沸騰爐的燃燒特性分析及其工藝結(jié)構(gòu)改進
合肥水泥研究設(shè)計院 楊剛 劉恩睿 葛駿浩
近年來隨著工業(yè)廢渣的廣泛利用，水泥配料中混合材品種越來越多，這些物料含濕量較高，在使用前必須進行烘干處理。水泥廠烘干系統(tǒng)通常選用的熱源多為沸騰爐，而許多老式沸騰爐爐溫低、能耗高、結(jié)渣頻繁、操作管理比較困難等問題仍十分突出。本文通過分析其燃燒特性，針對各影響因素提出工藝結(jié)構(gòu)的改進，取得了高效節(jié)能烘干的預期效果。
1 沸騰燃燒的特性及影響因素
1.1 沸騰床燃燒的形成
沸騰床燃燒形式是介于層燃與懸浮燃燒之間的一種動態(tài)燃燒方式。當鼓入空氣的流速超過固體燃料顆粒能夠停留在爐蓖上的最低限度時，一些燃料粒子就會失去穩(wěn)定性，并在氣流中開始局部的起伏翻騰，形成沸騰燃燒狀態(tài)。此時穿過爐蓖上固體燃料層的空氣流速是決定沸騰燃燒效果的基本要素，流速過小，燃料顆粒的沸騰狀態(tài)不能形成，或參與沸騰狀態(tài)的顆粒量較少，持續(xù)時間不長，顆粒自重使其很快返回到爐蓖上;流速過大，沸騰床的燃燒環(huán)境被破壞，沸騰燃燒不能穩(wěn)定甚至喪失。只有當空氣流速與燃料的沸騰運動達到相對平衡時，燃料顆粒在空氣壓力的作用下，才能大部分或全部持續(xù)保持上升、下落運動狀態(tài)，燃料在這種翻騰運動過程中與空氣充分混合燃燒，即可最大限度地釋放出熱量，從而形成高效的沸騰燃燒。 但由于許多因素的影響，沸騰床會產(chǎn)生不均衡沸騰或者懸浮狀態(tài)的現(xiàn)象。在選擇空氣流速和達到燃料顆粒最佳沸騰狀態(tài)的平衡點時，若將鼓風的壓力損失看作是沸騰的特征參數(shù)，那么，燃料層沸騰條件可表示為：
? P=hg(r c -r f )(1-m)
式中： Δ P —從固定床過渡到沸騰床的極限條件， Pa ;
h —沸騰床的高度， m ;
r c —固體燃料的比重， kg/m 3 ;
r f —流體的比重， kg/m 3 ;
m —沸騰床單位容積的空隙率， % ;
g —換算系數(shù)，取 9.8N/kg 。
除式中給定的幾個因素外，實際還應(yīng)考慮更多影響因素，如：不同形狀沸騰床的結(jié)構(gòu)、高度、流動阻力系數(shù)、流體流動的雷洛數(shù)、燃料空隙率以及顆粒直徑等，才能更真實地表達沸騰狀態(tài)，其中沸騰床的高度和流動阻力影響最大。
沸騰床的高度(顆?？v向之間距離的總和)比爐蓖上初始固體顆粒層的高度要大，當隨著在高度方向的熱空氣膨脹度的增加，沸騰床的瞬時高度所對應(yīng)的壓力也發(fā)生變化，造成沸騰床單位容積的空隙率 m 增加，沸騰床單位容積的顆粒數(shù)量相對減少，反應(yīng)表面積比爐蓖上初始固體顆粒床的對應(yīng)比表面積小，所以其他因素的影響有所降低。沸騰床的流阻比爐蓖上初始固體顆粒床的流阻小，這個阻力隨著鼓風速度的增加而成比例增加，當達到顆粒完全懸浮在沸騰床上部時，就達到了極限值，高于該極限值時，會出現(xiàn)明顯的顆粒離析，嚴重影響燃燒效果。因此，壓力不足會造成不均衡沸騰，而壓力過大又易產(chǎn)生懸浮化狀態(tài)。沸騰床的形成恰是處于爐蓖上的固定床和懸浮狀態(tài)之間的過渡形式。
1.2 沸騰燃燒中的傳熱和傳質(zhì)
