回转窑的设计
一、窑型和长径比 1. 窑 型
所谓窑型是指筒体各段直径的变化。按筒体形状有以下几种窑型：
(1) 直筒型：制造安装方便，物料在窑内移动速度较均匀一致，操作控制较易掌握，同时窑体砌造及维护较方便；
(2) 热端扩大型：加大单位时间内燃烧的燃料量及传热量，在原窑直径偏小的情况下，扩大热端将相应提高产量，适用于烧成温度高的物料；
(3) 冷端扩大型：便于安装热交换器，增大干燥受热面，加速料浆水分蒸发，降低热耗及细尘飞损，适用于处理蒸发量大、烘干困难的物料；
(4) 两端扩大型(哑铃型)：中间的填充系数提高，使物料流动的机会减少，还可以节约部分钢材；还有单独扩大烧成带或分解带的“大肚窑” ，这种窑型易挂窑皮，在干燥带及烧成带能力足够时，可以显著提高产量。但这种窑型操作不便。
总之，不论扩大哪一带，必须保持预烧能力和烧结能力趋于平衡。只有在生产窑上，经过生产实践和充分调查研究(包括必要的热工测定和计算)，发现某一带确为热工上的薄弱环节，在这种特定条件下将该带扩大，才会得出较明显的效果。
目前国内外发展趋势仍以直筒型窑为主，而且尺寸向大型方面发展。其他有色金属工业用回转窑(还原、挥发、硫化精矿焙烧、氯化焙烧、离析、烧结转化等)多采用较短的直筒窑。 2. 长径比
要得长径比有两种表示方法：一是筒体长度L与筒体公称直径D之比；另一是筒体长度L与窑的平均有效直径D均之比。L/D便于计算，L/D均反映要的热工特点更加确切，为了区别起见，称 L/D均为有效长径比。 窑的长径比是根据窑的用途、喂料方式及加热方法来确定的。 根据我国生产实践的不 完全统计，各类窑的长径比示于表1中。长径比太大，窑尾废气温度低，蒸发预热能力降低，对干燥不利；长径比太小，则窑尾温度高，热效率低。同类窑的长径比与窑的规格有关，小窑取下限，大窑取上限。 表 1 各类窑的长径比 窑的名称 氧化铝熟料窑 (喷入法) 氧化铝焙烧窑 碳素煅烧窑 干法和半干法水泥窑 湿法水泥窑 单筒冷却机 铅锌挥发窑 铜离析窑 氯化焙烧窑 公称长径比 20~25 20~23 13.5~19 11~15 30~42 8~12 14~17 —— —— 有效长径比 22~27 21.5~24 17~24 —— —— —— 16.7~18.3 15~16 12~17.7
二、回转窑的生产率
回转窑生产是一个综合热工过程，其生产率受多方面因素影响。分析其内在规律性， 可以建立以下几个方面的数量 关系。
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1. 按窑内物料流通能力： G=0.785D均2×ψ×ω料×γ料 吨/小时 (1) 式中：
G—— 单位生产率，吨/小时； D均—— 窑的平均有效内径，米；
ψ—— 物料在窑内的平均填充系数，一般为 0.04~0.12 。各类窑的填充系数见表2。 γ料—— 物料堆比重，吨/米；某些物料的堆比重见表3；
ω 料—— 物料轴向移动速度，米/小时；其值取决于窑运转情况，可按式(12)、式(13)及式(14)计算或测定。
表 2 各类窑的平均填充系数 窑名称 铜离析窑 铅锌挥发窑 氧化焙烧窑 氯化焙烧窑 氧化铝熟料窑 氧化铝焙烧窑 平均填充系数 ψ 0.06~0.08 0.04~0.08 0.04~0.07 0.04~0.07 0.06~0.08 0.06~0.08 表 3 某些物料的堆比重
物料名称 锌浸出渣 锌浸出残渣与 50% 焦粉混合料 铅鼓风炉水碎渣与 50% 焦粉混合料 氯化铜矿 锌沸腾焙烧细尘 硫化镍精矿 硫化镍焙砂 氧化铝和干氢氧化铝 碱石灰铝土矿干生料 碱石灰铝土矿熟料 堆比重 1.6~1.65 1.2~1.3 1.4~1.5 1.16 1.80 1.6~1.8 1.2~2.0 1.0 1.2 1.3~1.4
2. 按物料反应时间
有些工艺过程要求物料有一定的高温持续时间，以完成物理化学反应。若通过实验或生产实践得知物料必须在窑内停留的时间，则 ：G=0.785×L/τ×D均2×ψ×γ料 吨 /小时 (2) 式中：L—— 窑长 ( 或某带长度 ) ，米；τ —— 物料在窑内（或某带）停留时间，小时；其他符号同前。 3. 按正常排烟能力
为了控制窑灰带出的循环量，往往选择一个适宜的窑尾排气速度范围。 G=2826×D均干2×ωt×(1-ψ干)/V0×(1+βt尾) 吨/小时 (3) 式中：V0 —— 每吨产品的窑气量，标米3/吨； t尾 —— 烟气离窑温度，℃；
β——气体体积膨胀系数 , β=1/273；
ωt ——窑尾排气速度，m/s ，一般3~8m/s ；
