科研開(kāi)發(fā)
高溫沸騰爐結(jié)渣的原因及消除方法
楊 剛
1 前 言
沸騰爐是水泥廠回轉(zhuǎn)式烘干機(jī)的主要熱源，其結(jié)渣現(xiàn)象相當(dāng)普遍，原因也十分復(fù)雜，既有爐體結(jié)構(gòu)如爐床面積、風(fēng)帽出風(fēng)角度等因素，也有操作管理如爐內(nèi)溫度、空氣動(dòng)力條件、風(fēng)速、風(fēng)壓等因素。因此，要消除沸騰爐結(jié)渣，需根據(jù)燃料特性從爐體結(jié)構(gòu)和操作管理兩個(gè)方面來(lái)適應(yīng)沸騰燃燒的物理化學(xué)反應(yīng)。本文通過(guò)高溫沸騰爐結(jié)渣的原因分析，結(jié)合節(jié)煤型高溫沸騰爐研究成果的長(zhǎng)期應(yīng)用實(shí)踐，提出以下消除結(jié)渣的方法，對(duì)水泥和其他生產(chǎn)行業(yè)的原料烘干都具有廣泛地應(yīng)用價(jià)值。
2 沸騰爐燃燒結(jié)渣的原因分析
2.1 燃料特性和化學(xué)組成
通常認(rèn)為沸騰爐結(jié)渣同煤灰的熔融特性和粘溫特性密不可分。灰熔點(diǎn)較高的煤不易產(chǎn)生結(jié)渣;低灰熔點(diǎn)的煤在燃燒過(guò)程中，灰分往往呈軟化或熔融狀態(tài)，粘附性較強(qiáng)，故容易形成結(jié)渣。決定灰分是否達(dá)到軟化或熔融狀態(tài)，取決于燃料的熱值和爐內(nèi)溫度水平。在爐內(nèi)溫度 t 3 < 1350 ℃的相同條件下，燃煤熱值 Q < 3000Kcal/kg(12.6MJ/kg) 時(shí)，一般不會(huì)結(jié)渣;只有在熱值 Q > 3000Kcal/kg(12.6MJ/kg) 時(shí)，結(jié)渣的可能性才逐漸增大。兩者的關(guān)系如圖 1 所示。實(shí)際生產(chǎn)中，沸騰爐的燃燒溫度通常都在 900~1100 ℃范圍內(nèi)， t 3 值一般不會(huì)超過(guò) 1350 ℃。因此，從燃料特性的影響分析，其熱值是引起沸騰爐結(jié)渣主要因素。
灰分的熔點(diǎn)與其化學(xué)組成有關(guān)，一般而言，酸性氧化物能夠提高灰的熔點(diǎn)和粘度，而減性氧化物在一定條件下有助于降低熔點(diǎn)并使熔體變得稀薄。因此，低熔點(diǎn)的灰分往往 CaO 、 MgO 、 K 2 O 、 Na 2 O 等氧化物含量較高，而 SiO 2 、 Al 2 O 3 等含量越多，灰分的熔點(diǎn)就越高。尤其 Fe 2 O 3 是組成低熔點(diǎn)共熔體的重要組分，其含量越高，結(jié)渣現(xiàn)象更為突出。
從煤灰的粘溫特性上看，它不但影響到爐 內(nèi)的工況，也決定它在燃燒中是否對(duì)燃料或礦物熔融特性的改變。結(jié)渣主要是由于灰渣的粘附而形成，當(dāng)粘度很高時(shí)，熔渣接近于凝固，燃燒過(guò)程就不易結(jié)渣。通常情況下，燃煤的灰渣粘性區(qū)域都在 50 ～ 1000pa.s 之間，在此粘度范圍內(nèi)若相應(yīng)的溫度區(qū)間較大，灰粒呈粘性狀態(tài)的時(shí)間較長(zhǎng)，與其受熱表面的粘附作用愈強(qiáng)，這樣的煤將可能出現(xiàn)嚴(yán)重的結(jié)渣現(xiàn)象。
2.2 爐內(nèi)溫度
