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沸腾炉初步设计方案
一、 沸腾炉的概述
1、 沸腾炉的简介
沸腾锅炉的工作原理是将破碎到一定粒度的煤末，用风吹起，在炉膛的一定高度上成沸腾状燃烧。煤在沸腾炉中的燃烧，既不是在炉排上进行的，也不是像煤粉炉那样悬浮在空间燃烧，而是在沸腾炉料床上进行的。沸腾炉的突出优点是，对煤种适应性广，可燃烧烟煤、无烟煤、褐煤和煤矸石。它的另一个好处在于使燃料燃烧充分，从而提高燃料的利用率。沸腾料层的平均温度一般在850一1050℃，料层很厚，相当于一个大蓄热池，其中燃料仅占5％左右，新加入的煤粒进入料层后就和温度高几十倍的灼热颗粒混合，因此能很快燃烧，故可应用煤矸石代替。生产实践表明，利用含灰分高达70％、发热量仅7．54MJ／kg的煤矸石，锅炉运行正常．40％一50％的热可直接从床层接收。
2、 工作原理
固体燃料在炉内被向上流动的气流托起，在一定的高度范围内作上下翻滚运动，并以流态化(或称沸腾)状态进行燃烧的炉膛，又称流化床燃烧炉。沸腾燃烧方式也用于其他的炉窑中。沸腾燃烧方式的特点既不像在层燃炉中那样将固体燃料静止地放在炉排上燃烧；也不像在室燃炉中那样将液体、气体或磨成细粉状的固体燃料悬浮在炉膛空间中燃烧，而是把固体燃料破碎成一定粒度的粉末，使之在炉内以类似沸腾的状态燃烧。在中国，沸腾炉用煤的粒度一般为8毫米以下。
3、 结构和工作过程
　　常用沸腾炉燃烧室的典型结构包括布风系统、沸腾床、进料和排渣系统3个部分。
　　①布风系统。燃烧室底部为布风板，板上直接开孔或装许多带通风小孔的风帽。布风板的作用是承载料层并使空气上升速度沿炉内截面分布均匀。
　　②沸腾床。布风板上放置一定量的床料（包括固体燃料和大量的灰渣或石灰石颗粒）。运行时，当料层中的空气达到一定上升速度时，沸腾床上的床料便从静止状态转入沸腾状态，这一风速称为临界沸腾风速。为了保持剧烈的沸腾燃烧工况，沸腾炉正常运行时的风速要比临界沸腾风速大，使料层膨胀到一定高度。床料沸腾高度约为静止料层的两倍，在此容积的燃料呈沸腾状态，故称为沸腾床，小颗粒则被气流带出炉外。布置在料层中的管子称为埋管，可以垂直、水平或倾斜放置。管内可通以水、蒸汽或空气以吸收燃料在床中燃烧所释放出来的热量，使床温保持在800～1000℃。
　　③进料和排渣系统。一定粒度范围的燃煤从煤仓经给煤机送入料层内，燃尽的煤渣一般从溢流口排出。
4、 特点
　　与一般锅炉的炉膛比较，常压沸腾炉的优点是：①不但能烧优质煤，也能烧一般炉排炉和室燃炉不能烧的各类劣质煤；②床内埋管的传热效果很好，约为普通锅炉管子的5～10倍；③由于沸腾床燃烧温度低,烟气中NOX的生成量少,如在进料中适量加入石灰石或白云石，即可将煤中硫分脱除,使排烟中SO2的含量下降。沸腾炉的缺点是：①沸腾床中细颗粒燃料容易被烟气带出，所以未燃尽损失大，燃烧效率比室燃炉低；②烟气中飞灰较多，锅炉受热面容易发生磨损；③鼓风所需的送风机风压高，故耗电量大；④沸腾床内给煤和布置埋管难以均匀。⑤烧高灰分劣质煤时，为了不使大量飞灰污染环境，必须配备高效率大容量的除灰装置。由于以上原因，发展大容量的沸腾炉锅炉尚有困难。
5、 沸腾炉的用途
民用：集中供热及烘烤系统
工业：水泥行业烘干；接触法制硫酸，作为FeS制SO2的发生装置等

二、 设计基本参数
沸腾炉基本参数表
进料燃料要求
煤的粒度一般为10毫米以下
煤质要求
烟煤、无烟煤、褐煤和煤矸石均可
炉膛燃料状况
在炉膛的一定高度上成沸腾状燃烧
沸腾层温度
850一1050℃
料层厚度
300—500㎜
沸腾炉容积热力强度
6.3～8.4×105k J /m3·h
排气温度
500—900℃
