外熱式回轉爐換熱方式分析

杜志敏，王 苗，劉智祥

（西安三瑞實業有限公司，陜西西安 710077）

目前回轉爐廣泛應用于環保、化工、建材、冶金等行業，是一種用于干燥、煅燒、冷卻固體物料的回轉圓筒類設備。對物料品質較高的回轉爐普遍采用外熱式，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，設備規格大，加工制造難度高，運輸困難。提高換熱面積、降低設備規格是發展的趨勢。

目前外熱式回轉爐爐壁及列管換熱方式的應用較為廣泛，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爐換熱方式，說明混合式換熱方式可提高設備換熱面積，降低設備規格，提高生產效率。

1 熱傳遞的基本型式

熱傳遞主要包括熱傳導、對流和輻射三種換熱方式。熱傳導理論[1]中，固體導電體通過自由電子遷移傳遞能量，固體非導電體通過晶格振動傳遞能量。對流是指流體各部分質點發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象。

2 外熱式回轉爐換熱分析

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爐爐體外壁，再通過熱傳導傳遞至回轉爐爐體內壁。當回轉爐爐體內壁處于物料覆蓋時，熱量Qm由回轉爐體內壁通過導熱、對流、輻射等方式將熱量傳給物料；當回轉爐爐體內壁處于物料覆蓋以外時，熱量Qg由回轉爐體內壁通過輻射等方式將熱量傳給爐內氣體及物料。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壁，再通過熱傳導傳遞至列管外壁。當列管外壁處于物料覆蓋時，熱量Qm由列管外壁通過熱傳導方式將熱量傳給物料；當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，一部分由爐體外側的熱風通道內的載熱氣體攜帶，另一部分由列管內部的熱風通道內的載熱氣體攜帶。當換熱面處于物料覆蓋時，熱量Qm由換熱面通過熱傳導等方式將熱量傳給物料；當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 實際使用效果分析

礦物料實驗的物料平衡計算基礎數據。物料：礦物料；進料量：450kg/h；出料量：400kg/h；熱源：天然氣（進750℃，出550℃）。

3.1 實驗過程熱量計算

3.1.1 物料升溫需要熱量

進料溫度為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 物料反應熱

所選礦物料反應活化能：90kJ/mol；

參與反應的物質的量為固體物質的量，根據物料平衡表計算得440mol。

反應熱為440×90=39 600kJ/h。

3.1.3 實驗物料共需熱量

各部分熱量占總熱量比例如表1所示。

表1 試驗物料熱量占總熱量比例

3.2 實驗設備規格計算

3.2.1 總換熱系數

實驗設備總換熱系數50W/（m2·℃）

3.2.2 對數溫差計算

物料250℃→550℃；熱源750→550℃；對數溫差：

3.2.3 實驗物料所需換熱面積

3.2.4 實驗設備體積

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；物料反應所需的時間為30min；設備的填充率為15%；設備的有效容積；0.3×（30/60）/15%=1m3。

3.2.5 實驗設備規格選擇

選擇實驗設備長徑比為8，根據容積計算實驗設備直徑為：（4×1/3.14/8）^（1/3）=0.54m；

實驗設備初選規格φ550×4500mm；返算實驗設備填充率為14%。

3.3 實驗設備換熱面積計算

3.3.1 實驗設備選爐壁換熱方式的換熱面積

實驗設備規格為：φ550×4500mm，加熱段爐體最大長度為2.5m，計算換熱面積為4.32m2。無法滿足實驗物料反應需要的換熱面積5.45m2，因此實驗設備規格需要增大。

3.3.2 實驗設備選列管換熱方式的換熱面積

實驗設備規格為：φ550×4500mm，加熱段列管最大長度為：3.4m，可分布列管6根，外徑φ89mm，計算列管換熱面積為：5.7m2。滿足實驗物料反應需要的換熱面積5.45m2。

3.3.3 實驗設備選混合換熱方式的換熱面積

實驗設備規格為：φ550×4500mm，加熱段爐體最大長度為2m，計算換熱面積為3.45m2；加熱段列管最大長度為3.4m，可分布列管6根，外徑φ89mm，計算列管換熱面積為5.7m2；加熱段爐體和列管換熱面積合計9.15m2。滿足實驗物料反應需要換熱面積5.45m2。

3.4 實驗設備實際使用效果

按爐壁、列管、混合換熱方式，各加工一臺規格為：φ550×4500mm 的實驗爐進行試驗。相同實驗條件下，不同換熱方式的實驗爐檢測出穩定合格產品，物料所需在實驗爐內部的停留時間不同：

爐壁換熱方式試實爐物料在設備內部的停留時間為67min；列管換熱方式實驗爐物料在設備內部的停留時間為48min；混合換熱方式實驗爐物料在設備內部的停留時間為31min。

4 結語

相同工況下，物料在設備內部所需的停留時間越短，生產效率越高。因此，提高設備的換熱面積，縮短物料在設備內部的停留時間，能夠提高設備產能。混合換熱方式可最大限度地提高設備換熱面積，使物料與載熱氣體快速換熱，提高生產率，降低設備規格。