生明显的相对运动,颗粒之间的混合较为明显。而蹋落与滚落的主要区别是前者的运动是非连续的、间歇的,后者的运动是连续不断的。所以滚落状态是工程实践中的理想设计工况。在滚落状态下,石灰物料与周围的热烟气能进行较为强烈的热交换,使石灰物料受热较为均匀,能提高锻炼质量。 2.4 本章小结本章小结 本章首先介绍总结了两档支承回转窑系统的基本结构及特点,各主要部件的特点及功能,阐述了回转窑的生产的优点和缺点,回转窑系统三大主机的基本结 河南科技大学硕士学位论文 16构及作用。简述了煅烧石灰石的工艺流程和煅烧实质。研究了石灰物料在回转窑内的运动状态。 第 3 章 回转窑主要参数计算及选型 17第第3 3章章 回转窑主要参数计算及选型回转窑主要参数计算及选型 最初设计回转窑时,主要参数的确定采用传统的计算公式,没有考虑其它因素对其参数的影响,由于实验设备的完善,能够对其进行优化和完善。回转窑的额定产量是设计回转窑的最基本的参数,是其它参数确定的基础,它的正确确定关系到其它参数的准确性。 3.1 影响回转窑产量的主要因素影响回转窑产量的主要因素 3.1.1 海拔对生产能力的影响海拔对生产能力的影响 按 GB1920,设定地球有效半径、重力加速度和海平面上静止空气的压力为 101.325KPa,温度为 15℃和密度为 1.225k/m3,并给定大气层的垂直温度梯度在有限范围内为-6.5 /km℃气体状态方程的积分得到不同海拔高度的大气压力数据[7,18-20]。图 3-1 给出按 3-1 式绘制的在实用海拔高度范围内大气压力海拔高度曲线。图中还标出了我国部分城市的多年实测的大气压力和海拔高度。如果只知某地的海拔高度 Hm,也可按下式计算其地面大气压力: ,即可通过对大气静力方程及理想 5.5266357101.31 0.02255100063571000HPH=××+ (3-1) 从图 3-1 可知,工程生产实践中所面对的高海拔地区大气压力可能低至 70kPa 左右,与设计计算标准规范工况的压力比值为: (P/P0)=70/101.30.7 (3-2) 在此气压条件下,等温的气体体积会膨胀到标准大气压时的(0.7)-1 =1.43 倍。如果按低海拔条件(简称 P0 条件)设计制造的回转窑在高海拔区运行,就会因此导致燃料燃烧不完全,回转窑的实际产量会降低。 河南科技大学硕士学位论文 18 图 3-1 大气压力与海拔高度的关系图 Fig.3-1 Atmospheric pressure and altitude above sea level relational graph 同样的设备和操作条件,通过生产实践和检测,在高海拔地区(海拔高度1000m)使用时,回转窑系统的产能受到较大的影响,这是因为海拔升高,大气压力和空气密度降低,这样在气体质量不变的情况下会导致通过设备的工况气体体积的增大,所以须增大设备规格才能维持正常的风速,从而保证与低海拔地区相同的产量。 如酒钢 2#石灰回转窑,位于甘肃嘉峪关,额定产量为 200t/d,当地海拔高度 H=1630m,则当地大气压力为: PH=P0(1-0.022569H)5.256=101000×(1-0.022569×1.63)5.256=83206(Pa) (3-3) 根据气体状态方程: VH=00HPVP = 6V =1.2140 V (3-4) 第 3 章 回转窑主要参数计算及选型 19即海拔 1630m 处的空气气体积增大了 21.4%,也可理解为同样的设备的处理气体能力下降了 21.4%。通过现场实测酒钢 2#窑产量平均约为 168t/d,而相同的窑重钢平均产量约为 212t/d,两地都采用了相同的煅烧工艺和相同设备规格,煤气的热值也接近,但位于高海拔地区的酒钢 2#窑的实际产能下降了20.75%,这与体积增大比基本符合。所以当海拨值大于 1000m 时,要对产量计算公式进行修正,修正系数的大小为 PH /P0。 3.1.2 石灰石粒度对生产能力的影响石灰石粒度对生产能力的影响 回转窑系统实验装置如图 3-2 所示,本系统用于活性石灰的煅烧试验,此回转窑系统实验设备的额定产量为日产 0.8 吨,转速范围为 0.4~2.0r/min。 1.