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高温沸腾炉结渣的原因及消除方法

浏览次数: 日期:2005年6月21日 21:52

高温沸腾炉结渣的原因及消除方法

 

 杨 刚

 

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沸腾炉是水泥厂回转式烘干机的主要热源,其结渣现象相当普遍,原因也十分复杂,既有炉体结构如炉床面积、风帽出风角度等因素,也有操作管理如炉内温度、空气动力条件、风速、风压等因素。因此,要消除沸腾炉结渣,需根据燃料特性从炉体结构和操作管理两个方面来适应沸腾燃烧的物理化学反应。本文通过高温沸腾炉结渣的原因分析,结合节煤型高温沸腾炉研究成果的长期应用实践,提出以下消除结渣的方法,对水泥和其他生产行业的原料烘干都具有广泛地应用价值。

2 沸腾炉燃烧结渣的原因分析

2.1 燃料特性和化学组成

通常认为沸腾炉结渣同煤灰的熔融特性和粘温特性密不可分。灰熔点较高的煤不易产生结渣;低灰熔点的煤在燃烧过程中,灰分往往呈软化或熔融状态,粘附性较强,故容易形成结渣。决定灰分是否达到软化或熔融状态,取决于燃料的热值和炉内温度水平。在炉内温度 t 3 < 1350 ℃的相同条件下,燃煤热值 Q < 3000Kcal/kg(12.6MJ/kg) 时,一般不会结渣;只有在热值 Q > 3000Kcal/kg(12.6MJ/kg) 时,结渣的可能性才逐渐增大。两者的关系如图 1 所示。实际生产中,沸腾炉的燃烧温度通常都在 900~1100 ℃范围内, t 3 值一般不会超过 1350 ℃。因此,从燃料特性的影响分析,其热值是引起沸腾炉结渣主要因素。

灰分的熔点与其化学组成有关,一般而言,酸性氧化物能够提高灰的熔点和粘度,而减性氧化物在一定条件下有助于降低熔点并使熔体变得稀薄。因此,低熔点的灰分往往 CaO 、 MgO 、 K 2 O 、 Na 2 O 等氧化物含量较高,而 SiO 2 、 Al 2 O 3 等含量越多,灰分的熔点就越高。尤其 Fe 2 O 3 是组成低熔点共熔体的重要组分,其含量越高,结渣现象更为突出。

 从煤灰的粘温特性上看,它不但影响到炉 内的工况,也决定它在燃烧中是否对燃料或矿物熔融特性的改变。结渣主要是由于灰渣的粘附而形成,当粘度很高时,熔渣接近于凝固,燃烧过程就不易结渣。通常情况下,燃煤的灰渣粘性区域都在 50 ~ 1000pa.s 之间,在此粘度范围内若相应的温度区间较大,灰粒呈粘性状态的时间较长,与其受热表面的粘附作用愈强,这样的煤将可能出现严重的结渣现象。

2.2 炉内温度

炉内燃烧区域的温度越高,灰渣越容易达到软化或溶融状态,形成结渣的可能性就越大。若炉膛容积热负荷过大或过分集中,易使其产生的热风在燃烧室中形成涡流并加剧局部温度上升,将加速煤中挥发物质的汽化反应,给结渣创造了更有利的条件。燃烧室结构设计不合理,例如挡火墙过高,造成炉膛出口的温度增高,容易使较细的飞灰在屏式受热面或高温对流受热面上呈熔融或半溶融状态,粘附在炉顶或侧墙和挡火墙上形成坚硬的薄渣层,这也是结渣的一种表现形式。概括而言,炉内温度过高是产生结渣的主导因素,它不但使炉内的冷却和空气动力条件进一步恶化,也能促使结渣迅速发展成整炉大板块状态,从而导致更严重的结渣现象。

2.3 炉内空气动力条件

燃烧区域内的结渣,通常首先发生在炉床面和炉内的涡流区或气流的“死区”以及热渣空气动力条件较差的如炉床角、边及挡火墙近端等范围。这就给合理选择鼓风机的风压、风量以及风帽微孔的气流速度和方向等操作参数提出了较高的要求,如果鼓风机风压、风速偏低,炉膛内的鼓风与引风失当,易使炉内局部温度上升,灰粒翻腾冷却条件变差而产生熔粘现象。空气动力条件所产生的这种影响还决定其在燃烧过程中炉壁附近是否生成还原气氛,因为灰熔点在还原气氛下要比氧化气氛下低得多。因此,合理选择空气动力条件,可避免沸腾炉燃烧过程的还原气氛生成,这也是消除结渣的重要因素。同时炉膛内鼓风与引风的合理分配对其燃烧状况也有一定的影响。

3 结渣的形成过程与消除方法

沸腾炉在较高的燃烧温度下,煤中的一部分灰渣很快达到熔融状态,这部分灰渣在沸腾下落至炉膛受热面之前,尚未得到足够的冷却成为凝固状态,仍然具有较高的粘结能力,就容易粘附在受热面或炉墙上而形成结渣。由于渣层的热阻较高,局部区域的温度急剧上升,至使热渣达到熔化状态,并粘附熔融或半熔融的灰粒和未燃尽的焦碳,使结渣现象由结小渣向结大块发展。

