有色金属（冶炼部分）（ｈｔｔｐ：／／ｙｓｙ１．ｂｇｒｉｍｍ．ｃｎ） ２０１１年１１期 ＩＮ）Ｉ：１０．３９６９・／Ｊ．ｉｓｓｎ．１００７—７５４５．２０１１．１１．００９ 氧化铝回转窑熟料烧结过程影响参数研究 易正明 ，宋佳霖 ，马光柏 ，周孑民 （１．武汉科技大学钢铁冶金及资源利用教育部重点实验室，武汉４３００８１； ２．中南大学能源科学与工程学院，长沙４１００８３） 摘要：在对氧化铝熟料烧结过程进行分析的基础上，结合煤粉燃烧、物料热解、窑壁散热和窑内传热传质 方程，建立了回转窑熟料烧结传热综合数学模型。在此基础上，利用现场实际参数，应用数值计算方法 对模型进行计算求解，得到了氧化铝回转窑内气体和物料的轴向温度分布，并分析了熟料烧结过程中空 气消耗系数和掺煤量等主要参数对窑内温度分布的影响，提出了相应的操作参数，为实现回转窑的操作 优化和自动控制提供了可靠的依据，有利于实现回转窑生产的节能降耗。 关键词：氧化铝；回转窑；烧结过程；传热过程；温度分布 中图分类号：ＴＦ８２１；ＴＦ８０６．１２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００７—７５４５（２０１１）ｌ１ ００３４—０４ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇ Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ Ｃｌｉｎｋｅｒ Ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ Ｐｒｏｃｅｓｓ ｉｎ Ａｌｕｍｉｎａ Ｒｏｔａｒｙ Ｋｉｌｎ ＹＩ Ｚｈｅｎｇ—ｍｉｎｇ ，ＳＯＮＧ Ｊｉａ～ｌｉｎ ，ＭＡ Ｇｕａｎｇ—ｂａｉ ，ＺＨＯＵ Ｊｉｅ—ｍｉｎ （１．Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｆｏｒ Ｆｅｒｒｏｕｓ Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ ａｎｄ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ Ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ Ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ，Ｗｕｈａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ ４３００８１，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｅｎｔｒａｌ Ｓｏｕｔｈ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１００８３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ａｌｕｍｉｎａ ｃｌｉｎｋｅｒ ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｉｎ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｐｕｌｖｅｒｉｚｅｄ ｃｏａｌ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ，ｍａｔｅｒｉａｌ ｐｙｒｏｇｅｎａｔｉｏｎ，ｃｏｏｌｉｎｇ ｏｆ ｆｕｒｎａｃｅ ｗａｌｌ ｆｉｎａｌｌｙ，ａｎｄ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ａｎｄ ｍａｓｓ ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ｅ— ｑｕａｔｉｏｎｓ，ｔｈｅ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ ｒｏｔａｒｙ ｋｉｌｎ ｃｌｉｎｋｅｒ ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ ｗａｓ ｂｕｉｌｔ ｕｐ．