灰渣层温度
750—900℃
设计功率
1500-2000MJ/h

三、 沸腾炉的计算与效果
1、 沸腾炉结构
沸腾炉结构由炉床、炉膛、混合室等三部分组成，如图所示。

沸腾炉结构
1. 进料口 2.排渣口 3.均风箱 4.布风板 5.炉门 6. 风帽
图中，炉床部分包括均风箱、布风板、风帽、出渣口等；炉膛部分包括垂直段、扩散段、悬浮段及炉门。
沸腾炉的设计，从结构上充分满足了流体力学和热力学原理。沸腾炉的燃料采用从炉门上方呈正负压分界处喂入的结构，可促使燃料和热渣均匀混合及充分燃烧。也有利于热烟气在扩散段释放并由风机抽入换热装置混合。沸腾炉的炉门设为一个，作看火、调火和检修使用，炉门需方便耐火砖活砌或出现结渣时打开清理，避免操作人员在高温下进入炉内清理结渣，即方便又安全。小炉床的设计保证了节煤这一基本要素，其炉床面积比一般沸腾炉减小1/3，单位时间加煤量减小30%，因此节煤效果明显、操作方便。
2、 沸腾炉具有以下特点
(1) 燃料在沸腾炉中呈沸腾状态，燃烧层正常燃烧的温度为850～1100℃。而风动气垫层温度较低，一般在200～300℃，但因料层很厚，沸腾床能长时间闷火，蓄热能量大；
(2) 由于鼓入高压空气，使炉内空气过量系数高，形成强氧燃烧，燃烧和燃尽条件好；
(3) 沸腾层内受热面积大，传热强烈，易于燃烧。因此炉膛内单位容积热强度高，达到6.3～8.4×105k J /m3·h；
(4) 用煤量少。垂直段仅以5%的煤燃烧，其余95%均为热渣，节煤效果好；
(5) 炉床面积小，使燃料的沸腾高度及风压、风速增加，司炉工操作更容易，对异常情况特别是结渣的早期处理更及时；
(6) 设计采用较厚的保温层，可减少炉体热散失，炉温变化较小，有利于延长炉体的使用寿命；
3、 炉床布风板有效面积F布 （m2）的计算：
布 = ……………（1）
式中：B计 –– 计算小时耗煤量，kg/h；
LO––理论燃烧空气消耗量，m3 标 煤/kg；
a沸 ––沸腾区过量空气系数，取1.15；
V垂 ––垂直段底部冷态空气流速取0.8m/s。
B计=
P炉 — 沸腾炉的功率1500Mj--2000Mj，为了方便计算取平均值1740 Mj；
QL — 燃煤的低位热值11514Kj/㎏。
B计==153 kg/h
理论空气需要量（L0）的计算
当QL<12546kJ/kg（劣质煤）， L0=QL/4140+0.455[m3(标)/kg]
L0=QL/4140+0.455
=11514÷4140+0.455
=3.236[m3(标)/kg]
布 =
=0.1977㎡
计算的，布风板的有效直径圆整后为500㎜
4、 风帽的计算
风帽的总通风面积Σf帽 为 单个风帽通风面积f帽 的总和。单个风帽通风面积f帽 的计算 如式2：
Σf帽 = …………（2）
式中：V帽 –– 通过风帽小孔的风速，m/s；风帽的小孔风速约30~45 m/s才能使沸腾段的10㎜的煤炭处于悬浮状态，取V帽40 m/s；
f帽 –– 每个风帽小孔的通风面积，m2。
Σf帽 =
=
=0.003954㎡
花板是由钢板或铸铁板制成的多孔平板，用它来固定风帽，并使之按一定方式排列，以求达到均匀布风。花板的尺寸应与炉膛相应部位的内截面相适应，厚度为20～35毫米(mm)左右。风帽插孔一般按等边三角形布置，孔距为风帽直径的1.3～1.7倍，帽沿间的最小间距不得小于20毫米(mm)。风帽有菌形(蘑菇形)、柱形、球形和伞形等形式。其中应用最广的是菌形风帽。柱形风帽是目前应用较多的一种新型的风帽。菌形风帽，风帽颈部钻有直径6～8毫米(mm)的小孔6～8个。小孔可以是水平的，也可以钻成向下倾斜15°的斜孔。这种风帽的阻力小，工作性能良好，但结构稍较复杂，清渣较为困难，在帽沿处经常出现卡渣现象。此外，风帽菌头部分冷却面不够，容易出现氧化烧穿等现象。这种风帽逐渐被柱形风帽所取代。柱形风帽，由于取消了帽沿，因而尺寸更小，构造也更简单，并且还克服了菌形风帽的一些缺点，因此工作性能更为良好。