沸騰燃燒的特點，是氣體和固體燃料之間，沸騰床床內(nèi)與周邊之間的傳熱和傳質(zhì)速度極快，溫度梯度相對較小。這種特性是由于在空氣流中固體燃料顆?？焖俚乇粩嚢韬突旌?，導致固體顆粒與氣體間相互的傳熱系數(shù)小，接觸面積大而引起的。所以能夠使得氣體一進入沸騰床后就能夠迅速與固體顆粒間達成熱平衡，燃燒所產(chǎn)生的熱量通過上升的氣流膨脹擴大而釋放出來。見圖 1 。
1.3 沸騰燃燒的優(yōu)缺點
國內(nèi)烘干系統(tǒng)采用的熱風爐主要有煤粉爐、手燒爐、機械傾斜爐排的拉鏈爐和沸騰爐等形式，沸騰爐相對具有以下優(yōu)點。
( 1 )能夠適用于煙煤、無煙煤等固體燃料，特別是對于灰分大、水分高，揮發(fā)分小的低熱值劣質(zhì)煤和煤矸石(熱值高于 3000 大卡 /kg )，甚至含碳量在 15% 左右的爐渣也能夠穩(wěn)定燃燒。
( 2 )燃燒和燃燼狀況好。沸騰爐內(nèi)的煤粒相對運動十分激烈，在氣流作用下，煤粒處于不停得翻騰、起伏運動中;因而燃燒反應(yīng)速度快，燃燒充分，燃燼率明顯高于其他爐型。經(jīng)沸騰爐燃燒后的的灰渣含碳量一般低于 5% ，具有良好的活性，非常適合用做水泥混合材料，這也與其能夠充分燃燒有關(guān)。
( 3 )在沸騰燃燒過程中，可摻入脫硫劑(石灰石、白云石等)，將爐溫控制在 800 ～ 850 ℃ 左右，通過高硫燃料在爐內(nèi)進行高效除硫，從而能夠大幅度降低煙氣中的 SO 2 含量，大大減少有害氣體 NO X 的產(chǎn)生。在 SO 2 強控地區(qū)，還可采用燃燒焦碳粉等二次燃料的方法來達到國家對 SO 2 強制排放標準的要求。通常一般爐型 SO 2 的日排量為 100mg/Nm 3 、 NO X 為 400 ～ 800mg/Nm 3 ，而沸騰爐煙氣中的 SO 2 日排量為 18mg/Nm 3 、 NO X 為 284mg/Nm 3 。
( 4 )有利于操作控制。沸騰爐燃燒系統(tǒng)便于實現(xiàn)機械、自動控制，檢測儀表可采用計算機閉環(huán)控制，燃燒溫度、加煤量及風量風壓均可人為設(shè)定。同時，爐渣能夠被均勻地控制在所需范圍內(nèi)，從而減輕了工人勞動強度，有利于控制操作和節(jié)能降耗。
沸騰爐的不足之處是對操作要求相對嚴格，風量風壓與燃料種類、特性的針對性較強。同時，較其他爐型的輔助設(shè)備較多，投資略大。
2 影響沸騰爐燃燒的因素
長期以來，有關(guān)煤的燃燒過程被普遍認為：燃料是先被加熱和干燥，然后分解析出揮發(fā)分，如果爐內(nèi)有足夠的溫度和氧氣，則揮發(fā)分先著火燃燒，形成火焰，阻斷了氧氣到達焦碳的表面，這就阻礙了焦碳的燃燒，只起加熱焦碳的作用。當揮發(fā)分接近燃燼時，氧氣到達焦碳表面，焦碳開始立即燃燒起來。但沸騰爐內(nèi)燃料的燃燒過程與上述有所不同。由于沸騰爐供氧量和加熱速度較快，揮發(fā)分的裂解反應(yīng)速度也迅速急劇加快，形成燃料升溫，導致燃料與揮發(fā)分能夠被同時充分燃燒，達到較高的溫度并且熱量集中。影響其燃燒的因素大致有以下幾方面。
2. 1 燃料揮發(fā)分、水分及含碳量的影響在沸騰爐的燃燒過程中，揮發(fā)分和水分主要是影響燃燒速度。特別是在點火時，首先需加熱燃料蒸發(fā)去除水分，一般當燃料水分從 15% ～ 18% 增加到 22% ～ 26% 時 , 爐膛截面單位時間通過的重量負荷就會從 1250 ～ 1315kgf · m -2 · h -1 降低到 750 ～ 890kgf · m -2 · h -1 ，同時會使爐膛中心區(qū)的燃燒強度減小，使其溫度平均水平從 985 ～ 1020 ℃ 降低到 628 ～ 705 ℃，導致燃燒過程的穩(wěn)定性降低 。特別是全部燃用低熱值劣質(zhì)煤或煤矸石時，其燃燒效率主要取決于含碳量的燃燼程度?；曳趾康脑黾邮鼓軌蛟跔t膛中燃燒的燃料量減少，并且促使灰渣中機械不完全燃燒熱損失增加約 6% ～ 18% 左右。
