節(jié)煤型高溫沸騰爐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

1、節(jié)煤型高溫沸騰爐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及應(yīng)用水泥研究設(shè)計(jì)院剛1高溫沸騰爐工作原理沸騰爐是水泥廠烘干原料的主要熱 源，其燃燒方式介于層狀燃燒和懸浮燃 燒之間。工作原理為：高壓空氣通過均 風(fēng)箱由一次風(fēng)的動(dòng)壓頭變成均勻分布的 靜壓頭，從風(fēng)帽上的微孔高速高壓吹入 爐，使其沸騰床形成氣墊層將粒徑010mm、料層厚度300500mm的煤粒全 部吹起并上、下翻動(dòng)。料層由于高壓氣 體增加了煤粒間的空隙膨脹而產(chǎn)生激烈 運(yùn)動(dòng)，并在不停地翻騰、跳動(dòng)中與空氣 混合，使原有300500mm的料層飛騰 高度達(dá)到8001400mm。此時(shí)，沸騰料 層的燃料與含碳量為 12%的灼熱灰渣 充分混合燃燒，溫度一般可達(dá)950 C高溫，相當(dāng)于一個(gè)

2、大蓄熱池。料層中0.5 8mm的顆粒不易被氣體帶出燃燒室，能較長時(shí)間停留在沸騰料層中直到燃燼， 然后由爐底冷渣管排出。沸騰爐由于燃 料具有較大的著火比表面積和在爐膛的 停留時(shí)間較長，所以兼有煤粉爐和層燃 爐的燃燒特點(diǎn)。沸騰爐膛中蓄熱量大， 顆粒之間以及顆粒和空氣之間產(chǎn)生的相 對運(yùn)動(dòng)十分激烈，加之其氣體擴(kuò)散速度 快，可維持在1.051.1左右的很低的過 量空氣系數(shù)下強(qiáng)烈燃燒，而且不必預(yù)熱， 這就形成了強(qiáng)氧燃燒的條件，因此能使 低熱值劣質(zhì)燃料完全燃燒，燃燒反應(yīng)迅 速。沸騰層的傳熱系數(shù)較高，一般可達(dá) 220350w/m3 C,沸騰段的容積熱強(qiáng)度高 達(dá)1.745 X 106w/ m3,近于燃粉爐的10

3、 倍，鏈條爐的45倍。因而被普遍認(rèn)為 是一種熱效率較高的燃燒方式。節(jié)煤型高溫沸騰爐既具有普通沸騰 爐的熱效率較高這一特點(diǎn)，也從爐體結(jié) 構(gòu)、耐火材料、系統(tǒng)工藝設(shè)備配套及其 自動(dòng)控制等方面進(jìn)行了改進(jìn)，使沸騰爐 的應(yīng)用效果更為顯著，不僅適用于QDw 6000kcay/kg的優(yōu)質(zhì)煙煤、無煙煤，也可 全部燃燒QDw v 3000kca y / kg的低熱值燃 料如煤矸石、爐渣等。因而在數(shù)百家水泥 廠烘干系統(tǒng)的應(yīng)用中深受好評。沸騰烘干系統(tǒng)工藝流程如圖 1。圖1沸騰烘干系統(tǒng)工藝流程2節(jié)煤型高溫沸騰爐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與效果2.1節(jié)煤型高溫沸騰爐結(jié)構(gòu)節(jié)煤型高溫沸騰爐結(jié)構(gòu)由爐床、爐 膛、混合室等三部分組成，如圖2所示圖2

