電加熱型回轉(zhuǎn)窯焙燒碳酸鉛的可行性研究

黃祖浩

（廣西博世科環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?，廣西南寧 530000）

電加熱型回轉(zhuǎn)窯焙燒碳酸鉛的可行性研究

黃祖浩

（廣西博世科環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?，廣西南寧 530000）

電加熱型回轉(zhuǎn)窯是有色冶金、化工行業(yè)用于焙燒金屬氧化物和化工產(chǎn)品的重要設(shè)備。因無標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備選型，設(shè)計(jì)人員根據(jù)回轉(zhuǎn)窯相關(guān)理論知識，通過主要性能參數(shù)的計(jì)算，并結(jié)合樣品焙燒實(shí)驗(yàn)，確定碳酸鉛在電加熱型回轉(zhuǎn)窯焙燒的可行性。

碳酸鉛；回轉(zhuǎn)窯；性能參數(shù)；可行性

電加熱型回轉(zhuǎn)窯是有色冶金、化工行業(yè)用于焙燒金屬氧化物或化工產(chǎn)品的重要設(shè)備[1]。如何正確設(shè)計(jì)電加熱型回轉(zhuǎn)窯來滿足工藝要求，是工程設(shè)計(jì)人員思考的問題。碳酸鉛熱分解產(chǎn)生氧化鉛是廢舊鉛蓄電池鉛回收工藝中重要的一道工序[2-3]，使用電阻爐焙燒碳酸鉛的研究非常多，但是使用電加熱型回轉(zhuǎn)窯焙燒碳酸鉛的研究比較少，可供選擇和參考的資料不多，給工程設(shè)計(jì)帶來了難題。本文根據(jù)回轉(zhuǎn)窯相關(guān)理論知識和工藝參數(shù)技術(shù)要求，通過主要性能參數(shù)的計(jì)算與核算，并結(jié)合項(xiàng)目樣品焙燒實(shí)驗(yàn)，確定碳酸鉛在電加熱型回轉(zhuǎn)窯上焙燒的可行性。

1 電加熱型回轉(zhuǎn)窯工作原理

碳酸鉛物料用斗提機(jī)提升至平臺上的料倉，料倉為漏斗狀與螺旋輸送機(jī)進(jìn)料口密封連接，通過螺旋葉片的旋轉(zhuǎn)均衡的把塊 狀、粉體物料輸入到回轉(zhuǎn)爐的爐體內(nèi)進(jìn)行焙燒。回轉(zhuǎn)爐經(jīng)旋轉(zhuǎn)和高低差及爐內(nèi)抄板的作用把物料自高點(diǎn)逐步輸送到爐尾料倉處輸出。加熱爐通過加熱區(qū)加熱，均衡的對旋轉(zhuǎn)筒體進(jìn)行加熱，受熱后的筒體將熱能傳導(dǎo)給物料以達(dá)焙燒物料的目的，焙燒后的物料通過螺旋輸送機(jī)進(jìn)入冷卻段，冷卻段通過爐管內(nèi)的噴淋裝置進(jìn)行水循環(huán)冷卻。碳酸鉛在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)主要進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)方程式為 PbCO3=PbO+CO2（g）。

2 電熱回轉(zhuǎn)窯的結(jié)構(gòu)形式及特點(diǎn)

電熱回轉(zhuǎn)窯由焙燒回轉(zhuǎn)爐、冷卻回轉(zhuǎn)爐、爐體結(jié)構(gòu)、傳動裝置、托輪組、擋輪、返料箱、排料箱等組成。

3 工藝參數(shù)要求

進(jìn)料組成：PbCO3為 86.96%，H2O 為 13.04%；

回轉(zhuǎn)窯的處理能力：1 000kg/h；

物料的加熱形式：電加熱；

物料的焙燒溫度：450℃；

物料的堆比重：4 400 kg/m3；

轉(zhuǎn)速：n=0.5～1.5r/min；

爐體傾斜度：0.5° ～3°可調(diào)。

4 主要技術(shù)參數(shù)計(jì)算

4.1 回轉(zhuǎn)窯直徑和長度計(jì)算[5]

