沸腾炉的设计

沸腾炉的设计----设计内容之三

第三章沸腾焙烧炉的设计计算

由于热平衡计算中，在计算炉子的热损失时需要知道沸腾全部炉壁与炉顶的总表面积。所以在热平衡计算之前应先沸腾炉主要尺寸的计算。

3.1、沸腾焙烧炉主体尺寸的计算

（一）沸腾焙烧炉单位生产率的计算

在计算沸腾炉炉床面积时，本例题所采用的炉子单位生产率不按生产实践数字选取而是按理论公式（6-2-1）进行计算。

单位生产率A= （6-2-1）

式中：1440——一天的分钟数；

——系数，介于0.93-0.97之间；

——单位炉料空气消耗量，；

——最佳鼓风强度，。

（6-2-1）式中只有不知道，根据研究结果

=(1.2～1.4)k （6-2-2）

式中，k——最低鼓风强度，，根据理论

（6-2-3）

式中：——物料间自由通道断面占总沸腾层断面的比率，一般介于0.15-0.22，对硫化物取0.15，对粒状物料如球粒取0.22；0.15

——单位体积的鼓风量在炉内生成的炉气量，

-——炉料的比重，4000 ；

——炉气重度， = =1.429 ；

——通过料层炉气的算术平均温度，

= =460℃；

——物料粒子平均粒度，米。

根据已知精矿的粒度组成，精矿中大粒部分：

粒度 0.323㎜ 10%（33%）

0.192㎜ 20%（67%）

共计 30%（100%）

=0.9

=0.9(0.67×0.192+0.33×0.323)=0.212㎜

精矿中细粒部分：

粒度 0.081㎜ 35%（50%）

0.068㎜ 35%（50%）

共计 70%（100%）

=0.9

=0.9(0.50×0.068+0.50×0.081)=0.067㎜

对全部精矿：

大粒部分 0.212㎜ 30%

细粒部分 0.067㎜ 70%

= × =0.32

物料粒子平均粒度按经验公式计算，对混合料，≤0．415 时，

平均粒度根据小粒体积含量按下式计算：

=5% +95%

=0.05×0.212+0.95×0.067=0.074㎜=74×

把上述数字代入（6-2-3）式：

=(1.2～1.4)k，选用系数1.2，则

最佳鼓风强度 =1.2k=1.2×7.403=8.884

现在就可以计算炉子的单位生产率：

A= =6.925

沸腾炉的单位生产率（床能力）与操作气流速度有关，因此也可按以下公式计算求得：

A= （6-2-4）

式中：——操作气流速度，米/秒。

的大小与物料的流化性质和工艺条件、物料颗粒大小等有关，可以根据对入炉物料实验测定的临界沸腾速度和颗粒带出速度来确定，或是参照同类物料沸腾焙烧的实测数据选取。锌精矿硫酸化沸腾焙烧操作气流速度在0.45-0.54之间，这里选用0.54米/秒。则：

A= =6.059

此外，根据经验数据，锌精矿硫酸化沸腾焙烧单位生产率一般在5-6 之间，取6 与（6-2-1）、（6-2-4）的计算结果，三项求平均值，并取整：

A= =6.217

故取A=7 进行计算。

（二）沸腾焙烧炉炉床面积及主要尺寸的计算

1、床面积计算

=

式中：F——沸腾焙烧炉炉床面积，；

Q——每日处理的锌精矿量，吨；

A——沸腾焙烧炉单位生产率，。

所以， = =31.43 。

2、沸腾焙烧炉炉型的选择

（1）床型

沸腾床有柱形和锥形床两种。对于浮选精矿一般采用柱形床。对于宽筛分物料以及在反应过程中气体体积增大很多或颗粒逐渐变细的物料，可采用上大下小的锥形床。本设计采用柱形床。

沸腾床断面形状有圆形、矩形（或椭圆形）两种。

圆形断面的炉子，具有炉体结构强度大、材料较省、散热较上、空气分布均匀、沸腾均匀等优点。但砌筑用砖型较多，炉顶需用异形砖。圆形断面的炉子，大、中、小均适用。

矩形断面的炉子，炉体结构强度小，炉体四周沸腾不良；但砌筑用砖型简单。当炉床面积较小而又要求物料出口间有较大距离的时候，可采用矩形或椭圆形断面的炉子，有利于改善炉料料短路。

