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沸腾炉的燃烧特性分析及其工艺结构改进

浏览次数: 日期:2005年6月21日 21:54

沸腾炉的燃烧特性分析及其工艺结构改进

 

合肥水泥研究设计院 杨刚 刘恩睿 葛骏浩

 

  近年来随着工业废渣的广泛利用,水泥配料中混合材品种越来越多,这些物料含湿量较高,在使用前必须进行烘干处理。水泥厂烘干系统通常选用的热源多为沸腾炉,而许多老式沸腾炉炉温低、能耗高、结渣频繁、操作管理比较困难等问题仍十分突出。本文通过分析其燃烧特性,针对各影响因素提出工艺结构的改进,取得了高效节能烘干的预期效果。

1 沸腾燃烧的特性及影响因素

1.1 沸腾床燃烧的形成
  沸腾床燃烧形式是介于层燃与悬浮燃烧之间的一种动态燃烧方式。当鼓入空气的流速超过固体燃料颗粒能够停留在炉蓖上的最低限度时,一些燃料粒子就会失去稳定性,并在气流中开始局部的起伏翻腾,形成沸腾燃烧状态。此时穿过炉蓖上固体燃料层的空气流速是决定沸腾燃烧效果的基本要素,流速过小,燃料颗粒的沸腾状态不能形成,或参与沸腾状态的颗粒量较少,持续时间不长,颗粒自重使其很快返回到炉蓖上;流速过大,沸腾床的燃烧环境被破坏,沸腾燃烧不能稳定甚至丧失。只有当空气流速与燃料的沸腾运动达到相对平衡时,燃料颗粒在空气压力的作用下,才能大部分或全部持续保持上升、下落运动状态,燃料在这种翻腾运动过程中与空气充分混合燃烧,即可最大限度地释放出热量,从而形成高效的沸腾燃烧。 但由于许多因素的影响,沸腾床会产生不均衡沸腾或者悬浮状态的现象。在选择空气流速和达到燃料颗粒最佳沸腾状态的平衡点时,若将鼓风的压力损失看作是沸腾的特征参数,那么,燃料层沸腾条件可表示为:

• P=hg(r c -r f )(1-m)

式中: Δ P —从固定床过渡到沸腾床的极限条件, Pa ;

  h —沸腾床的高度, m ;
  r c —固体燃料的比重, kg/m 3 ;
  r f —流体的比重, kg/m 3 ;
  m —沸腾床单位容积的空隙率, % ;
  g —换算系数,取 9.8N/kg 。

  除式中给定的几个因素外,实际还应考虑更多影响因素,如:不同形状沸腾床的结构、高度、流动阻力系数、流体流动的雷洛数、燃料空隙率以及颗粒直径等,才能更真实地表达沸腾状态,其中沸腾床的高度和流动阻力影响最大。
  沸腾床的高度(颗粒纵向之间距离的总和)比炉蓖上初始固体颗粒层的高度要大,当随着在高度方向的热空气膨胀度的增加,沸腾床的瞬时高度所对应的压力也发生变化,造成沸腾床单位容积的空隙率 m 增加,沸腾床单位容积的颗粒数量相对减少,反应表面积比炉蓖上初始固体颗粒床的对应比表面积小,所以其他因素的影响有所降低。沸腾床的流阻比炉蓖上初始固体颗粒床的流阻小,这个阻力随着鼓风速度的增加而成比例增加,当达到颗粒完全悬浮在沸腾床上部时,就达到了极限值,高于该极限值时,会出现明显的颗粒离析,严重影响燃烧效果。因此,压力不足会造成不均衡沸腾,而压力过大又易产生悬浮化状态。沸腾床的形成恰是处于炉蓖上的固定床和悬浮状态之间的过渡形式。

1.2 沸腾燃烧中的传热和传质
  沸腾燃烧的特点,是气体和固体燃料之间,沸腾床床内与周边之间的传热和传质速度极快,温度梯度相对较小。这种特性是由于在空气流中固体燃料颗粒快速地被搅拌和混合,导致固体颗粒与气体间相互的传热系数小,接触面积大而引起的。所以能够使得气体一进入沸腾床后就能够迅速与固体颗粒间达成热平衡,燃烧所产生的热量通过上升的气流膨胀扩大而释放出来。见图 1 。

