炭素煅燒回轉(zhuǎn)窯的優(yōu)化設(shè)計(jì)與數(shù)學(xué)模擬_圖文

1、鋁用炭素炭素煅燒回轉(zhuǎn)窯的優(yōu)化設(shè)計(jì)與數(shù)學(xué)模擬崔銀河,王敏,許開(kāi)偉(沈陽(yáng)鋁鎂設(shè)計(jì)研究院,遼寧沈陽(yáng)110001摘要:本文全面分析了目前國(guó)內(nèi)炭素煅燒回轉(zhuǎn)窯存在的主要技術(shù)問(wèn)題,提出了回轉(zhuǎn)窯優(yōu)化設(shè)計(jì)的解決方案,并通過(guò)數(shù)學(xué)模擬的方法對(duì)新、老式回轉(zhuǎn)窯進(jìn)行了模擬驗(yàn)證。優(yōu)化設(shè)計(jì)的新型回轉(zhuǎn)窯已經(jīng)通過(guò)生產(chǎn)運(yùn)行實(shí)踐檢驗(yàn),取得了很好的使用效果,對(duì)今后我國(guó)炭素煅燒回轉(zhuǎn)窯的設(shè)計(jì)及改造具有借鑒和指導(dǎo)意義。關(guān)鍵詞:回轉(zhuǎn)窯;數(shù)學(xué)模擬;優(yōu)化設(shè)計(jì)中圖分類(lèi)號(hào):TF806.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):100221752(20071123024Optimum designing and numerical simulating of rota

2、ry kiln for carbonCU I Y in-he,WAN G Min,XU Kai-wei(S henyang A l um i num&M agnesi um Engi neeri ng&Research Instit ute,S henyang110001,Chi na Abstract:By generally analyzing the main problems on the rotary kiln at present,this article gives the solving plan of its optimum design,and makes

3、the validation both for new type ones and old ones by the way of numerical simulation.The new type rotary kiln has been tested by application and gets a good effect,so it will have a good reference and instruction for the rotary kiln design and its modification in the later.K ey w ords:Rotary kiln;n

4、umerical simulation;optimum design石油焦是電解鋁用預(yù)焙陽(yáng)極生產(chǎn)的主要原料,石油焦煅燒是預(yù)焙陽(yáng)極生產(chǎn)的主要工序之一。煅燒質(zhì)量的好壞,直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量,因此,煅燒設(shè)備的選型尤為重要?；剞D(zhuǎn)窯是目前世界上采用最多的煅燒設(shè)備。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,生產(chǎn)能力大、機(jī)械化、自動(dòng)化程度高。1煅燒的原理及設(shè)備煅燒石油焦的目的是將延遲石油焦進(jìn)行熱處理,使之成為陽(yáng)極、陰極制品的合格原料。石油焦通過(guò)在煅燒窯(爐里的加熱,排除其中的揮發(fā)分和水分,提高碳質(zhì)原料的密度、機(jī)械強(qiáng)度、導(dǎo)電性能及化學(xué)穩(wěn)定性1。石油焦經(jīng)過(guò)12001350煅燒后,真密度提高30%左右。在我國(guó)石油焦煅燒設(shè)備主要有罐式爐、回轉(zhuǎn)窯、

5、回轉(zhuǎn)床和電煅爐四種類(lèi)型?；剞D(zhuǎn)窯煅燒石油焦具有產(chǎn)能大,投資少,對(duì)原料的適應(yīng)性較廣,產(chǎn)品質(zhì)量容易控制,易于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化控制等優(yōu)點(diǎn)。世界上約有85%的石油焦都采用回轉(zhuǎn)窯煅燒。目前國(guó)內(nèi)產(chǎn)能較大的陽(yáng)極生產(chǎn)工廠,均采用回轉(zhuǎn)窯作為石油焦的煅燒設(shè)備。2目前國(guó)內(nèi)炭素煅燒回轉(zhuǎn)窯存在的主要技術(shù)問(wèn)題近年來(lái),盡管?chē)?guó)內(nèi)的炭素煅燒回轉(zhuǎn)窯技術(shù)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步,但與國(guó)外先進(jìn)技術(shù)比較,目前國(guó)內(nèi)正在使用的大多數(shù)炭素煅燒回轉(zhuǎn)窯仍有許多不足的地方、甚至是明顯的缺陷,主要體現(xiàn)在:(1窯頭、窯尾密封不嚴(yán)。由于回轉(zhuǎn)窯煅燒過(guò)程是負(fù)壓操作,從窯頭、窯尾縫隙進(jìn)入少量空氣,使煅燒過(guò)程中碳燒損和煅燒焦微孔含量增加,從而影響到粘結(jié)劑的用量和粉末