2. 2 燃料粒度的影響
在燃料剛進入爐膛時 , 細顆粒燃料的溫度升高比粗顆?？斓枚啵虼?，著火先從細顆粒煤開始。對于煤粒而言，煤顆粒越細，比表面積越大，燃燒越劇烈，單位時間釋放熱量越多，燃燒越充分。但對于不同種類的燃料，相同粒度下的燃燼率有所差異，見圖 2 。通常情況下，隨著煤的粒度不均勻性增大，處在 800 ～ 1000 ℃之間的沸騰床底部的溫度會降低，化學不完全燃燒導致的熱損失增加約 5% ～ 10% 左右，點火時間及難度明顯增加。
2.3 鼓入的風量
為了保證合理燃燒，必須供給足夠的空氣量，考慮到爐內(nèi)混合效果不可能完全理想化的，所以要求供給的空氣量必須有一定的過剩。否則燃燼區(qū)的氧濃度將會很低，使燃燼過程拖得很長，增加了燃料不完全燃燒的熱損失。過量空氣系數(shù)對不完全燃燒引起的熱損失由圖 3可見，過量空氣系數(shù)存在著一個合理的區(qū)域值，說明過量空氣對燃燒的影響，既可提高煙氣特別是燃燼區(qū)的氧濃度，從而使整個燃燒時間縮短;但在過量空氣過低或過高時，也會使燃燒溫度降低，燃燒時間減慢，導致燃料的不完全燃燒熱損失加大。加煤量和鼓入的風量合理配合是充分燃燒的基本條件。一是具備適宜的風、煤比，通常選用1.15～1.25﹕1;二是確保燃料和風的混合均勻，爐內(nèi)局部氧氣濃度太低，則此處的燃燒過程將被推遲，產(chǎn)生燃燒不完全甚至局部結(jié)渣的現(xiàn)象。
2.4 氣流相對速度及湍流供氧關(guān)系
增加沸騰爐內(nèi)部高溫介質(zhì)與顆粒之間的相對速度，會使固體燃料燃燒時間明顯縮短，在燃料沸騰并形成懸浮狀態(tài)時，導熱系數(shù)隨著鼓風速度的增加而增大，當其增大到一定程度后，顆粒與空氣之間的混合達到相對均勻程度，有助于沸騰床的溫度均勻，并使其創(chuàng)造一定的條件，使在有氧區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的 CO 不再停留在顆粒間的槽道中，而是迅速通過爐內(nèi)火焰回流區(qū)與空氣流中的氧混合燃燒。沸騰爐內(nèi)的氣流運動可分為湍流區(qū)和噴流區(qū)。湍流區(qū)有利于強化燃料和氧化劑的混合，對燃料和熱介質(zhì)起到充分的攪混流動作用，使爐內(nèi)燃料隨著氣流運動呈如圖 4 所示的循環(huán)狀態(tài)，此時爐內(nèi)氣—固混合速度及均勻性加強，促使燃料迅速升溫達到著火溫度，降低燃燒過程中發(fā)生粘捻的可能性和減少結(jié)渣現(xiàn)象的產(chǎn)生。
3 爐體結(jié)構(gòu)設(shè)計及操作管理
3.1 爐體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計
