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蒸汽管式(烘干)煅燒窯
寧夏博得石膏研究院 王立明
一、蒸汽管式(烘干)煅燒窯簡介
蒸汽管式(烘干)煅燒窯是一種采用高壓飽和或過熱蒸汽為熱介質(zhì)，采用回轉(zhuǎn)窯的外形結(jié)構(gòu)及管網(wǎng)式換熱結(jié)構(gòu)的連續(xù)式低溫烘干或煅燒設(shè)備。具有管式烘干煅燒窯及蒸汽換熱設(shè)備的特點，是一種非常適用于副產(chǎn)石膏的烘干或煅燒的環(huán)保、**、規(guī)模化的生產(chǎn)設(shè)備;
蒸汽管式(烘干)煅燒窯集中了回轉(zhuǎn)窯、間接換熱管式烘干煅燒窯及蒸汽烘干煅燒設(shè)備的特點。其外形及支承、傳動系統(tǒng)仍然是典型的回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)，其內(nèi)部換熱管網(wǎng)則具有比管式烘干煅燒窯更復雜和更高要求的換熱管網(wǎng)系統(tǒng)，其蒸汽進出要求、蒸汽分配要求、承壓焊接要求及換熱機理則是完全的蒸汽換熱設(shè)備的要求。蒸汽管式(烘干)煅燒窯以窯體為物料的輸送和換熱空間，同時也是蒸汽換熱管道的支撐體，在窯體內(nèi)部沿圓周方向設(shè)置多層蒸汽換熱管道，管道之間通過蒸汽分配室相連，實現(xiàn)蒸汽在管道的分配和換熱后冷凝水的匯聚排出。蒸汽管式(烘干)煅燒窯包括窯體、強制喂料系統(tǒng)、換熱管網(wǎng)、蒸汽分配室、汽軸、窯體輔助設(shè)施、支撐系統(tǒng)、傳遞系統(tǒng)、出料箱、密封系統(tǒng)、補氣排氣系統(tǒng)及旋轉(zhuǎn)接頭等組成;石膏蒸汽管式(烘干)煅燒窯采用飽和或過熱蒸汽為換熱介質(zhì)，通過回轉(zhuǎn)窯內(nèi)設(shè)置的管網(wǎng)與窯體內(nèi)的石膏進行相變換熱將石膏原料煅燒為半水石膏。蒸汽管式(烘干)煅燒窯遵循回轉(zhuǎn)窯設(shè)備的運行原理，整個窯體在傳動系統(tǒng)的帶動下一起旋轉(zhuǎn)，因換熱管道固定在窯體內(nèi)，運行時管道與窯體一起旋轉(zhuǎn)，管道不受扭矩力，不易損壞。
寧夏博得石膏設(shè)計研究院根據(jù)副產(chǎn)石膏特性，結(jié)合長期研制、生產(chǎn)、調(diào)試石膏烘干煅燒設(shè)備的經(jīng)驗，研發(fā)形成了專門用于副產(chǎn)石膏烘干和煅燒的專用蒸汽烘干和煅燒設(shè)備系列。由于采用蒸汽作為熱源，蒸汽管式(烘干)煅燒窯熱量供給穩(wěn)定，換熱效率高，設(shè)備技術(shù)成熟，生產(chǎn)產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，環(huán)保標準高。且具備生產(chǎn)工藝參數(shù)易于調(diào)整和控制、操作簡單、設(shè)備故障率低、維修方便等優(yōu)點。
二、蒸汽管式(烘干)煅燒窯的工作原理
蒸汽管式(烘干)煅燒窯采用飽和或過熱蒸汽為換熱介質(zhì)，窯體內(nèi)部根據(jù)換熱要求、物料特性、熱介質(zhì)特性在窯體圓周方向設(shè)置多層蒸汽換熱管網(wǎng)，管網(wǎng)與進氣端的蒸汽分配室連接，供汽系統(tǒng)通過旋轉(zhuǎn)接頭與汽軸連接將蒸汽供至蒸汽分配室并送至管網(wǎng)系統(tǒng)，蒸汽換熱釋放熱量后形成的冷凝水因窯體斜度的原因，順管網(wǎng)匯入蒸汽分配室，隨冷凝水到處設(shè)施排至冷凝水管道或冷凝水收集器。