外熱式回轉(zhuǎn)爐換熱方式分析

杜志敏，王 苗，劉智祥

（西安三瑞實(shí)業(yè)有限公司，陜西西安 710077）

目前回轉(zhuǎn)爐廣泛應(yīng)用于環(huán)保、化工、建材、冶金等行業(yè)，是一種用于干燥、煅燒、冷卻固體物料的回轉(zhuǎn)圓筒類設(shè)備。對物料品質(zhì)較高的回轉(zhuǎn)爐普遍采用外熱式，但該加熱方式存在換熱面積較小的問題，在物料處理量較大時，設(shè)備規(guī)格大，加工制造難度高，運(yùn)輸困難。提高換熱面積、降低設(shè)備規(guī)格是發(fā)展的趨勢。

目前外熱式回轉(zhuǎn)爐爐壁及列管換熱方式的應(yīng)用較為廣泛，混合式換熱方式的研究分析較少。本文對比了多種外熱式回轉(zhuǎn)爐換熱方式，說明混合式換熱方式可提高設(shè)備換熱面積，降低設(shè)備規(guī)格，提高生產(chǎn)效率。

1 熱傳遞的基本型式

熱傳遞主要包括熱傳導(dǎo)、對流和輻射三種換熱方式。熱傳導(dǎo)理論[1]中，固體導(dǎo)電體通過自由電子遷移傳遞能量，固體非導(dǎo)電體通過晶格振動傳遞能量。對流是指流體各部分質(zhì)點(diǎn)發(fā)生相對位移而引起的熱量傳遞過程。輻射是指一種以電磁波傳播能量的現(xiàn)象。

2 外熱式回轉(zhuǎn)爐換熱分析

2.1 爐壁換熱方式換熱分析

爐壁換熱方式的外熱式回轉(zhuǎn)爐換熱過程中的熱量分布，如圖1所示。載熱氣體攜帶的總熱量Qo通過對流、輻射等作用將熱量傳遞至回轉(zhuǎn)爐爐體外壁，再通過熱傳導(dǎo)傳遞至回轉(zhuǎn)爐爐體內(nèi)壁。當(dāng)回轉(zhuǎn)爐爐體內(nèi)壁處于物料覆蓋時，熱量Qm由回轉(zhuǎn)爐體內(nèi)壁通過導(dǎo)熱、對流、輻射等方式將熱量傳給物料；當(dāng)回轉(zhuǎn)爐爐體內(nèi)壁處于物料覆蓋以外時，熱量Qg由回轉(zhuǎn)爐體內(nèi)壁通過輻射等方式將熱量傳給爐內(nèi)氣體及物料。載熱氣體攜帶的部分熱量通過保溫層散失到外界，即熱量Qs。

圖1 爐壁換熱方式橫截面換熱示意圖

2.2 列管換熱方式換熱分析

列管換熱方式的外熱式回轉(zhuǎn)爐換熱過程中的熱量分布，如圖2所示。載熱氣體攜帶的總熱量Qo通過對流、輻射等作用將熱量傳遞至列管內(nèi)壁，再通過熱傳導(dǎo)傳遞至列管外壁。當(dāng)列管外壁處于物料覆蓋時，熱量Qm由列管外壁通過熱傳導(dǎo)方式將熱量傳給物料；當(dāng)列管外壁處于物料覆蓋以外時，熱量Qg由列管外壁通過對流、輻射等方式將熱量傳給爐內(nèi)氣體及物料界面。載熱氣體攜帶的部分熱量通過保溫層散失到外界，即熱量Qs。

圖2 列管換熱方式橫截面換熱示意圖

2.3 混合換熱方式換熱分析

混合換熱方式的外熱式回轉(zhuǎn)爐換熱過程中的熱量分布，如圖3所示。載熱氣體攜帶的總熱量Qo由兩部分組成，一部分由爐體外側(cè)的熱風(fēng)通道內(nèi)的載熱氣體攜帶，另一部分由列管內(nèi)部的熱風(fēng)通道內(nèi)的載熱氣體攜帶。當(dāng)換熱面處于物料覆蓋時，熱量Qm由換熱面通過熱傳導(dǎo)等方式將熱量傳給物料；當(dāng)換熱面處于物料覆蓋以外時，熱量Qg由換熱面通過對流、輻射等方式將熱量傳給爐內(nèi)氣體及物料界面。載熱氣體攜帶的部分熱量通過保溫層散失到外界，即熱量Qs。

圖3 爐壁換熱方式橫截面換熱示意圖

3 實(shí)際使用效果分析

礦物料實(shí)驗(yàn)的物料平衡計(jì)算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。物料：礦物料；進(jìn)料量：450kg/h；出料量：400kg/h；熱源：天然氣（進(jìn)750℃，出550℃）。

