节煤型高温沸腾炉的结构设计及应用.doc

节煤型高温沸腾炉的结构设计及应用
合肥水泥研究设计院 杨 刚 (安徽合肥230051)

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1 高温沸腾炉工作原理
沸腾炉是水泥厂烘干原料的主要热源，其燃烧方式介于层状燃烧和悬浮燃烧之间。工作原理为：高压空气通过均风箱由一次风的动压头变成均匀分布的静压头，从风帽上的微孔高速高压吹入炉内，使其沸腾床形成气垫层将粒径0～10mm、料层厚度300～500mm的煤粒全部吹起并上、下翻动。料层由于高压气体增加了煤粒间的空隙膨胀而产生激烈运动，并在不停地翻腾、跳动中与空气混合，使原有300～500mm的料层飞腾高度达到800～1400mm。此时，沸腾料层的燃料与含碳量为1~2%的灼热灰渣充分混合燃烧，温度一般可达950℃高温，相当于一个大蓄热池。料层中0.5～8mm的颗粒不易被气体带出燃烧室，能较长时间停留在沸腾料层中直到燃烬，然后由炉底冷渣管排出。沸腾炉由于燃料具有较大的着火比表面积和在炉膛内的停留时间较长，所以兼有煤粉炉和层燃炉的燃烧特点。沸腾炉膛中蓄热量大，颗粒之间以及颗粒和空气之间产生的相对运动十分激烈，加之其气体扩散速度快，可维持在1.05~1.1左右的很低的过量空气系数下强烈燃烧，而且不必预热，这就形成了强氧燃烧的条件，因此能使低热值劣质燃料完全燃烧，燃烧反应迅速。
沸腾层的传热系数较高，一般可达220~350w/m3℃，沸腾段的容积热强度高达1.745×106w/ m3，近于燃粉炉的10倍，链条炉的4~5倍。因而被普遍认为是一种热效率较高的燃烧方式。
节煤型高温沸腾炉既具有普通沸腾炉的热效率较高这一特点，也从炉体结构、耐火材料、系统工艺设备配套及其自动控制等方面进行了改进，使沸腾炉的应用效果更为显著，不仅适用于＞6000kcaγ/ kg的优质烟煤、无烟煤，也可全部燃烧＜3000kcaγ/ kg的低热值燃料如煤矸石、炉渣等。因而在数百家水泥厂烘干系统的应用中深受好评。
沸腾烘干系统工艺流程如图1。
图1 沸腾烘干系统工艺流程
2 节煤型高温沸腾炉结构设计与效果
2.1节煤型高温沸腾炉结构
节煤型高温沸腾炉结构由炉床、炉膛、混合室等三部分组成，如图2所示。

图2 节煤型高温沸腾炉结构
1.进料口 2.溢流口 3.均风箱 4.布风箱 5.风帽 6. 炉门
图中，炉床部分包括均风箱、布风板、风帽、出渣孔等；炉膛部分包括垂直段、扩散段、悬浮段及炉门；混合室与烘干机相连，设有排灰门、人孔门、热电偶等。
节煤型高温沸腾炉的设计，从结构上充分满足了流体力学和热力学原理。根据我国水泥企业的特点，节煤型高温沸腾炉的燃料采用从炉门上方呈正负压分界处喂入的新结构，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混合室。为减少热气在运动过程中的阻力，其过渡段采用收口式平滑结构设计，便于热风顺利、迅速地进入烘干机参与热交换。其挡火墙采用堆积型结构，有利于热渣和飞灰回到垂直段或混合室积灰斗，同时可为老厂烘干系统因场地小而方便使用异型沸腾炉提供条件，其长度和高度也可随厂房的局限因地制宜地加以调整。沸腾炉的炉门设为两个，分别作看火、调火和检修使用，用于检修的炉门可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。
节煤型高温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；(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；（7）操作系统采用热工仪表和微机连锁监控，温度、煤耗、烟气粉尘浓度、NO和SO2含量等主要参数均通过监控、记录、显示，为操作者提供管理依据。燃尽的灰渣可收集利用作为高活性水泥混合材。
通过上述改进设计的节煤型沸腾炉，有效提高了普通沸腾炉的热效率，对燃料热值的要求更宽，选材范围更大，较之其他燃烧方式更具明显的优势。几种燃烧方式的技术经济指标对比见表1。
表1 不同燃烧方式的技术经济指标比较
炉 型
煤低位
热值/
caγ/ kg
燃烧
温度/
℃
灰渣含
碳量/
%
煤耗/
kg/t
投资/
万元
层燃式手烧炉
5000
600
18
40
8
喷燃式煤粉炉
6000
900
12
30
12
普通沸腾炉
4500
700
8
28
16
节煤型沸腾炉
3000
1100
4
18
16
1.2 设备主要参数的确定
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。
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；
f帽 –– 每个风帽小孔的通风面积，m2。
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。
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。
混合室高度H（m）和长度L（m）确定：
H = ……………………（5）
L = ………………（6）
式中：W –– 尘粒的沉降速度m/s，取1.33；
V –– 烟气流速m/s，取1.5。
混合室的横截面积F（m）的计算：
F = …………………（7）
式中：Q烟 –– 烟气流量(m3/h)
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 …………（8）
P = 9.8 K (P风 + P渣 )× …（9）
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，mpa；
K –– 储备系数，取1.3；
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。
2.3 最佳沸腾速度的选择
要使燃料在炉内保持稳定的沸腾状态，只有选择在临界风速和带出风速之间的沸腾操作速度，而沸腾临界风速和带出风速取决于燃料的特性和颗粒分布。通常，燃煤的粒度分布较宽，多为0~10mm，平均粒径3mm左右。为使大颗粒能被吹起和考虑低负荷时的正常沸腾，应选用较大的沸腾速度。然而，要尽量减少细颗粒不被吹走，沸腾速度又不益取得过大。现有的燃用10mm以下煤屑的沸腾炉，临界速度在1m/s左右，带出速度大约是临界速度的6~7倍，而正常沸腾风速为临界风速的2~3倍。气流速度有冷态值和热态值之分，实践证明，在同样的料层厚度和良好的沸腾状态下，冷态值要求比热态值高，两者的最小风量大约相差60~80%。因此，根据沸腾炉实现稳定沸腾状态的诸多因素，应视炉床面积选择临界风速0.7~1.1m/s为宜，炉床面积较大，取值相对偏高。
3 操作与应用
节煤型高温沸腾炉作为水泥企业烘干系统的热源，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。
3.1 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。
3.2 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，热风温度为750～900℃。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。
3.3 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，打开下层炉门，将大块炉渣清除，填渣后利用炉温重新起火。
3.4 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。
正常运行中，节煤型高温沸腾式烘干系统的风温、风压、风量等操作参数随烘干机的规格不同大致如表2。
表2 不同规格的烘干系统操作参数
规 格
m
节煤型沸腾炉
鼓 风 机
排 风 机
热风温度/℃