4、節(jié)煤型高溫沸騰爐結(jié)構(gòu)1進(jìn)料口 2溢流口 3均風(fēng)箱 4布風(fēng)箱5風(fēng)帽 6.爐門圖中，爐床部分包括均風(fēng)箱、布風(fēng) 板、風(fēng)帽、出渣孔等；爐膛部分包括垂 直段、擴(kuò)散段、懸浮段及爐門；混合室 與烘干機(jī)相連，設(shè)有排灰門、人孔門、 熱電偶等。節(jié)煤型高溫沸騰爐的設(shè)計(jì)，從結(jié)構(gòu) 上充分滿足了流體力學(xué)和熱力學(xué)原理。 根據(jù)我國水泥企業(yè)的特點(diǎn)，節(jié)煤型高溫 沸騰爐的燃料采用從爐門上方呈正負(fù)壓 分界處喂入的新結(jié)構(gòu)，可促使燃料和熱 渣均勻混合及充分燃燒。也有利于熱煙 氣在擴(kuò)散段釋放并由風(fēng)機(jī)抽入混合室。 為減少熱氣在運(yùn)動(dòng)過程中的阻力，其過 渡段采用收口式平滑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，便于熱 風(fēng)順利、迅速地進(jìn)入烘干機(jī)參與熱交換。 其擋火墻采用堆積型

5、結(jié)構(gòu)，有利于熱渣 和飛灰回到垂直段或混合室積灰斗，同 時(shí)可為老廠烘干系統(tǒng)因場地小而方便使 用異型沸騰爐提供條件，其長度和高度 也可隨廠房的局限因地制宜地加以調(diào) 整。沸騰爐的爐門設(shè)為兩個(gè)，分別作看 火、調(diào)火和檢修使用，用于檢修的爐門 可方便耐火磚活砌或出現(xiàn)結(jié)渣時(shí)打開清 理，避免操作人員在高溫下進(jìn)入爐清理 結(jié)渣，即方便又安全。小爐床的設(shè)計(jì)保 證了節(jié)煤這一基本要素，其爐床面積比 一般沸騰爐減小1/3，單位時(shí)間加煤量減 小30%，因此節(jié)煤效果明顯、操作方便。節(jié)煤型高溫沸騰爐具有以下特點(diǎn)：(1) 燃料在沸騰爐中呈沸騰狀態(tài)，燃燒層正 常燃燒的溫度為 8501100C。而風(fēng)動(dòng) 氣墊層溫度較低，一般在 200

6、300 C, 但因料層很厚，沸騰床能長時(shí)間悶火， 蓄熱能量大；(2)由于鼓入高壓空氣， 使?fàn)t空氣過量系數(shù)高，形成強(qiáng)氧燃燒， 燃燒和燃盡條件好；(3)沸騰層受熱面 積大，傳熱強(qiáng)烈，易于燃燒。因此爐膛 單位容積熱強(qiáng)度高；(4)用煤量少。垂 直段僅以5%的煤燃燒，其余95%均為熱 渣，節(jié)煤效果好；(5)爐床面積小，使 燃料的沸騰高度及風(fēng)壓、風(fēng)速增加，司 爐工操作更容易，對異常情況特別是結(jié) 渣的早期處理更及時(shí)；(6)設(shè)計(jì)采用較 厚的保溫層，可減少爐體熱散失，爐溫 變化較小，有利于延長爐體的使用壽命；(7)操作系統(tǒng)采用熱工儀表和微機(jī)連鎖 監(jiān)控，溫度、煤耗、煙氣粉塵濃度、NO和SO2含量等主要參數(shù)均通過監(jiān)

7、控、記 錄、顯示，為操作者提供管理依據(jù)。燃盡的 灰渣可收集利用作為高活性水泥混合材。通過上述改進(jìn)設(shè)計(jì)的節(jié)煤型沸騰 爐，有效提高了普通沸騰爐的熱效率， 對燃料熱值的要求更寬，選材圍更大， 較之其他燃燒方式更具明顯的優(yōu)勢。幾 種燃燒方式的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對比見表1。表1不同燃燒方式的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較爐型煤低 位 熱值/ cay/ kg燃燒溫度/C灰渣 含碳量 / %煤耗/ kg/t投資/萬元層燃式 手燒爐500060018408噴燃式煤粉爐6000900123012普通沸騰爐450070082816節(jié)煤型 沸騰爐30001100418161.2設(shè)備主要參數(shù)的確定爐床布風(fēng)板有效面積 F布(m2 )的 計(jì)

