基于高炉渣余热回收的回转式气固换热装置设计

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第一章 设计概述

1.1 设计题目

基于高炉渣余热回收的回转式气固换热装置设计

1.2 设计目的与意义

高炉渣是高炉炼铁的工艺中主要副产品，炉渣不仅数量巨大的，其含丰富的热能，高炉渣温度高达1500℃左右，每吨渣约含有0.04~0.06吨标准煤的显热，是一种很好的二次资源。将高炉渣的余热进行回收再利用具有巨大的经济效益。本研究提出采用干法离心粒化回转窑换热制取高温热风的技术路线，对高炉渣预热进行回收。目前，对于热颗粒进行热交换，多采用流化床，以对流换热的方式进行，但是高炉渣进入换热装置时，由于经过粒化后的高炉渣中含有较高比例的纤维丝状渣棉，会堵塞流化床进风口，不利于换热过程的进行。基于此，要求设计一套气固回转式换热装置，以空气为换热介质，与高温炉渣颗粒进行气固换热取热风。

1.3 设计要求与数据

要求设计一台8t/h的回转式气固换热装置，主要包括粒化器结构尺寸、回转窑结构尺寸、螺旋叶片尺寸、高炉渣填充率、进风参数、转窑转速、倾角、颗粒停留时间、旋风除尘器选型和风机选型等。

1.4 余热回收装置的选择

在高炉渣余热回收领域，目前存在两级流化床换热和回转窑换热两种工艺。两级流化床换热工艺（见图1-1）效率高于回转窑换热工艺10%；但两级流化床换热与干法粒化两个工艺处于同一个相对密闭的反应器内，粒化过程的环境热场强度较高，不利于融渣粒化后的渣粒在飞行过程中的表面冷却，从工业生产应用的角度考虑，粒化器直径需要做的非常大，为此本次设计确定为干法粒化+回转窑分体式干法粒化回收。

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图1-1 国BSC公司干法粒化二级流化床换热一体装置

本研究提出采用干法离心粒化+回转窑换热制取高温热风的技术路线，对高炉渣余热进行回收。

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青岛理工大学毕业设计 第二章 高炉渣余热回收系统 2.1 基于回转窑的干式高炉渣余热回收系统 6 1 3 7 2 5 4 图 2-1 余热回收装置总体结构图 1.保温炉；2.离心粒化器；3.回转窑；4.储渣池；5.螺旋出渣器； 6.旋风除尘器；7.余热锅炉 本套干法余热回收装置系统的工作流程： 高炉渣通过螺旋给料器定量的进入余热回收装置系统，在化渣炉中熔融， 温度达 1600℃，再经过提升料斗的提升，进入保温炉保温，熔融的高炉渣随后 进入离心粒化器，熔融态的高炉渣在这个装置中随着粒化转盘的转速的控制， 得到不同粒径的高炉渣颗粒，粒化颗粒进入回转窑进行干法换热，随着回转窑 的转动和窑内螺旋叶片的作用， 经过气固换热的低温炉渣颗粒从窑尾一端排出， 而冷却风机将空气从窑尾送入，经过换热，从窑头排出高温空气，高温空气随 后进入余热锅炉，进行水气换热，将热量传递给水蒸气，从而进一步利用。 其中各个装置的都有相应的在线监控计，可以进行实时的在线调控。 2.2 回转窑内部结构 3

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图2-2 高炉渣回转窑内部结构示意图

回转窑的基本工作原理：【5】【6】【7】

回转窑换热装置结构上由筒体、托轮、传动装置、支承装置、窑头和窑尾密封装置等几部分组成，筒体内设有螺旋叶片，筒体成一定的倾斜角度。高炉渣从窑头一端进入回转窑，粒化高炉渣在回转窑的转动以及内部特有的螺旋叶片的作用下达到离散状态，促使这些散状或浆状物最大程度的与空气相接触，以保证高温炉渣有效的将热量通过换热空气得到有效回收，低温高炉渣从窑尾一端排出。而空气则通过风机，从窑尾一端进入，充分的和高温炉渣接触换热后，从窑头一端排出，高炉渣和空气逆向流动，从而实现高炉渣与空气之间的有效接触换热。