采用菌形风帽，风帽颈部钻有直径6～8毫米(mm)的小孔6～8个。小孔可以是水平的，也可以钻成向下倾斜15°的斜孔
在计算时取每个风帽的小孔的直径为6 mm，小孔数为8个
可得，风帽的个数为约为18个。
风帽的开孔率的计算：开孔率%=Σf帽/F×100%=2.01%

5、 炉膛扩散段截面积F扩 (m2)的计算：
F扩 = …………（3）
式中：Vg—燃烧生成的烟气量，m3标煤/kg；
a扩––扩散段过剩空气系数，取1.3；
V扩 ––扩散段冷态风速m/s，取0.45m/s。
实际烟气量的计算Qy
当QL<12546kJ/kg（劣质煤），
Vg =1.04 ×QL/4187+0.54+1.0161(α-1) L0[m3(标）/kg]
α —过剩空气系数， α = α 0+Δ α（沸腾炉剩空气系数1.25）；
α 0炉膛过量空气系数；
Δ α炉膛漏风系数；
Vg =1.04×11514/4187+0.54+1.0161（1.25-1）×3.236
=4.222[m3(标）/kg]
F扩 = ==0.518㎡
6、 悬浮段截面积F悬（m2）的计算：
F悬 = …………（4）
式中：a悬 –– 悬浮段过剩空气系数，取1.5；
V悬 –– 悬浮段冷态风速，取0.45m/s。
F悬 = ==0.59812㎡
7、 风量风压的计算
能达到沸腾燃烧状态所需的鼓风量Q (m3/h)和风压P (Pa mmH2O)的计算：
Q = n·f 帽·V帽 ·K …………（5）
==0.003954×40×1.3×3600
==740 m3/h
P = 9.8 K (P风 + P渣 )× …（6）
式中：n –– 炉床上实际风帽个数
P风 –– 鼓风系统阻力：风管阻力取196 Pa(20mmH2O)，风帽阻力取1766 Pa(180 mmH2O)；
P渣 ––沸腾炉床的渣层阻力：渣厚500mm时取3924 Pa(400mmH2O)；
P地 ––当地大气压，昆明地区约610㎜Hg；
K –– 储备系数，取1.3；
P =9.8×1.3×（20+180+400）×=9524 Pa
8、 风机的选择
在选择风机时，可根据计算求得的风量和风压，适当增加20%确定其规格型号。
风机的功率P(kw)=风量(m3/h)*风压(Pa)/(3600*风机效率*机械传动效率*1000)
风机效率可取0.719至0.8；
机械传动效率对于三角带传动取0.95，对于联轴器传动取0.98。
P=740×（1+20%）×9524（1+20%）/（3600×0.8×0.98）
=888×11428.8/2822.4
=3595.8w
型号
转速
升压pa
进口流量
电机型号
电机功率(KW)
L43（L/W）D
980
9807
14.93 m3/min
Y132M1-6
4
L51LD
980
9807
15.2 m3/min
Y132M1-6
4
四、 操作与应用
沸腾炉作为系统的热源，其操作技术要求较高，特别是在新炉调试及试运转过程中，若操作不熟悉或没有掌握正确的操作方法，例如用风、加煤不当，很容易出现低温结小渣，高温结大块和熄火、点火时间过长等现象。因此，既要求加强司炉工的操作技术尤其是在调试和试运转过程的培训，掌握操作方法，也需根据工艺及设备等生产实际情况因地制宜的确定操作参数，制定操作规程。着重应注意以下几个操作环节。
1、 快速点火过程