8、算：B 計(jì) Lo a沸3600V垂L W1.33V式中：B計(jì) 計(jì)算小時(shí)耗煤量，LO-理論燃燒空氣消耗量，煤 /kg;a沸-沸騰區(qū)過量空氣系數(shù)，取1.15;V垂-垂直段底部冷態(tài)空氣流速取 0.8m/s。風(fēng)帽的總通風(fēng)面積工f帽為單個(gè)風(fēng) 帽通風(fēng)面積f帽的總和。單個(gè)風(fēng)帽通風(fēng)面 積f帽的計(jì)算如式2:B 計(jì) Lo a沸/、kg/h ；m3標(biāo)(5)3600V 帽式中：V帽-通過風(fēng)帽小孔的風(fēng)速， m/s;f帽-每個(gè)風(fēng)帽小孔的通風(fēng)面 積，m2。爐膛擴(kuò)散段截面積 F擴(kuò)(m2)的計(jì)算：B計(jì)Vg a擴(kuò)(3)式中:1.33；1.33V H W-T粒的沉降速度V -煙氣流速m/s,取混合室的橫截面積F (m)F =Q煙=

9、3600V(6)m/s,取1.5。的計(jì)算:(7)式中：Q煙-煙氣流量(m3/h)能達(dá)到沸騰燃燒狀態(tài)所需的鼓風(fēng)量Q (m3/h)和風(fēng)壓P (PammH20)的計(jì)算:Q = n f帽V帽 K (8)(9)式中:P = 98 K(P 風(fēng) + P 渣 M 莎n -爐床上實(shí)際風(fēng)帽個(gè)數(shù)P風(fēng)-鼓風(fēng)系統(tǒng)阻力：風(fēng)管阻力式中:/kg ；360OV擴(kuò)Vg 燃燒生成的煙氣量，m3標(biāo)煤a擴(kuò)-擴(kuò)散段過?？諝庀禂?shù)，取1.3;V擴(kuò)-擴(kuò)散段冷態(tài)風(fēng)速 0.45m/s。懸浮段截面積F懸(m2)B計(jì)Vg a懸F /懸、一m/s，取的計(jì)算:(4)360OV懸式中：a懸-懸浮段過?？諝庀禂?shù)， 取 1.5;V懸-懸浮段冷態(tài)風(fēng)速，取 0.4

10、5m/s?；旌鲜腋叨菻 (m)和長度L (m) 確定：取 196 Pa(20mmH2O),風(fēng)帽阻力取 1766 Pa(180 mmH2O)；P渣-沸騰爐床的渣層阻力：渣 厚 500mm 時(shí)取 3924 Pa(400mmH2O)；P地-當(dāng)?shù)卮髿鈮?，mpa；K -儲備系數(shù)，取1.3;在選擇風(fēng)機(jī)時(shí)，可根據(jù)計(jì)算求得的 風(fēng)量和風(fēng)壓，適當(dāng)增加 20%確定其規(guī)格 型號。2.3最佳沸騰速度的選擇要使燃料在爐保持穩(wěn)定的沸騰狀 態(tài)，只有選擇在臨界風(fēng)速和帶出風(fēng)速之 間的沸騰操作速度，而沸騰臨界風(fēng)速和 帶出風(fēng)速取決于燃料的特性和顆粒分 布。通常，燃煤的粒度分布較寬，多為 010mm，平均粒徑 3mm左右。為使大 顆粒