管網(wǎng)與自喂料端(**)喂入的物料不斷接觸換熱，管道表面通過接觸需熱體(石膏)使管內(nèi)蒸汽溫度降至相變臨界點發(fā)生相變(蒸汽冷凝為水)，釋放出大量的熱量，并通過管道壁傳遞給物料，使物料吸熱達到烘干煅燒的熱量需求完成換熱煅燒;窯體內(nèi)**一定的料層厚度，管道和窯體同步轉(zhuǎn)動，管網(wǎng)不斷的“穿過”或帶動料層與物料充分接觸換熱，同時管道對物料不斷的攪動使料層翻騰形成均勻換熱，這是蒸汽管式(烘干)煅燒窯的*主要換熱形式。同時管網(wǎng)旋轉(zhuǎn)脫離物料層后，向窯體內(nèi)部輻射熱量或與窯體內(nèi)氣體進行熱交換，對窯體內(nèi)部進行加熱。物料因窯體斜度及旋轉(zhuǎn)向出料端運動，并受到擋料板、抄板等的作用，控制物料速度并增大與管道的接觸機率，既**適度的提高窯體轉(zhuǎn)數(shù)以提高物料與管道的接觸，又**物料在窯體內(nèi)有足夠的煅燒時間;管道內(nèi)的蒸汽相變產(chǎn)生的冷凝水在窯體的旋轉(zhuǎn)中順管道斜度流入汽室，由汽室的導水機構(gòu)導入汽軸后通過疏水設(shè)備排至冷凝水收集器;
蒸汽管式(烘干)煅燒窯是一種低溫烘干煅燒設(shè)備，采用蒸汽為熱源，溫度波動小，熱介質(zhì)溫度低，換熱過程長，是一種非常穩(wěn)定的烘干煅燒設(shè)備。在換熱過程中物料受窯體旋轉(zhuǎn)及管道攪拌等作用不斷翻騰，換熱較為均勻，熱量傳遞較為溫和。同時，因為烘干或煅燒過程可以通過窯體轉(zhuǎn)數(shù)調(diào)整石膏在窯內(nèi)的停留時間(煅燒時間)，有效的控制石膏煅燒時間的一致性，可以較為容易的控制出料溫度，也就是說，可以控制石膏在一定幅度內(nèi)的任意溫度作為煅燒出料溫度，從而調(diào)整產(chǎn)品的物相組成和性能指標。
三、蒸汽管式(烘干)煅燒窯的性能特點
蒸汽管式(烘干)煅燒窯作為一種間接換熱的連續(xù)式烘干煅燒設(shè)備，具備間接換熱烘干或煅燒設(shè)備所具有的特點。同時因為采蒸汽熱源，熱源溫度不會出現(xiàn)較大幅度的波動，供熱穩(wěn)定，煅燒過程更為穩(wěn)定，產(chǎn)品質(zhì)量更易控制。生產(chǎn)過程無煙氣排放，更為綠色環(huán)保?？傮w而言，蒸汽管式(烘干)煅燒窯具有如下特點：
1)、蒸汽管式(烘干)煅燒窯采用蒸汽為熱源，無硫、碳、氮等氧化物排放，無燃料系統(tǒng)的處理過程，主要排出物為冷凝水，可進行二次利用，生產(chǎn)線更為環(huán)保;
2)、單位容積處理量大 換熱設(shè)備為內(nèi)部設(shè)置加熱管片，因攪拌過程中與物料直接接觸，換熱管內(nèi)蒸汽受熱交換條件的影響，易發(fā)生蒸汽冷凝為水的相變過程，快速釋放出相變熱，相變熱因換熱管道與脫硫石膏的緊密接觸，傳遞熱量快，換熱效率高;換熱管網(wǎng)設(shè)置在回轉(zhuǎn)窯窯體內(nèi)，具有加大的空間和長度，利于設(shè)置較大換熱面積的多次管網(wǎng)，達到較大的設(shè)備單位容積處理量;利于大規(guī)模生產(chǎn)設(shè)備的配置。
3)、熱效率高 煅燒時不需使用過多的空氣，故排氣所帶走的熱損失可忽略不計。因換熱管道設(shè)置于窯體內(nèi)且不直接與窯體接觸，管道的所有的熱量均釋放在窯體內(nèi)為物料和窯內(nèi)空氣吸收，窯體表面的散熱損失較小。整體熱效率可達80-90%，具有較高的經(jīng)濟性;