3.1 實(shí)驗(yàn)過程熱量計(jì)算

3.1.1 物料升溫需要熱量

進(jìn)料溫度為250℃；出料溫度為550℃；所選礦物料比熱為1.5kJ/（kg·℃）；物料升溫需要熱量為：450×1.5×（550- 250）=202500kJ/h

3.1.2 物料反應(yīng)熱

所選礦物料反應(yīng)活化能：90kJ/mol；

參與反應(yīng)的物質(zhì)的量為固體物質(zhì)的量，根據(jù)物料平衡表計(jì)算得440mol。

反應(yīng)熱為440×90=39 600kJ/h。

3.1.3 實(shí)驗(yàn)物料共需熱量

各部分熱量占總熱量比例如表1所示。

表1 試驗(yàn)物料熱量占總熱量比例

3.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備規(guī)格計(jì)算

3.2.1 總換熱系數(shù)

實(shí)驗(yàn)設(shè)備總換熱系數(shù)50W/（m2·℃）

3.2.2 對數(shù)溫差計(jì)算

物料250℃→550℃；熱源750→550℃；對數(shù)溫差：

3.2.3 實(shí)驗(yàn)物料所需換熱面積

3.2.4 實(shí)驗(yàn)設(shè)備體積

所選礦物料堆密度為1 500kg/m3；物料的體積流量；450/ 1 500=0.3m3/h；物料反應(yīng)所需的時間為30min；設(shè)備的填充率為15%；設(shè)備的有效容積；0.3×（30/60）/15%=1m3。

3.2.5 實(shí)驗(yàn)設(shè)備規(guī)格選擇

選擇實(shí)驗(yàn)設(shè)備長徑比為8，根據(jù)容積計(jì)算實(shí)驗(yàn)設(shè)備直徑為：（4×1/3.14/8）^（1/3）=0.54m；

實(shí)驗(yàn)設(shè)備初選規(guī)格φ550×4500mm；返算實(shí)驗(yàn)設(shè)備填充率為14%。

3.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備換熱面積計(jì)算

3.3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備選爐壁換熱方式的換熱面積

實(shí)驗(yàn)設(shè)備規(guī)格為：φ550×4500mm，加熱段爐體最大長度為2.5m，計(jì)算換熱面積為4.32m2。無法滿足實(shí)驗(yàn)物料反應(yīng)需要的換熱面積5.45m2，因此實(shí)驗(yàn)設(shè)備規(guī)格需要增大。

3.3.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備選列管換熱方式的換熱面積

實(shí)驗(yàn)設(shè)備規(guī)格為：φ550×4500mm，加熱段列管最大長度為：3.4m，可分布列管6根，外徑φ89mm，計(jì)算列管換熱面積為：5.7m2。滿足實(shí)驗(yàn)物料反應(yīng)需要的換熱面積5.45m2。

3.3.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備選混合換熱方式的換熱面積

實(shí)驗(yàn)設(shè)備規(guī)格為：φ550×4500mm，加熱段爐體最大長度為2m，計(jì)算換熱面積為3.45m2；加熱段列管最大長度為3.4m，可分布列管6根，外徑φ89mm，計(jì)算列管換熱面積為5.7m2；加熱段爐體和列管換熱面積合計(jì)9.15m2。滿足實(shí)驗(yàn)物料反應(yīng)需要換熱面積5.45m2。

3.4 實(shí)驗(yàn)設(shè)備實(shí)際使用效果

按爐壁、列管、混合換熱方式，各加工一臺規(guī)格為：φ550×4500mm 的實(shí)驗(yàn)爐進(jìn)行試驗(yàn)。相同實(shí)驗(yàn)條件下，不同換熱方式的實(shí)驗(yàn)爐檢測出穩(wěn)定合格產(chǎn)品，物料所需在實(shí)驗(yàn)爐內(nèi)部的停留時間不同：

爐壁換熱方式試實(shí)爐物料在設(shè)備內(nèi)部的停留時間為67min；列管換熱方式實(shí)驗(yàn)爐物料在設(shè)備內(nèi)部的停留時間為48min；混合換熱方式實(shí)驗(yàn)爐物料在設(shè)備內(nèi)部的停留時間為31min。

4 結(jié)語

相同工況下，物料在設(shè)備內(nèi)部所需的停留時間越短，生產(chǎn)效率越高。因此，提高設(shè)備的換熱面積，縮短物料在設(shè)備內(nèi)部的停留時間，能夠提高設(shè)備產(chǎn)能?；旌蠐Q熱方式可最大限度地提高設(shè)備換熱面積，使物料與載熱氣體快速換熱，提高生產(chǎn)率，降低設(shè)備規(guī)格。