6、電阻率。另外也使煅燒焦體積密度降低。(2二、三次風(fēng)管安裝位置不合理、壽命短。二、三次風(fēng)管安裝位置沒(méi)有與揮發(fā)分大量逸出的位置相適應(yīng),造成揮發(fā)分不能及時(shí)充分燃燒,大量的可燃物進(jìn)入到燃燒室燃燒,浪費(fèi)了能源,降低了回轉(zhuǎn)窯的熱效率。二、三次風(fēng)管澆注料是回轉(zhuǎn)窯內(nèi)最薄弱環(huán)節(jié),特別是由于二次風(fēng)風(fēng)管位于回轉(zhuǎn)窯內(nèi)溫度最高的煅燒帶,使用壽命16個(gè)月不等2。因修補(bǔ)風(fēng)嘴而造成的頻繁停窯,大大降低了回轉(zhuǎn)窯的運(yùn)轉(zhuǎn)率。(3窯皮溫度過(guò)高。窯皮溫度高達(dá)250 300,造成工人操作環(huán)境惡劣,散熱損失大,降低了回轉(zhuǎn)窯的熱效率。(4設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)率低、產(chǎn)能較小。國(guó)內(nèi)在運(yùn)行的回轉(zhuǎn)窯全年運(yùn)轉(zhuǎn)率一般在270天300天之間,與國(guó)外先進(jìn)水平年運(yùn)轉(zhuǎn)率3

7、30天以上存在較大差距。與國(guó)外先進(jìn)的同等規(guī)格的炭素煅燒回轉(zhuǎn)窯相比,目前國(guó)內(nèi)的回轉(zhuǎn)窯產(chǎn)能僅為其產(chǎn)能的40%60%。(5碳質(zhì)燒損高、實(shí)收率低。國(guó)內(nèi)回轉(zhuǎn)窯的碳質(zhì)燒損在8%10%之間,實(shí)收率約70%(干基,國(guó)外先進(jìn)的回轉(zhuǎn)窯碳質(zhì)燒損在5%7%之間,實(shí)收率收稿日期:2007-05-2775%以上,與之相比我們還有一定差距。(6煅燒焦理化指標(biāo)較差。主要表現(xiàn)在真密度低,電阻率高,國(guó)內(nèi)真密度2.02g/cm32.05g/cm3,電阻率450m500m;國(guó)外先進(jìn)水平2.05g/ cm32.08g/cm3,電阻率400m450m。真密度低,電阻率高導(dǎo)致的直接后果就是焙燒后的預(yù)焙陽(yáng)極在鋁電解過(guò)程中易產(chǎn)生掉渣和脫落的現(xiàn)

8、象,最終影響鑄造鋁錠的性能參數(shù)和理化指標(biāo)。(7自動(dòng)化水平較低。目前國(guó)內(nèi)回轉(zhuǎn)窯煅燒技術(shù)自動(dòng)控制變量和聯(lián)鎖控制回路普遍較少。回轉(zhuǎn)窯轉(zhuǎn)數(shù),二、三次風(fēng)風(fēng)量調(diào)節(jié),窯內(nèi)負(fù)壓等重要參數(shù)都是根據(jù)操作者的經(jīng)驗(yàn)手工調(diào)節(jié),人為因素占主導(dǎo)作用,容易造成生產(chǎn)中的誤操作,甚至引發(fā)事故。由于煅燒系統(tǒng)自動(dòng)控制水平偏低,造成工人勞動(dòng)強(qiáng)度高,生產(chǎn)運(yùn)行費(fèi)用高等弊端。3回轉(zhuǎn)窯優(yōu)化設(shè)計(jì)方案(1采用新型的窯頭、窯尾密封技術(shù)采用重錘拉緊徑向接觸式石墨塊密封與軸向迷宮式密封相結(jié)合的新型密封結(jié)構(gòu)。石墨塊與筒體鋼板接觸具有潤(rùn)滑功能,磨損慢、壽命長(zhǎng),相鄰兩塊石墨塊相互重迭,可以保證筒體偏擺量在0.05m以下時(shí)不產(chǎn)生縫隙的有效密封。數(shù)量可調(diào)的重錘通