本装置采用了在回转窑内安装有螺旋叶片，一方面，螺旋叶片可以增加炉渣颗粒在转窑内的停留时间，提高了换热效率；另一方面，由于粒化后的高温炉渣颗粒呈液固过渡态，具有粘弹性，在没有安装叶片的砖窑内运动时，容易堆积粘附在一起，不利于和换热介质的接触。

回转窑的斜度大小与其高炉渣的流动性、窑的长度、窑速和物料的填充率等因素有关。回转窑的窑速高，则要求斜度小；窑体长，则斜度可以略大；高炉渣的流动性好，要求斜度略小。回转窑的斜度一般在0~5°，本次设计采用3°。

2.3 高炉渣干法离心粒化装置及结构

离心粒化器工作机理是：

熔融态的高炉渣进入离心粒化器后，随着高速旋转的旋转粒化盘由电机带

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动粒化转盘的转动，转速的不同产生的高炉渣的颗粒粒径的大小也不同，炉渣颗粒粒径大小是回转窑换热制取热风温度的主要影响因素，热传递主要是通过气固两相流之间的对流换热来实现，接触面积是影响换热效率及热风温度的重要因素。

图2-3粒化装置图和结构图

2.4 在线监控装置

按照炉渣颗粒运动方向及冷却风的流动方向，在各个设备的进口和出口以及设备上设置多个热电偶和流量计等检测设备，以实时检测高炉渣颗粒和换热风的温度随时间变化的关系，并且采用压力计监测压力随时间变化的关系。

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第三章 主要设备的设计计算

3.1 粒化器

熔融态的高炉渣从保温炉中落到电机带动的高速旋转的粒化盘时，高炉渣溶液与粒化盘间在摩擦力的作用下，高炉渣溶液进行圆周运动，在离心力的作用下，高炉渣溶液逐渐往粒化盘边缘运动，离心力和线速度快速增加，到达粒化盘边缘后的液态炉渣呈片状被抛射出去，片状高炉渣在飞行过程中，在表面张力的作用下收缩成椭球状或球状颗粒，并同时与空气等介质进行直接换热，炉渣颗粒下落到收集装置被回收，余热被空气等介质带走并进行利用。

图3-1 高炉渣离心粒化器装配图

3.1.1粒化器材质的选择

从离心粒化过程看，首先是熔融高炉渣和粒化盘接触，粒化盘在高速电机的带动下将离心能量传递给液态高炉渣，使熔融的高炉渣被机械地粒化，并从粒化盘边缘被抛出，落入高炉渣颗粒收集装置，然后固化。高炉渣与高速旋转的圆盘不仅存在动能交换，而且还存在热量辐射和传导。因此，粒化盘材的选择应满足以下四方面要求：

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a）要具有较高的熔点和强度，以避免熔融高炉渣对其冲蚀；

b）要具有较小导热系数，有利于热扩散；

c）是与熔融高炉渣液有合适的接触状态，不与其发生粘结；

d）要考虑工业生产的经济性。

通常，离心粒化盘可选用的盘材有铜、石墨、钢材及不锈钢等。虽然石墨具有较好的耐高温性能及强度，并且具有良好的导热性，热膨胀系数也较小，但是加工的成本高，不宜选用。铜的熔点1083.4±0.2℃，易粘结，因而也不适用。相较之，Q235A、45#等材料的强度及热性能能够满足要求。从粒化结果观察看，两种材质都会不同程度地与粒化颗粒粘附。较之，45#较理想，因而选用其作为粒化盘制作材料。

3.1.2粒化器形状

粒化器的结构有很多种，分别为：平盘、加筋的平盘、中心加锥形的平盘、加破碎柱的平盘、加筋加破碎柱的平盘、中心略凹的圆盘、碟盘、中心加锥形的碟盘、加筋的碟盘、加破碎柱的碟盘、加筋加破碎柱的碟盘。

图3-2 加筋的碟式粒化器

试验结果表明，传统平板型粒化盘所制备的颗粒呈现较粗的线带状或条状。在低的盘速下，有许多单个微滴在盘边形成并被抛离而形成粒化。这是因为液态高炉渣和粒化盘之间发生剧烈的侧滑，液态高炉渣离开粒化盘的速度远低于粒化盘的圆周线速度而导致。要想高炉渣成功粒化，必须提高粒化盘的转速。

