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提高沸腾炉使用寿命的有效途径

浏览次数: 日期:2005年6月22日 22:00

提高沸腾炉使用寿命的有效途径

 

合肥水泥研究设计院 杨 刚 (安徽 . 合肥 230051 )

 

 沸腾炉由于比层燃式手烧炉和喷燃式煤粉炉等炉型的煤耗少、热效率高而被水泥厂的原料烘干普遍使用。但这些炉型都有一个共同的弱点,即:使用寿命不长,一般沸腾炉仅能在 1.5~2 年左右的正常生产即需停炉维修或更换炉衬。因此对烘干系统的生产连续性和运转率都产生影响。分析其原因,主要在于沸腾炉的某些结构不合理,耐火材料的选择、砌筑方法以及操作失当。笔者通过节煤型高温沸腾炉(国家科技进步三等奖)的研制,对其结构以及炉衬的砌筑方法进行了改进设计,使沸腾炉的性能特点得到了更大地发挥。不仅在原有基础上提高煤的燃尽率 50% 、降低煤耗 60~80% 、增产 80~120% ,而且提高使用寿命一倍以上,对煤质的要求也可放宽至<3000kcaI/kg 的炉渣、煤矸石、劣质煤等。改进效果十分显著。本文介绍其改进方法,可资参考。

1 沸腾炉使用寿命短的原因分析
1.1 炉体结构存在的不足
  沸腾炉的炉墙结构多为内、外二层。内层堆砌厚度一般为 380 ~ 640mm 。在两层之间留有夹层装填保温材料以求保温。炉墙结构见图 1 。
  由图可见,其炉顶为砖结构成 90 ℃直角,内、外层只有部分砖体啮合,拱顶的应力全部集中于拱角部位。由于档火墙较为单薄,这就使得墙体载荷过于集中,热膨胀也不均匀。从结构力学和热力学两方面都极易产生拱基移位、墙体开裂甚至掉砖、塌损等现象。这种现象当炉顶直角部位形成涡流,墙体局部温度骤增而产生结渣,或者煅烧温度超过墙体承受能力时,其破坏作用更为明显,只能停炉检修。这是影响沸腾炉使用寿命的根本原因。
1.2 耐火材料选择和砌筑方法不当
  对沸腾炉耐火材料的选择,目前水泥企业往往认识不足,多选用普通粘土质耐火砖作内墙。这种砖属硅酸铝质材料, Ai 2 O 3 含量在 35% 左右。一方面,其耐火度不高,一般低于 1350 ℃。沸腾炉的正常燃烧温度虽然仅为 900 ~ 1100 ℃,但在异常情况下的温度最高可达 1400 ℃以上,而这种异常情况由于受上述结构的制约又不可避免。因此,粘土砖容易在超限温度下发生软化产生收缩或膨胀变形而导致炉体破损;另一方面,燃料中产生的碱性氧化物可使硅酸铝质材料在高温下与灰渣反应生成低熔点物质,增加了对砖体的粘附性,加剧了结渣的形成和对墙体的化学侵蚀,使其强度、耐冲击力降低而致使用寿命缩短。
  由于沸腾炉的炉体为多边、多角,侧墙呈大斜面几何形状,故支承点较多,支承面比较复杂。其形状如图 2 所示。
  因此,除耐火材料的选择外,还要求砌筑方法得当。主要是: 1. 两墙之间的夹层应充填密实,且具有保温和支承斜墙的双重作用; 2. 砖体的砌筑灰缝应< 1 ~ 2mm ,以防止耐火泥受热收缩产生的张力破坏; 3. 应有足够的烘炉期和烘炉效果。但实际生产中许多厂并非如此,在砌筑方法上往往带有随意性,难以从力学上满足多边、多角、大斜面的结构特点。这也是加速炉体损坏的另一原因。
1.3 结渣处理不当与下料管更换频繁
  沸腾炉在燃烧过程产生结渣的现象不可避免。但处理结渣的方法不当,也是导致炉体寿命缩短的原因之一。一些厂通常都使用长铁钎、铁钩等工具来捣散、清除渣块,也不可避免地会对耐火砖表层造成损伤;而烘干机下料管的频繁更换则对炉体的拱顶多有损坏。许多厂目前使用普通铸铁管或一般钢板焊接的下料管,所能承受的温度都< 800 ℃,在 900~1100 ℃的正常工作温度下仅能维持 2 ~ 4 个月便不得不更换,频繁更换必然对拱顶造成破坏。
  上述三个方面,前者属于结构的先天不足,后几者则为选材和操作不当。对此,在节煤型高温沸腾炉的研制中注重了炉体结构的改善,在应用中不断完善材料选择及其操作工艺。