9、過(guò)鋼絲繩把一定的壓緊力施加在石墨塊上,可以保持石墨塊與筒體的緊密接觸。這種密封結(jié)構(gòu),能夠最大限度的減少窯頭及窯尾冷空氣的進(jìn)入量,從而降低石油焦的碳質(zhì)燒損。(2優(yōu)化設(shè)計(jì)回轉(zhuǎn)窯二、三次風(fēng)管出口方向在回轉(zhuǎn)窯二、三次風(fēng)管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上將二次風(fēng)風(fēng)管的出口方向與煙氣流動(dòng)方向一致。三次風(fēng)風(fēng)管的出口方向與煙氣流動(dòng)方向相反。這種結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計(jì)將對(duì)回轉(zhuǎn)窯內(nèi)揮發(fā)分的濃度分布產(chǎn)生強(qiáng)烈的擾動(dòng),有利于加快揮發(fā)分與空氣的混合速度,從而加速揮發(fā)分的燃燒。(3優(yōu)化設(shè)計(jì)二、三次風(fēng)管與耐火澆注料的聯(lián)接形式在二、三次風(fēng)管的金屬管與澆注料之間增加一層絕熱層,減少澆注料與金屬管之間的熱傳遞,提高二、三次風(fēng)管的使用壽命。在澆注料用的金屬錨釘

10、上增加金屬編織網(wǎng),提高澆注料的強(qiáng)度,避免二、三次風(fēng)管澆注料受石油焦及熱沖擊影響早期脫落。通過(guò)以上改進(jìn)可將二、三次風(fēng)管預(yù)期的使用壽命提高到1年以上。(4優(yōu)化回轉(zhuǎn)窯的內(nèi)襯設(shè)計(jì),減少窯皮散熱損失老式2.84m×55m回轉(zhuǎn)窯內(nèi)襯厚度為0. 27m,分為兩層,內(nèi)層厚0.2m,為高鋁澆注料,外層厚0.07m,為輕質(zhì)澆注料。通過(guò)數(shù)值計(jì)算分析,在總厚度不變的情況下,將其改為三層,從內(nèi)到外分別為:0.1m鋼纖維增強(qiáng)澆注料,0.1m高鋁澆注料及0.07m輕質(zhì)澆注料。這樣可使窯皮表面溫度降到100以下,窯體表面散熱損失將減少50%以上。(5優(yōu)化回轉(zhuǎn)窯窯尾結(jié)構(gòu),增強(qiáng)預(yù)熱能力、減少碳質(zhì)燒損在距窯尾6m7m處至

11、窯尾一段將回轉(zhuǎn)窯直徑增大0.6m,這樣可以有效降低窯尾預(yù)熱帶生焦的填充率,增大物料與回轉(zhuǎn)窯內(nèi)襯的接觸面積,有利于生焦中水分和揮發(fā)分的快速溢出,對(duì)于延長(zhǎng)煅燒帶的長(zhǎng)度,提高煅燒帶的溫度有利。同時(shí),由于回轉(zhuǎn)窯預(yù)熱帶直徑的擴(kuò)大,降低了回轉(zhuǎn)窯窯尾密封圈處的煙氣流速,減少了隨煙氣進(jìn)入燃燒室的粉料量,從而使回轉(zhuǎn)窯實(shí)收率得以提高。(6強(qiáng)化控制、提高轉(zhuǎn)速、增加產(chǎn)能增加工藝操作的連鎖控制回路。即將回轉(zhuǎn)窯加料速度、一次風(fēng)量、燒嘴燃料加入量、二次風(fēng)量、三次風(fēng)量、煅燒帶溫度、窯內(nèi)負(fù)壓、回轉(zhuǎn)窯轉(zhuǎn)速及窯尾出口氧含量等控制變量全部納入到連鎖控制程序中,使整個(gè)煅燒工藝操作過(guò)程由人工手動(dòng)調(diào)節(jié)為主變?yōu)樽詣?dòng)控制為主,手動(dòng)調(diào)節(jié)為輔,避

