粉料干燥氧化一体式回转炉的设计与应用

王建业，曾帅强，龙 纯，王世刚，瞿海斌

(湖南烁科热工智能装备有限公司，湖南 长沙 410111)

随着材料技术的发展，对材料加工质量的要求逐步提升，并且加工成本也被严格控制。在粉体材料烧结加工行业，特别是在规模化生产的粉体材料市场，对大产能低能耗高质量烧结设备的需求越来越迫切。粉体烧结可分为两大烧结形式，即静态烧结与动态烧结。静态烧结指的是粉料与承载容器在相对静止的状态下进行烧结，该类烧结设备有箱式炉、推板炉、辊道炉等。动态烧结指的是粉料与承载容器在其他外力作用下、具有相对运动的状态下进行烧结，该类烧结设备有回转炉、搅拌炉、摇摆炉等。受结构布置影响，一般静态烧结设备温度极限高于动态烧结设备，但在低温烧结过程中，动态烧结优势明显。

回转炉设备具有明显动态烧结特点，在炉管转动过程中对物料进行持续翻转作用，物料烧结具有快速升温、及时排放废气、充分接触环境气氛等特点，使得物料有效烧结时间大大低于静态烧结时间。

在回转炉应用过程中，存在部分物料烧结需要通过低温干燥烧结以及高温氧化烧结两段工序，目前一般使用两台回转炉采用单设备单工艺方案，其运行成本虽低于静态烧结，但由于存在两道工艺间串联设备及人工成本，该方案仍然不够理想。本文针对该问题，针对性设计粉料干燥氧化一体化回转炉设备，并成功应用于生产，对简化工艺流程及节约运行成本具有重要意义。

1 一般粉料干燥氧化工艺

需进行烧结干燥的粉料原料一般都已通过盘式干燥机进行预干燥，故水分含量一般低于30%。经盘式干燥机干燥后的粉料含水率的高低直接影响物料性质，含水率较低的物料呈现松散状，含水率较高的物料可能出现成团、结块等现象。一般进行烧结干燥温度在120～400 ℃，烧结时长根据含水率高低进行调节。图1～图2分别为含水率较低粉料图、含水率较高粉料图。

图1 含水率较低粉料图

图2 含水率较高粉料图

一般需氧化烧结的粉料的氧化工艺处于干燥烧结工艺之后，一般氧化烧结温度在200～800 ℃。物料在烧结过程中发生氧化反应，吸收空气中氧气并排出其他气体副产物。一方面，在烧结过程需要充分翻转并提供足量空气以保证氧化完全，另一方面，需避免物料因翻转离散过于严重及空气流通量过大而导致过多物料被流动空气带出炉管，造成物料损失。故扬料板、转速及抽风量需根据实际情况进行针对性设计。

2 干燥氧化一体式回转炉设计

2.1 炉管及产能设计

以100 kg/h为设计产能，结合某粉料进行设备定型设计，其物料性质见表1。

表1 某粉料物料性质参数表

炉管内部设计法相片状扬料板，扬料板高度较低，保证物料充分干燥及氧化，由于扬料板结构简单且扬料板高度低，物料在炉管内部运动可参照无扬料板情况计算，炉管内部运动时间t计算公式如下：

(1)

式中：t为物料停留时间，min；L为炉管长度，m；D为炉管内径，m；θ为物料自然倾角，(°)；α为炉管水平倾角，(°)；n为炉管转速，r/min。

该粉料在动态烧结生成合格氧化物大约需要120 min；炉管转速设定为1.5 r/min；炉管倾角设定0.8°。计算后得出：L/D=12.72，即L=12.72D。

产能为100 kg/h，烧失率约32%，计算可得该粉料处理量G=147 kg/h，物料在炉管内部的填充率一般在0.1～0.2，为满足较好的烧结效果，选取填充率为0.1，填充率f计算公式如下：

式中：k为结构影响系数，根据实际情况取值为1.2。

代入后计算得D=0.796 m,取炉管直径为0.8 m，即得炉管长度为10.18 m，取炉管长度为10 m。

2.2 新型进料器

回转炉进料端主要采用螺旋进料方式，部分设计也采用振动进料方式。对于含水率较高，特别是出现结块现象的粉料，在进料器料仓易出现物料搭桥、卡料及螺旋轴前端遇热板结等现象。