沸騰爐的優(yōu)化設(shè)計，關(guān)鍵是從結(jié)構(gòu)上充分滿足上述流體力學和熱力學原理，使之達到燃料和氣流均勻混合及充分燃燒且最大限度地節(jié)省燃料消耗的目的。為此，合肥水泥研究設(shè)計院采用小爐床結(jié)構(gòu)設(shè)計的節(jié)煤型高溫沸騰爐，其爐床面積比一般沸騰爐減小 1/3 ，單位時間加煤量減少 30% ，為節(jié)省燃料創(chuàng)造了基本條件。爐床面積小，使燃燒的沸騰高度及風壓、風速增加，使得沸騰爐內(nèi)燃燒的熱渣與煙氣充滿爐膛高度，壁面熱負荷均勻，細渣不粘壁，熱氣流不撞墻而避免形成渦流。此外，為了防止高溫煙氣中的細粉燃料粘附在爐膛上部而形成薄渣，在設(shè)計爐墻時，還采用了較大的折焰角和縮口式結(jié)構(gòu)，將擋火墻前后兩面進行同時收縮，以提高爐膛上部空間的熱風流速，使細灰渣迅速滑落到爐膛或灰斗中。由于沸騰層內(nèi)受熱面積較集中，傳熱強烈且易于燃燒，因此爐膛內(nèi)單位容積熱強度高，為了減少熱氣在運動過程中的阻力，在過渡段同時采用過流面積大的平滑結(jié)構(gòu)設(shè)計，便于熱風能夠順暢、迅速地進入烘干機參與熱交換。因此，增產(chǎn)節(jié)能效果十分顯著。幾種不同規(guī)格的烘干系統(tǒng)改造前后的生產(chǎn)對比見表 1 。
表 1 幾種不同規(guī)格烘干機改造前后的技術(shù)指標對比
|
烘干機規(guī)格 （ m ） |
Φ 1.5×12 |
Φ 2.2×14 |
Φ 2.4×18 |
|||
|
改造前后 |
前 |
后 |
前 |
后 |
前 |
后 |
|
產(chǎn)量 （ t ／ h ） |
5 |
16 |
7 |
15.8 |
22 |
40 |
|
煤耗 （ kg ／ t ） |
45 |
15.4 |
37 |
18.5 |
48 |
17.6 |
|
出機水分（％） |
5 |
1.0 |
6 |
2.0 |
5 |
1.5 |
|
使用廠家 |
杭州高強微粉公司 |
山東兗州礦務(wù)局水泥廠 |
黑龍江小嶺水泥廠 |
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烘干物料 |
礦渣 |
粘土 |
礦渣 |
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3.2 操作與控制
為使沸騰爐燃燒過程便于操作管理，烘干系統(tǒng)采用熱工儀表和微機聯(lián)鎖監(jiān)控，其中溫度、煤耗、煙氣粉塵濃度、 NO X 和 SO 2 含量等主要參數(shù)均通過監(jiān)控來記錄、顯示，為操作者提供管理依據(jù)。沸騰爐正常燃燒時，通過測溫儀表可隨時了解爐內(nèi)溫度的變化，根據(jù)爐溫、爐壓及火焰顏色的變化，隨時調(diào)整加煤量、鼓風量和爐膛的溫度，使其控制在 600 ～ 950 ℃ 左右，為烘干系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的熱源。當遇到燃料灰熔融性較高時，應(yīng)在綜合考慮沸騰爐燃燒溫度的熱效率、經(jīng)濟性等因素后，適當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相混摻、酸性和堿性的煤或灰渣相混摻等等。但在摻燒時，應(yīng)避免導致因煤質(zhì)波動而影響到燃燒的穩(wěn)定性。上述設(shè)計，通過十多年的應(yīng)用，均取得了比一般沸騰爐更為顯著的增產(chǎn)節(jié)能作用，目前已廣泛推廣應(yīng)用。