模拟煅烧实验室设备配备有: (1)预热器的规格为(长度× 宽度× 高度):0.7m× 0.7m× 1.7m; (2)回转窑规格为(直径× 长度): 0.9m× 4.5m。由钢板卷成,筒体内砌有耐火砖; (3)废气处理设施:除尘器及高温风机; (4)煤气煅烧系统:煤气烧嘴及煤气调压、控制; (5)自动化控制系统;检测控制预热、煅烧温度及时间,废气温度及系统阻力等。 图 3-2 实验室回转窑 Fig.3-2 Laboratory of rotary kiln 河南科技大学硕士学位论文 202. 煅烧实验室分析设备有: (1)荷兰产的 TW4400/30,X 荧光光谱分析仪,可以用于对石灰 CaO、SiO2、MgO 等含量进行检测,如图 3-3 所示为 X 荧光光谱分析仪设备。 图 3-3 X 荧光谱分析仪 Fig.3-3 X fluorescence spectrum analyser (2)型号为 CS-901B 高频红外碳硫分析仪,主要用于冶金、机械、商检、科研、化工等行业中的黑色金属、有色金属、稀土金属、无机物、矿石、陶瓷等物质中的碳、硫元素含量分析。如图 3-4 所示为红外碳硫分析仪装置。 图 3-4 红外碳硫分析仪 Fig.3-4 Infrared carbon and sulfur analyser 第 3 章 回转窑主要参数计算及选型 21(3)自动温控(0~1400℃)马弗炉,是一种加热设备,可以对石灰进行加热。如图 3-5 所示为箱式的马弗炉。 图 3-5 马弗炉 Fig.3-5 Calcining test equipment 3.在石灰石煅烧过程中,原料石灰石粒度的大小对产能是有影响的。由于石灰石的分解是由表面向中心分解的,所以大粒径的石灰石的煅烧的时间要长,小粒径的煅烧的时间就相对短些。本实验所用的石灰石化学成分通过图 3-3和图 3-4 的实验装置检测:CaO 含量为 54.95%,MgO 含量为 0.82%,SiO2含量为 1.09%, Fe2O3含量为 0.14%, Al2O3含量为 0.26% , S 含量为 0.045%, P 含量为0.008%,其它杂质的含量为 2.68%。 用图 3-2 所示的实验装置对所选用的石灰石进行锻烧,锻烧后的高温状态下的石灰,如图 3-6 所示。经过冷却后即为活性石灰产品,如图 3-7所示。 图 3-6 流出回转窑的高温石灰 Fig.3-6 Lime with high temperature flowing out rotary kiln 河南科技大学硕士学位论文 22 图 3-7 活性石灰 Fig.3-7 Active lime 用 X 荧光光谱分析仪和红外碳硫分析仪对冷却后的活性石灰中 CaO 的含量及其它成分进行检测,活性石灰活性度的大小通过酸碱滴定的方法得到,结果如表 3-1 所示的结果。 表 3-1 不同粒度石灰石煅烧实验数据 Tab.3-1 Different granularity limestone calcine empirical datum 粒度/mm CaO/% 生过烧率/% 活性度/ml 实际产量 t/d 10~60 10~40 10~30 20~30 79.52 82.31 87.26 88.27 14.35 10.72 8.06 4.13 325 345 370 385 0.70 0.73 0.78 0.80 把石灰石的最大粒度与最小粒度之比称为粒度比[7]。通过实验可知,如果粒度比过大,若要使大料度的石灰石完全分解,则小粒度的石灰石会因为在窑内停留时间过长造成过烧而失去活性,反之,大粒度的石灰石会出现黄心生烧而使锻烧出的石灰活性度偏低。从表 3-1 可知,石灰石的粒度比越小,产量越高,质量越高。在活性石灰的生产中,石灰石粒度应控制在一定范围内。结合回转窑的煅 第 3 章 回转窑主要参数计算及选型 23烧工况,回转窑煅烧石灰石的粒度范围是 10~50mm,要求粒度比不大于 3 为宜,这样煅烧石灰的质量高,产量也高,在回转窑的设计计算中应考虑粒度比对产量的影响。 3.1.3 燃料低热值对生产能力的影响燃料低热值对生产能力的影响 石灰回转窑所用的燃料主要有固体燃料、液体燃料和气体燃料三种[27]。这些燃料的低热值是不同的,为了使石灰石分解完全,且石灰的活性度又好,必须要求有一定的煅烧温度,不同的燃料低热值不同,对活性石灰质量和产量会有影响。