图1 图2

2 节煤型高温沸腾炉的 改进措施
2.1 结构设计
  节煤型沸腾炉的结构改为炉底基础与墙体一体化耐热混凝土框架。拱顶的应力由拱脚梁承载并由竖墙和立柱传递到混凝土基础。比原结构大大提高了炉体强度和承载能力。如图 3 所示。

图3 图4

  炉体外墙采用粘土砖,内墙为耐火砖,砌筑时加设排气孔,促使烘炉过程产生的水蒸气排出,减少沸腾炉墙变形、开裂的成因。其搭接方法见图 4 。两墙之间充填碎砖块混凝土,使其起保温和支承斜 炉墙的作用。炉体的拱顶用斧型砖堆砌,规格由原设计的 230 × 75 × 65mm 改为 350 × 150 × 120mm ,以增加墙体厚度,相应提高其承载力。炉门四周为易损区,为防止清渣操作对其损坏,故由原来的直口设计改为喇叭口形状,更方便于操作。根据沸腾炉下料管受热部位的特点,将其改为分段更换式的下料管,其材质选用 ZG35Cr24Ni19si 耐热钢,更换周期由原来的 2~4 个月增加至 1.5 ~ 2 年,将频繁更换下料管对炉体拱顶的破坏降低到了最小的程度。
  改进设计后的节煤型沸腾炉使用寿命均在 3 ~ 4 年以上,炉膛的有效体积比原结构缩小 1/3 ,从结构上确保了炉体框架的强度,更重要的是为生产应用实现节煤、提高热效率奠定了良好的基础。改进前后的沸腾炉与其他炉型的效果对比见表 1 。
            表 1 不同燃烧方式的技术经济指标比较

炉 型

煤 质

煤低位热值/KCal/kg

燃烧温度/ ℃

灰渣含碳量 /%

煤耗 /kg/t

投资 / 万元

层燃式手烧炉

优质烟煤

5000

600

18

40

8

喷燃式煤粉炉

特优质烟煤

6000

900

12

30

12

普通沸腾炉

一般烟煤

4500

700

8

28

16

节煤型沸腾炉

煤渣及各种劣质煤

3000

1100

4

18

16

2.2 耐火材料及砌筑方法的改进
  节煤型高温沸腾炉墙体的砌筑耐火材料选用磷酸盐砖或高铝 (Al 2 O 3 含量≥ 80%) 砖,两种砖的耐火度都高于 1500 ℃,且化学稳定性、热阻性、抗磨损性好,使用中能减缓酸碱和熔相的侵蚀,有利于延长炉体使用寿命。几种常用耐火材料性能见表 2 。

表 2 几种常用耐火材料的性能

材料名称

容重 kg/m 3

常温耐压强度 MPa

允许温度℃

导热系数 w/mK

轻质粘土砖

16

3.0

1300

0.523

磷酸盐高铝砖

27

68.8

1450

2.0

高强度高铝砖

26

58.8

1400

2.0

磷酸盐珍珠岩

2.2

0.7

1000

0.052

矿 渣 棉

1 ~ 1.5

0.3 ~ 0.4

600

0.035 ~ 0.052

  砌筑采用耐磨砌筑泥浆,每砌 3 ~ 5 层用钢筋耐火砖向粘土砖延伸搭接。炉门上端由耐热铸铁过桥板承载,避免因炉门框撬动而破坏拱顶。炉体浇注所用的混凝土配料及其强度要求视不同用途如表 3 所示。