爐內(nèi)燃燒區(qū)域的溫度越高，灰渣越容易達(dá)到軟化或溶融狀態(tài)，形成結(jié)渣的可能性就越大。若爐膛容積熱負(fù)荷過(guò)大或過(guò)分集中，易使其產(chǎn)生的熱風(fēng)在燃燒室中形成渦流并加劇局部溫度上升，將加速煤中揮發(fā)物質(zhì)的汽化反應(yīng)，給結(jié)渣創(chuàng)造了更有利的條件。燃燒室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，例如擋火墻過(guò)高，造成爐膛出口的溫度增高，容易使較細(xì)的飛灰在屏式受熱面或高溫對(duì)流受熱面上呈熔融或半溶融狀態(tài)，粘附在爐頂或側(cè)墻和擋火墻上形成堅(jiān)硬的薄渣層，這也是結(jié)渣的一種表現(xiàn)形式。概括而言，爐內(nèi)溫度過(guò)高是產(chǎn)生結(jié)渣的主導(dǎo)因素，它不但使?fàn)t內(nèi)的冷卻和空氣動(dòng)力條件進(jìn)一步惡化，也能促使結(jié)渣迅速發(fā)展成整爐大板塊狀態(tài)，從而導(dǎo)致更嚴(yán)重的結(jié)渣現(xiàn)象。
2.3 爐內(nèi)空氣動(dòng)力條件
燃燒區(qū)域內(nèi)的結(jié)渣，通常首先發(fā)生在爐床面和爐內(nèi)的渦流區(qū)或氣流的“死區(qū)”以及熱渣空氣動(dòng)力條件較差的如爐床角、邊及擋火墻近端等范圍。這就給合理選擇鼓風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓、風(fēng)量以及風(fēng)帽微孔的氣流速度和方向等操作參數(shù)提出了較高的要求，如果鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)壓、風(fēng)速偏低，爐膛內(nèi)的鼓風(fēng)與引風(fēng)失當(dāng)，易使?fàn)t內(nèi)局部溫度上升，灰粒翻騰冷卻條件變差而產(chǎn)生熔粘現(xiàn)象。空氣動(dòng)力條件所產(chǎn)生的這種影響還決定其在燃燒過(guò)程中爐壁附近是否生成還原氣氛，因?yàn)榛胰埸c(diǎn)在還原氣氛下要比氧化氣氛下低得多。因此，合理選擇空氣動(dòng)力條件，可避免沸騰爐燃燒過(guò)程的還原氣氛生成，這也是消除結(jié)渣的重要因素。同時(shí)爐膛內(nèi)鼓風(fēng)與引風(fēng)的合理分配對(duì)其燃燒狀況也有一定的影響。
3 結(jié)渣的形成過(guò)程與消除方法
沸騰爐在較高的燃燒溫度下，煤中的一部分灰渣很快達(dá)到熔融狀態(tài)，這部分灰渣在沸騰下落至爐膛受熱面之前，尚未得到足夠的冷卻成為凝固狀態(tài)，仍然具有較高的粘結(jié)能力，就容易粘附在受熱面或爐墻上而形成結(jié)渣。由于渣層的熱阻較高，局部區(qū)域的溫度急劇上升，至使熱渣達(dá)到熔化狀態(tài)，并粘附熔融或半熔融的灰粒和未燃盡的焦碳，使結(jié)渣現(xiàn)象由結(jié)小渣向結(jié)大塊發(fā)展。
結(jié)渣過(guò)程使?fàn)t膛溫度也隨之發(fā)生變化，通常在正常燃燒時(shí)，爐內(nèi)溫度約 900 ～ 1100 ℃，隨著結(jié)渣開(kāi)始形成并逐漸變大，首先出現(xiàn)爐床面局部噴火、鼓風(fēng)機(jī)電壓升高、風(fēng)箱內(nèi)壓力增加，隨后出現(xiàn)沸騰床熱渣的沸騰不均勻、高度下降，此時(shí)熱渣顏色由桔紅色變白發(fā)亮，進(jìn)而轉(zhuǎn)向暗紅色，這表明爐膛結(jié)渣已開(kāi)始形成。沸騰爐燃燒形成結(jié)渣的時(shí)間短、過(guò)程迅速，通常只需 3 ～ 8min 即可達(dá)到較嚴(yán)重程度。因此，單純依賴(lài)于操作控制來(lái)防止結(jié)渣并非易事，只有從改善爐體結(jié)構(gòu)和強(qiáng)化操作管理兩個(gè)方面來(lái)適應(yīng)沸騰燃燒的理化反應(yīng)，消除產(chǎn)生結(jié)渣的基本條件，才具有根本效果。