（1）回轉(zhuǎn)窯直徑計(jì)算公式

查閱相關(guān)資料規(guī)范可得回轉(zhuǎn)窯直徑計(jì)算公式：

其中：G 為生產(chǎn)能力（kg/h），θ 為堆積角（°），n 為轉(zhuǎn)速（r/ min），φ 為負(fù)荷率，γ為視重度（kg/m3）。

（2）回轉(zhuǎn)窯長度計(jì)算公式

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和以往的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以確定物料的反應(yīng)時(shí)間，即物料在窯內(nèi)的停留時(shí)間，在求得直徑后，窯的長度可按下式計(jì)算。

其中 τ為反應(yīng)時(shí)間（min），D 為回轉(zhuǎn)窯直徑（m），n 為轉(zhuǎn)速（r/min），i為斜度，θ 為堆積角（°）。

（3）回轉(zhuǎn)窯直徑和長度計(jì)算過程

根據(jù)上述公式可計(jì)算中試裝置焙燒回轉(zhuǎn)窯的直徑和長度。

已知：

生產(chǎn)能力G=1000kg/h；

堆積角θ=35°（按鐵礦石取堆積角35°）；

轉(zhuǎn)速n=1.2r/min（回轉(zhuǎn)窯通常轉(zhuǎn)速取值范圍為0.5～1.5r/min，折中取1.2r/min）；

視重度γ=4400kg/m3；

負(fù)荷率φ=0.07（根據(jù)相關(guān)資料負(fù)荷率的取值一般為0.05～0.1，計(jì)算中取0.07）；

斜度i=2.6%（斜度取1.5°）；

由上述公式和取值得：取整可得D=0.8m。

由小試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，碳酸鉛焙燒的反應(yīng)時(shí)間為10min，τ=10min，

計(jì)算數(shù)值圓整得 L=12m。

綜上所述得：回轉(zhuǎn)窯直徑 D=0.8m，長度 L=12m。

4.2 能量平衡計(jì)算

（1）支出項(xiàng)目

1）產(chǎn)品生產(chǎn)熱 Qp（kJ/kg）

碳酸鉛生成熱ΔHm：

2）產(chǎn)品帶走熱量 Qpo（kJ/kg）

式中：

Qpo：產(chǎn)品帶走熱量（kJ/kg）；Cpo：產(chǎn)品比熱，kJ/（kg·℃）；tpo：出窯溫度，℃。

式中：

產(chǎn)品總帶走能量Qpo（kJ/kg）

3）漿料水分蒸發(fā)所需熱量Qwc（kJ/kg）

式中：

Qwc:水分蒸發(fā)所需熱量（kJ/kg）；

R:水分蒸發(fā)潛熱（kJ/kg）；

Gp:單位產(chǎn)品干原料消耗量（kg/kg）；

W:漿料含水量（%）；

R=2 258kJ/kg（溫度為 100℃時(shí)）；

Gp=0.83kg/kg；W=17

Qwc=R·Gp·W/（100-W）=2 258×0.83×17÷（100-17）=384kJ/kg

4.廢氣帶走熱量Qwg（kJ/kg）

式中：

Qwg：廢氣帶走的熱量（kJ/kg）；Vwg：每小時(shí)出窯廢氣體積（m3/h）；Mph：平均每小時(shí)的產(chǎn)品量 kg/h；cwg：出窯廢氣比熱（kJ/（m3·℃））；twg：出窯廢氣溫度（℃）。

Vwg=120kg/h；Mph=1 000kg/h；Cwg=0.84kJ/（kg · ℃）；twg=450℃

則原料顯熱Qr（kJ/kg）為

注：原料中每千克 PbCO3含水 0.25kg。

（3）電加熱型回轉(zhuǎn)窯消耗的電能

1.電耗Qe（kJ/kg）

Qe=Qoh-Qr=1 198kJ/kg-39kJ/kg=1 159kJ/kg（4）電加熱型回轉(zhuǎn)窯計(jì)算參數(shù)

通過上述計(jì)算電加熱型回轉(zhuǎn)窯直徑 D=0.8m，長度L=12m，電耗 1 159kJ/kg。

5 電加熱回轉(zhuǎn)窯實(shí)驗(yàn)過程與結(jié)果

5.1 工藝條件參數(shù)選擇

（1）實(shí)驗(yàn)樣機(jī)規(guī)格

本次實(shí)驗(yàn)是在宜興市萬石興業(yè)電爐廠實(shí)驗(yàn)樣機(jī)上進(jìn)行，樣機(jī)回轉(zhuǎn)窯爐管尺寸 300×5 000mm，加熱形式：電加熱，爐管材質(zhì)為310S。