4)、可以在一定溫度下進行烘干或煅燒，也可根據(jù)物料烘干煅燒要求調(diào)整使物料在一定溫度范圍內(nèi)(如100---180度)的任意溫度進行穩(wěn)定烘干或煅燒，蒸汽溫度的穩(wěn)定性，容易控制烘干或煅燒溫度，對熱敏性物料的烘干或煅燒尤其適用;尤其有利于副產(chǎn)石膏的穩(wěn)定烘干煅燒和高性能產(chǎn)品的煅燒。相比于其它烘干煅燒設(shè)備，蒸汽管式(烘干)煅燒窯具有非常穩(wěn)定的低溫**熱源(溫度低，但熱量供給足)，不會因為熱源的溫度波動形成產(chǎn)品質(zhì)量波動，且管式烘干煅燒窯系統(tǒng)的烘干和煅燒均勻性、石膏烘干或煅燒過程的運動不受其它因素影響(窯體內(nèi)為微負壓，無風力配置影響物料運動)，可根據(jù)產(chǎn)品相比例要求，將出料溫度設(shè)定在需要的任何溫度點，實現(xiàn)特定的溫度要求進行煅燒的目的，這是其它烘干或煅燒設(shè)備很難達到的。
5)、物料在烘干煅燒設(shè)備內(nèi)的停留時間可以根據(jù)要求進行任意調(diào)整，通過對轉(zhuǎn)數(shù)等的調(diào)整，得到*有利于每一種產(chǎn)品烘干或煅燒的物料停留時間，得到所需要的*佳的相組成的產(chǎn)品;通常物料容積比為10-20%;物料停留時間可在20—60分鐘內(nèi)調(diào)整;從而達到烘干不同性能要求的物料，煅燒不同相比例組成的產(chǎn)品，既可設(shè)置二水石膏比例略高的快凝石膏產(chǎn)品(二水石膏3-5%，半水比例80-90%，AⅢ小于3%);也可設(shè)置二水石膏比例*低，凝結(jié)時間較長的石膏產(chǎn)品(二水石膏2%，半水比例80-90%，AⅢ小于3%);蒸汽管式(烘干)煅燒窯因自身的特點，具有很強的產(chǎn)品性能的調(diào)整能力。
6)、排出尾氣中粉塵攜帶量小 因為在烘干煅燒系統(tǒng)內(nèi)，熱系統(tǒng)與物料系統(tǒng)分離運行，物料系統(tǒng)的環(huán)境為微負壓，即煅燒設(shè)備內(nèi)風速很小，排氣過程帶走的粉塵量就很小，除塵設(shè)備或氣固分離設(shè)備要求低，投資省;
7)蒸汽管式(烘干)煅燒窯在運行過程中，管道固定與窯體上與窯體同步旋轉(zhuǎn)，管道不受外力，不易損害，窯體內(nèi)維護維修量小;
8)蒸汽管式(烘干)煅燒窯因采用旋轉(zhuǎn)接頭與供汽管道連接，采用蒸汽溫度及壓力高，為**密封材料的壽命，整個窯體制作精度要求高，制作成本大，設(shè)備一般必須采用整體裝配好出廠，運輸費用高;
9)蒸汽管式烘干煅燒設(shè)備具有很強的原料含水率適應能力，一般對于20%以內(nèi)的附著水的物料，均可直接喂入進行烘干或煅燒，物料水分含量的多少，僅僅對設(shè)備的產(chǎn)量形成影響，對質(zhì)量幾乎不形成影響。而對于較高的附著水含水率的物料，僅需要處理好喂料設(shè)備的適應性及窯體內(nèi)的密封、保溫及合適的窯內(nèi)溫度即可**正常運行。蒸汽管式(烘干)煅燒窯與其它管式煅燒窯一樣，對原料粒度具有很強的適應性，原料具有小于15mm的顆粒，對煅燒及煅燒系統(tǒng)的設(shè)備不形成任何影響;
10)蒸汽管式(烘干)煅燒窯是一個既可以獨立作為烘干設(shè)備使用，也可將預熱烘干、物料煅燒等功能集成為一體的設(shè)備，即可用于高含水原料的**烘干，有可直接形成烘干及煅燒一體化集成，大大優(yōu)化工藝的煅燒系統(tǒng)。作為一步法的將烘干及煅燒集成的一體化設(shè)備，對產(chǎn)品質(zhì)量的調(diào)控和**因蒸汽熱源、管式換熱及回轉(zhuǎn)運行的特點，在各類煅燒設(shè)備中仍然具有很高的性能，優(yōu)于煙氣煅燒設(shè)備。
四、蒸汽管式(烘干)煅燒窯對熱源的要求
