沸騰爐的特性及優(yōu)化

1、沸騰爐的特性及優(yōu)化李瑞杰（中南大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，熱動0703班，學(xué)號1001070325，湖南 長沙410083） 摘要：本文概述了沸騰爐的燃燒特性，分析了沸騰床的燃燒形成過程，分析了沸騰爐的優(yōu)缺 點(diǎn)，并初步分析了影響沸騰爐沸騰過程的主要因素，并且針對各影響因素提出工藝結(jié)構(gòu)的改 進(jìn)，嘗試提出了自己對爐體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及操作管理的建議，以達(dá)到高效節(jié)能的效果。關(guān)鍵詞：沸騰爐；燃燒特性；影響因素；節(jié)能Characteristics and optimization of fluidized bed furnaceLi-Ruijie（School of Energy Science and Engin

2、eering, Central South University, Changsha 410083,China；） Abstract: This paper outlines the combustion characteristics of the fluidized bed furnace, analyzing the formation process of the boiling furnace and its advantages and disadvantages. We also have a preliminary analysis of the boiling process

3、 of the main factors in boiling furnace, and try to put forward our recommendations in the design , operation and management of the boiling furnace under the various factors, , to achieve an efficient energy-saving effect.Key word: fluidized bed furnace; Combustion characterize; factors; energy-savi

4、ng1沸騰爐的概念沸騰焙燒爐1是利用“聚式流態(tài)化床”技術(shù)的熱工設(shè)備。流體從下而上流過靜止的粒 狀物料層時，若流速超過一定限度，則散料層開始膨脹、蠕動而具有流動性，變成假流體狀 態(tài)，這一過程稱為散料層的流化。流化后的粒料上下翻動與流體的沸騰相似，故又稱沸騰層， 用此方法處理物料的熱工設(shè)備稱為沸騰爐。由于沸騰層較固定散料層比容增大，層內(nèi)粒料彼此接觸較少，流化介質(zhì)幾乎能與每個顆 粒表面接觸，而且粒子在層內(nèi)的強(qiáng)烈翻動使氣固兩相間的物理化學(xué)反應(yīng)大大加速，傳熱大為 強(qiáng)化，層內(nèi)溫度均勻，沸騰層與冷卻（或加熱）器壁間的傳熱系數(shù)大、生產(chǎn)率高、操作簡單、 便于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)連續(xù)化和自動化等一系列優(yōu)點(diǎn)。由于以上這些優(yōu)點(diǎn)，

5、沸騰爐在工業(yè)上被迅速而 廣泛的應(yīng)用于鋅精礦、銅精礦的氧化焙燒和硫酸焙燒，含鉆硫鐵精礦的硫酸化焙燒，錫精礦、 輝鉬礦、富鎳冰銅的氧化焙燒，汞礦石焙燒等工業(yè)領(lǐng)域。沸騰爐的缺點(diǎn)是煙塵率高，熱利用 率低。目前，沸騰爐正向大型化、富氧鼓風(fēng)、擴(kuò)大爐膛空間、制粒焙燒、余熱利用和自動控制 等當(dāng)面發(fā)展。沸騰床的床型有柱形床和錐型床。對于浮選精礦宜采用柱形床；對于寬篩分物 料和在反應(yīng)過程中氣體體積增大很多和顆粒逐漸變細(xì)的物料，宜采用上大下小的錐型床。沸 騰床斷面形狀可分為圓形或矩形和橢圓形。圓形斷面的爐子，爐體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大，散熱較小， 空氣分布均勻，因此，得到廣泛應(yīng)用。沸騰爐的爐膛形狀有擴(kuò)大形和直筒形兩種。為提高操

6、 作氣流速度，減少煙塵率和延長煙塵在爐膛內(nèi)停留時間，以保證煙塵質(zhì)量，目前沸騰爐多采 用擴(kuò)大形爐膛。2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(dāng)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，氣流對物料的曳力大于物料的自身的重 力，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。從臨界

7、 速度開始沸騰，到帶出速度下沸騰床開始破壞，這一速度范圍稱為沸騰范圍。它是選擇操作 沸騰速度的上下限。沸騰范圍越寬，沸騰床的操作越穩(wěn)定。只有當(dāng)空氣流速與燃料的沸騰運(yùn) 動達(dá)到相對平衡即在沸騰范圍時，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(yùn)動狀態(tài)，燃料在這種翻騰運(yùn)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。理論和實(shí)踐證明，顆粒越細(xì)則沸騰范圍越小，并且 對不規(guī)則的寬篩分物料，沸騰范圍比球形粒子的要小。實(shí)際上多數(shù)工業(yè)沸騰床內(nèi)的粒級分布 較寬，所以合理的操作速度應(yīng)是絕大多數(shù)顆粒正常沸騰而又不大于某一指定粒級的帶出速 度。3影響沸騰過程的主要因

8、素長期以來，有關(guān)煤的燃燒過程被普遍認(rèn)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)分著火燃燒，形成火焰，阻斷了氧氣到達(dá)焦碳的 表面，阻礙了焦碳的燃燒。同時確加熱了焦碳，當(dāng)其接近燃燼時，氧氣達(dá)到焦碳表面，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(dǎo)致燃料與揮發(fā)分能夠 被同時充分燃燒，達(dá)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： 3.1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(diǎn)火時，首先需