节煤型沸腾炉由于炉床面积小，保温性能好，因此点火较一般沸腾炉容易。首先将沸腾炉内填放部分中粗粒黄砂或沸腾炉渣，加入少量碎煤拌和均匀，填于炉床，填料厚度约300～400mm，用高压风机吹起几次，用大小基本均匀的木材引火，并在其燃至木炭状时加入少量碎煤，同时迅速以大风量供风，继而改用小风适度吹养。如此反复2～3次，直到沸腾炉渣逐步呈红色后再加少量碎煤，用中等风量吹至其完全沸腾燃烧，打开引风机即进入正常燃烧状态。
2、 稳定燃烧过程
正常燃烧过程中，可依据炉内火焰的颜色来决定是否调整加风或加煤量。炉内的炉渣高度应保持在550～650mm，风压应稳定在700～800mmH2O，炉火呈粉红色。若炉内热渣呈暗红色，说明温度偏低，需加入燃料，热渣呈白色时，则温度过高，需加大风量并加入冷渣降温。
3、 结渣的处理
结渣类型分为低温结渣和高温结渣，其处理方法各不相同。低温结渣，在点火或闷火时易出现低温结小块现象，此时应首先急吹几次，将其冲散，然后人工清除较大块结渣，加少量煤养火后，继续燃烧；高温结渣时，如出现炉床面不沸腾或多处小孔喷火，表明已形成高温结大块，此时先停止加煤，然后加大风量吹冷结渣，打开炉门，将大块炉渣清除，填渣后利用炉温重新起火。
4、 闷火与起火
闷火前首先关闭喂煤机，高压风机送风吹动炉内热渣翻腾，同时观察炉膛渣粒表层或煤粒的颜色。若呈白色状应继续吹风至冷，使其变为暗红色时停止高压风机、关闭调风阀，保持炉渣高度约500～600mm，最后关闭引风机。
起火前先加少量煤，再开高压风机，用大风将炉渣完全沸腾后，立即换小风喷吹，若沸腾渣呈暗黑色，即加大喂煤量，同时用大、小风量交替喷吹。也可用交替开闭高压风机风阀的方法来控制起火状态，开则吹风，闭则养火，这样反复几次，至到炉膛内的炉渣呈红色，即转入正常燃烧阶段。
五、 具体尺寸的设计
1、 垂直段的高度
垂直段高度一般取 300 ～ 600 ㎜，煤矿的粒度大、密度大时取高值。在这里取500㎜。
2、 悬浮段高度的确定
悬浮段高度的确定悬浮段高度一般根据满足细小颗粒的空间分离高度来确定，在此高度带出悬浮段的飞灰量趋于恒定。
悬浮段高度与沸腾炉规格有关，大型沸腾炉一般在2.5～3.5ｍ之间；小沸腾炉则取2.0～3.0ｍ为宜。设计时取2m。
3、 风室的结构
风室的结构对布风的均匀性有一定的影响。目前，风室结构已有很多种，但是结构简单，使用效果最好的却是等压风室。等压风室的结构特点是有一个倾斜的底面，能使风室内的静压沿深度保持不变，因而有利于提高风量分配的均匀性。为了稳定风室气流，在斜底以上须留出一个稳定段。稳定段的高度D不宜小于500毫米(mm)。同时风室的进口风速也须加以控制，使之不超过10m/s。风室中水平风速要低些，一般为1～1.5m/s。
4、 进料装置
根据炉膛中进料口所处部位的不同，进料方式分为正压进料和负压进料两种。进料口设在正压区(溢流口以下)者，称为正压进料；进料口设在负压区(溢流口以上)者，称为负压进料。正压进料时，全部燃料经过高温沸腾炉，有利于细粒燃料燃尽，因而可以降低飞灰带走的损失。但进料口必须密封严密，且新燃料在进料口处容易堆积。正压进料一般采用机械进料装置，如采用螺旋给煤机等。由于进料口处于正压的高温区，所以螺旋给煤机的工作条件较差。
为了简化进料机构，并提高其工作可靠性，目前采用溜煤管来代替螺旋给煤机。溜煤管以50°以上的倾角斜插入炉内正压区，管内燃料依靠煤柱压力直接注入炉内。为了防止从进料口喷火、冒烟，在炉墙内装设平衡管，使溜煤管与炉膛负压区连通。煤封良好时也可不装平衡管。
与正压进料相反，由于燃料从沸腾层以上进入，因此，有部分细粒燃料未经沸腾层就被上升烟气流带走，增大了飞灰热损失。在负压区的进煤进料装置比较简单、可靠，而且系自由落下，故播散度大，不易造成料口堆料。在本炉中采用钟罩阀的结构与溜煤管结合的结构，具体见給煤装置图。