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回转窑解析(analysisofrotarykiln)

实现回转窑及其处理物料过程的优化而进行的数学解析。回转窑是处理块状、粒状或粉状固体物料的气一固反应器，为火法冶金反应器的一种，广泛用于有色金属冶金过程，如用于氢氧化铝煅烧、铅锌矿或锌浸出渣的处理等。

操作过程回转窑是以一定速度转动的、与水平有少许倾斜角的圆筒型反应器。固体物料经给料器从窑的较高一端(窑尾)以给定速度连续加入窑内，并伴随窑的转动向另一端(窑头)缓慢移动，同时发生物料的混合、升温及各种化学反应，处理后的物料由窑头连续排出，经冷却后获得产品。回转窑内固体物料升温和反应所需要的热能主要由流经物料上方自由空间的热气流(与物料流逆向或同向流动)所提供。通过设置在窑头的主烧嘴喷入空气和燃料(通常为重油或煤粉)使燃料燃烧或在另外的燃烧室内制得高温燃烧气体再通入窑内来获得热气流。有的回转窑在窑身长度方向上安装一些辅助喷嘴，喷入二次空气和辅助原料、燃料等以改善窑内温度分布和反应状况。

回转窑内的固体物料的运动、反应机理以及窑壁、料层和气流彼此之间的传热过程十分复杂，回转窑过程的解析是在这些问题的解析基础上进行的。

固体物料在回转窑内运动规律解析加入到窑内的物料由于窑的转动产生横截面上的运动(滑移、表层滚落、翻落和抛落等)及混合，而窑的倾斜角又使物料在上述横截面上的运动及混合过程中产生轴向移动。影响物料横截面上的运动的类型和轴向移动速度的主要因素有窑的内径d(m)、转速N(r／rain)、倾斜角a(rad)及固体物料的安息角β(rad)等。在窑尾以一定速度连续加料的回转窑操作中，伴随着上述横向和轴向上的物料运动，窑内便形成具有一定截面填充率及从窑尾向窑头缓慢移动的物料床层。已经有了一些基于刚体力学、能量最低原理及物料重力、摩擦力和离心力的分析来预测不同横向运动模式及其相互转换条件的数学模型研究。而对在一定给料速度下直接决定窑填充率的物料轴向移动速度us(m／s)，则提出了一些经验方程，例如：us=0.0385D1N(α/β)0.85

回转窑内传热过程解析 回转窑内的传热机理十分复杂，如图所示。径向上至少可能考虑七个传热流量(qIj，w／m)：(1)气体对固体物料的辐射和对流传热量qgs(2)气体对窑内壁的辐射和对流传热流量qgw；(3)暴露的窑内壁对固体物料的辐射传热流量qws；(4)被物料覆盖的窑内壁与物料间的辐射和对流传热流量q｀ws；(5)通过窑壁耐火材料的导热传热流量qwo；(6)由于物料在横断面上的混合，料层表面与内部的显热迁移热流量qb；(7)窑外壁(对环境)的散热损失热流量qoa。

此外，由于固体物料部分粉化产生的粉尘和固料层中反应产生的气体进入气相、窑内壁周期性的被物料部分覆盖(或暴露于气相)以及窑头火焰区的存在等都使得传热过程进一步复杂化。

由于气体、物料和窑壁存在轴向温度梯度，因此也存在着轴向上的传热流，但轴向上的传热量比径向上的传热量小得多。在回转窑内的传热过程解析中，为了使模型简化通常仅考虑径向上的各种主要传热流，而轴向上只考虑由于物料移动和气体流动引起的显热流动。

回转窑内反应过程解析回转窑内的反应包括固体料层中的反应、在窑头设置烧嘴时的燃料(气体、液体或固体)燃烧反应及其他可能发生的气相反应。其中，固体料层中的反应依处理的物料不同而异，而同一种物料在不同温度区间也会发生不同反应。为了对回转窑操作过程进行懈析，对上述各类反应须在弄清反应机理和影响反应速度的各种因素的基础上列出宏观动力学(即单位体积床层或窑内自由空间的反应速度)方程式。
回转窑径向传热流示意图
回转窑操作过程解析 在正常回转窑操作中，热气流通过料层上方自由空间，物料的加入、排出都是连续进行的，因此，属于各过程参数仅是位置函数的稳态操作。在对前述三项充分研究并建立了相应计算方程的基础上，可以开始设计回转窑操作过程数学模型。在数学模型中必须包括质量传递、热量传递和宏观动力学方程，而在对窑内的混合进行合理假定条件下，动量传递方程通常可以省略。至今所发表的回转窑操作过程数学模型，都是在固体物料床层和气体的流动均为轴向活塞流、两相的组成和温度均不存在径向梯度的假定下建立的，这样，数学模型的设计实质上是对窑轴向上的任意截面微元体(包括料层、自由气体空间和窑衬)分别就气体和料层建立质量和热量衡算方程。应该指出，质量衡算必须对每一个重要的组分分别进行，因此数学模型主体是由多个常微分方程构成的方程组。求解该方程组时，决定与窑壁有关的传热通量的窑内外壁温度可应用径向热量平衡方程

qgw一(qws+q｀ws)=qwo=qoa求出，边界条件是物料和气体(包括燃料)的入口条件。由于各过程参数相互间的非线性关系的复杂性，必须用计算机数值法(通常采用龙格一库塔法或有限差分法)求解联立的常微分方程组。对于常见的气固两相逆流的回转窑操作，数学模型的求解归结为气固两相的组成和温度的两个两端边界值问题，因此，从窑的一端向另一端逐段计算方法必须反复进行，直至两个两端边界条件都得到满足。数学模型的求解结果一般表达为物料和气流中各个组成及气流、物料和窑的内外壁温度等过程参数的轴向分布以及操作条件变化对这些分布的影响，从而达到对操作过程进行定量解析、回转窑操作或设计条件优化的目的。