1.3 沸腾燃烧的优缺点
  国内烘干系统采用的热风炉主要有煤粉炉、手烧炉、机械倾斜炉排的拉链炉和沸腾炉等形式,沸腾炉相对具有以下优点。
  ( 1 )能够适用于烟煤、无烟煤等固体燃料,特别是对于灰分大、水分高,挥发分小的低热值劣质煤和煤矸石(热值高于 3000 大卡 /kg ),甚至含碳量在 15% 左右的炉渣也能够稳定燃烧。
  ( 2 )燃烧和燃烬状况好。沸腾炉内的煤粒相对运动十分激烈,在气流作用下,煤粒处于不停得翻腾、起伏运动中;因而燃烧反应速度快,燃烧充分,燃烬率明显高于其他炉型。经沸腾炉燃烧后的的灰渣含碳量一般低于 5% ,具有良好的活性,非常适合用做水泥混合材料,这也与其能够充分燃烧有关。
  ( 3 )在沸腾燃烧过程中,可掺入脱硫剂(石灰石、白云石等),将炉温控制在 800 ~ 850 ℃ 左右,通过高硫燃料在炉内进行高效除硫,从而能够大幅度降低烟气中的 SO 2 含量,大大减少有害气体 NO X 的产生。在 SO 2 强控地区,还可采用燃烧焦碳粉等二次燃料的方法来达到国家对 SO 2 强制排放标准的要求。通常一般炉型 SO 2 的日排量为 100mg/Nm 3 、 NO X 为 400 ~ 800mg/Nm 3 ,而沸腾炉烟气中的 SO 2 日排量为 18mg/Nm 3 、 NO X 为 284mg/Nm 3 。
  ( 4 )有利于操作控制。沸腾炉燃烧系统便于实现机械、自动控制,检测仪表可采用计算机闭环控制,燃烧温度、加煤量及风量风压均可人为设定。同时,炉渣能够被均匀地控制在所需范围内,从而减轻了工人劳动强度,有利于控制操作和节能降耗。
  沸腾炉的不足之处是对操作要求相对严格,风量风压与燃料种类、特性的针对性较强。同时,较其他炉型的辅助设备较多,投资略大。

2 影响沸腾炉燃烧的因素

  长期以来,有关煤的燃烧过程被普遍认为:燃料是先被加热和干燥,然后分解析出挥发分,如果炉内有足够的温度和氧气,则挥发分先着火燃烧,形成火焰,阻断了氧气到达焦碳的表面,这就阻碍了焦碳的燃烧,只起加热焦碳的作用。当挥发分接近燃烬时,氧气到达焦碳表面,焦碳开始立即燃烧起来。但沸腾炉内燃料的燃烧过程与上述有所不同。由于沸腾炉供氧量和加热速度较快,挥发分的裂解反应速度也迅速急剧加快,形成燃料升温,导致燃料与挥发分能够被同时充分燃烧,达到较高的温度并且热量集中。影响其燃烧的因素大致有以下几方面。
  2. 1 燃料挥发分、水分及含碳量的影响在沸腾炉的燃烧过程中,挥发分和水分主要是影响燃烧速度。特别是在点火时,首先需加热燃料蒸发去除水分,一般当燃料水分从 15% ~ 18% 增加到 22% ~ 26% 时 , 炉膛截面单位时间通过的重量负荷就会从 1250 ~ 1315kgf · m -2 · h -1 降低到 750 ~ 890kgf · m -2 · h -1 ,同时会使炉膛中心区的燃烧强度减小,使其温度平均水平从 985 ~ 1020 ℃ 降低到 628 ~ 705 ℃,导致燃烧过程的稳定性降低 。特别是全部燃用低热值劣质煤或煤矸石时,其燃烧效率主要取决于含碳量的燃烬程度。灰分含量的增加使能够在炉膛中燃烧的燃料量减少,并且促使灰渣中机械不完全燃烧热损失增加约 6% ~ 18% 左右。
  2. 2 燃料粒度的影响

  在燃料刚进入炉膛时 , 细颗粒燃料的温度升高比粗颗粒快得多,因此,着火先从细颗粒煤开始。对于煤粒而言,煤颗粒越细,比表面积越大,燃烧越剧烈,单位时间释放热量越多,燃烧越充分。但对于不同种类的燃料,相同粒度下的燃烬率有所差异,见图 2 。通常情况下,随着煤的粒度不均匀性增大,处在 800 ~ 1000 ℃之间的沸腾床底部的温度会降低,化学不完全燃烧导致的热损失增加约 5% ~ 10% 左右,点火时间及难度明显增加。
  2.3 鼓入的风量

