回转窑筒体散热计算方法探讨

0 前言 对于新型干法水泥生产线，回转窑的管理和运 行是水泥企业的核心，而烧成燃料消耗的成本占水 泥生产成本的比例随着燃料价格的上扬越来越大， 因此，生产过程中各个环节的节能降耗是每个水泥 生产企业必须认真思考的问题。目前新型干法水泥 生产线的烧成热耗大约为2 920~3 200 kJ/kg，正常生 产时，回转窑筒体温度一般在250~350℃，其筒体 面散热损失大约为90~220 kJ/kg[1-2]，即筒体散热占烧 成热耗的比例大约为3.1%~6.5%[1-2]。窑内砌筑耐火 砖一方面是防止窑筒体温度过高而引起窑筒体塑性 变形，另一方面起到隔热保温的作用，从而可以有效 降低窑筒体表面散热损失。本文从理论角度探讨回 转窑筒体散热计算模型，从而讨论影响筒体散热的 各因素及对实际生产中窑筒体散热量的估算。 1 回转窑筒体散热模型的建立 1.1 模型假设 （1）窑内高温气体向窑皮的传热方式为辐射换 热和对流换热； （2）窑皮、窑砖和窑筒体间只存在传导传热； （3）窑筒体外壁与周围环境只存在对流换热； （4）窑皮与耐火砖为紧密接触，即接触部位处 的窑皮温度与砖温相同； （5）耐火砖与窑筒体紧密接触，即接触部位处 的耐火砖温度与窑筒体温度相同; （6）窑筒体内表面温度与外表面温度相同（筒 体厚度忽略不计）； （7）忽略物料对换热的影响； （8）窑内到窑筒体的各项换热均处于稳态换热。 1.2 换热模型推导 根据辐射和对流换热理论，窑内热气体向窑皮 的换热可以表达为[3]： Q1 =[σε(Tg4 -T14) + αg(Tg -T1)] ⋅ π( )D-2δ L（1） 其中 ε 为气体与窑皮之间的导来黑度，δ 为窑 皮厚度 δ 1与耐火砖厚度 δ 2之和，Tg 为气体温度， T1 为窑皮内表面温度。 窑皮内部的导热可表达为： Q2 = T1 -T212πLλ1 ⋅ ln D-2δ2 D-2δ （2） 窑砖内部的导热可表达为： Q3 = T2 -T12πLλ2 ⋅ ln D D-2δ2 （3） 窑筒体内向周围环境的对流换热可以表达为： Q4 = α0 ⋅ πD ⋅L ⋅(T-T0) （4） 根据稳态传热，有： Q1 =Q2 =Q3 =Q4 =Q （5） 联立式（1）~（5），可以得到： T14 + éëêê ù ûúú C B + S3 B ⋅ ( )1+ k ⋅T1 - é ëêê ù ûúúTg 4 + CB ⋅Tg + S3 B ⋅ ( )1+ k ⋅T0 = 0 （6） 其中： k=S3 ⋅ æèç ö ø÷ 1 S1 + 1 S2 中图分类号：TQ172.6 文献标识码：B 文章编号：1007-0389（2012）04-23-04 回转窑筒体散热计算方法探讨 赵宁宁（中国中材国际工程股份有限公司，江苏 南京 21100） 摘 要：通过回转窑内气体辐射换热和耐火砖、窑皮的导热及窑筒体与环境之间的对流换热的研究，给出了回转窑筒体散热 计算模型，基于该模型研究了窑筒体温度与耐火砖、窑皮厚度的关系。按此计算模型，估算5 500 t/d熟料线回转窑的筒体散热 量与实际标定结果相近。 关键词：散热量；计算模型；回转窑；筒体；窑皮；窑砖厚度 Discussion on calculation of loss of heat through wall of rotary kiln Zhao Ningning(Sinoma International Engineering Co.,Ltd., Nanjing, Jiangsu, 211000) Abstract: By researching on gas heat radiation exchange in kiln, heat conduction of refractory brick and lining coating and convection heat transfer between shell and environment, the calculation mode of loss of heat through wall was found out, and based on the calcula⁃ tion mode, the relation of shell temperature and thickness of lining coating and refractory brick was studied. With the calculation mode, estimated result of the heat loss through wall of a 5 500 t/d clinker production line was close to the real heat process