王建業(yè)，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(shù)的發(fā)展，對材料加工質(zhì)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(jié)加工行業(yè)，特別是在規(guī)模化生產(chǎn)的粉體材料市場，對大產(chǎn)能低能耗高質(zhì)量燒結(jié)設(shè)備的需求越來越迫切。粉體燒結(jié)可分為兩大燒結(jié)形式，即靜態(tài)燒結(jié)與動態(tài)燒結(jié)。靜態(tài)燒結(jié)指的是粉料與承載容器在相對靜止的狀態(tài)下進行燒結(jié)，該類燒結(jié)設(shè)備有箱式爐、推板爐、輥道爐等。動態(tài)燒結(jié)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(tài)下進行燒結(jié)，該類燒結(jié)設(shè)備有回轉(zhuǎn)爐、攪拌爐、搖擺爐等。受結(jié)構(gòu)布置影響，一般靜態(tài)燒結(jié)設(shè)備溫度極限高于動態(tài)燒結(jié)設(shè)備，但在低溫?zé)Y(jié)過程中，動態(tài)燒結(jié)優(yōu)勢明顯。

回轉(zhuǎn)爐設(shè)備具有明顯動態(tài)燒結(jié)特點，在爐管轉(zhuǎn)動過程中對物料進行持續(xù)翻轉(zhuǎn)作用，物料燒結(jié)具有快速升溫、及時排放廢氣、充分接觸環(huán)境氣氛等特點，使得物料有效燒結(jié)時間大大低于靜態(tài)燒結(jié)時間。

在回轉(zhuǎn)爐應(yīng)用過程中，存在部分物料燒結(jié)需要通過低溫干燥燒結(jié)以及高溫氧化燒結(jié)兩段工序，目前一般使用兩臺回轉(zhuǎn)爐采用單設(shè)備單工藝方案，其運行成本雖低于靜態(tài)燒結(jié)，但由于存在兩道工藝間串聯(lián)設(shè)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(shè)計粉料干燥氧化一體化回轉(zhuǎn)爐設(shè)備，并成功應(yīng)用于生產(chǎn)，對簡化工藝流程及節(jié)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(jié)干燥的粉料原料一般都已通過盤式干燥機進行預(yù)干燥，故水分含量一般低于30%。經(jīng)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(zhì)，含水率較低的物料呈現(xiàn)松散狀，含水率較高的物料可能出現(xiàn)成團、結(jié)塊等現(xiàn)象。一般進行燒結(jié)干燥溫度在120～400 ℃，燒結(jié)時長根據(jù)含水率高低進行調(diào)節(jié)。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(jié)的粉料的氧化工藝處于干燥燒結(jié)工藝之后，一般氧化燒結(jié)溫度在200～800 ℃。物料在燒結(jié)過程中發(fā)生氧化反應(yīng)，吸收空氣中氧氣并排出其他氣體副產(chǎn)物。一方面，在燒結(jié)過程需要充分翻轉(zhuǎn)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(zhuǎn)離散過于嚴重及空氣流通量過大而導(dǎo)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(zhuǎn)速及抽風(fēng)量需根據(jù)實際情況進行針對性設(shè)計。

2 干燥氧化一體式回轉(zhuǎn)爐設(shè)計

2.1 爐管及產(chǎn)能設(shè)計

以100 kg/h為設(shè)計產(chǎn)能，結(jié)合某粉料進行設(shè)備定型設(shè)計，其物料性質(zhì)見表1。

表1 某粉料物料性質(zhì)參數(shù)表

爐管內(nèi)部設(shè)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(jié)構(gòu)簡單且揚料板高度低，物料在爐管內(nèi)部運動可參照無揚料板情況計算，爐管內(nèi)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(nèi)徑，m；θ為物料自然傾角，(°)；α為爐管水平傾角，(°)；n為爐管轉(zhuǎn)速，r/min。

該粉料在動態(tài)燒結(jié)生成合格氧化物大約需要120 min；爐管轉(zhuǎn)速設(shè)定為1.5 r/min；爐管傾角設(shè)定0.8°。計算后得出：L/D=12.72，即L=12.72D。

產(chǎn)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(nèi)部的填充率一般在0.1～0.2，為滿足較好的燒結(jié)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(jié)構(gòu)影響系數(shù)，根據(jù)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(zhuǎn)爐進料端主要采用螺旋進料方式，部分設(shè)計也采用振動進料方式。對于含水率較高，特別是出現(xiàn)結(jié)塊現(xiàn)象的粉料，在進料器料倉易出現(xiàn)物料搭橋、卡料及螺旋軸前端遇熱板結(jié)等現(xiàn)象。

本例中，新型進料器料倉設(shè)置2個破碎輥輪對物料進行一次對輥破碎，將結(jié)塊物料充分粉碎后落入旋轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)并設(shè)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(jié)。由于螺旋進料管前端伸入加熱爐管內(nèi)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(jié)，本新型進料器在螺旋進料管前端設(shè)置水冷夾套，通過冷卻水下進上出結(jié)構(gòu)對進料管外壁持續(xù)降溫，有效防止了物料在螺旋進料管內(nèi)因驟熱而造成的物料板結(jié)。圖3為新型進料器設(shè)計結(jié)構(gòu)圖。

圖3 新型進料器設(shè)計結(jié)構(gòu)圖

2.3 揚料板及加熱裝置設(shè)計

干燥氧化一體式回轉(zhuǎn)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(nèi)部揚料板布置需分段設(shè)計。在干燥工藝過程，物料由于水分存在，其黏結(jié)性較好，含水率較高的物料還存在結(jié)團現(xiàn)象。干燥區(qū)揚料板設(shè)計分為兩段，進料前端設(shè)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(shè)置揚料板高度約為爐管半徑1/5高度揚料板，圓周均布數(shù)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(qū)設(shè)置揚料板高度約為爐管半徑1/10高度揚料板，圓周均布數(shù)目為6～10塊。①小尺寸揚料板設(shè)計可將底部物料翻轉(zhuǎn)利于物料充分氧化。②由于除塵系統(tǒng)的負壓抽氣，爐管內(nèi)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(shè)計弱化了揚料效果，進一步控制了廢料量。③揚料板數(shù)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(zhuǎn)爐爐管燒結(jié)過程中，爐管旋轉(zhuǎn)對物料產(chǎn)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(dǎo)，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(nèi)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(jié)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(shè)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(yīng)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(jié)構(gòu)上增加了多塊金屬導(dǎo)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(dǎo)熱冷卻片。高溫物料通過爐管及爐管底部多塊金屬導(dǎo)熱冷卻片將熱量有效傳導(dǎo)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(shè)計結(jié)構(gòu)圖。

圖5 新型水冷裝置設(shè)計結(jié)構(gòu)圖

3 結(jié) 論

本例干燥氧化一體式回轉(zhuǎn)爐已完成實際應(yīng)用，目前設(shè)備處于運行生產(chǎn)中，整體運行狀態(tài)良好，應(yīng)用表明：

(1)設(shè)備運行穩(wěn)定，產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)，整體產(chǎn)量高于設(shè)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(jié)合葉片刮釘、水冷夾套等特殊設(shè)計，有效避免了物料搭橋、卡料及螺旋軸前端遇熱板結(jié)問題；

(3)揚料板布置需分段設(shè)計及圓弧加熱元件設(shè)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(dǎo)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(shè)備降低5～10 ℃。

粉料干燥氧化一體式回轉(zhuǎn)爐的開發(fā)與應(yīng)用，實現(xiàn)了某粉體干燥氧化一體式生產(chǎn)。此例中設(shè)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(yīng)用前景較為廣泛。