9、加 熱燃料蒸發(fā)去除水分;一般當(dāng)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(fù)荷就會從12501315 Kgf m-2 h-1降低到750890Kgf m-2 h-1，同時會 使?fàn)t膛中心區(qū)的燃燒強(qiáng)度減小,使其溫度平均水平從9851020C降低到628705C，導(dǎo)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(jī) 械不完全燃燒熱損失增加約6%18%左右。3.2燃料粒度的影響在燃料剛進(jìn)入爐膛時，細(xì)顆粒燃料的溫度升高比粗顆?？斓枚啵虼?，著火先從細(xì)顆粒 煤開始

10、。對于煤粒而言，煤顆粒越細(xì)，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。通常情況下，隨著煤 的粒度不均勻性增大，處在8001000C之間的沸騰床底部的 溫度會降低，化學(xué)不完全燃燒導(dǎo)致的熱損失增加約5%10%左右，點(diǎn)火時間及難度明顯增加。 3.3鼓入的風(fēng)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，使得燃燼過程拖 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

11、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(dǎo)致燃料的不完全燃燒熱損失加大。加煤量和鼓入的風(fēng)量合理配合是充 分燃燒的基本條件。一是具備適宜的風(fēng)、煤比，通常選用1.151.25： 1左右。二是確保燃 料和風(fēng)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，送入的煤易造成 燃燒不完全，甚至產(chǎn)生局部結(jié)渣。3.4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(dǎo)熱系數(shù)隨著鼓風(fēng)速度的增加而增大，當(dāng)其增大到一定程度 后，顆粒與空氣之間的混合達(dá)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

12、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(yùn)動可分為湍流區(qū)和噴流區(qū)。湍流區(qū)有利于強(qiáng) 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，此時爐內(nèi)氣一固混合速 度及均勻性加強(qiáng)，促使燃料迅速升溫達(dá)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。3.5在選擇空氣流速和達(dá)到燃料顆粒最佳沸騰狀態(tài)的平衡點(diǎn)時，若將鼓風(fēng)的壓力損失看作是 沸騰的特征參數(shù)，那么，燃料層沸騰條件可用下式表示： p二hg(r -r )(1-m)式中：AP從固定床過渡到沸騰床的極限條件，Pa；h一沸騰床的高度，m；r 一固體燃

13、料的比重，kg/ m3 ；r 一流體的比重，kg/ m3 ；m一沸騰床單位容積的空隙率，；g一換算系數(shù)，取9.8N/kg。除式中給定的幾個因素外，實(shí)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(shí)地表達(dá) 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(顆粒縱向之間距離的總和)比爐蓖上初始固體顆粒層的高度要大，當(dāng) 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

14、，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(fēng)速度的增加而成 比例的增加，當(dāng)達(dá)到顆粒完全懸浮在沸騰床上部時，就達(dá)到了極限值，高于該極限值時，會 出現(xiàn)明顯的顆粒離析，嚴(yán)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。 4沸騰燃燒的優(yōu)缺點(diǎn)3沸騰燃燒的特點(diǎn)，是在氣體和沸騰的固體燃料之間，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?混合，導(dǎo)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

15、能夠使得氣體 一進(jìn)入沸騰床后就能夠迅速與固體顆粒間達(dá)成熱平衡，燃燒所產(chǎn)生的熱量通過上升的氣流膨 脹擴(kuò)大而釋放出來。國內(nèi)采用的熱風(fēng)爐主要有煤粉爐、手燒爐、機(jī)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(diǎn)：（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(yùn)動十分激烈，在氣流作用下，煤粒處 于不停得翻騰、起伏運(yùn)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

16、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800850C 左右，通過高硫燃料在爐內(nèi)進(jìn)行高效除硫，從而能夠大幅度降低煙氣中的SO2含量，大大減 少有害氣體NOx的產(chǎn)生。在SO2強(qiáng)控地區(qū)，還可采用燃燒焦碳粉等二次燃料的方法來達(dá)到國 家對強(qiáng)制排放標(biāo)準(zhǔn)的要求。通常一般爐型SO的日排量為100mg/Nm3、NO為400 800mg/Nm3，而沸騰爐煙氣中的SO日排量為18mg/Nm3、NO為284mg/Nm3。（4）有利于操作控制。沸騰爐的燃燒系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動控制，檢測儀表可采用 計(jì)算機(jī)閉環(huán)控制，燃燒溫度、加

17、煤量及風(fēng)量風(fēng)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(qiáng)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(yán)格，風(fēng)量風(fēng)壓與燃料種類、特性的針對性較強(qiáng)。 同時，較其他爐型的輔助設(shè)備較多，投資略大。5爐體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及操作管理5.1爐體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)沸騰爐的優(yōu)化設(shè)計(jì)，關(guān)鍵是從結(jié)構(gòu)上充分滿足上述流體力學(xué)和熱力學(xué)原理，使之達(dá)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。爐床面積小，使燃燒的沸 騰高度及風(fēng)壓、風(fēng)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(fù)荷均勻， 細(xì)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?zé)煔庵械募?xì)

18、粉燃料粘附在 爐膛上部而形成薄渣，在設(shè)計(jì)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(jìn)行同時收縮，以提高爐膛上部空間的熱風(fēng)流速，使細(xì)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(qiáng)烈且易于燃燒，因此爐膛內(nèi)單位容積熱強(qiáng)度高，為了 減少熱氣在運(yùn)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(jì)，便于熱風(fēng)能 夠順暢、迅速地進(jìn)入烘干機(jī)參與熱交換。5.2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(jī)聯(lián)鎖監(jiān)控，其中溫度、 煤耗、煙氣粉塵濃度、NO和SO?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(fēng)量和爐膛的溫度，使其控制在600950C左 右，為烘干系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的熱源。當(dāng)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(jì)性等因素后，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