  为了保证合理燃烧,必须供给足够的空气量,考虑到炉内混合效果不可能完全理想化的,所以要求供给的空气量必须有一定的过剩。否则燃烬区的氧浓度将会很低,使燃烬过程拖得很长,增加了燃料不完全燃烧的热损失。过量空气系数对不完全燃烧引起的热损失由图 3可见,过量空气系数存在着一个合理的区域值,说明过量空气对燃烧的影响,既可提高烟气特别是燃烬区的氧浓度,从而使整个燃烧时间缩短;但在过量空气过低或过高时,也会使燃烧温度降低,燃烧时间减慢,导致燃料的不完全燃烧热损失加大。加煤量和鼓入的风量合理配合是充分燃烧的基本条件。一是具备适宜的风、煤比,通常选用1.15~1.25﹕1;二是确保燃料和风的混合均匀,炉内局部氧气浓度太低,则此处的燃烧过程将被推迟,产生燃烧不完全甚至局部结渣的现象。
  2.4 气流相对速度及湍流供氧关系

  增加沸腾炉内部高温介质与颗粒之间的相对速度,会使固体燃料燃烧时间明显缩短,在燃料沸腾并形成悬浮状态时,导热系数随着鼓风速度的增加而增大,当其增大到一定程度后,颗粒与空气之间的混合达到相对均匀程度,有助于沸腾床的温度均匀,并使其创造一定的条件,使在有氧区内产生的 CO 不再停留在颗粒间的槽道中,而是迅速通过炉内火焰回流区与空气流中的氧混合燃烧。沸腾炉内的气流运动可分为湍流区和喷流区。湍流区有利于强化燃料和氧化剂的混合,对燃料和热介质起到充分的搅混流动作用,使炉内燃料随着气流运动呈如图 4 所示的循环状态,此时炉内气—固混合速度及均匀性加强,促使燃料迅速升温达到着火温度,降低燃烧过程中发生粘捻的可能性和减少结渣现象的产生。

3 炉体结构设计及操作管理

3.1 炉体结构的优化设计
  沸腾炉的优化设计,关键是从结构上充分满足上述流体力学和热力学原理,使之达到燃料和气流均匀混合及充分燃烧且最大限度地节省燃料消耗的目的。为此,合肥水泥研究设计院采用小炉床结构设计的节煤型高温沸腾炉,其炉床面积比一般沸腾炉减小 1/3 ,单位时间加煤量减少 30% ,为节省燃料创造了基本条件。炉床面积小,使燃烧的沸腾高度及风压、风速增加,使得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,细渣不粘壁,热气流不撞墙而避免形成涡流。此外,为了防止高温烟气中的细粉燃料粘附在炉膛上部而形成薄渣,在设计炉墙时,还采用了较大的折焰角和缩口式结构,将挡火墙前后两面进行同时收缩,以提高炉膛上部空间的热风流速,使细灰渣迅速滑落到炉膛或灰斗中。由于沸腾层内受热面积较集中,传热强烈且易于燃烧,因此炉膛内单位容积热强度高,为了减少热气在运动过程中的阻力,在过渡段同时采用过流面积大的平滑结构设计,便于热风能够顺畅、迅速地进入烘干机参与热交换。因此,增产节能效果十分显著。几种不同规格的烘干系统改造前后的生产对比见表 1 。

表 1 几种不同规格烘干机改造前后的技术指标对比

烘干机规格 ( m )

Φ 1.5×12

Φ 2.2×14

Φ 2.4×18

改造前后

产量 ( t / h )

5

16

7

15.8

22

40

煤耗 ( kg / t )

45

15.4

37

18.5

48

17.6

出机水分(%)

5

1.0

6

2.0

5

1.5

使用厂家

杭州高强微粉公司

山东兖州矿务局水泥厂

黑龙江小岭水泥厂

烘干物料

矿渣

粘土

矿渣

3.2 操作与控制
  为使沸腾炉燃烧过程便于操作管理,烘干系统采用热工仪表和微机联锁监控,其中温度、煤耗、烟气粉尘浓度、 NO X 和 SO 2 含量等主要参数均通过监控来记录、显示,为操作者提供管理依据。沸腾炉正常燃烧时,通过测温仪表可随时了解炉内温度的变化,根据炉温、炉压及火焰颜色的变化,随时调整加煤量、鼓风量和炉膛的温度,使其控制在 600 ~ 950 ℃ 左右,为烘干系统提供稳定可靠的热源。当遇到燃料灰熔融性较高时,应在综合考虑沸腾炉燃烧温度的热效率、经济性等因素后,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相混掺、酸性和碱性的煤或灰渣相混掺等等。但在掺烧时,应避免导致因煤质波动而影响到燃烧的稳定性。上述设计,通过十多年的应用,均取得了比一般沸腾炉更为显著的增产节能作用,目前已广泛推广应用。

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