粉料干燥氧化一體式回轉爐的設計與應用

王建業，曾帥強，龍 純，王世剛，瞿海斌

(湖南爍科熱工智能裝備有限公司，湖南 長沙 410111)

隨著材料技術的發展，對材料加工質量的要求逐步提升，并且加工成本也被嚴格控制。在粉體材料燒結加工行業，特別是在規模化生產的粉體材料市場，對大產能低能耗高質量燒結設備的需求越來越迫切。粉體燒結可分為兩大燒結形式，即靜態燒結與動態燒結。靜態燒結指的是粉料與承載容器在相對靜止的狀態下進行燒結，該類燒結設備有箱式爐、推板爐、輥道爐等。動態燒結指的是粉料與承載容器在其他外力作用下、具有相對運動的狀態下進行燒結，該類燒結設備有回轉爐、攪拌爐、搖擺爐等。受結構布置影響，一般靜態燒結設備溫度極限高于動態燒結設備，但在低溫燒結過程中，動態燒結優勢明顯。

回轉爐設備具有明顯動態燒結特點，在爐管轉動過程中對物料進行持續翻轉作用，物料燒結具有快速升溫、及時排放廢氣、充分接觸環境氣氛等特點，使得物料有效燒結時間大大低于靜態燒結時間。

在回轉爐應用過程中，存在部分物料燒結需要通過低溫干燥燒結以及高溫氧化燒結兩段工序，目前一般使用兩臺回轉爐采用單設備單工藝方案，其運行成本雖低于靜態燒結，但由于存在兩道工藝間串聯設備及人工成本，該方案仍然不夠理想。本文針對該問題，針對性設計粉料干燥氧化一體化回轉爐設備，并成功應用于生產，對簡化工藝流程及節約運行成本具有重要意義。

1 一般粉料干燥氧化工藝

需進行燒結干燥的粉料原料一般都已通過盤式干燥機進行預干燥，故水分含量一般低于30%。經盤式干燥機干燥后的粉料含水率的高低直接影響物料性質，含水率較低的物料呈現松散狀，含水率較高的物料可能出現成團、結塊等現象。一般進行燒結干燥溫度在120～400 ℃，燒結時長根據含水率高低進行調節。圖1～圖2分別為含水率較低粉料圖、含水率較高粉料圖。

圖1 含水率較低粉料圖

圖2 含水率較高粉料圖

一般需氧化燒結的粉料的氧化工藝處于干燥燒結工藝之后，一般氧化燒結溫度在200～800 ℃。物料在燒結過程中發生氧化反應，吸收空氣中氧氣并排出其他氣體副產物。一方面，在燒結過程需要充分翻轉并提供足量空氣以保證氧化完全，另一方面，需避免物料因翻轉離散過于嚴重及空氣流通量過大而導致過多物料被流動空氣帶出爐管，造成物料損失。故揚料板、轉速及抽風量需根據實際情況進行針對性設計。

2 干燥氧化一體式回轉爐設計

2.1 爐管及產能設計

以100 kg/h為設計產能，結合某粉料進行設備定型設計，其物料性質見表1。

表1 某粉料物料性質參數表

爐管內部設計法相片狀揚料板，揚料板高度較低，保證物料充分干燥及氧化，由于揚料板結構簡單且揚料板高度低，物料在爐管內部運動可參照無揚料板情況計算，爐管內部運動時間t計算公式如下：

(1)

式中：t為物料停留時間，min；L為爐管長度，m；D為爐管內徑，m；θ為物料自然傾角，(°)；α為爐管水平傾角，(°)；n為爐管轉速，r/min。

該粉料在動態燒結生成合格氧化物大約需要120 min；爐管轉速設定為1.5 r/min；爐管傾角設定0.8°。計算后得出：L/D=12.72，即L=12.72D。

產能為100 kg/h，燒失率約32%，計算可得該粉料處理量G=147 kg/h，物料在爐管內部的填充率一般在0.1～0.2，為滿足較好的燒結效果，選取填充率為0.1，填充率f計算公式如下：

式中：k為結構影響系數，根據實際情況取值為1.2。

代入后計算得D=0.796 m,取爐管直徑為0.8 m，即得爐管長度為10.18 m，取爐管長度為10 m。

2.2 新型進料器

回轉爐進料端主要采用螺旋進料方式，部分設計也采用振動進料方式。對于含水率較高，特別是出現結塊現象的粉料，在進料器料倉易出現物料搭橋、卡料及螺旋軸前端遇熱板結等現象。