measuring. Key words: heat release; calculation mode; rotary kiln; shell;lining coating;thickness of brick 2012年第4期 设计研究赵宁宁：回转窑筒体散热计算方法探讨 --23 S1 = 112πλ1 ⋅ ln æ èç ö ø÷ D-2δ2 D-2δ ；S2 = 1 12πλ2 ⋅ ln æ èç ö ø÷ D D-2δ2 S3 = α0 ⋅ π ⋅D；B= σ ⋅ ε ⋅ π ⋅ ( )D-2δ C= αg ⋅ π ⋅ ( )D-2δ 2 计算实例 假设窑熟料产量 G=5 000 t/d，窑直径D=4.8 m， 耐火砖厚度 δ2 =0.22 m，窑皮厚度 δ1 =0.15 m，窑内气 体温度 Tg =1 700℃，环境温度 T0 =20℃，环境风速 U0=2 m/s，当地大气压力 P=100 kPa，窑皮导热系数 λ1 =2.8 W/(m·℃)，耐火砖导热系数 λ2 =3.3 W/(m·℃)， 窑内气体流速 Ug=10 m/s，窑内气体中 CO2 含量为 15%（即 CO2 分压为 Pc=15 kPa），水蒸气含量为 2% （即水蒸气分压为 PW=2 kPa），窑内气体辐射仅为 CO2和水蒸气的辐射。 根据 PW ×L=2 000×(4.8-2×0.22-2×0.15)=8 120 Pa·m，查手册可以获得水蒸汽的辐射率约为 εW = 0.048 2。根据 Pc ×L=15 000×(4.8-2×0.22-2×0.15)= 600899 Pa·m，查手册可以获得 CO2 的辐射率约为 εc =0.128 4。由于Pc·L+PW·L=69 019 Pa·m，PW/(PW+ Pc)=0.118，Δε =0.012 0。则水蒸气与 CO2总辐射系 数为 εg =0.0482+0.1284-0.0120=0.1646。 根据以上假设数据，可得： S1 = 112πλ1 × ln æ èç ö ø÷ D-2δ2 D-2δ = 1 12π × 2.8 × lnæèç öø÷ 4.8 - 2 × 0.224.8 - 2 × 0.22- 2 × 0.15 = 246.78 w/(m ⋅℃) S2 = 112πλ2 × ln æ èç ö ø÷ D D-2δ2 = 112π × 3.3 × ln( 4.84.8 - 2 × 0.22) = 215.66 w/(m ⋅℃) B= σ ⋅ εg ⋅ π ⋅ ( )D-2δ =5.672 × 10-8 × 0.1646 × 3.14 × (4.8-2×0.22-2×0.15)=11.90×10-8 查表得，窑内气体的黏度m=5.818×10-5 Pa·s，比 热Cp=1143.1 J/kg·oC，导热系数 λ g=0.107 9 W/m·oC， 则有：Pr = μ ⋅Cpλ = 5.818 × 10 -5 × 1143.10.1079 = 0.616 窑内气体雷诺数： Re = ρ ⋅U ⋅ ( )D-2δμ = 0.1859 × 10 ×(4.8 - 2 × 0.22- 2 × 0.15) 5.818 × 10-5 = 1.297 × 10 5 其中 ρ为窑内气体密度: ρ=1.3616 × 273273+ 1700 × 100101.325 = 0.1859 kg/m3 , 1.3616 为φ（CO2）=15%，φ（O2）=6%，φ（N2）=77%， φ（H2O）=2%时的标态密度。 窑内气体努谢特准数[8]： Nu=0.023 ⋅ Re0.8 ⋅ Pr0.3 = 0.023 × ( )1.297 × 105 0.8 × 0.6160.3 = 245.0 窑内气体对流换热系数： αg = Nu ⋅ λgD-2δ = 245.0 × 0.10794.8 - 2 × 0.22- 2 × 0.15 = 6.51W/(m2 ⋅℃) C=6.51 × π × ( )4.8 - 2 × 0.22- 2 × 0.15 = 83.06W/(m2 ⋅℃) 假设窑筒体与环境温差为280℃，环境风速为2 m/s，查表[9]得窑筒体与环境的对流换热系数为 37.6 W/（m2·℃），则有： S3 = α0 ⋅ π ⋅D=37.6π × 4.8 = 566.78 W/（m·oC） k=S3 ⋅ æèç ö ø÷ 1 S1 + 1 S2 = 566.78 × æèç öø÷ 1246.78 + 1215.66 = 4.925 代入方程（6）得： T14 + 1.501 × 109T1 - 1.676 × 1013 = 0 （7） 解方程（7），可得：T1 =1930K（1657 oC）。 