12、免人工調(diào)節(jié)偏差較大的弊端。通過(guò)熱平衡計(jì)算發(fā)現(xiàn),老式2.84m×55m回轉(zhuǎn)窯窯內(nèi)揮發(fā)分的燃燒供熱能力完全可以滿(mǎn)足提高產(chǎn)能15%的需要,在控制好其它變量及保證煅燒焦質(zhì)量的同時(shí),將回轉(zhuǎn)窯的轉(zhuǎn)動(dòng)速度由目前的1.8r/min提高到2.4r/min,產(chǎn)能可提高15%以上。4回轉(zhuǎn)窯的數(shù)學(xué)模擬4.1老式2.84m×55m回轉(zhuǎn)窯的數(shù)學(xué)模擬本文通過(guò)數(shù)學(xué)模擬的方法對(duì)沈陽(yáng)鋁鎂設(shè)計(jì)研究院為國(guó)內(nèi)某公司設(shè)計(jì)的老式2.84m×55m煅燒回轉(zhuǎn)窯內(nèi)流場(chǎng)、溫度場(chǎng)以及濃度場(chǎng)進(jìn)行了模擬,模擬結(jié)果如下:圖1顯示的是沈陽(yáng)鋁鎂設(shè)計(jì)研究院為國(guó)內(nèi)某公司設(shè)計(jì)的回轉(zhuǎn)窯的實(shí)際結(jié)構(gòu)及模擬出的z=0平面溫度分布云圖。由圖1我

13、們可以看出,回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的溫度分布與理想狀況有較大的差距,盡管能夠滿(mǎn)足正常生產(chǎn)的需要,但對(duì)煅燒焦的質(zhì)量和實(shí)收率影響較大。其燃燒帶位于二次風(fēng)供風(fēng)處和三次風(fēng)供風(fēng)處之間,其煙氣溫度大都在1200以上,從二次風(fēng)供風(fēng)處到窯頭之間,溫度有所降低,但依舊保持較高溫度,基本都在950以上。三次風(fēng)供風(fēng)處與窯尾之間溫度相對(duì)較低,大致在800左右,模擬結(jié)果與生產(chǎn)實(shí)際情況基本一致 。圖1 回轉(zhuǎn)窯內(nèi)溫度分布云圖圖2回轉(zhuǎn)窯內(nèi)CH 4 濃度分布圖圖3回轉(zhuǎn)窯CO 濃度分布云圖圖24顯示的是回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的揮發(fā)分氣體分布云圖。從圖中可以看出,揮發(fā)分中的可燃?xì)怏w在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)不能夠完全燃燒,到達(dá)窯尾時(shí),仍有較多的CH 4,CO ,H 2等可燃