本例中，新型進料器料倉設置2個破碎輥輪對物料進行一次對輥破碎，將結塊物料充分粉碎后落入旋轉破拱軸。通過破拱軸作用對物料進行二次打散，并有效防止了物料堆積架橋。螺旋軸葉片采用不等螺距結構并設置刮釘，提高物料在螺旋前端的離散性及防止物料在螺旋軸外管上黏結。由于螺旋進料管前端伸入加熱爐管內部，使得螺旋進料管前端溫度驟升，含水率較高物料極易在此處遇熱板結，本新型進料器在螺旋進料管前端設置水冷夾套，通過冷卻水下進上出結構對進料管外壁持續降溫，有效防止了物料在螺旋進料管內因驟熱而造成的物料板結。圖3為新型進料器設計結構圖。

圖3 新型進料器設計結構圖

2.3 揚料板及加熱裝置設計

干燥氧化一體式回轉爐集干燥與氧化兩段工藝于同一支爐管，一般先進行干燥后進行氧化，故對爐管內部揚料板布置需分段設計。在干燥工藝過程，物料由于水分存在，其黏結性較好，含水率較高的物料還存在結團現象。干燥區揚料板設計分為兩段，進料前端設計多段進料螺旋板，便于投入物料及時推送防止物料堆積堵料，后端設置揚料板高度約為爐管半徑1/5高度揚料板，圓周均布數目為3～6塊，物料充分揚起便于物料干燥。在氧化工藝過程，物料含水率極低，物料呈粉末狀。氧化區設置揚料板高度約為爐管半徑1/10高度揚料板，圓周均布數目為6～10塊。①小尺寸揚料板設計可將底部物料翻轉利于物料充分氧化。②由于除塵系統的負壓抽氣，爐管內揚起離散物料隨著流動空氣帶出并進入除塵器形成廢料，而小尺寸揚料板設計弱化了揚料效果，進一步控制了廢料量。③揚料板數目較多，利于氧化過程中將物料充分打散，防止物料因滑壁運動而形成球狀。

物料在回轉爐爐管燒結過程中，爐管旋轉對物料產生一定的抄料效果，但由于重力作用，物料基本處于爐管底部。在外加熱過程中，物料加熱主要熱源為爐管對物料的熱傳導，故主要傳熱面為物料與爐管的接觸面，即爐管底部。本例中，爐管加熱裝置采用圓弧加熱元件，并在允許范圍內盡量貼合爐管底部外表面，有效增強物料加熱效率。圖4為圓弧加熱示意圖。

圖4 圓弧加熱示意圖

2.4 新型降溫裝置

物料加熱燒結后需要進行冷卻，再進行出料包裝。冷卻大多采用自來水噴淋，水冷爐管工作時引入冷水噴淋在爐管外表面，爐管下方設有水槽及排水管道，通過控制噴淋水量，保證出料溫度。在實際應用中，由于噴淋水一般由爐管上部噴淋，冷卻水隨爐管外壁滑落到達爐管底部的水冷極少，而物料與爐管接觸在爐管底部，故冷卻效率較低。

新型降溫裝置在原有水冷結構上增加了多塊金屬導熱冷卻片，同時通過控制進水量保證進排水平衡，進一步保證水冷外殼底部水位淹沒底部金屬導熱冷卻片。高溫物料通過爐管及爐管底部多塊金屬導熱冷卻片將熱量有效傳導至底部囤積的冷卻水，達到提高降溫效率的目的。圖5為新型水冷裝置設計結構圖。

圖5 新型水冷裝置設計結構圖

3 結 論

本例干燥氧化一體式回轉爐已完成實際應用，目前設備處于運行生產中，整體運行狀態良好，應用表明：

(1)設備運行穩定，產品質量優，整體產量高于設計的100 kg/h；

(2)新型進料器采用破碎輥輪、破拱軸、不等螺距螺旋軸結合葉片刮釘、水冷夾套等特殊設計，有效避免了物料搭橋、卡料及螺旋軸前端遇熱板結問題；

(3)揚料板布置需分段設計及圓弧加熱元件設計，有效增強物料加熱效率，檢測與物料溫差有所降低；

(4)增加金屬導熱冷卻片的新型降溫裝置降溫效果良好，同等情況下出料溫度較之前設備降低5～10 ℃。

粉料干燥氧化一體式回轉爐的開發與應用，實現了某粉體干燥氧化一體式生產。此例中設備同時具備其他類似工藝粉料的干燥氧化過程，或者其他類似工藝粉料的干燥焙燒催化過程，應用前景較為廣泛。