（2）實(shí)驗(yàn)樣品組成

實(shí)驗(yàn)用的碳酸鉛是由超威公司提供，樣品組成：PbCO3（98.87%），H2O（1.1%），絡(luò)合劑 R（0.01%），可溶性電池添加劑（0.01%）。

（3）樣品進(jìn)料量進(jìn)料量：30kg/h（4）實(shí)驗(yàn)溫度控制第一階段升溫段為150～420℃，第二階段反應(yīng)溫度段為420℃ ～460℃。

5.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4）筒體表面熱損失Qs（kJ/kg）

式中：

Qs：筒體便面熱損失（kJ/kg）；ΣQsh：每小時(shí)表面積總散熱量（kJ/h）。

式中：

α0：對流傳熱系數(shù)[W/（m2·k），取值 5～25W/（m2·K）]；D：回轉(zhuǎn)窯筒體直徑（m）；L：回轉(zhuǎn)窯長度（m）；T：筒體溫度（℃）；T0：外界空氣溫度（℃）。

表1 碳酸鉛在不同溫度下焙燒的結(jié)果

從表1可以看出，碳酸鉛在反應(yīng)溫度段范圍內(nèi)焙燒的產(chǎn)品氧化鉛含量均大于99%，顆粒度和色澤均勻，滿足生產(chǎn)工藝要求。焙燒后產(chǎn)品見圖1。

5）熱量總支出Qoh（kJ/kg）

（2）收入項(xiàng)目

原料顯熱Qr（kJ/kg）

式中：

圖1 碳酸鉛焙燒后產(chǎn)品圖

6 結(jié)語

綜上所述，采用電加熱型回轉(zhuǎn)窯焙燒碳酸鉛，在本實(shí)驗(yàn)選定的工藝條件下，產(chǎn)品氧化鉛的含量大于99%。本次焙燒實(shí)驗(yàn)的回轉(zhuǎn)窯未經(jīng)清洗處理，可能會對產(chǎn)品的純度有一定的影響。在今后的實(shí)際生產(chǎn)過程中，嚴(yán)格控制回轉(zhuǎn)窯的清潔度，產(chǎn)品氧化鉛的純度還能進(jìn)一步提高。同時(shí)產(chǎn)品的顆粒度均勻，沒有出現(xiàn)結(jié)塊成團(tuán)的現(xiàn)象，減少了后續(xù)粉碎工序的工作量?？傊?，碳酸鉛在電加熱型回轉(zhuǎn)窯內(nèi)焙燒是可行的，為后續(xù)的工程化應(yīng)用提供了一定的參考價(jià)值。

[1] 范鐘梅，何平.中小型電熱回轉(zhuǎn)窯設(shè)計(jì)及運(yùn)用[J].金屬材料與冶金工程，2012，40（6）.

[2] 宋方慧.廢鉛酸蓄電池回收碳酸鉛熱分解制備氧化鉛及其電化學(xué)性能研究[D].北京：北京化工大學(xué)，2015.

[3] 潘軍青，王田，鈕因健，等.一種濕法回收廢鉛酸蓄電池中鉛膏的再生鉛方法，CN102618884A[P].2012.

[4] HG/T 20566—2011，化工回轉(zhuǎn)窯設(shè)計(jì)規(guī)定[S].

[5] 姜紹峰.回轉(zhuǎn)窯內(nèi)物料停留時(shí)間及窯工藝尺寸的計(jì)算[J].青島化工，1991，（1）：41-43.

Feasibility Study of Roasting Lead Carbonate by Electric Heating Rotary Kiln

Huang Zu-hao

electric heating rotary kiln is an important equipment for baking metal oxide and chemical products in nonferrous metallurgy and chemical industry.Because there is no standard equipment selection，design of rotary kiln according to the relevant theoretical knowledge，through the calculation of main performance parameters，combined with the sample roasting experiment，determine the feasibility of lead carbonate in electric heating type rotary kiln roasting.

lead carbonate；electric heating rotary kiln；performance parameter；feasibility

TM912.1

B

1003-6490（2017）06-0128-02

2017-04-11

黃祖浩（1989—），男，廣西南寧人，助理工程師，主要研究方向?yàn)榛きh(huán)保。