3.1 燃料選擇、搭配與爐體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)
燃料的特性及其理化組成對(duì)結(jié)渣的影響，表明需選擇適合于沸騰燃燒的煤質(zhì)。當(dāng)燃料灰熔融性較高時(shí)，應(yīng)綜合考慮沸騰爐燃燒的溫度穩(wěn)定性、熱效率等因素，可適當(dāng)摻入一定量的低熱值燃料如煤矸石或爐渣，或采用不同煤種混燒的方法，即：高、低粘度的煤或灰渣混摻，酸性和堿性煤或灰渣混摻。實(shí)踐證明，節(jié)煤型高溫沸騰爐采用這種方法可顯著改善灰渣熔融性和粘溫性。但在摻燒時(shí)，為了不致因煤質(zhì)波動(dòng)而影響到燃燒的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性，其摻入低位發(fā)熱值 Q < 10.8 ～ 12.4MJ/kg 的比例通常以 20 ～ 30% 為宜，且需混合均勻。
為保證燃料基本完全燃燒，并使?fàn)t床、爐膛、爐頂?shù)葘?duì)流受熱面安全工作，在不結(jié)渣前提下的允許溫度范圍內(nèi)，節(jié)煤型高溫沸騰爐的爐膛保證了足夠的空間，使沸騰爐內(nèi)燃燒的熱渣與煙氣充滿爐膛高度，壁面熱負(fù)荷均勻，細(xì)渣不貼壁，熱氣流不沖墻而避免形成渦流。高壓風(fēng)機(jī)吹入爐內(nèi)的氣流要求均勻而具有很強(qiáng)的擾動(dòng)和混合作用，使燃燒中已經(jīng)熔化的灰渣在遇到冷風(fēng)吹入后迅速釋放熱煙氣，并重新參與燃燒過(guò)程。為了防止高溫?zé)煔庵屑?xì)粉燃料粘附在爐膛上部形成結(jié)渣，在設(shè)計(jì)節(jié)煤型高溫沸騰爐爐墻時(shí)，采用了較大的折焰角及縮口式結(jié)構(gòu)，將擋火墻前后兩面同時(shí)收縮，以提高爐膛上部空間的煙速，改善燃燒過(guò)程，使細(xì)灰渣迅速滑落到爐膛或灰斗內(nèi)。同時(shí)，也能使寬度方向的煙氣溫度趨向均勻并帶走大部分細(xì)灰渣。
3.2 改善空氣動(dòng)力條件
改善空氣動(dòng)力條件的作用是防止?fàn)t膛中、下部的結(jié)渣。節(jié)煤型高溫沸騰爐在確定爐床最低風(fēng)速及風(fēng)壓時(shí)留有一定的余量。對(duì)爐膛的設(shè)計(jì)，著重考慮風(fēng)帽的出口氣流角度。目前生產(chǎn)中，風(fēng)帽的出口氣流角度的布置通常如圖 2 所示。
圖 2 中， b 為水平布置，這種形式會(huì)使風(fēng)壓相互碰撞而有所消弱，無(wú)上吹的動(dòng)力，故很少使用; a 為側(cè)向噴吹布置，能夠使高壓、高速冷風(fēng)經(jīng)折射后，壓力、風(fēng)速不減并形成均勻穩(wěn)定的氣墊床。因而，這種布置方式在節(jié)煤型高溫沸騰爐應(yīng)用中更有利于抑制結(jié)渣現(xiàn)象的發(fā)生。