将T1 分别代入方程（1）~（4），可解得： Q=B ×(Tg4 -T14) +C ×(Tg -T1) = 11.90 × 10-8 × (19734 - 19304)+ 83.06 × (1973- 1930)= 156 578W/m T2 =T1 -Q/S1 = 1930- 156 578/246.78= 1 295 K(1 022 ℃) T=T2-Q/S2= 1295- 156578/215.66= 569 K(296 ℃) 3 影响窑筒体温度因素分析 3.1 窑皮厚度对筒体温度的影响 根据上述计算方法，固定气体温度 1 700℃，耐 火砖厚度与窑皮厚度的对应关系见表1和图1。 由图1可以看出，当耐火砖厚度为220 mm、窑皮 厚度少于 35 mm 时，窑筒体温度将高于 400℃。因 2012年第4期 设计研究 赵宁宁：回转窑筒体散热计算方法探讨 --24 此，当烘窑阶段窑内没有窑皮，窑筒体高于400℃是 正常的。以窑筒体温度低于 400℃作为控制条件， 当窑砖厚度为 220 mm 时，窑皮必须超过 35 mm；当 窑砖厚度为 180 mm 时，窑皮必须超过 65 mm；当窑 砖厚度为 150 mm 时，窑皮必须超过 90 mm；当窑砖 厚度为100mm时，窑皮必须超过135mm。 3.2 窑砖厚度对筒体温度的影响 根据上述计算方法，固定气体温度 1 700℃，窑 砖厚度与窑皮厚度的对应关系见表 2，窑筒体温度 与窑砖厚度的关系曲线见图2。 由图2可以看出，当窑砖厚度少于140 mm、窑皮 厚度低于 100 mm时，窑筒体温度将高于 400℃。在 没有窑皮时，即使窑砖厚度在 220 mm，窑筒体温度 也将高于 400℃。一般来看，要保持窑筒体温度低 于 400 ℃，窑皮和窑砖的总厚度必须大于 230~ 2500mm。 3.3 气体温度对筒体温度的影响 根据上述计算方法，窑砖厚 220 mm时，窑筒体 温度与气体温度和窑皮厚度的关系见图3、表3。 由图 3可以看出，窑筒体温度随气体温度的上 升而线性升高，窑皮越薄，筒体温度上升越快。从窑 头烧成带到窑尾，气体温度通常由 1700oC 降至 1000oC 左右，当在无窑皮的情况下，筒体温度将由 444oC 降至 268oC。如果烧成带窑皮厚度在 100~ 200mm之间时，窑筒体温度范围在333~267oC之间。 4 窑筒体散热分析 4.1 窑砖厚度对窑筒体散热的影响 假设气体温度固定为 1 700℃，窑筒体散热量 (kW/m)随窑砖厚度、窑皮厚度的关系见表 4和图 4。 由图4可以看出，窑皮越薄，窑筒体散热随窑砖厚度 的减薄而上升越快。当窑皮在100 mm时，窑砖减薄 100mm，窑筒体散热将增加34%~38%。 4.2 窑筒体温度分布及总散热量估算 假设不计物料在窑内的化学反应热，只要假设 气体温度、窑皮厚度在窑长度方向上的分布，就能估 算出窑筒体温度分布和总散热量。假设和估算结果 见表5。 耐火砖厚 度/mm 220 180 150 100 不同窑皮厚度(mm)时的筒体温度/℃ 0 444 502 556 683 50 381 422 459 539 100 333 364 391 448 150 296 321 342 384 200 267 287 303 336 250 243 259 273 299 窑 筒 体 温 度 /℃ 200 250 300 350 400 450 500 200 250150100500 窑皮厚度/mm 镁铬砖厚220 mm 180 mm 150 mm 100 mm 图1 窑皮厚度与窑筒体温度曲线 表1 耐火砖厚度、窑皮厚度以及筒体温度的对应关系 窑皮厚 度/mm 0 50 100 150 200 不同窑砖厚度(mm)时的筒体温度/℃ 80 754 580 475 403 351 100 683 539 448 384 336 120 625 504 423 366 322 140 577 473 402 349 309 160 537 446 382 334 297 180 502 422 364 321 287 200 471 400 348 308 276 220 444 381 333 296 267 表2 耐火砖厚度、窑皮厚度以及筒体温度的对应关系 窑 筒 体 温 度 /℃ 550 250 300 350 400 450 500 150 mm 窑砖厚度/mm 22020018016014012010080 100 mm 200 mm 50 mm 窑皮厚度 0 mm 图2 窑砖厚度与窑筒体温度曲线 窑皮厚 度/mm 0 50 100 150 200 不同气体温度（℃）时的筒体温度/℃ 1 000 268 232 204 183 165 1100 295 255 224 200 181 1200 322 277 243 217 196 1 300 347 298 262 233 210 1 