Ａｃ— ｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｉｎ ｓｉｔｅ ｒｅａｌ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｗａｓ ｓｏｌｖｅｄ ｎｕｍｅｒｉｃａｌｌｙ ｆｏｒ ａｎ ａｌｕｍｉｎａ ｒｏｔａｒｙ ｋｉｌｎ ｔｏ ｐｒｅｄｉｃｔ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｐｒｏｆｉｌｅｓ ｏｆ ｇａｓ ａｎｄ ｍａｔｅｒｉａｌ ｉｎ ｔｈｅ ａｘｉａｌ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ．Ｗｉｔｈ ｔｈｉｓ ｍｏｄｅｌ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｍａｉｎ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ａｉｒ ａｎｄ ａｄｄｉｔｉｖｅ ｃｏａｌ ｏｎ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｐｒｏｆｉｌｅｓ ｉｎ ａｌｕｍｉｎａ ｃｌｉｎｋｅｒ ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ，ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｗｅｒｅ ｐｒｅｓ— ｅｎｔｅｄ．Ｔｈｅｓｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｃｏｕｌｄ ｐｒｏｖｉｄｅ ｒｅｌｉａｂｌｅ ｄａｔａ ｆｏｒ ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ ｒｅａｌｉｚｅ ｔｈｅ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｃａｐａｃｉｔｙ ａｎｄ ｒｅｄｕｃｅｄ ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｒｏｔａｒｙ ｋｉｌｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ａｌｕｍｉｎａ；Ｒｏｔａｒｙ ｋｉｌｎ；Ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ；Ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｐｒｏｃｅｓｓ；Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｐｒｏｆｉｌｅ 熟料在回转窑中的煅烧是烧结法生产氧化铝过 烧熟料，容重大，溶出率低。相反如果窑内温度低于 程中最重要的工艺，熟料的质量直接影响着氧化铝 生料烧结要求的温度，则烧结反应不完全，形成黄 产量和主要技术经济指标。回转窑能否优质、高产、 料，溶出率低 卜引。回转窑内反应与传热过程的研 低消耗地生产熟料的关键因素是窑内温度分布，如 究，是了解和掌握窑内温度分布以及窑炉热工特性 果窑内温度高于生料烧结要求的温度，就会形成过 的重要方法，有助于指导操作人员进行生产参数的 基金项目：国家教育部博士点基金项目（２００１０５３３００９） 作者简介：易正明（１９７３一），男，湖北监利人，博士，副教授 ２０１１年１１期 有色金属（冶炼部分）（ｈｔｔｐ：／／ｙｓｙ１．ｂｇｒｉｍｍ．