回转窑热分析
理论：穿过窑壁的热量
概述
水泥厂回转窑有一处筒体温度偏高。发生了什么？
窑内由耐火砖保护，烧成带内表面超过1400 ℃。外侧筒体温度主要由砖厚和砖面上黏附的熟料层（窑皮）决定。只有一处偏热，可能是那里窑皮脱落、砖变薄或掉砖。计算窑壁传热，就能由筒体温度推断内部状态。散热量直接关系到燃料消耗，这也是窑炉节能的重要计算。
窑壁热平衡
由内表面到筒体各层（窑皮、砖、筒体）热阻之和决定穿过窑壁的热流，筒体温度在该热流与筒体外侧对流和辐射散热平衡处确定。
回转窑的发明
直到19世纪，烧制水泥原料的窑主要是竖向装料的立窑，一次产量有限。19世纪80年代英国的兰塞姆设计了回转圆筒窑，20世纪初在美国实用化后，原料可以连续流动大量烧制。曾建造过超过100 m长的窑，后来加上用废气预热生料的悬浮预热器，窑变短，燃料消耗大幅减少。如今扫描筒体温度的扫描仪成了观察窑内状况的眼睛。
算例：烧成带窑壁
直径4.5 m回转窑烧成带：内表面1400 ℃，碱性砖（热导率2.5 W/mK），筒体30 mm。外侧以对流15 W/m²K和辐射（发射率0.85）向20 ℃环境散热：
| 窑壁状态 | 筒体温度 | 热流 | 每米散热 |
|---|---|---|---|
| 砖220 mm | 350 °C | 11.8 kW/m² | 167 kW/m |
| 窑皮150 mm＋砖220 mm | 207 °C | 5.0 kW/m² | 71 kW/m |
| 砖磨损到100 mm | 485 °C | 22.5 kW/m² | 318 kW/m |
| 砖磨损到60 mm | 578 °C | 33.3 kW/m² | 471 kW/m |
有没有窑皮，散热相差一半以上。
窑皮热导率比砖低，起隔热作用。按20 m烧成带比较，无窑皮散热3.35 MW，有窑皮1.41 MW，每年约96,000 GJ与41,000 GJ。反过来，砖磨损到100 mm时筒体485 ℃，接近600 ℃时筒体发红，有变形危险。筒体外侧在300 ℃时辐射占散热的54%，忽略辐射会高估筒体温度。要由扫描仪温度推断内部状况，需要正确计入辐射和对流的计算。
分析步骤
- 沿窑长方向求解燃烧、气流和料层温度，得到内表面温度分布。
- 由各层（窑皮、砖、筒体）热阻求筒体温度和散热。
- 筒体外侧同时计入（转动和风造成的）对流和辐射。
- 对照扫描仪测温，推断砖的剩余厚度和窑皮状态。
- 由温度分布确认筒体和轮带的热变形。
“扫描仪上的红带”
某天回转窑筒体扫描仪画面上出现了一条红带状高温区。对照窑壁传热计算，该温度相当于砖磨损到一半以下或窑皮大面积脱落。调整燃烧稍微移动火焰位置重新挂窑皮后温度下降，但几周后又升高，定期停窑检查砖，果然局部变薄了。把筒体温度变化与计算联系起来，更容易制定停窑计划。
常见错误
错误与对策
| 错误 | 后果 | 对策 |
|---|---|---|
| 忽略筒体辐射 | 高估筒体温度 | 计入辐射 |
| 忽略窑皮 | 高估散热 | 按状态计算 |
| 砖热导率取常数 | 温度分布偏差 | 计入温度依赖 |
| 只看平均筒体温度 | 漏掉局部磨损 | 周向与轴向分布 |
| 不考虑热变形 | 导致掉砖 | 确认筒体与轮带变形 |
我想试试相关计算。