400 372 320 280 249 225 1 500 397 340 298 265 239 1 600 421 361 316 281 253 1 700 444 381 333 296 267 图3 窑皮厚度、筒体温度以及气体温度的对应关系 窑 筒 体 温 度 /℃ 200 250 300 350 400 450 150 窑皮厚度 0 mm 150 mm100 mm 200 mm 50 mm 1 7001 6001 5001 4001 3001 2001 1001 000 气体温度/℃ 表3 窑皮厚度、筒体温度以及气体温度的对应关系 2012年第4期 设计研究赵宁宁：回转窑筒体散热计算方法探讨 --25 （3）在增加有效储量和节省投资方面，长形预 均化堆场设计选择适当加宽堆场比加长堆场要更为 有效，同时不建议选用料堆宽度<20 m 的堆场。一 个长形堆场中堆放多种物料，同时厂区布置空间紧 张时，可以考虑做挡墙间隔料堆，节省空间和投资。 参考文献 [1] 国家建筑材料工业定额总站.水泥工厂设计规范[S]. 北京:中国计划出版社,2008: 17、18、21、22、173-176 . [2] 于兴敏.新型干法水泥实用技术全书.北京:中国建材工业 出版社[M],2006:885-901. [3] 水泥厂工艺设计手册编写组.水泥工厂工艺设计手册上 册[M].北京:中国建筑工业出版社,1976:483-504. （编辑：刘翠荣）（收修改稿日期：2012-06-28） 窑皮厚度 mm 50 100 150 200 不同窑砖厚度（mm）时的筒体散热量/（kW·m-1） 80 359 279 228 192 100 327 259 214 182 120 301 242 202 173 140 278 227 191 165 160 258 213 181 157 180 241 201 172 150 200 226 190 164 144 220 212 181 157 138 图4 随窑砖厚度和窑皮厚度的筒体散热变化曲线 窑 筒 体 散 热 量 /(kW ·m -1 ) 250 300 350 100 150 200 150 mm 100 mm 200 mm 50 mm窑皮厚度 22020018016014012010080 窑砖厚度/mm 表4 随窑砖厚度和窑皮厚度的筒体散热变化 窑长度分段 窑长度/m 窑皮厚度/mm 气体温度/℃ 窑筒体温度/℃ 换热量/（kW·m-1） 换热量/kW 1 18 150 1 700 296 156.63 2 819.3 2 10 0 1 600 421 240.22 2 402.2 3 10 0 1 500 397 223.51 2 235.1 4 10 0 1 400 372 206.73 2 067.3 5 10 0 1 300 347 189.90 1 899.0 6 10 0 1 200 322 173.00 1 730.0 7 4 0 1100 295 156.04 624.2 合计 72 13 777 表5 窑筒体温度分布和总散热量估算结果 假设窑熟料产量为5 500 t/d，则1 kg熟料的窑筒 体单位散热量为： 13 777 × 3 6005 500 × 1 000 × 24= 216.4 kJ/kg 该估算结果与热工标定值比较接近。 5 结论 （1）通过回转窑内气体辐射换热和耐火砖、窑 皮的导热及窑筒体与环境之间的对流换热的研究， 给出了回转窑筒体散热计算模型，通过该模型研究 了窑筒体温度与耐火砖、窑皮厚度的关系，从而对回 转窑在实际生产操作中，通过窑筒体温度来判断耐 火砖及窑皮厚度情况。 （2）本文通过合理假设窑内气体温度分布，从 而估算出窑筒体表面散热量，计算结果与实际测量 结果比较吻合，因而证明本文的窑筒体散热计算模 型可以用于热工计算和实际生产操作的指导。 参考文献 [1] 李斌怀, 郭俊才. 预分解窑水泥生产综合技术及操作实例 [M], 武汉: 武汉理工大学出版社, 2006：246. [2] 陈全德. 水泥预分解技术与热工系统工程[M]，北京：中国 建材工业出版社，1997.389：433-436. [3] 孙晋涛. 硅酸盐工业热工基础[M]，武汉: 武汉理工大学出 版社, 1991. 104,147. [4] GB/T 26282-2010，水泥回转窑热平衡测定方法[S]. （编辑：刘翠荣）（收稿日期：2012-07-02） 2012年第4期 􀤲􀤲􀤲􀤲􀤲􀤲􀤲􀤲􀤲􀤲􀤲􀤲􀤲􀤲􀤲􀤲􀤲􀤲􀤲􀤲􀤲􀤲􀤲􀤲􀤲􀤲􀤲􀤲􀤲􀤲􀤲􀤲􀤲􀤲􀤲􀤲􀤲􀤲􀤲􀤲􀤲􀤲􀤲􀤲􀤲􀤲􀤲􀤲􀤲􀤲􀤲􀤲􀤲􀤲􀤲􀤲􀤲􀤲􀤲􀤲􀤲􀤲􀤲􀤲􀤲􀤲􀤲􀤲􀤲􀤲􀤲􀤲􀤲􀤲􀤲􀤲􀤲􀤲􀤲􀤲􀤲􀤲􀤲􀤲􀤲􀤲􀤲􀤲􀤲􀤲􀤲􀤲􀤲􀤲􀤲􀤲􀤲􀤲􀤲􀤲􀤲􀤲􀤲􀤲􀤲 （上接第22页） 设计研究 赵宁宁：回转窑筒体散热计算方法探讨 --26