11、能被吹起和考慮低負(fù)荷時(shí)的正常沸騰，應(yīng)選用較大的沸騰速度。然而，要 盡量減少細(xì)顆粒不被吹走，沸騰速度又 不益取得過大?，F(xiàn)有的燃用 10mm 以下 煤屑的沸騰爐，臨界速度在 1m/s 左右， 帶出速度大約是臨界速度的 67 倍，而 正常沸騰風(fēng)速為臨界風(fēng)速的 23 倍。氣 流速度有冷態(tài)值和熱態(tài)值之分，實(shí)踐證 明，在同樣的料層厚度和良好的沸騰狀 態(tài)下，冷態(tài)值要求比熱態(tài)值高，兩者的 最小風(fēng)量大約相差 6080%。因此， 根據(jù) 沸騰爐實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定沸騰狀態(tài)的諸多因素， 應(yīng)視爐床面積選擇臨界風(fēng)速 0.71.1m/s 為宜，爐床面積較大，取值相對偏高。3 操作與應(yīng)用 節(jié)煤型高溫沸騰爐作為水泥企業(yè)烘 干系統(tǒng)的熱源，其

12、操作技術(shù)要求較高， 特別是在新爐調(diào)試及試運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，若 操作不熟悉或沒有掌握正確的操作方 法，例如用風(fēng)、加煤不當(dāng)，很容易出現(xiàn) 低溫結(jié)小渣，高溫結(jié)大塊和熄火、點(diǎn)火 時(shí)間過長等現(xiàn)象。因此，既要求加強(qiáng)司 爐工的操作技術(shù)尤其是在調(diào)試和試運(yùn)轉(zhuǎn) 過程的培訓(xùn)，掌握操作方法，也需根據(jù) 工藝及設(shè)備等生產(chǎn)實(shí)際情況因地制宜的 確定操作參數(shù)，制定操作規(guī)程。著重應(yīng) 注意以下幾個(gè)操作環(huán)節(jié)。3.1 快速點(diǎn)火過程 節(jié)煤型沸騰爐由于爐床面積小，保 溫性能好，因此點(diǎn)火較一般沸騰爐容易。 首先將沸騰爐填放部分中粗粒黃砂或沸 騰爐渣，加入少量碎煤拌和均勻，填于 爐床，填料厚度約 300400mm，用高 壓風(fēng)機(jī)吹起幾次，用大小基本均勻

13、的木 材引火，并在其燃至木炭狀時(shí)加入少量 碎煤，同時(shí)迅速以大風(fēng)量供風(fēng)，繼而改 用小風(fēng)適度吹養(yǎng)。 如此反復(fù) 2 3 次，直 到沸騰爐渣逐步呈紅色后再加少量碎 煤，用中等風(fēng)量吹至其完全沸騰燃燒， 打開引風(fēng)機(jī)即進(jìn)入正常燃燒狀態(tài)。3.2 穩(wěn)定燃燒過程正常燃燒過程中，可依據(jù)爐火焰的 顏色來決定是否調(diào)整加風(fēng)或加煤量。爐 的爐渣高度應(yīng)保持在 550650m m,風(fēng) 壓應(yīng)穩(wěn)定在700800mmH20，爐火呈粉 紅色，熱風(fēng)溫度為750900 C。若爐熱 渣呈暗紅色，說明溫度偏低，需加入燃 料，熱渣呈白色時(shí)，則溫度過高，需加 大風(fēng)量并加入冷渣降溫。3.3 結(jié)渣的處理結(jié)渣類型分為低 溫結(jié)渣和高溫結(jié) 渣，其處理方法各