煤耗/kg/t
风 量/m3/h
风压/mmH2O
风量/m3/h
风压/mmH2O
φ1.5×12
800～900
15～16
2260～5230
743～669
15000～24000
260～210
φ2.2×14
800～900
16～18
3220～7300
840～746
23000～28000
310～280
φ2.4×18
800～900
18～20
4610～10450
1094～975
30000～40000
355～305

许多企业在采用节煤型沸腾烘干技术进行的技改中，均取得燃料利用率100%、单产煤耗下降 50%增产100%以上的良好效果，投资回收期一般仅为5~8个月，技术经济指标十分显著。例如：上海吴淞水泥厂φ3×20m矿渣烘干系统的改造，较之改造前增产128%，年增产创利25.6万元；节煤78%，
年节煤创利40.5万元，仅此两项的年创利即达65多万元。安徽省东关水泥厂、山东兖州矿务局水泥厂通过技改，使原2台烘干机仅1台即可满足生产要求，停用的1台则用于新线建设，除增产节能效益外，仅此一项节省的建设投资均在50万元以上。表3列出部分水泥厂改造前后的生产对比。
表3 部分水泥厂改造前后的生产比较
生产厂及设备规格
原料
水分/%
煤耗/kg/t
产量/t/h
煤燃尽率/
系统热效率/%
入机
出机
改前
改后
改前
改后
改前
改后
改前
改后
安徽东关水泥厂
φ2.4×14m
矿渣
15~18
1.0~1.5
30
17.6
18.6
39
70
95
42.5
68
江苏龙潭水泥厂
φ3×20m
矿渣
18~20
1.5~2
46
20
25
48
85
95
54
65
黑龙江尚志水泥厂
φ2.4×18m
矿渣
16~18
1.5~2
40
20
14
34
70
95
42
61
山东兖矿水泥厂
φ2.2×14m
粘土
18~20
2~3

38
18
8
16.5
68
94
43
62
浙江省杭州高强
φ1.5×12m
矿渣
15~18
1.5~2
45
15
3.8
15.4
84
96
50
69

4. 结 论
由于沸腾炉能够强化燃烧，其燃烧热负荷和传热系数较高，因而，根据热力学和流体力学原理将其炉膛尺寸大大缩减，可达到大幅度降低煤耗的目的。实践证明，节煤型高温沸腾炉炉床面积即使减小1/3，仍可达到节煤50%，增产100%的显著效果，煤的燃尽率及其热效率也比普通沸腾炉高得多。

本文所述的结构设计及其计算，为这一效果
奠定了良好的基础，具有设计的新颖性和计算的合理性。
节煤型高温沸腾炉作为水泥厂烘干机的热源，其使用效果已在国内外数百台生产应用中得到证实。其操作方法也随各厂的应用条件不同而不断丰富和完善，本文仅对其一些普遍的现象进行描述。值得参考应用。