蒸汽管式(烘干)煅燒窯的熱源主要為飽和蒸汽或過熱蒸汽。其蒸汽溫度一般必須高于石膏出料溫度20度以上。較低的蒸汽溫度對設(shè)備運行及換熱效率都有較大的影響，但過高的溫度和壓力對煅燒窯的制作成本影響較大，也不易得到;采用不同的蒸汽熱源對生產(chǎn)運行，設(shè)備成本及產(chǎn)能具有較大的影響;
蒸汽一般分為飽和蒸汽和過熱蒸汽，飽和蒸汽是未經(jīng)熱處理的蒸汽，無色、無味、不能燃燒且無腐蝕性的氣體。飽和蒸汽的溫度與壓力之間一一對應。二者之間只有一個獨立的變量。飽和蒸汽容易由氣態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，并釋放出大力的熱量，也就是說，飽和蒸汽在輸送或保壓過程中，如有熱量釋放，蒸汽中就會形成液態(tài)水形成。過熱蒸汽是常見的動力能源，常用來帶動汽輪機工作或用于蒸汽輸送，過熱蒸汽是由飽和蒸汽進一步加熱升溫形成的，其中不含液態(tài)水;過熱蒸汽的溫度與壓力無對應關(guān)系，是兩個獨立參數(shù)，密度由這兩個參數(shù)決定。過熱蒸汽在輸送過程中會因為熱量釋放逐漸降溫，如過熱度不高，會降溫逐漸由過熱狀態(tài)變?yōu)轱柡蜖顟B(tài)或過飽和狀態(tài);飽和蒸汽突然大幅大降壓，也會變?yōu)檫^熱蒸汽。
過熱蒸汽更利于蒸汽輸送，但不利于熱量釋放。過熱蒸汽從氣相到液相的過程要釋放顯熱達到飽和狀態(tài)，才可以大量釋放相變熱后變?yōu)橐簯B(tài)，如過熱度過高，則非常不利于熱量釋放;而飽和蒸汽遇吸熱條件即可轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)釋放大量的相變熱;蒸汽的相變熱(潛熱)要遠高于顯熱;因此在煅燒過程中，以蒸汽為熱源，主要是利用蒸汽的潛熱，使蒸汽釋放出相變熱來**煅燒所需的熱量。但由于飽和蒸汽輸送過程因散熱而容易導致熱損嚴重，因此，煅燒所采用的蒸汽一般需要一定的過熱度;
常用的飽和蒸汽溫度壓力及對應熱晗值：
過熱蒸汽的溫度壓力及對應焓值
副產(chǎn)石膏烘干過程中，出料溫度一般保持在100度左右，所采用的蒸汽溫度及壓力可以低一些，但考慮到的換熱效率、設(shè)備工作順暢性(提高窯內(nèi)溫度，利于水汽排出)、產(chǎn)量等因素，一般*好采用180度以上的蒸汽更為合適。石膏煅燒過程中，出料溫度一般要**在150-170度，因此，所需要的蒸汽溫度必須大于170度，一般應保持在190度以上。且從換熱效率的來講，蒸汽溫度越高，與物料或窯內(nèi)空氣溫差越大，越有利于熱量傳遞。但過高的飽和蒸汽對設(shè)備等的要求較高，過熱度過高的蒸汽則不利于熱量釋放;而過低的蒸汽溫度除不利于熱量傳遞外，同時會使烘干煅燒窯內(nèi)的溫度過低，不利于煅燒及水汽排出;因此，蒸汽煅燒窯一般采用壓力為1.0-2.0MPa，溫度為200-300度的蒸汽作為熱源。在進入煅燒窯時可采用溫度壓力調(diào)節(jié)裝置，**蒸汽溫度的過熱度在15-30度即可;
蒸汽作為烘干煅燒窯熱源，會在管網(wǎng)形成一個密閉的管路系統(tǒng)，生產(chǎn)過程為一個保壓換熱的體系，即不斷的補充蒸汽，使管網(wǎng)保持一定的壓力和溫度，管網(wǎng)與石膏接觸傳遞熱量或向窯體內(nèi)輻射熱量，使管道內(nèi)的蒸汽降溫相變?yōu)橐簯B(tài)水，并通過排水設(shè)施及時的排出管網(wǎng)。因管網(wǎng)排出的水主要為蒸汽相變后形成的高溫(臨界)水，雖在排出過程中會進一步釋放顯熱降溫，但一般均高于物料溫度(烘干物料一般為100-110度，煅燒物料為150-170度)，因此，煅燒窯排出的水會進一步形成低壓蒸汽和冷凝水的混合體，有條件的可進行二次利用進行低溫預烘干;