为了进行验证,对重钢地区 600t/d 和 800t/d 石灰回转窑进行了试验,在锻烧时先用低热值较小的气体燃料,后加入一些固液燃料,增大其低热值,分别采用低热值不同的燃料时,对回转窑的产量进行了统计,回转窑的实际产量与额定产量的比值为 K2,结果如表 3-2 所示。 表 3-2 不同低热值燃料煅烧石灰石实验数据 Tab.3-2 Different low heat value fuel calcine limestone empirical datum 燃料低热值(kcal/Nm3) 600t/d 的实际均产量(t/d) K2 800t/d 的实际均产量(t/d) K2 3000 552 0.9200 756 0.9450 3500 579 0.9650 778 0.9725 3800 598 0.9967 802 1.0025 4000 611 1.0183 817 1.0225 5000 629 1.0483 832 1.0400 从表 3-2 可知,当选用低热值不同的燃料时,回转窑实际的产量与其额定产量有所不同。当低热值过小时,实际产量达不到回转窑所设计的额定产量,当低热值很高时,实际产量会大于回转窑所设计的额定产量,所以在对回转窑的产能计算时,要对其进行系数 K2修正,K2的大小可采用进行多项式拟合后的值,如图 3-8 所示。 河南科技大学硕士学位论文 50050000.900.920.940.960.981.001.021.041.06K2燃料的低热值Q t(kal /kg(N m3)) 600t/d的K2 800t/d的K2 拟合后的K2 图 3-8 K2曲线 curve 影响石灰窑产能的还有其它一些因素,如进料和出料的速度,石灰石的质量,操作的过程,当地的温度等。这些因素不易测得,随机性较大,在回转窑的设计计算中不易确定,在此不给予考虑。 3.2 回转窑设计方法及工作参数的确定回转窑设计方法及工作参数的确定 3.2.1 设计方法及依据设计方法及依据 1.设计方法 对回转窑的初始数据设计,首先要根据窑的额定的产量及工艺技术性能要求,初步确定回转窑的规格,然后对其进行产能的校核,从而确定回转窑的长度和有效内径。接着确定计算窑筒壳的厚度和各段的长度及重量,耐火砖和物料负荷重量,从而校核回转窑的强度,最后确定所需燃料的量、石灰物料在窑内停留时间、电机功率等主要关键参数。 2.设计依据 (1)回转窑的额定产量 G额定(t/d) (2)烧成热耗 q=1250kCal/kgCao 总的热耗 G额定× q (3)石灰石的粒度比。 (4)燃料种类的选用:气体燃料,固体燃料,液体燃料。 (5)所在地区的海拨值。 第 3 章 回转窑主要参数计算及选型 253.2.2 回转窑长径比回转窑长径比 回转窑的长径比指的是回转窑筒体的有效长度 L(指全窑长)与筒体内径 D(变径窑为筒体平均内径)之比。影响长径比的主要因素有燃料的种类、燃料的热值、进入回转窑的石灰原料的粒度。如果设计的回转窑长径比过大,会增加投资。长径比过小,锻炼石灰不充分或产量低。在以前的两档支承的石灰回转窑的长径比一般的范围取:L/D=12~15[7,20]。在此确定长径比首先要保证窑内石灰石分解反应过程的完成,根据生产实践,在一般情况下,用气体燃料时,长径比取:L/D=12.5~13.5;用煤粉时,长径比取:L/D=13.5~14.5;用重油时,长径比取:L/D=14~15。长径比还与回转窑直径有关,小窑取小值,大窑取大值,以保证回转窑的直径扩大时热工性能的相似。 3.2.3 回转窑规格回转窑规格 回转窑上的各个部件的尺寸一般与窑直径 D(筒壳内径)有关,滚圈、托轮、齿圈的直径,窑头、窑尾密封装置的尺寸,都随窑的直径 D 而定。这些零部件及至整台回转窑的通用化,都可以大大加快建设速度,方便制造和维修工作。目前,各设计回转窑的单位均有自己一套设计回转窑的设计标准[7,20-24]。为促进回转窑的系列化和通用化,在新的设计计算中应取窑直径为整数。 回转窑的生产是一个综合热工过程,窑的产量与许多因素有关,包括物质条件因素和操作因素,这些因素很难...

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