14、氣體存在,由于窯尾存在較大的負(fù)壓,這些可燃?xì)怏w被抽入燃燒室內(nèi)繼續(xù)燃燒,從而造成能源的較大浪費(fèi)。這也說(shuō)明了回轉(zhuǎn)窯的二、三次風(fēng)管安裝位置沒(méi)有與揮發(fā)分大量逸出的位置相適應(yīng),造成揮發(fā)分不能在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)及時(shí)充分燃燒,降低了回轉(zhuǎn)窯的熱效率。數(shù)學(xué)模擬的結(jié)果從理論上也驗(yàn)證了老式回轉(zhuǎn)窯在結(jié)構(gòu)和操作參數(shù)上存在著本文中提到的技術(shù)缺陷 。圖4回轉(zhuǎn)窯內(nèi)H 2濃度分布云圖圖5回轉(zhuǎn)窯溫度分布云圖(優(yōu)化后4.2優(yōu)化設(shè)計(jì)后2.84m ×55m 回轉(zhuǎn)窯的數(shù)學(xué)模擬圖5顯示的是優(yōu)化結(jié)構(gòu)和操作參數(shù)后回轉(zhuǎn)窯內(nèi)z =0平面溫度分布云圖,從圖中可以看出,其溫度場(chǎng)已明顯優(yōu)化,與理想狀態(tài)極為接近。圖6-8顯示的是回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的揮發(fā)分氣體分布

15、云圖,從圖中可以看出回轉(zhuǎn)窯內(nèi)揮發(fā)分中的可燃?xì)怏w在窯尾的殘余量明顯降低,揮發(fā)分中的可燃性氣體在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)得到了充分燃燒,這對(duì)于提高回轉(zhuǎn)窯的熱效率,改善石油焦的煅燒質(zhì)量及實(shí)收率極為有利。數(shù)學(xué)模擬結(jié)果表明優(yōu)化結(jié)構(gòu)和操作參數(shù)后回轉(zhuǎn)窯在理論上取得了預(yù)期的效果。 圖6回轉(zhuǎn)窯內(nèi)CH 4濃度分布云圖(優(yōu)化后 圖7回轉(zhuǎn)窯內(nèi)CO 濃度分布云圖(優(yōu)化后 圖8回轉(zhuǎn)窯內(nèi)H 2濃度分布云圖(優(yōu)化后5生產(chǎn)運(yùn)行實(shí)踐2005年沈陽(yáng)鋁鎂設(shè)計(jì)研究院根據(jù)數(shù)學(xué)模擬及優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究結(jié)果為國(guó)內(nèi)某石化企業(yè)設(shè)計(jì)了2臺(tái)新型的2.84m ×55m 回轉(zhuǎn)窯,該回轉(zhuǎn)窯于2006年2月投料試車(chē),2006年4月達(dá)產(chǎn)達(dá)標(biāo),截止到2007年4月2臺(tái)回

16、轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)運(yùn)行平穩(wěn),產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定,產(chǎn)品已成功出口到俄羅斯、澳大利亞、日本等多個(gè)國(guó)家,受到了廣大用戶(hù)的好評(píng)。表1為新、老型回轉(zhuǎn)窯的運(yùn)行指標(biāo)對(duì)比情況。從表1可以看出,新型回轉(zhuǎn)窯的各項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于老式回轉(zhuǎn)窯,從而證明了回轉(zhuǎn)窯方案優(yōu)化及數(shù)學(xué)模擬的正確性。表1新、老型回轉(zhuǎn)窯指標(biāo)對(duì)比項(xiàng)目老式2.84m ×55m 回轉(zhuǎn)窯新型2.84m ×55m 回轉(zhuǎn)窯回轉(zhuǎn)窯產(chǎn)能,t/h811煅燒焦真密度,g/cm 32.032.06煅燒焦電阻率,m500400碳質(zhì)燒損,%8107天然氣單耗,Nm 3少量正常生產(chǎn)時(shí)無(wú)須外加燃料年運(yùn)轉(zhuǎn)天數(shù),d 270300窯皮溫度,>200150二、三次風(fēng)管壽命,月36>126結(jié)語(yǔ)通過(guò)對(duì)炭素煅燒回轉(zhuǎn)窯的優(yōu)化設(shè)計(jì)、數(shù)學(xué)模擬以及生產(chǎn)運(yùn)行實(shí)踐的檢驗(yàn),有如下主要結(jié)論:(1沈陽(yáng)鋁鎂設(shè)計(jì)研究院新開(kāi)發(fā)研制的改進(jìn)型2.84m ×55m 炭素煅燒回轉(zhuǎn)窯已成功應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐,解決了目前我國(guó)在生產(chǎn)運(yùn)行的絕大多