蒸汽作為熱源，溫度非常穩(wěn)定，利于石膏烘干煅燒過程的控制，而且屬于低溫熱源，是幾種熱源中*有利于穩(wěn)定生產(chǎn)和控制的有熱源，也是*綠色環(huán)保的熱源(除去蒸汽的產(chǎn)生過程的環(huán)保問題);因此，以蒸汽為熱源的烘干煅燒設(shè)備，產(chǎn)品質(zhì)量一般均非常穩(wěn)定，性能優(yōu)良，相比例較好;
五、蒸汽管式(烘干)煅燒窯的適應范圍
蒸汽管式(烘干)煅燒窯是一種集成了烘干與煅燒功能的一體化設(shè)備，更適合各類含水在20%以內(nèi)的副產(chǎn)石膏。過大的水分，會導致物料易粘結(jié)管道和窯壁，且在入窯端易結(jié)球結(jié)塊，不 于設(shè)備運行;如水分過大，可采用前端預烘干將水分降至20%以內(nèi)，或采用將烘干物料回送至原料喂料端，摻入干物料減弱原料粘性的方式;
蒸汽管式(烘干)煅燒窯可適應于副產(chǎn)石膏的烘干，也可用于一步法的煅燒，僅僅是工藝參數(shù)和部分窯體內(nèi)結(jié)構(gòu)的差異，用于一步法煅燒，所采用的蒸汽壓力溫度應盡可能高一些，利于**出料溫度;
蒸汽管式(烘干)煅燒窯因采用的熱源波動小，熱量釋放快，低溫煅燒，更易適用于對產(chǎn)品性能要求很高的產(chǎn)品的煅燒(對相比例控制較為嚴格)，也更易煅燒得到凝結(jié)時間較長的產(chǎn)品;
蒸汽管式(烘干)煅燒窯尤其適合于一個設(shè)備生產(chǎn)多種性能的產(chǎn)品，即設(shè)備的調(diào)整范圍較寬，可以根據(jù)產(chǎn)品要求，設(shè)定不同的出料溫度和煅燒時間，以達到不同的相比例和產(chǎn)品性能;
蒸汽管式(烘干)煅燒窯非常適合細度較高的副產(chǎn)石膏原料的烘干或煅燒。部分副產(chǎn)石膏原料晶粒細小，細度較高。在部分煅燒設(shè)備(采用流化態(tài)煅燒或直接接觸煅燒)中較難控制，但在蒸汽管式(烘干)煅燒窯內(nèi)物料不受“風”的影響，可以均勻翻騰煅燒，能夠較好的控制煅燒狀態(tài)和效果，形成較好的產(chǎn)品。
蒸汽烘干煅燒窯適用于壓力0.8—2.0MPa，溫度200-300度的過熱蒸汽或飽和蒸汽為熱源的副產(chǎn)石膏的烘干及煅燒;可根據(jù)換熱需要設(shè)計各種規(guī)模的煅燒設(shè)備。過低的蒸汽壓力和溫度，易造成設(shè)備運行中的黏管、粘壁等現(xiàn)象，影響設(shè)備換熱及運行;過高的壓力及溫度，造成設(shè)備成本的升高;
蒸汽管式(烘干)煅燒窯能夠適應原料較大的粒度，原料粒度小于15mm，均可直接喂入煅燒窯進行煅燒，對產(chǎn)品質(zhì)量及設(shè)備運行效果基本無影響。
蒸汽管式(烘干)煅燒窯可用于脫硫石膏、磷石膏、鹽石膏、檸檬酸石膏及其它副產(chǎn)石膏的預熱烘干和煅燒;可用于生產(chǎn)適合生產(chǎn)石膏制品的凝結(jié)時間較快3-4分鐘(刀劃法)的產(chǎn)品煅燒，也可適用于生產(chǎn)砂漿及模具用凝結(jié)時間較長6-9分鐘(刀劃法)石膏粉的煅燒;可適用于各類規(guī)模的生產(chǎn)線的煅燒(5-30萬噸);但在應用中必須充分考慮原料中的影響因素，脫硫石膏中氯離子含量較高時，會對設(shè)備壽命形成很大的影響;磷石膏及檸檬酸石膏中的酸性，必須采用合適的設(shè)備材料，以**設(shè)備壽命。
作者單位：寧夏博得石膏設(shè)計研究院
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