碟式凹盘的粒化器粒化时处理量比较大，并且能延伸液流与粒化盘的接触，增大离心力。由于离心盘为锥面状，在离心力的作用下，物料不仅有向外的水平径向和切向速度，而且有垂直向上的运动速度。

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3.1.3粒化器直径

粒化盘直径是与粒化器的生产力及驭动功率的大小密切相关的，其一般的规律是：直径大则生产力及驱动功率大。但生产力的大小又受到许多其它因素的影响，故很难求出它们之间真正的定量关系式。一般可根据实验室的试验结果来进行相似模拟计算。实验时一般取相同的最大圆周线速度，根据相似原理其式为：

2Q?qCrC?Ci （3-1）

式中：Q——所设计型号的生产力；

q——实脸室模型所测定的生产力；

Cr——物料的容重相似比；

2C?——角速度相似比；

——工作盘直径相似比。

Ci??/?0（3-2） Ci

其中：?——所设计粒化盘直径；

?0——实验室模型粒化盘直径。

由（3-1）及（3-2）式可确定?与Q的关系。

设计时可按表3-1中数值选择粒化器直径。

表3-1 粒化盘直径与生产能力对应参考值

本次设计高炉渣量为8t/h，根据相似原理，粒化器直径选择160mm。

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3.1.4粒化器边缘高度

粒化器边缘高度值的设计主要依据液态高炉渣的体积和操作等参数来确定，特别是凹盘粒化器。当粒化盘高速旋转，流量增加时，液面会急速上升，因此粒化盘边缘高度应设计的比较合理以便于控制薄膜的生成。综合考虑多个因素，本次设计选取粒化盘边缘高度值为15mm。

3.1.5固定筋的确定

固定筋的功能有二：一是为防止落入盘上的液滴产生相对于盘面的环向运动；二是在固定筋增加破碎功能，提高冲击破碎能力。固定筋在盘面分布的个数和相对于盘面的高度会受到多种因素的影响，不能随意确定。

r

图3-3液滴下落至固定筋时与盘的相对速度

图3-4被固定筋档住液滴运动情况

如图3-3所示，液滴下落至固定筋上部时它具有的速度

?v?vr?vR （3-3）

式中：vr??r——该点的圆周速度；

?vR?2H0g——液滴在该位置的下落速度；

HO——颗粒上升运动的最大高度或入料口至该点的高度。

则速度与盘水平截面的倾角为：

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??arctgvR/vr (3-4)

上式说明vr越大，HO越低，则β角就越小，一般vR≤vr，故β角是很小的。如果固定筋高度H过高及其个数K过多、vr过大及HO过低等，则将产生下落液滴被固定筋挡住而无法下落至粒化盘表面的不利情况。正如图3-4所示被固定筋挡住的颗粒（例如液滴1及液滴2）不经过盘的表面而直接飞离粒化盘，从而无法获得向上运动的速度。其中一部分位于下部或后部的液滴，经过短距离的滑行后仍与粒化盘上表面接触，然后沿粒化盘边缘正常飞出（例如粒子3）。但是反过来，如果固定筋数目少、高度过低，虽然被挡住的液滴少，但会产生液滴相对盘的环向滑动，同样会引起粒化盘效率降低。因此，固定筋的数目K、高度H是与圆周速vr及HO密切相关的，当vr及HO一定时，可根据(3-4)式求出β值来进行设计、一般情况下建议高度可取：

H??1/2?? （3-5）

式中：?——液滴平均尺寸。

粒化后要求颗粒直径范围为2-4mm，故?=3mm，代入上式得：

H=1.5mm

由表3-2，可确定固定筋的个数为4个。

表3-2 直径与固定筋个数、高度相关参考值

3.1.6凹盘倾角?的选择

对应凹盘，熔融高炉渣在滑到或者滚到粒化盘边缘时，向外运动时所受的力为上升力，液滴上升力越大则液滴在粒化桶内作飞行的距离就越长，与空气交换热量的时间越长，粒化效果越好。因此在其它条件不变的情况下，以θ为变量，求最大的上升力Fhmax，即为求函数Fh对θ变量的极值：

