沸腾炉的燃烧特性分析及其工艺结构改进

水泥 2005-06-28

　　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篦上的最低限度时，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。此时穿过炉篦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篦上；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热量，从而形成高效的沸腾燃烧。
　　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）比炉篦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，反应表面积比炉篦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。
　　沸腾床的流阻比炉篦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篦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。

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摘自《中国水泥》2005年 01月号

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