外热式回转炉换热方式分析

杜志敏，王 苗，刘智祥

（西安三瑞实业有限公司，陕西西安 710077）

目前回转炉广泛应用于环保、化工、建材、冶金等行业，是一种用于干燥、煅烧、冷却固体物料的回转圆筒类设备。对物料品质较高的回转炉普遍采用外热式，但该加热方式存在换热面积较小的问题，在物料处理量较大时，设备规格大，加工制造难度高，运输困难。提高换热面积、降低设备规格是发展的趋势。

目前外热式回转炉炉壁及列管换热方式的应用较为广泛，混合式换热方式的研究分析较少。本文对比了多种外热式回转炉换热方式，说明混合式换热方式可提高设备换热面积，降低设备规格，提高生产效率。

1 热传递的基本型式

热传递主要包括热传导、对流和辐射三种换热方式。热传导理论[1]中，固体导电体通过自由电子迁移传递能量，固体非导电体通过晶格振动传递能量。对流是指流体各部分质点发生相对位移而引起的热量传递过程。辐射是指一种以电磁波传播能量的现象。

2 外热式回转炉换热分析

2.1 炉壁换热方式换热分析

炉壁换热方式的外热式回转炉换热过程中的热量分布，如图1所示。载热气体携带的总热量Qo通过对流、辐射等作用将热量传递至回转炉炉体外壁，再通过热传导传递至回转炉炉体内壁。当回转炉炉体内壁处于物料覆盖时，热量Qm由回转炉体内壁通过导热、对流、辐射等方式将热量传给物料；当回转炉炉体内壁处于物料覆盖以外时，热量Qg由回转炉体内壁通过辐射等方式将热量传给炉内气体及物料。载热气体携带的部分热量通过保温层散失到外界，即热量Qs。

图1 炉壁换热方式横截面换热示意图

2.2 列管换热方式换热分析

列管换热方式的外热式回转炉换热过程中的热量分布，如图2所示。载热气体携带的总热量Qo通过对流、辐射等作用将热量传递至列管内壁，再通过热传导传递至列管外壁。当列管外壁处于物料覆盖时，热量Qm由列管外壁通过热传导方式将热量传给物料；当列管外壁处于物料覆盖以外时，热量Qg由列管外壁通过对流、辐射等方式将热量传给炉内气体及物料界面。载热气体携带的部分热量通过保温层散失到外界，即热量Qs。

图2 列管换热方式横截面换热示意图

2.3 混合换热方式换热分析

混合换热方式的外热式回转炉换热过程中的热量分布，如图3所示。载热气体携带的总热量Qo由两部分组成，一部分由炉体外侧的热风通道内的载热气体携带，另一部分由列管内部的热风通道内的载热气体携带。当换热面处于物料覆盖时，热量Qm由换热面通过热传导等方式将热量传给物料；当换热面处于物料覆盖以外时，热量Qg由换热面通过对流、辐射等方式将热量传给炉内气体及物料界面。载热气体携带的部分热量通过保温层散失到外界，即热量Qs。

图3 炉壁换热方式横截面换热示意图

3 实际使用效果分析

矿物料实验的物料平衡计算基础数据。物料：矿物料；进料量：450kg/h；出料量：400kg/h；热源：天然气（进750℃，出550℃）。

3.1 实验过程热量计算

3.1.1 物料升温需要热量

进料温度为250℃；出料温度为550℃；所选矿物料比热为1.5kJ/（kg·℃）；物料升温需要热量为：450×1.5×（550- 250）=202500kJ/h

3.1.2 物料反应热

所选矿物料反应活化能：90kJ/mol；

参与反应的物质的量为固体物质的量，根据物料平衡表计算得440mol。

反应热为440×90=39 600kJ/h。

3.1.3 实验物料共需热量

各部分热量占总热量比例如表1所示。

表1 试验物料热量占总热量比例

3.2 实验设备规格计算

3.2.1 总换热系数

实验设备总换热系数50W/（m2·℃）

3.2.2 对数温差计算

物料250℃→550℃；热源750→550℃；对数温差：

3.2.3 实验物料所需换热面积

3.2.4 实验设备体积

所选矿物料堆密度为1 500kg/m3；物料的体积流量；450/ 1 500=0.3m3/h；物料反应所需的时间为30min；设备的填充率为15%；设备的有效容积；0.3×（30/60）/15%=1m3。

3.2.5 实验设备规格选择

选择实验设备长径比为8，根据容积计算实验设备直径为：（4×1/3.14/8）^（1/3）=0.54m；

实验设备初选规格φ550×4500mm；返算实验设备填充率为14%。

3.3 实验设备换热面积计算

3.3.1 实验设备选炉壁换热方式的换热面积

实验设备规格为：φ550×4500mm，加热段炉体最大长度为2.5m，计算换热面积为4.32m2。无法满足实验物料反应需要的换热面积5.45m2，因此实验设备规格需要增大。

3.3.2 实验设备选列管换热方式的换热面积

实验设备规格为：φ550×4500mm，加热段列管最大长度为：3.4m，可分布列管6根，外径φ89mm，计算列管换热面积为：5.7m2。满足实验物料反应需要的换热面积5.45m2。

3.3.3 实验设备选混合换热方式的换热面积

实验设备规格为：φ550×4500mm，加热段炉体最大长度为2m，计算换热面积为3.45m2；加热段列管最大长度为3.4m，可分布列管6根，外径φ89mm，计算列管换热面积为5.7m2；加热段炉体和列管换热面积合计9.15m2。满足实验物料反应需要换热面积5.45m2。

3.4 实验设备实际使用效果

按炉壁、列管、混合换热方式，各加工一台规格为：φ550×4500mm 的实验炉进行试验。相同实验条件下，不同换热方式的实验炉检测出稳定合格产品，物料所需在实验炉内部的停留时间不同：

炉壁换热方式试实炉物料在设备内部的停留时间为67min；列管换热方式实验炉物料在设备内部的停留时间为48min；混合换热方式实验炉物料在设备内部的停留时间为31min。

4 结语

相同工况下，物料在设备内部所需的停留时间越短，生产效率越高。因此，提高设备的换热面积，缩短物料在设备内部的停留时间，能够提高设备产能。混合换热方式可最大限度地提高设备换热面积，使物料与载热气体快速换热，提高生产率，降低设备规格。