本设计中采用圆形断面。

（2）炉膛形状

炉膛形状有扩大型和直筒型两种。为提高操作气流速度，减少烟

尘率和延长烟尘在炉膛内的停留时间以保证烟尘质量，目前多采用扩大型炉膛。对于锌精

矿高温焙烧，由于温度高，矿尘易粘结在扩大段折角炉壁上，当积灰塌落时，易造成死炉。炉膛扩大部分炉腹角一般为15-20度；炉膛直径与沸腾层直径之比为1.4-1.6。

本设计中炉腹角和炉膛与沸腾层直径比值分别取18度和1.4。

3、沸腾层高度与炉子总高的计算

沸腾层高度按以下（6-2-7）式计算

=（5-9） /F （6-2-7）式中：——沸腾层最小容积，；

F——沸腾层面积，即，。

系数值的大小与沸腾炉大小、精矿化学成分、粒度组成等有关。随沸腾炉炉床面积、矿粒度、精矿含硫量的增加，系数值可以取大一些，这里取9。

= （6-2-8）

式中：Q——每天处理的锌精矿量，吨；

——沸腾层中锌精矿的单位容积， /吨。在沸腾情况下，精矿单位容积大约增加到四倍，即 =4 =1 /吨。

——为了保证焙烧完全，精矿在沸腾炉内必须停留的最少时间，小时。

=（4-5） /W （6-2-9）式中：W——焙烧速度，米/时；对锌精矿为0.0035-0.0070米/时。

本设计题中， =0.323㎜；取W=0.0035米/时，则

=5×0.323× /0.0035=0.461小时

故 =

则沸腾层高度为

=（5-9） /F

=8× =1.11米≈1.2米

根据经验值，沸腾层高度一般在0.9-1.3米之间，计算结果符合。

验算沸腾层高度：

因此，上述计算得到的沸腾层高度符合要求。

下面计算炉子主体各部分高度（参看参考图例）：

：假定 + =2.5米( + 应稍大于前室高度,以便于修检)

则 =2.5-1.2=1.3米

:根据几何知识, =

按照前面的约定, 取20度, =1.4 =8.68米,代入上式,得

=(8.68-6.2)×cot20°/2=3.407米： + + = 其中， =（10～18） =18×31.43=565.74

= =3.1416× ×1.3/4=39.248

= · ·( ++R·r)/3

式中,R=8.68/2=.34米,r=6.2/2=3.1米,则

=3.1416×3.407×( + +3.1×4.34)/3

=149.490

= =59.174

则 =6.371米

故 = + + =1.3+3.047+6.371=11.078米

= + =1.2+11.078=12.278米

3.2、风帽的设计计算

1.风帽的型式:

风帽的型式，一般有菌形、锥形‘伞形三种。有的地方则把风帽分为直流型、侧流型、密孔型和填充型四种。

伞形风帽(即侧流型)广泛用于重有色冶炼厂的沸腾焙烧炉上。伞形风帽如图6-3所示。

伞形风帽的风眼钻在侧边，共有对称孔四个或六个，每个孔径为8～10毫米。风帽与风管连接处放一阻力板，板上钻孔3或5个，孔径5毫米。风帽以螺丝与直径45毫米的无缝钢管连接，用螺母固定在分布板上。也可用套管式，即风帽与铸铁管连

接，插入焊于分布板上的无缝钢管套管内。这种形式拆装方便。安装时要避免相邻风帽之风眼相对，否则易产生腾冲现象。从风帽的侧孔喷出的气体紧贴分布板面进入床层，对床层搅动作用较好，孔眼不易被堵塞，不易漏料，不易烧穿与漏犷，停炉后扎通风眼较易，而且制造简单。伞形风帽材料用一般铸铁(含Si 4-5 ﹪)制造。不论采用高温或低温焙烧，其使用期限均可达12-16个月。风帽的风眼断面积之和，一般采用为炉底面积的1%左右。

2。风帽的排列

风帽的排列密度一般为每平方米35～70个。风帽中心距100-180

毫米，视风帽排列密度和排列方式而定。在可能条件下，加大风帽排列密度，有助于改善初始流态化条件。

风帽采用下列三种排列方式。

(1)同心圆排列，适用于圆形炉。

(2)等边三角形排列，其最大优点是:排列均匀，布置紧凑，风帽中心距相等。对圆形或矩形分布板均适用。当用于圆形分布板时，最外2-3圈应采用同心圆排列。

(3)正方形排列，适用于矩形炉子。

三种排列方式如图6-4所示。

无论采用那种排列方式，为了使分布板各处的气流均匀，炉内各部位的实际排列密度应适应进风箱结构及进风方式的特点。例如中心进风的圆形炉由于进风箱边缘风压较低，通常周边的排列密度应比中间大。