ｃｎ） ・ ３５ ・ 调整，分析窑内温度和各带长度与运行参数的相互 关系，实现烧结熟料在氧化铝回转窑内高效优质生 产的目的。 稳态条件下，任一控制微元段内的气体与物料 能量守恒式为 ］： ｆ ， ∑ｍ 一１ ～一 一Ｑ。ｒ一 ＋Ｑ≥ ＋Ｑｒ一 ＋Ｑｒ一 ＋ （１） ｒ 一 １ 窑内传热过程 氧化铝回转窑内熟料烧结是一个复杂的过程， Ｑ 一＋∑Ａｈ ＝１ 包括气体、物料和窑内壁间的相互传热，传热方式包 括了热传导、对流换热和辐射换热，同时还有气体和 物料移动所带来的热量平移。熟料烧结过程中高温 ＋ Ａｈ ｋｇＡ ｋｇ Ｑ晏 （２） 气体从窑头向窑尾运动，低温物料从窑尾向窑头运 动，逆向运动过程中，气体与物料和窑壁进行对流和 辐射换热，窑壁则主要以传导的方式对物料进行加 热［４ ］。图１标出了回转窑内气体、物料和窑壁问 的各种传热方式。 图１ 回转窑横截面上的传热方式 Ｆｉｇ．１ Ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｍｏｄｅｌ ｏｎ ｃｒｏＳＳ ｓｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｒｏｔａｒｙ ｋｉｌｎ ２ 回转窑熟料烧结传热综合数学模型 ２．１模型假设 氧化铝熟料烧结过程窑内耐火砖和窑皮厚度沿 轴向发生变化，导致回转窑不同区段窑内径发生变 化，为了分析整个回转窑内的传热传质情况，根据窑 内内径的不同，将窑沿轴向分成几个不同的计算区 域，同一区域内按相同内径计算。回转窑按轴向长 度方向分为数个微元控制体，并建立计算坐标系，计 算过程中沿轴向方向取任一微元段，每个微元段的 传热传质分析在同一区域内进行。模型假定回转窑 稳定运行时，窑内任一位置物料混合均匀，窑壁无热 量积累；任一微元段内气体和物料温度相同。气体黑 度各处恒定；忽略窑体进出口端面和各微元段问的 传热；任一截面上窑内的物理参数恒定，仅沿轴向方 向发生变化ｌ＿３Ｊ。 ２．２气体与物料能量平衡方程 ２．３窑壁面传热方程 窑外壁向周围环境的传热包括辐射传热和对流 传热两个方面，假设窑壁无热量积累，则窑外壁能量 平衡方程为： —Ｑ ＋Ｑ置 一Ｑ 一一Ｑ 一（ ｒ． （３） ２．４煤粉燃烧反应方程 煤粉燃烧释热量采用如下公式计算口 ： Ｑ一／３Ｑｄ￣（ｃ汁ｌ—Ｃ ） （４） Ｃ 一ｅＸｐ（一３．９１２／ ／ ） （５） 利用煤粉燃烧中火焰长度与煤粉浓度之间的关 系式，在模型中很容易求得煤粉每段距离所释放的热 量。 ２．５物料反应方程 化学反应的热效应是各种矿物的分解热与生成 热的代数和，由于氧化铝熟料烧结反应复杂，热力学 计算中不仅含有二元系和三元系，还含有多元系，有 些反应机理至今仍未研究清楚。根据原料和成品的 区别，窑内所发生的物理化学反应存在一定的差异， 因而物料反应的方程也各不相同。为简化模型计算， 针对回转窑微元段内熟料烧结各成分化学反应方程 采用一阶动力学模型计算，窑内烧结物料反应动力学 方程如下： Ｆ 一一 ｅｘｐ（一 （６） ３ 熟料烧结过程影响参数 ３．１模型耦合算法与影响参数分析 从以上氧化铝回转窑熟料烧结传热机理以及各 反应方程的分析中可以看出，物料流量与物料反应、 水分蒸发等过程密切相关，气体流量与煤粉燃烧、物 料反应 息息相关。物料反应、水分蒸发与物料温度、 物料流量以及窑内换热等相互影响、相互制约；煤粉 燃烧、窑内换热与气体温度、气体流量以及各种物理 化学反应等互为因果。因此，氧化铝熟料烧结过程中 各影响参数是相互关联的，可由龙格库塔方法进行耦 ・ ３６ ・ 有色金属（冶炼部分）（ｈｔｔｐ：／／ｙｓｙ１．ｂｇｒｉｍｍ．ｏｎ） ２０１１年１１期 合求解。 在回转窑烧结传热数学模型中，空气消耗系数、 燃煤量、窑尾负压、料浆粒径和下料量等的大小是影 响回转窑正常生产的重要参数，同时空气消耗系数和 燃煤量也是实现回转窑智能控制中最主要的调节参 数。图２与图３是针对某氧化铝厂 ４．５ ｍＸ ９０ ｍ回 转窑的实际生产工艺条件，分别改变空气消耗系数和 燃煤量参数进行在线仿真计算得到的结果。 ３．２模型计算结果分析与优化 基本技术参数根据回转窑热工测试过程中热平 衡和物料平衡计算结果确定：一次空气量５．８ ，一次 空气温度２９℃，二次空气温度５４２℃，环境温度１９ ℃；烧结熟料产量６０ ｔ／ｈ，生料浆体积流量７５ ｍ３／ｈ， 水分含量３６ ，温度４６℃。 ３．２．１空气消耗系数 在窑头燃煤消耗量为］５５．３ ｋｇ／ｔ，生料浆掺煤量 为６８．６ ｋｇ／ｔ时，不同空气消耗系数对窑内温度分布 和各带长度的影响结果如图２所示。 ＼ 廷 图２不同空气消耗系数下窑内气体与 物料温度分布 Ｆｉｇ．２ Ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｐｒｏｆｉｌｅｓ ｏｆ ｇａｓ ａｎｄ ｍａｔｅｒｉａｌ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ａｉｒ 回转窑综合热工测试过程中熟料烧结实际空气 消耗系数为１．３８，所对应的窑内气体和物料轴向温度 分布计算结果如图２中曲线１和４所示，计算结果表 明，冷却带长度约为５．５ ｍ，烧结带约９ １ＴＩ，分解带约 ３０ ｍ，预热带约３０．５ ｍ，烘干带约１５ ｎａ＿。烧结带接近 整个窑体长度的１Ｏ％，且整个区域平均温度偏低，长 度偏大，而冷却带长度略微缩短，这与实际生产过程 中存在窑头煤管后移所分析的结果一致¨２］。窑头煤 管后移势必使回转窑生产冷却带变短，烧结带向窑头 移动。 在其它技术参数不变的条件下仅改变空气消耗 系数，对模型结果进行了仿真计算，图２中曲线２和５ 为空气消耗系数为］．１０时窑内气体和物料轴向温度 分布计算结果，曲线３和６为空气消耗系数为１．２Ｏ 时窑内气体和物料轴向温度分布计算结果。烧结过 程中窑内１．３８的实际空气消耗系数偏大，计算过程 中适当降低空气消耗系数虽然氧气总量降低，但仍能 充分满足窑内烧结燃烧需氧量，同时能减少回转窑排 出烟气量，故窑内烧结带温度升高，长度减小，这与空 气消耗系数降为１．２０时，曲线３和６窑内气体和物 料轴向温度分布计算结果一致。过大降低回转窑内 空气消耗系数，会使窑内烧结过程中氧气不足，煤粉 燃烧不完全程度增加，烟气中ＣＯ含量增加，导致窑 内烧结区域平均温度降低，长度加大，这与空气消耗 系数降为１．１０时，曲线２和５窑内气体和物料轴向 温度分布计算结果一致。从图中可知回转窑空气消 耗系数为１．２ｏ较合适氧化铝熟料烧结实际生产过 程，这与实际生产中的最佳过剩空气系数为１．１５～ １．２５，并严格限制烟气中ＣＯ含量的要求相一致。 ３．２．２燃煤量和掺煤量 在空气消耗系数为１．３８时，不同窑头燃煤消耗 量和生料浆掺煤量对窑内温度分布和各带长度的影 响结果如图３所示。 ＼ 赠 窑长，ｍ 图３不同掺煤量下窑内气体与物料温度分布 Ｆｉｇ．３ Ｔｈｅ ａｘｉａｌ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｐｒｏｆｉｌｅｓ ｏｆ ｇａｓ ｎａｄ ｍａｔｅｒｉａｌ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ａｄｄｉｔｉｖｅ ｃｏａｌ 曲线２和４为将生料掺煤量由６８．６ ｋｇ／ｔ减少 到６２．０ ｋｇ／ｔ，同时窑头燃煤量相应增加６．６ ｋｇ／ｔ时 窑内气体和物料轴向温度分布计算结果。回转窑实 际生产中增加窑头的燃煤量，会导致窑头燃料放热量 加大，在上述熟料窑生产工艺条件下，适量减少生料 的掺煤量，同时相应增加窑头的燃煤量，则烧结带温 度升高，长度缩短，分解带气体和物料温度均升高，而 预热带温度有所降低，这与掺煤量由６８．６ ｋｇ／ｔ降为 ６２．ｏ ｋｇ／ｔ时，曲线２和４窑内气体和物料轴向温度 ２０１１年１ｌ期 有色金属（冶炼部分）（ｈｔｔｐ：／／ｙｓｙ１．ｂｇｒｉｍｍ．ｃｎ） ・ ３７ ・ 分布计算结果一致。