结渣过程使炉膛温度也随之发生变化,通常在正常燃烧时,炉内温度约 900 ~ 1100 ℃,随着结渣开始形成并逐渐变大,首先出现炉床面局部喷火、鼓风机电压升高、风箱内压力增加,随后出现沸腾床热渣的沸腾不均匀、高度下降,此时热渣颜色由桔红色变白发亮,进而转向暗红色,这表明炉膛结渣已开始形成。沸腾炉燃烧形成结渣的时间短、过程迅速,通常只需 3 ~ 8min 即可达到较严重程度。因此,单纯依赖于操作控制来防止结渣并非易事,只有从改善炉体结构和强化操作管理两个方面来适应沸腾燃烧的理化反应,消除产生结渣的基本条件,才具有根本效果。

3.1 燃料选择、搭配与炉体结构的优化设计

燃料的特性及其理化组成对结渣的影响,表明需选择适合于沸腾燃烧的煤质。当燃料灰熔融性较高时,应综合考虑沸腾炉燃烧的温度稳定性、热效率等因素,可适当掺入一定量的低热值燃料如煤矸石或炉渣,或采用不同煤种混烧的方法,即:高、低粘度的煤或灰渣混掺,酸性和碱性煤或灰渣混掺。实践证明,节煤型高温沸腾炉采用这种方法可显著改善灰渣熔融性和粘温性。但在掺烧时,为了不致因煤质波动而影响到燃烧的稳定性和经济性,其掺入低位发热值 Q < 10.8 ~ 12.4MJ/kg 的比例通常以 20 ~ 30% 为宜,且需混合均匀。

为保证燃料基本完全燃烧,并使炉床、炉膛、炉顶等对流受热面安全工作,在不结渣前提下的允许温度范围内,节煤型高温沸腾炉的炉膛保证了足够的空间,使沸腾炉内燃烧的热渣与烟气充满炉膛高度,壁面热负荷均匀,细渣不贴壁,热气流不冲墙而避免形成涡流。高压风机吹入炉内的气流要求均匀而具有很强的扰动和混合作用,使燃烧中已经熔化的灰渣在遇到冷风吹入后迅速释放热烟气,并重新参与燃烧过程。为了防止高温烟气中细粉燃料粘附在炉膛上部形成结渣,在设计节煤型高温沸腾炉炉墙时,采用了较大的折焰角及缩口式结构,将挡火墙前后两面同时收缩,以提高炉膛上部空间的烟速,改善燃烧过程,使细灰渣迅速滑落到炉膛或灰斗内。同时,也能使宽度方向的烟气温度趋向均匀并带走大部分细灰渣。

3.2 改善空气动力条件


改善空气动力条件的作用是防止炉膛中、下部的结渣。节煤型高温沸腾炉在确定炉床最低风速及风压时留有一定的余量。对炉膛的设计,着重考虑风帽的出口气流角度。目前生产中,风帽的出口气流角度的布置通常如图 2 所示。

图 2 中, b 为水平布置,这种形式会使风压相互碰撞而有所消弱,无上吹的动力,故很少使用; a 为侧向喷吹布置,能够使高压、高速冷风经折射后,压力、风速不减并形成均匀稳定的气垫床。因而,这种布置方式在节煤型高温沸腾炉应用中更有利于抑制结渣现象的发生。

空气动力条件直接影响灰粒的运动状态,如果已熔化和带粘性的颗粒不能被冷风吹散并沸腾分离,便易形成结渣。反之,空气动力条件好,风压、风速高时,能使一定粘度范围内的灰粒经沸腾撞击到达受热面之前,先遇冷风而得以冷却成为无粘性的灰粒,或减小其上限粘度和下限粘度间的温差,则粘附于炉膛表面的可能性便大为降低。增加氧气供给量可避免炉壁附近产生还原性的气氛,从而消除了灰粒结渣的外部因素。炉膛结构设计应形成多角、多边结构,以尽量消除明显的“死角”区域,其结构如图 3 所示。

3.3 强化操作运行与处理

沸腾炉正常燃烧时,通过测控仪表可随时了解炉内温度的变化,操作人员可以观察热渣的颜色变化来判断燃烧状况,及时采取适当的处理措施。按长期操作的经验,以火焰颜色判断,暗红、紫红、金黄三种颜色在一般情况下可视为安全操作区域,在这个区域内不易结渣。而火焰呈粉红色或白色时则极易出现结渣。如图 4 所示。如果发现燃烧时炉床表面上颜色发亮并有局部“喷火” 现象,可初步判断已开始结渣。此时可采取先停止喂煤、鼓风,打开备用炉门,用长钩将大块炉渣拉出炉膛,并保持炉温,重新关闭炉门加煤,小风吹养炉火,待炉内热渣颜色由黑转红后,再转入正常操作状态。节煤型沸腾炉配置热电偶测温、微机自动闭环调整控制,可随时显示炉膛温度,并自动调整喂煤、鼓风量和下料量,炉膛温度在安全区域内相当稳定。另外,在节煤型高温沸腾炉炉前可预备一些冷渣,如果火焰颜色由金黄色转向粉红色时,可即刻向炉内投入部分冷渣并停煤、加风,使炉温下降,以避免出现严重的结渣现象。

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沸腾炉燃烧过程中的结渣是一种正常现象。对不同结渣的原因应作具体分析,确定相应的解决措施。节煤型高温沸腾炉及其高效烘干技术在近几年来的数百台套推广应用中,增产均达 100% ,节煤 50~60% 以上,无论从其增产节能效果、热效率和安全运转率,或是对生产环境,工人劳动强度的改善,都证明如上所及的燃料搭配使用、炉体结构和操作管理优化等消除结渣的方法合理,措施可行。值得水泥厂及其他相关行业广泛应用。

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