空氣動(dòng)力條件直接影響灰粒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，如果已熔化和帶粘性的顆粒不能被冷風(fēng)吹散并沸騰分離，便易形成結(jié)渣。反之，空氣動(dòng)力條件好，風(fēng)壓、風(fēng)速高時(shí)，能使一定粘度范圍內(nèi)的灰粒經(jīng)沸騰撞擊到達(dá)受熱面之前，先遇冷風(fēng)而得以冷卻成為無(wú)粘性的灰粒，或減小其上限粘度和下限粘度間的溫差，則粘附于爐膛表面的可能性便大為降低。增加氧氣供給量可避免爐壁附近產(chǎn)生還原性的氣氛，從而消除了灰粒結(jié)渣的外部因素。爐膛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)形成多角、多邊結(jié)構(gòu)，以盡量消除明顯的“死角”區(qū)域，其結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。
3.3 強(qiáng)化操作運(yùn)行與處理
沸騰爐正常燃燒時(shí)，通過(guò)測(cè)控儀表可隨時(shí)了解爐內(nèi)溫度的變化，操作人員可以觀察熱渣的顏色變化來(lái)判斷燃燒狀況，及時(shí)采取適當(dāng)?shù)奶幚泶胧?。按長(zhǎng)期操作的經(jīng)驗(yàn)，以火焰顏色判斷，暗紅、紫紅、金黃三種顏色在一般情況下可視為安全操作區(qū)域，在這個(gè)區(qū)域內(nèi)不易結(jié)渣。而火焰呈粉紅色或白色時(shí)則極易出現(xiàn)結(jié)渣。如圖 4 所示。如果發(fā)現(xiàn)燃燒時(shí)爐床表面上顏色發(fā)亮并有局部“噴火” 現(xiàn)象，可初步判斷已開(kāi)始結(jié)渣。此時(shí)可采取先停止喂煤、鼓風(fēng)，打開(kāi)備用爐門(mén)，用長(zhǎng)鉤將大塊爐渣拉出爐膛，并保持爐溫，重新關(guān)閉爐門(mén)加煤，小風(fēng)吹養(yǎng)爐火，待爐內(nèi)熱渣顏色由黑轉(zhuǎn)紅后，再轉(zhuǎn)入正常操作狀態(tài)。節(jié)煤型沸騰爐配置熱電偶測(cè)溫、微機(jī)自動(dòng)閉環(huán)調(diào)整控制，可隨時(shí)顯示爐膛溫度，并自動(dòng)調(diào)整喂煤、鼓風(fēng)量和下料量，爐膛溫度在安全區(qū)域內(nèi)相當(dāng)穩(wěn)定。另外，在節(jié)煤型高溫沸騰爐爐前可預(yù)備一些冷渣，如果火焰顏色由金黃色轉(zhuǎn)向粉紅色時(shí)，可即刻向爐內(nèi)投入部分冷渣并停煤、加風(fēng)，使?fàn)t溫下降，以避免出現(xiàn)嚴(yán)重的結(jié)渣現(xiàn)象。
4 結(jié) 論
沸騰爐燃燒過(guò)程中的結(jié)渣是一種正?，F(xiàn)象。對(duì)不同結(jié)渣的原因應(yīng)作具體分析，確定相應(yīng)的解決措施。節(jié)煤型高溫沸騰爐及其高效烘干技術(shù)在近幾年來(lái)的數(shù)百臺(tái)套推廣應(yīng)用中，增產(chǎn)均達(dá) 100% ，節(jié)煤 50~60% 以上，無(wú)論從其增產(chǎn)節(jié)能效果、熱效率和安全運(yùn)轉(zhuǎn)率，或是對(duì)生產(chǎn)環(huán)境，工人勞動(dòng)強(qiáng)度的改善，都證明如上所及的燃料搭配使用、爐體結(jié)構(gòu)和操作管理優(yōu)化等消除結(jié)渣的方法合理，措施可行。值得水泥廠及其他相關(guān)行業(yè)廣泛應(yīng)用。