表 3 节煤型高温沸腾炉炉体混凝土指标

用 途

项 目

配 料

强度指标

基础地梁

耐热混凝土配比

硅酸盐水泥 17% 、耐火粘土粉 10% 、耐火粘土沙 35% 、耐火粘土砖块 38% 水灰比 0.4

150#

底板及梁柱

200#

炉床表层

耐火混凝土配比

水泥:耐火泥:矿渣:耐火原料 = 1 ∶ 0.5 ∶ 1 ∶ 2

 

垫 层

碎砖块混凝土

水泥、耐火砖碎块、砂等

100#

2.3 生产操作与管理的改进
  对新建或停炉检修后的炉体烘干,是一项细致的工作。若急火猛烧,炉体干燥太快易使燃烧产生的大量水蒸气膨胀形成应力骤变,造成炉墙开裂或变形。应在较低温度下烘烤,使水分缓慢蒸发,炉墙内部的收缩均匀,直到完全干燥为止。烘炉时间的长短按施工季节而定,一般为 3 ~ 4d ,北方的冬季及南方的雨季可延长至 5 ~ 6d 。烘炉时,先用胶布将风帽孔贴上,防止杂物堵塞,火焰应集中在炉床的中心部位,约占炉床面积的 1/2 。控制炉内温度在 150 ~ 250 ℃连续烘烤约 72h 后,再添加少量煤,使炉温近于 300 ℃。直到透汽管不冒汽,炉墙外层砖缝的砂浆干燥,表面温度均匀一致、颜色变浅时为止。
  节煤型高温沸腾炉生产中的温度采用探测仪表和计算机连锁控制。温度通过高温热电隅探测,将信号经放大、计算机处理,再反馈到调速喂煤机和高压鼓风机的电动调节阀,从而实现喂料、用风的适时调节。这从控制的精度上避免了人为因素导致温度过高或过低对生产和设备的影响,为延长沸腾炉使用寿命创造了良好的外部环境。正常生产中节煤型高温沸腾炉的主要工作参数见表4 。

3 使用效果
  
改进设计后的节煤型高温沸腾炉,保持了燃烧热效率高的特点,在煤的燃尽率、煤质的要求以及燃烧温度等方面则得到了更大地发挥。因而,增产节能效果更为显著。在目前数百家水泥厂的应用中都达到烘干水分< 1~1.5% 、节煤 50~80% 、增产 80~130% 、提高使用寿命 150% 的生产效果。表 5 列出部分水泥厂改造前后的生产对比。
          表5   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
φ 2.4 × 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
φ 3 × 20m

矿渣

18~20

1.5~2

46

20

25

48

85

95

54

65

黑龙江尚志水泥厂φ 2.4 × 18m

矿渣

16~18

1.5~2

40

20

14

34

70

95

42

61

山东兖矿水泥厂
φ 2.2 × 14m

粘土

18~20

2~3

38

18

8

16.5

68

94

43

62

浙江杭州高强公司
φ 1.5 × 12m

矿渣

15~18

1.5~2

45

15

3.8

15.4

84

96

50

69

  节煤型高温沸腾炉作为水泥厂原料烘干的一种新型燃烧炉,其结构设计与改进为提高生产效率和设备使用寿命提供了良好保证。但这只是要素之一,关键还取决于操作与管理。本文对此仅涉及其耐火砖的选择、砌筑和烘炉方法等,对相关工艺参数的控制以及其他值得注意的问题,笔者将另作阐述。按目前生产应用的经验,若在此方面加强操作管理,合理工艺参数,做到精心操作,尽可能地减少人为的影响,这种节煤型高温沸腾炉的使用寿命则可进一步提高。值得水泥厂应用。

所属类别: 学术讲座

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