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ψ干 ——干燥带物料填充系数；
D均干 ——干燥带平均有效内径，米。 4. 按供热能力 G=K×B×Q低×η/q料 吨/小时 (4)
式中：B—— 燃料消耗量，公斤/小时或标米3/小时； Q低 ——燃料低发热量，千卡/公斤或千卡/ 标米3；
K——系数，对铝厂用窑预热二次空气时，K=1.1~1.15 ；不预热时， K＝1.0 ； η ——窑的热效率，一般为55~65%；
q料 —— 每吨产品必须消耗的有效热，千卡/ 吨。 q料=（G干料+A)(q吸+C×t高+600w/100-w)×103千卡/吨
式中：G干料——每公斤产品理论消耗干生料量 (不包括水分) ，公斤/公斤； A——每公斤产品不可返回的飞尘损失，公斤/公斤
q 吸 ——每公斤产品吸热反应吸热量 (除去放热反应放热量），千卡/公斤； C × t高——将物料加热到最高温度(烧成带) 所需物理热，千卡/公斤； W——湿生料中所含水分，% 。
5. 按窑内传热能力 ：G=∑Q÷q料 或 G=Qi÷[q料]i 千卡/小时 (5) 式中：∑Q—— 窑内各带对物料的总给热量，千卡/小时； Qi —— 窑内某一工作带中对物料的传热量，千卡/小时； q料 —— 物料必须在窑内吸收的总有效热量，千卡/吨；
[q料]i —— 物料在某一工作带内必须吸收的有效热量，千卡/吨。 所谓有效热量指的是不考虑非生产性消耗和热损失的热量。
回转窑内传热过程比较复杂，各工作带内传热方式也不尽相同。在干燥带，气体温度较低， 传 热以对流为主。另外，窑壁及热交换装置对物料也有传导作用，因传导的计算较繁杂，而辐射的份量又不大，为简化计算，往往将两种热交换综合在对流给热系数之中，用一个经验公式表示： Q干=α干×F干×Δt干式中： α干 —— 干燥带给热系数，千卡/米2 . 小时 . ℃，根据热交换装置类型不同，有各种经验公式，如在挂链条情况下：( 式中 ω0 为窑全断面的平均流速， Nm/S)；F干 —— 干燥带中总传热面积（窑的内衬表面 + 热交换装置总表面）， m2 ；
Δt干 —— 干燥带两端炉气与物料温度差的对数平均值，℃。
图 1 回转窑内传示意图
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图 2 回转窑内壁示意图
其他带内，对物料裸露表面的传热可近似按火焰炉内传热公式计算；对与窑衬接砝的物料表面，窑衬表面将通过辐射与传导向物料传热，但随着窑衬温度升高及物料颗粒变粗（由粉料变成小球进而烧结成块），其间传导作用将越来越小，传热量按下式计算： Qi = αΣ ×Δt×F弦× C壁料 [(T壁/100)4-(T料/100)4] ×F弧
式中：αΣ—— 综合给热系政，等于α对 + α辐 ，千卡/米2 . 小时 . ℃；α对 —— 炉气对物料的对流给热系数，千卡 / 米2 . 小时 . ℃；
α辐—— 炉气及窑壁对物料的辐射给热系数，千卡/米 2 . 小时 . ℃。 α辐=C气料壁[(T1/100)4-(T2/100)4]/t气-t料
式中： C气料壁=4.88ε料(F壁/F弦+1-ε气)/[ε料+ε气(1-ε料)]1-ε气/ε气+F壁/F弦 千米/小时式中： ε料 ，ε气 —— 物料及炉气的黑度； F壁/F弦=π×D-L弧/L弦
Δt—— 该带内炉气与物料的平均温度差，℃，取始末两端温差的对数平均值： Δt=Δt′-Δt ″/ln(Δt′ /Δt″) ℃
其中： Δt′、Δt ″—— 始端及末端的气与料的温度差，℃；
当Δt ′与Δt〃之值相差不大(不超过一倍 ) 时，可用算术平均值，即： Δt=1/2(Δt′+Δt″) ℃式 (7) 中第二项系考虑窑衬遮蔽表面与接触物料弧形表面间的辐射 ( 视为两平行表面组成的封闭体系 ) ，式中有关参数确定如下： C壁料=4.88÷（1/ ε壁+1/ε料-1）千卡/米2. 小时 .K4 式中： ε壁——窑壁黑度；
另外 T壁为窑衬遮蔽表面在该带内的平均温度，K ；考虑到与物料接触过程中的温度降低，此值可近似取以下平均值： T壁=1/2（T料+T′壁）其中未遮蔽的窑壁表面温度 T壁可近似按火焰炉内炉墙表面温度公式确定：
式中符号意义及单位同前。
[附] F弦、 F弧、 F壁的计算：
①计算出各带的填充系数ψ：ψ＝4G÷(π×D2均×ω料×γ料) (a) ②计算物料填充的弓形面积 ：f料 = ψ×π×R2 (b)
③计算物料填充中心角θ：因 f料 =0.5× R2 ×(π÷180θ-sinθ)
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