本例中，新型进料器料仓设置2个破碎辊轮对物料进行一次对辊破碎，将结块物料充分粉碎后落入旋转破拱轴。通过破拱轴作用对物料进行二次打散，并有效防止了物料堆积架桥。螺旋轴叶片采用不等螺距结构并设置刮钉，提高物料在螺旋前端的离散性及防止物料在螺旋轴外管上黏结。由于螺旋进料管前端伸入加热炉管内部，使得螺旋进料管前端温度骤升，含水率较高物料极易在此处遇热板结，本新型进料器在螺旋进料管前端设置水冷夹套，通过冷却水下进上出结构对进料管外壁持续降温，有效防止了物料在螺旋进料管内因骤热而造成的物料板结。图3为新型进料器设计结构图。

图3 新型进料器设计结构图

2.3 扬料板及加热装置设计

干燥氧化一体式回转炉集干燥与氧化两段工艺于同一支炉管，一般先进行干燥后进行氧化，故对炉管内部扬料板布置需分段设计。在干燥工艺过程，物料由于水分存在，其黏结性较好，含水率较高的物料还存在结团现象。干燥区扬料板设计分为两段，进料前端设计多段进料螺旋板，便于投入物料及时推送防止物料堆积堵料，后端设置扬料板高度约为炉管半径1/5高度扬料板，圆周均布数目为3～6块，物料充分扬起便于物料干燥。在氧化工艺过程，物料含水率极低，物料呈粉末状。氧化区设置扬料板高度约为炉管半径1/10高度扬料板，圆周均布数目为6～10块。①小尺寸扬料板设计可将底部物料翻转利于物料充分氧化。②由于除尘系统的负压抽气，炉管内扬起离散物料随着流动空气带出并进入除尘器形成废料，而小尺寸扬料板设计弱化了扬料效果，进一步控制了废料量。③扬料板数目较多，利于氧化过程中将物料充分打散，防止物料因滑壁运动而形成球状。

物料在回转炉炉管烧结过程中，炉管旋转对物料产生一定的抄料效果，但由于重力作用，物料基本处于炉管底部。在外加热过程中，物料加热主要热源为炉管对物料的热传导，故主要传热面为物料与炉管的接触面，即炉管底部。本例中，炉管加热装置采用圆弧加热元件，并在允许范围内尽量贴合炉管底部外表面，有效增强物料加热效率。图4为圆弧加热示意图。

图4 圆弧加热示意图

2.4 新型降温装置

物料加热烧结后需要进行冷却，再进行出料包装。冷却大多采用自来水喷淋，水冷炉管工作时引入冷水喷淋在炉管外表面，炉管下方设有水槽及排水管道，通过控制喷淋水量，保证出料温度。在实际应用中，由于喷淋水一般由炉管上部喷淋，冷却水随炉管外壁滑落到达炉管底部的水冷极少，而物料与炉管接触在炉管底部，故冷却效率较低。

新型降温装置在原有水冷结构上增加了多块金属导热冷却片，同时通过控制进水量保证进排水平衡，进一步保证水冷外壳底部水位淹没底部金属导热冷却片。高温物料通过炉管及炉管底部多块金属导热冷却片将热量有效传导至底部囤积的冷却水，达到提高降温效率的目的。图5为新型水冷装置设计结构图。

图5 新型水冷装置设计结构图

3 结 论

本例干燥氧化一体式回转炉已完成实际应用，目前设备处于运行生产中，整体运行状态良好，应用表明：

(1)设备运行稳定，产品质量优，整体产量高于设计的100 kg/h；

(2)新型进料器采用破碎辊轮、破拱轴、不等螺距螺旋轴结合叶片刮钉、水冷夹套等特殊设计，有效避免了物料搭桥、卡料及螺旋轴前端遇热板结问题；

(3)扬料板布置需分段设计及圆弧加热元件设计，有效增强物料加热效率，检测与物料温差有所降低；

(4)增加金属导热冷却片的新型降温装置降温效果良好，同等情况下出料温度较之前设备降低5～10 ℃。

粉料干燥氧化一体式回转炉的开发与应用，实现了某粉体干燥氧化一体式生产。此例中设备同时具备其他类似工艺粉料的干燥氧化过程，或者其他类似工艺粉料的干燥焙烧催化过程，应用前景较为广泛。