如果在下料量不变的情况下，加 快排风机速度将引起窑尾温度升高、废气中氧含量增 加和烧结带温度降低，而相应增加燃煤总用量将引起 料中成份ｊ的比热，Ｊ／（ｋｇ・Ｋ）；Ｃ肚 为气体中成份ｋ 的比热，Ｊ／（ｋｇ・Ｋ）； ， 为物料反应中成份ｊ的变化 率，ｋｇ／ｓ； 如为气体反应中成份ｋ的变化率，ｋｇ／ｓ； ＺＸｈ 为物料反应中成份ｊ的反应焓，Ｊ／ｋｇ； 缸为气 体反应中成份ｋ的反应焓，Ｊ／ｋｇ；Ｂ为燃料消耗量， ｋｇ／ｓ；Ｑ如为燃料低位发热量，Ｊ／ｋｇ；Ｃ ，Ｃ…为ｉ区段 和ｉ＋１区段的燃料浓度（对燃料人口处，ｃ一１）， ； ｚ 为区段ｉ处的火焰与喷嘴处的距离，ｍ；Ｚ，一火焰 窑尾温度升高、废气中氧含量百分数降低和烧结带温 度升高。实际生产时，掺煤量一般为干生料量的４ ～５ ［ 。 在回转窑熟料烧结数值计算模型中，除了上述过 剩空气系数和燃煤量两个主要影响参数外，窑尾负 压、料浆粒径和下料量等参数也会对模型结果产生影 的长度，ｍ；Ｋ为反应速度常数，ｋｇ／（ＩＴＩ。・ｓ）；Ｅ为反 响。 ３．２．３窑尾负压 窑尾负压加大时，窑内烟气流速加快，气体与外露 壁面间的对流换热系数以及气体与物料间的对流换热 系数都会变大。熟料烧结过程中增大负压可以提高窑 尾温度，增强烘干能力，加快料浆中水分蒸发速度。正 常生产时，窑尾负压为－－２００ Ｐａ左右较合适。 ３．２．４ 下料量 实际生产中当其它条件不变时，窑内下料量增 加物料烧结过程所需要的吸热量加大，整个窑内温 度分布曲线降低。 ３．２．５料浆粒径 料浆粒径减小，换热面积增大，换热加强，物料 的升温速度加快，烘干带长度减小，窑尾气体温度降 低。正常生产时，料浆的平均粒径应不大于０．１ ｍｍ。 ４ 结论 １）从回转窑的结构人手，综合窑内的物料输运、 传热过程及物理化学反应等，从整体上对氧化铝熟 料烧结过程进行分析和研究，建立了氧化铝回转窑 熟料烧结综合传热数学模型。 ２）结合现场参数，采用数值方法对模型进行计 算求解，对回转窑内气体和物料温度的分布进行了 预测模拟，该模型的计算结果与现场测试结果在规 律和数值上都能较好地吻合。为实现回转窑生产操 作优化提供了指导和依据，有利于实现回转窑生产 的节能降耗。 符号说明： 为气体与外露壁面的传热；Ｑ 为气体与 物料表面的传热；Ｑ…为外露壁面与物料表面间的 传热；Ｑ…为被物料覆盖壁面与物料间的传热；Ｑ 为环境热损失：ｍ 为物料中成份ｊ的质量流量，ｋｇ／ Ｓ；ｍ如为气体中成份ｋ的质量流量，ｋｇ／ｓ；Ｃ舢为物 应的活化能，Ｊ／ｍｏｌ；Ｒ为热力学常数，Ｊ／（ｍｏｌ・Ｋ）； 为计算区域内物料体积，ｍ。；７７为各成分所占质量 百分数， 。 上标：ｒ为辐射换热；ｃｖ为对流换热；ｃｄ为热传 导。 下标：Ｓ表示物料；ｇ表示气体。 参考文献 ［１］杨重愚．氧化铝生产工艺学［Ｍ］．北京：冶金工业出版 社，１９９３． Ｅ２］《联合法生产氧化铝》编写组．联合法生产氧化铝［Ｍ］． 北京：冶金工业出版社，１９７５． ［３］马爱纯，周孑民，孙志强，等．氧化铝熟料窑内一维传热 模型Ｉ－Ｊ］．冶金能源，２００４，２３（１）：２３—２６． ［４］Ｍａｒｉａｓ Ｆ．Ａ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ａ ｒｏｔａｒｙ ｋｉｌｎ ｉｎｃｉｎｅｒａｔｏｒ ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ ｏｃｃｕｒｒｉｎｇ ｗｉｔｈｉｎ ｔｈｅ ｓｏｌｉｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｇａｓｅｏｕｓ ｐｈａｓｅｓ￣Ｊ］．Ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ ａｎｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００３， ２７：８１３－８２５． ［５］肖国俊，丁学俊，陈汉平，等．石油焦煅烧回转窑综合传 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