14、不相同。低溫結(jié)渣， 在點(diǎn)火或悶火時(shí)易出現(xiàn)低溫結(jié)小塊現(xiàn) 象，此時(shí)應(yīng)首先急吹幾次，將其沖散， 然后人工清除較大塊結(jié)渣，加少量煤養(yǎng) 火后，繼續(xù)燃燒；高溫結(jié)渣時(shí)，如出現(xiàn) 爐床面不沸騰或多處小孔噴火，表明已 形成高溫結(jié)大塊，此時(shí)先停止加煤，然 后加大風(fēng)量吹冷結(jié)渣，打開下層爐門， 將大塊爐渣清除，填渣后利用爐溫重新 起火。3.4 悶火與起火悶火前首先關(guān)閉喂煤機(jī)，高壓風(fēng)機(jī) 送風(fēng)吹動(dòng)爐熱渣翻騰，同時(shí)觀察爐膛渣 粒表層或煤粒的顏色。若呈白色狀應(yīng)繼 續(xù)吹風(fēng)至冷，使其變?yōu)榘导t色時(shí)停止高 壓風(fēng)機(jī)、關(guān)閉調(diào)風(fēng)閥，保持爐渣高度約 500600mm,最后關(guān)閉引風(fēng)機(jī)。起火前先加少量煤， 再開高壓風(fēng)機(jī)， 用大風(fēng)將爐渣完全沸騰后，

15、立即換小風(fēng) 噴吹，若沸騰渣呈暗黑色，即加大喂煤 量，同時(shí)用大、小風(fēng)量交替噴吹。也可 用交替開閉高壓風(fēng)機(jī)風(fēng)閥的方法來控制 起火狀態(tài)，開則吹風(fēng)，閉則養(yǎng)火，這樣 反復(fù)幾次，至到爐膛的爐渣呈紅色，即 轉(zhuǎn)入正常燃燒階段。正常運(yùn)行中，節(jié)煤型高溫沸騰式烘干系統(tǒng)的風(fēng)溫、風(fēng)壓、風(fēng)量等操作參數(shù)隨烘干機(jī)的規(guī)格不同大致如表 2規(guī)格m節(jié)煤型沸騰爐鼓岡. 機(jī)排 風(fēng)機(jī)熱風(fēng)溫度/C煤耗/kg/t風(fēng)量/m3/h風(fēng)壓/mmH2O風(fēng)量/m3/h風(fēng)壓/mmH2O 1.5X 1280090015 16226052307436691500024000260210 2.2 X 1480090016 18322073008407462300

16、028000310280 2.4 X 1880090018 204610 1045010949753000040000355305表2不同規(guī)格的烘干系統(tǒng)操作參數(shù)許多企業(yè)在采用節(jié)煤型沸騰烘干技 術(shù)進(jìn)行的技改中，均取得燃料利用率100%、單產(chǎn)煤耗下降 50%、增產(chǎn)100% 以上的良好效果，投資回收期一般僅為 58個(gè)月，技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)十分顯著。例 如：上海吳淞水泥廠 3X 20m礦渣烘干 系統(tǒng)的改造，較之改造前增產(chǎn)128%，年 增產(chǎn)創(chuàng)利25.6萬元；節(jié)煤78%,年節(jié)煤創(chuàng)利40.5萬元，僅此兩項(xiàng)的年創(chuàng) 利即達(dá)65多萬元。省東關(guān)水泥廠、兗州 礦務(wù)局水泥廠通過技改，使原2臺烘干機(jī)僅1臺即可滿足生產(chǎn)要求，停用

17、的1臺則用于新線建設(shè)，除增產(chǎn)節(jié)能效益外， 僅此一項(xiàng)節(jié)省的建設(shè)投資均在50萬元以上。表3列出部分水泥廠改造前后的 生產(chǎn)對比。表3部分水泥廠改造前后的生產(chǎn)比較生產(chǎn)廠及設(shè)備 規(guī)格原料水分/%煤耗/kg/t產(chǎn)量/t/h煤燃盡率/%系統(tǒng)熱效率/%入機(jī)出機(jī)改前改后改前改后改前改后改前改后東關(guān)水泥廠 2.4X 14m礦渣15181.01.53017.618.639709542.568龍?zhí)端鄰S 3X 20m礦渣18201.524620254885955465尚志水泥廠 2.4X 18m礦渣16181.524020143470954261兗礦水泥廠 2.2X 14m粘土1820233818816.568944362省高強(qiáng) 1.5X 12m礦渣15181.5245153.815.4849650694.結(jié)論由于沸騰爐能夠強(qiáng)化燃燒