dFh??d? （3-6）

得cos2??fsin2?=0，既有tg2??1/f。

如果不考虑液滴与粒化盘的摩擦阻力（事实上摩擦阻力与强大的离心力相比

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较是很小的），取f?0，则有tg2???故???/4。

又若当f?1时，则可求得：???/8。

因此凹盘倾角取值的一般范围是：?/8????/4。

在实验的条件下，为了热交换和颗粒凝固做必要铺垫，故本次设计取倾角θ为22.5°。

3.2 回转窑

图3-5 高炉渣回转窑内部结构示意图

3.2.1 设计回转窑的基本参数

1、高炉渣的处理量 G1=8t/h；

2、高炉渣进口温度 t1=1100℃；

3、高炉渣冷却后温度 t2=300℃；

4、高炉渣比热 c=1.1KJ/(Kg·℃)；

5、冷空气温度 t3=20℃；

6、热空气温度 t4=800℃。

3.2.2 回转窑内的传热过程基本参数计算

1、每小时高炉渣处理量8t所需要的进风量G2

高炉渣及空气的初末状态已知，根据热平衡方程

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G1c?t1?t2??G2?h4?h3?（3-7）

可求得:G2?7.79t/h?2.16kg/s

式中，h3——20℃下空气的焓值，h3?20kj/kg；

h4——800℃下空气的焓值，h4?923.8kj/kg； 换算为20℃下空气体积流量

G?

2.16kg/s3

?1.79m/s 3

1.205kg/m

m2

?lk(3-8)

G?

其中：?lk——1个大气压下，20℃时空气密度

?lk?1.025kg/m3。

2、回转窑的换热量Q

Q?C1m1?t1 (3-9) 可求得 Q=7.04×106kJ/h 3.2.3 回转窑的尺寸设计

首先，1kg熟料热效应，即为烧成1kg熟料所需的热量。 单位容积热负荷=1kg熟料热效应×窑小时能力/窑容积。

表3-33种不同类型的回转窑的热负荷

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【8】

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本设计是基于将20℃冷空气换热到800℃，而高温炉渣则从1100℃降到300℃，由上表取：单位容积负荷q=111.4×103(kJ/m3·h)

计算得回转窑的换热量Q=7.04×106kJ/h。

3.2.4 回转窑有效直径的确定【9】

取回转窑的有效直径Di=2.4m。

则筒体内经D=Di+2Δ

式中：Δ——窑最小耐火砖厚度，m。

根据JC333—91《水泥工业用回转窑标准》【10】，耐火砖的厚度Δ与筒体内经有关，见表3-4

表3-4 水泥回转窑耐火砖厚度

取Δ=180mm

则D=2400+2×180=2760mm=2.76m

回转窑的长度的确定：

L?

可求得：L=13.96m。

取L=14m 4Qq??Di2 (3-10)

3.2.5高炉渣填充率与高炉渣填充角

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图3-6 回转窑内高炉渣输送过程示意图【11】

?-sin?（3-11） 2?

传统的煅烧回转窑的填充率大约在10%-15%，其主要传热方式是以物料之??间的接触传热和物料与回转窑的内衬的接触传热为主，在余热回收系统中，传热方式以烟气与高炉渣颗粒的气固传热方式为主，为了提高物料的传热效率，将填充率降低，按照??5%，

则由公式3-11计算得：

??1.2689

料床高度与料填充角之间的关系式为：

???h?R1?1?COS?（3-12） 2??

可求得h=0.23m

3.2.6 螺旋叶片尺寸的确定

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t??D（3-13）

式中：?—螺旋长细比值，对于摩擦系数大的物料取0.7-0.8，对于易于流散的物料取0.9-1。

取?=0.8，代入上式，求得：t=1.92m

3.2.7 回转式换热装置的转速的设计

根据Henein【12】的研究，随着窑体转速从低速到高速，颗粒的运动状态依次：滑移运动状态（Slipping）、塌落运动状态（Slumping）、滚落运动状态（Rolling）、泻落运动状态（Cascading）、抛落运动状态（Cataracting）和离心运动状态（Centrifuging），如图3-7所示。

图3-7 回转窑内物料运动状态的划分

在工业应用中，考虑到能耗和生产能力的情况，回转窑转速大多较低，窑速较低时，高炉渣的运动状态多为滑移、塌落、滚落运动状态。而本文研究的炉渣颗粒需在回转式换热器内达到离散的运动状态。而后三种运动形式由于转速较高则极少采用，而本文中用回转窑进行气固换热从而回收高炉渣余热。为了增加气体和固体颗粒的接触面积，提高热转换效率。因此需要使

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