大型 回转窑填充率现状研究

赵帆 许杰

北京航天石化技术装备工程有限公司

摘要：回转窑的填充率的确定是回转窑使用者一直必须面对的一个问题，本文从行业标准定义、回转窑生产厂家建议以及学者用离散化模拟软件研究等几个方面进一步得出影响回转窑的填充率的影响因素和填充率应该怎么确定，并给出结论。

关键词：回转窑，填充率，离散化模拟

引言

回转窑是环保行业中常用的大型热处理设备，多用于水泥煅烧行业，物料干燥行业，固废处理等行业。随着回转窑在环保行业中发展，越来越多的回转窑在热解项目中得以应用，而传统的回转窑填充率计算方法已经不能满足当前大规模热解行业的需求，所以本文对回转窑的填充率确定做一个深入的阐述和研究。

1. 回转窑行业标准定义

1. 填充系数定义

根据化工回转窑设计规定：填充系数即为回转窑的填充率，是指在垂直回转窑筒体的截面内，物料占有的面积与筒体内截面的比值，一般填充系数取0.1~0,2，不超过0.25。如果物料处理量已定，也可用下式计算填充系数，若计算所得的填充系数偏低或偏高，可适当调节筒体尺寸并重新计算^[1]。

式中：——填充系数；

——结构影响系数，筒体内五挡料板、抄板等附件时，取 =1.0；筒体内有挡料板，抄板时，取 =1.1~1.2；筒体内有挡料板和抄板外，还有其他附件（如有换热器装置等）时，取

——处理量（kg/h）;

——物料密度（kg/m³）；

——筒体长度（m）；

——物料停留时间（min）。

其中在内热式回转窑中，为使物料与高温热烟气及窑体壁面间进行充分的热交换，通常窑内的物料填充率大于15%，最高可达25%以上^[2]。由此可见，因为内热式回转窑是用火焰或者高温烟气直接加热回转窑物料，换热效率高，所以填充率较高，同时内热式回转窑主要用于煅烧行业，如水泥制造行业。

2. 目前回转窑填充率研究现状

何敏等^[3]人通过对水泥行业回转窑的研究，表明在水泥生产运行中，熟料填充率是和回转窑内的料层分布和物料分解情况有关，是经过多次调试运行后总结的出一个合适的值。因为回转窑内填充率过大，则说明窑内的物料层过厚，热量传递不顺畅，填充率较小，则会造成能源浪费，甚至影响回转窑的生产效率，进而影响整体项目的产能。一般情况下，当回转窑运行稳定后，回转窑的填充率的大小取决于物料的给料量，反过来，填充率也可以作为给料量是否合适的依据。另外，当回转窑的其他参数，比如斜度和转速固定后，当回转窑运行稳定处于动平衡状态后，填充率也基本不变。

陈波^[4]等人提出回转窑内物料合适的填充率是回转窑稳定运行的前提。一般情况下，当设备没有正常运行，而回转窑窑尾的填充率过高的会引起窑尾的物料漏出的情况出现，在设备正常情况下，预分解窑窑尾物料填充率过高会导致窑尾漏料事故的发生。其中，会影响其变化的主要因素是入窑物料量，回转窑转速、回转窑的尾部温度、整个系统的温度设定以及回转窑窑筒的长度和厚度。同时物料的性质和温度过高，燃烧器的布置和使用不当以及耐火材料的选择等都会影响回转窑内筒的长度和厚度的变化，所以为了确保回转窑系统正常稳定运行，必须调试好回转窑的各个影响参数，确定好合理的物料填充率，才能稳定好回转窑的热工制度，项目才会顺利进行。

王天才根据多年的钢铁含锌粉尘回转窑提出在生产实践中，回转窑的填充率以小于15% 为宜^[5]。因为当物料停留时间不变时，回转窑内物料填充率增大，能提高回转窑产量，但是由于料层增厚，物料运动受到限制，因此对物料的翻动和焙烧不利。填充率过小，则设备生产能力没有有效发挥。所以科学的工艺参数调整是回转窑产能提升的保证，其中回转窑转速、填充率与物料停留时间是影响回转窑生产的三大关键可变工艺参数。

行业内填充率的设计经验

回转窑制造行业根据多年的使用经验，得出的规律是窑体的内径越大，填充率越小。例如，内径小于1m的回转窑，合适的填充率为15%；而内径为2.5m的回转窑，允许填充率仅为6%。若填充率过大，物料加热不充分，不均匀，会影响物料煅烧质量。如果填充率过小，虽然物料煅烧质量好，但是回转窑产量降低。所以要选择既能使产量最大，又能保证煅烧质量的合理填充率^[6]。

3. 填充率对物料温度的影响

张喆等人通过运用EDEM软件对回转窑的物料进行离散化模拟，认为在滚落模式下，填充率越小，物料平均温度越高，但物料温度的均匀性随着填充率变小呈现先减小后增大的趋势^[7]。

图 3‑1不同填充率下物料温度期望和标准差的变化

图 3‑1（a）所示为不同填充率下物料温度期望随时间的变化规律。

从图中可以看出来，填物料填充率越小，物料平均温度越高，因为低填充率一方面会加快物料混合速度，另一方面会减少物料升温所需热量

图 3‑1（b）所示为不同填充率下物料温度标准差随时间的变化规律。由图(b)可以看出：总体上看，填充率越小，物料达到目标温度的时间以及充分混合的时间越短，物料温度的均匀性越好；但在初始阶段有所异常，在初始的4 s 内，物料温度均匀性随填充率的减小而降低，这是因为相比高填充率，颗粒个数减少，初始阶段高温颗粒所占比例增大，颗粒群温度标准差也随之增大。

4. 结论

1. 回转窑填充率设计，不仅回转窑的直径，回转窑内部结构，回转窑的转速有关，还与回转窑的实际工作的参数相关联

2. 在滚落模式下，回转窑填充率与物料温度的均匀性相关，物料温度随着填充率的降低先减小后增大

3. 回转窑填充率的确定与回转窑的工艺产物和工艺路线相关，需要经过调试才能得出合适的填充率。

参考文献

[1] . HG/T 20566—1994，化工回转窑设计规定. [S].

[2] 潘永康,王喜忠,刘相东. 现代干燥技术：第二版 [M].

[3] 何敏,章兢,何昭晖,等. 基于回转窑图像的熟料填充率测量[J]. 仪器仪表学报, 2009, 30(12): 2586-2592.

[4] 陈波,周裕,柏兴明. 影响预分解窑窑尾物料填充率的因素分析[J]. 新世纪水泥导报, 2012, 18(5): 1, 41-43.

[5] 王天才. 回转窑处理钢铁含锌粉尘关键技术探析[J]. 中国资源综合利用, 2019, 37(7): 181-184.

[6] 淄博圣元窑炉工程. 回转窑的填充率多少合适[DS]. 淄博圣元窑炉工程.

[7] 张喆,刘义伦,赵先琼,等. 外热式回转窑横截面内散体物料的传热特性[J]. 中南大学学报(自然科学版), 2018, 49(9): 2178-2183.