3.气体分布板

气休分布板一般由风帽、花板及耐火衬垫构成。气休分布板的设计应考虑到下列条件。

(1)使进入床层的气体分布均匀，创造良好的初始流态化条件；

(2)有一定的孔眼喷出速度，使物料颗

粒，特别是使大颗粒受到激发而湍动；

(3)具有一定的阻力，以减少沸腾层各处

料层阻力的波动；

(4)应不漏料，不堵塞，耐磨擦，耐腐蚀，耐高温，不变形；

(5)结构简单，便于制造、安装和维修。

4.风帽个数的计算

风帽个数可按6-2-14与6-2-15式计算。

n = 1.2× 6-2-14式中: n—风帽个数，个；

V—空气消耗量，标米3/秒；

W—空气喷出速度，米/秒；

f—一个风帽喷出孔的断面积，米2。

在本例中: 空气消耗量为: = 4.704标米8∕秒；

空气喷出速度一般为10～15米/秒，本例题取15米/秒。

风帽喷出孔直径d=10毫米，一个风帽有四个喷出孔。

故 n = 1.2× =1198个

每平方米沸腾床面积具有的风帽个数为：

=38.1个/米2(一般为35～70个/米2)

风帽个数还可以由下式求出

N= 6-2-15

式中: b孔—孔眼率，%，本例题取1.1﹪；

n—一个风帽上的孔眼数，个；

d孔—风帽孔眼直径，米。

N= =1102个

最终取两种方法计算结果的算术平均值，所以

N= =1150个

3.3、风箱的设计计算

沸腾焙烧炉风箱容积的大小，可根据下述经验公式估算，并结合炉子结构及工艺配置等情况调整确定。

=( )1.34 （米3）

式中: —风箱容积，米3;

—鼓风量，米3∕时。

故 =（1792×220∕800×24）1.34=（）1.34=65.223米3

又 =π∕12（D2床+D2底+D床·D底）·H风箱

设D底=3.8米，解得：H风箱 =3.260米

3.4、加料前室的设计计算

1、加料前室面积及沸腾床直径的确定

大中型沸腾焙烧炉一般者设有加料前室，小于五平方米的炉子由一般不设前室。加料前室的送风与炉内的送风是分开的。加料前室有矩形和扇形两种，扇形有利于物料向炉膛内部扩散。实践证明，前室面积过小及过狭都是不适当的。因此，前室最好宽些，其面积通常为沸腾床面积的5-10%，一般为1.5-2.0平方米。由于前室三面边墙容易堆矿，故下料管的插入应该离边墙远一些，以离边墙150-200毫米为宜。下料管直径一般为200毫米左右，插入尝试为距沸腾庆表面100-150毫米，并装有气封装置，以防止炉气正压时外冒。

本设计中，取 =1.5 。

圆形沸腾焙烧炉炉床直径（6-2-6）式确定：

D= （米）

取沸腾床直径为 =6.2米，此时沸腾炉炉床面积实际为：米

则沸腾炉实际单位生产率为：

内圆：

Sin —前室与沸腾床

公切圆半径

外圆：

—前室与沸腾床

=( )/2=0.225 公切圆半径

3、加料装置尺寸的确定

采用前室垂直加料管加料。前室面积1.5米2，前室高2米。

加料管选用圆形断面，其直径按下式确定。

F管=

式中： F管—加料管流通面积，米2，

G料—加料量，吨/小时，

W料—物料的质量流率，吨/米2·时。

W料与加料管的位置、形状及物料性质有关。对于干燥后的有色金属矿料，当加料管垂直设置时，一般W料= 200～300吨/米2·时，当加料管为倾斜时，一般矿W料=150～ 200吨/米2·时。若物料较粘，加料量较小，断面形状不是圆形时，W料应取偏小值，但为了保证料畅通及连接之方便，加料管直径不应小于100毫米。本例题取W 料=200吨/米2·时。

则 F管= =0.0458米2

加料管直径 d=1.13 =0.242米

选用d242×6的无缝钢管。

3.5、排料口及排烟口的设计计算

1、排料口尺寸计算

采用外溢流排料，物料经由溢流口直接排出炉外。排料口溜矿面可采用耐火混凝土捣打而成，其坡度应大于60°。外溢流排料处应设置清理口，溢流口孔洞的高度主要视操作需要而定，一般为300～800毫米。本例题取600毫米。溢流口宽度按下式计算。

B溢=500（）0.23 毫米

式中： G排料—炉子排料量，公斤/小时，

B溢—溢流口宽度，毫米，

r粒—焙砂比重，公斤/米2。

故B溢=500×（）0.23=517毫米≈520毫米

溢流口尺寸：高×宽=600 × 5520毫米

2、排烟口尺寸计算

炉内炉气量为： =4.417标米2∕秒

设出炉炉气温度为900℃，则废气量为

4.417×（1+ ）=18.979米3∕秒

设炉气速度为:8米/秒

则排烟口断面为： =2.372米2，

设用矩形断面：高与宽之比为0.8，

则 0.8b2=2.372 b2=2.966 b=1.722米 a=1.378米

即排烟口断面为：高×宽=18.979米×1.7225米