沸腾炉的燃烧特性分析及其工艺结构改进

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1、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(安徽·合肥230051)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

2、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

3、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，燃料层沸腾条件可用下式表示：△P=hg(rc-rf)(1-m)式中：ΔP—从固定床过渡到沸腾床的极限条件，Pa；h—沸腾床的高度，m；rc—固体燃料的比重，kg/m3；rf—流体的比重，kg/m3；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

4、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的增加，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

5、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，是在气体和沸腾的固体燃料之间，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。如图1所示。图1沸腾炉内部气流运动示意1.3沸腾燃烧的

6、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。

7、（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SO2含量，大大减少有害气体NOX的产生。在SO2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SO2强制排放标准的要求。通常一般炉型SO2的日排量为100mg/Nm3、NOX为400～800mg/Nm3，而沸腾炉烟气中的SO2日排量为18mg/Nm3、NOX为284mg/Nm3。（4）有利于操作控制。沸腾炉的燃烧系统可实现机械化、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

8、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