一种钛白煅烧回转窑固体物料温度场计算方法与流程

本发明属于钛白粉生产，尤其涉及一种基于连续传质过程的钛白煅烧回转窑固体物料温度场计算方法。

背景技术：

1、金红石型钛白粉具有广泛的用途，其生产工艺包括氯化法和硫酸法。对于硫酸法生产钛白粉工艺，偏钛酸在回转窑中的煅烧过程是一个重要生产环节。钛白煅烧回转窑内，含水固体物质偏钛酸在回转窑的转动驱动下，从装料端向出料端流动；燃烧室产生的高温烟气从回转窑出料端进入回转窑，与偏钛酸逆流流动，从装料端流出，烟气流动过程中加热偏钛酸；偏钛酸在回转窑中完成脱水、脱硫、晶相转变及晶粒长大等四个过程。回转窑内固体物料轴向温度场分布对金红石型钛白的晶型转变及晶粒尺寸等技术指标取到决定性作用。由于回转窑在封闭状态下运行，现有技术无法对回转窑内部烟气量和固体物料量、烟气和固体物质温度场等参数精确监测。为了提高钛白煅烧回转窑的工艺控制精度，需要对钛白煅烧回转窑内固体物料轴向温度进行预测。

2、专利公开号cn104495919a，公布了一种金红石型钛白煅烧温度调节方法及自动控制方法，通过某一产量条件下的晶型转化带的设定温度和检测值进行对比，根据二者的差值进行煤气流量调节，从而实现晶型转化带的温度控制。该发明在硫酸法生产钛白转窑温度控制方面能够取得积极作用，但转窑温度场仍处于未知状态，且对晶型转化带无法准确定位。该发明在控制模型部分缺乏实质性内容，在转窑内部温度控制方面，不足之处显而易见。

3、专利公开号cn104495920a，公开了一种钛白粉煅烧工艺中晶体转变带温度的调节方法，该发明基于转窑产量和温度控制表，对晶型转化带进行温度调节。该发明能够对钛白转窑煅烧起到积极作用，但钛白转窑煅烧过程的难点在于准确的温度控制，不同生产调节下，转窑内部各煅烧段可能出现向前和向后移动的现象，即晶型转化带不易确定，工艺控制难度大，且无法实现转窑温度场预测和准确控制的目的。

4、综上所述，在硫酸法钛白生产工艺中，由于回转窑处于连续封闭运行状态，现有技术难以实现回转窑内部烟气流动、固体物料变化和温度场分布等工艺参数的准确检测及预测，无法实现回转窑转速、燃料量等参数的准确控制。为提高钛白产品质量控制，需要进行回转窑内固体物料轴向温度分布进行准确计算。

技术实现思路

1、为克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种钛白煅烧回转窑固体物料温度场计算方法，基于钛白煅烧回转窑内部烟气流动、固体物料变化和热平衡关系实现温度场分布预测。

2、为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

3、一种钛白煅烧回转窑固体物料温度场计算方法，包括：

4、1)固体物料计算：

5、

6、式(1)中，ns,tot＝∑ini，χs,i＝ni/ns,tot，ni表示固体物质的种类，i取值为1～6，n1～n6分别表示自由水、tio(oh)2、tioso4·h2o、tioso4、金红石型to2和锐钛型to2；vs为物料流动速度；ns,tot为固体物质总摩尔量；ds取值为1×10-4m2/s，χs,i为第i种物料摩尔质量分数；

7、2)固体物反应计算：

8、对于固体物质2～5，对输入量进行判断：

9、若n(i)＝0，则△n(i)＝0；

10、若n(i)>0，固体物化学反应转化率计算：

11、

12、式(2)中，ts为固体物质出口温度；ζ为转化率；r为理想气体常数，a、e、n取值见如下：

13、a2为4.1×103，e2为45，w2为3；

14、a3为5.0×105，e3为75，w3为0.5；

15、a4为5.0×109，e4为230，w4为0.3；

16、a5为1.7×1023，e5为491，w5为0.67；

17、△n(6)＝-1×△n(5)；

18、3)固体物水份蒸发计算：

19、对输入量进行判断，若n(1)＝0，则△n(1)＝0；若n(1)>0，则对固体物温度ts进行判断：ts<373.15k，△n(1)＝0，ts＝373.15k，△n(1)＝qz/h潜，qz为用于蒸发水的热量，h潜为水的汽化潜热；

20、4)气体物质物料计算：

21、

22、式(3)中，νg为气体流速，mj表示气体物质种类，j取值为5，m(1)～m(5)分别表示h2o、o2、so2、n2和co2；

23、5)固体物质能量守恒计算：

24、

25、式(4)中，qs为固体物质的热量，为固体物质的吸热量，为固体物质的反应热；

26、6)气体物质能量守恒计算：

27、

28、7)能量平衡计算：

29、能量平衡计算包括回转窑表面热平衡、气体物质放热平衡、回转窑墙体内部的蓄热传热量、总能量平衡：

30、a回转窑表面热平衡计算：

31、qwo＝qwsw+qwgw，                 (6)

32、式(6)中，qwo表示回转窑表面散热量，qwsw表示固体物料侧回转窑墙体传递给回转窑表面的热量，qwgw表示气体体物料侧回转窑墙体传递给回转窑表面的热量；

33、b气体物质放热平衡计算：

34、qq＝qgwg+qgs                 (7)

35、式(7)中，qq表示气体放热量，qgwg表示气体物质传递给回转窑内表面的热量，qgs表示气体物质传递给固体物质表面的热量；

36、c回转窑墙体内部的蓄热传热量计算：

37、qwgws＝qwss+qwsw(8)

38、式(8)中，qwgws表示回转窑墙体蓄热传热，qwss表示固体物质侧回转窑内墙面传递给固体物质的热量；

39、即可计算长度方向上不同位置的温度场ts。

40、d总能量平衡计算：

41、0＝qin-qout-qr+qgs+qwgs+qwss+qz(9)

42、联立式(1)-式(9)求解，将回转窑沿长度方向进行等分离散处理；以回转窑入口和出口处的固体物质和气体参数为边界条件，计算出回转窑内部长度方向上的温度场。

43、该温度场计算方法适用于燃烧室与回转窑分开设置的金红石型钛白回转窑。

44、步骤7)的a中，qwsw与qwgw的数学关系为：qwsw/lws＝qwgw/lwg，lws和lwg分别为固体物质侧回转窑外径和固体物侧回转窑外径。

45、每等分长度范围为0.5m～2.5m。

46、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

47、本发明解决了硫酸法钛白煅烧回转窑固体物质轴向温度场难以测量的难题，本发明技术方案基于第一性原理，根据回转窑内部烟气和固体物质输运方程及固体物料化学反应对气体和固体物料沿回转窑轴向变化进行计算，结合热平衡关系，建立出温度场计算体系，从而计算出轴向温度场；根据温度场分布对钛白煅烧回转窑工艺合理性作出判断，为钛白煅烧回转窑工艺优化和钛白新产品实验方案提供依据。