节煤型高温沸腾炉的结构设计与应用

节煤型高温沸腾炉的结构设计及应用

合肥水泥研究设计院 杨 刚

1 高温沸腾炉工作原理

沸腾炉是水泥厂烘干原料的主要热源，其燃烧方式介于层状燃烧和悬浮燃烧之间。工作原理为：高压空气通过均风箱由一次风的动压头变成均匀分布的静压头，从风帽上的微孔高速高压吹入炉内，使其沸腾床形成气垫层将粒径0～10mm 、料层厚度300～500mm 的煤粒全部吹起并上、下翻动。料层由于高压气

混合，使原有300～500mm 高度达到800～1400mm 层的燃料与含碳量为1~2%充分混合燃烧，温度一般可达950温，相当于一个大蓄热池。料层中0.58mm 的颗粒不易被气体带出燃烧室，的停留时间较长，所以兼有煤粉炉和层燃炉的燃烧特点。沸腾炉膛中蓄热量大，快，可维持在1.05~1.1量空气系数下强烈燃烧，速。

220~350w/m 3℃，达 1.745×106w/ m 3倍，链条炉的4~5是一种热效率较高的燃烧方式。

节煤型高温沸腾炉既具有普通沸腾炉的热效率较高这一特点，也从炉体结构、耐火材料、系统工艺设备配套及其自动控制等方面进行了改进，使沸腾炉

的应用效果更为显著，不仅适用于Q g

Dw ＞6000kca γ/ kg 的优质烟煤、无烟煤，也可

全部燃烧Q g

Dw ＜3000kca γ/ kg 的低热值燃料如煤矸石、炉渣等。因而在数百家水泥厂烘干系统的应用中深受好评。 2 节煤型高温沸腾炉结构设计与效果 2.1节煤型高温沸腾炉结构

1.进料口

2.溢流口

3.均风箱

4.布风

箱 5.风帽 6. 炉门

图中，炉床部分包括均风箱、布风板、风帽、出渣孔等；炉膛部分包括垂直段、扩散段、悬浮段及炉门；混合室与烘干机相连，设有排灰门、人孔门、热电偶等。

节煤型高温沸腾炉的设计，从结构上充分满足了流体力学和热力学原理。根据我国水泥企业的特点，节煤型高温沸腾炉的燃料采用从炉门上方呈正负压分界处喂入的新结构，可促使燃料和热渣均匀混合及充分燃烧。也有利于热烟气在扩散段释放并由风机抽入混合室。为减少热气在运动过程中的阻力，其过渡段采用收口式平滑结构设计，便于热风顺利、迅速地进入烘干机参与热交换。其挡火墙采用堆积型结构，有利于热渣和飞灰回到垂直段或混合室积灰斗，同时可为老厂烘干系统因场地小而方便使用异型沸腾炉提供条件，其长度和高度也可随厂房的局限因地制宜地加以调整。沸腾炉的炉门设为两个，分别作看火、调火和检修使用，用于检修的炉门可方便耐火砖活砌或出现结渣时打开清理，避免操作人员在高温下进入炉内清理结渣，即方便又安全。小炉床的设计保证了节煤这一基本要素，其炉床面积比一般沸腾炉减小1/3，单位时间加煤量减小30%，因此节煤效果明显、操作方便。

节煤型高温沸腾炉具有以下特点：(1) 燃料在沸腾炉中呈沸腾状态，燃烧层正常燃烧的温度为850～1100℃。而风动气垫层温度较低，一般在200～300℃，但因料层很厚，沸腾床能长时间闷火，蓄热能量大；(2) 由于鼓入高压空气，使炉内空气过量系数高，形成强氧燃烧，燃烧和燃尽条件好；(3) 沸腾层内受热面积大，传热强烈，易于燃烧。因此炉膛内单位容积热强度高；(4) 用煤量少。垂直段仅以5%的煤燃烧，其余95%均为热渣，节煤效果好；(5) 炉床面积小，使燃料的沸腾高度及风压、风速增加，司炉工操作更容易，对异常情况特别是结渣的早期处理更及时；(6) 设计采用较厚的保温层，可减少炉体热散失，炉温变化较小，有利于延长炉体的使用寿命；（7）操作系统采用热工仪表和微机连锁监控，温度、煤耗、烟气粉尘浓度、NO和SO2含量等主要参数均通过监控、记录、显示，为操作者提供管理依据。燃尽的灰渣可收集利用作为高活性水泥混合材。

通过上述改进设计的节煤型沸腾炉，有效提高了普通沸腾炉的热效率，对燃料热值的要求更宽，选材范围更大，较之其他燃烧方式更具明显的优势。几种燃烧方式的技术经济指标对比见表1。

1.2设备主要参数的确定

炉床布风板有效面积F布（m2）的

计算：

F布 =

垂沸

计

V a

L B O 3600⨯

⨯

(1)

式中：B计––计算小时耗煤量，kg/h；

L O––理论燃烧空气消耗量，m3标煤/kg；

a沸––沸腾区过量空气系数，取1.15；

V垂––垂直段底部冷态空气流速取0.8m/s。

风帽的总通风面积Σf帽为单个风帽通风面积f帽的总和。单个风帽通风面积f帽的计算如式2：

Σf帽 =

帽沸

计

V a

L B O 3600⨯

⨯

(2)

式中：V帽––通过风帽小孔的风速，m/s；

f帽––每个风帽小孔的通风面积，m2。

炉膛扩散段截面积F扩(m2)的计算：

F扩=

扩扩

计

V a

V B g 3600⨯

⨯

(3)

式中：V g—燃烧生成的烟气量，m3标煤/kg；

a扩––扩散段过剩空气系数，取1.3；

V扩––扩散段冷态风速m/s，取0.45m/s。

悬浮段截面积F悬（m2）的计算：

F悬=

悬悬

计

V a

V B g 3600⨯

⨯

(4)

式中：a悬––悬浮段过剩空气系数，取1.5；

V悬––悬浮段冷态风速，取0.45m/s。

混合室高度H（m）和长度L（m）确定：

H=

V

W

L

33

.1

⨯

(5)

L =

W

H

V⨯

33

.1

(6)

式中：W––尘粒的沉降速度m/s，取1.33；

V––烟气流速m/s，取1.5。

混合室的横截面积F（m）的计算：

F =

V

Q

3600

烟 (7)

式中：Q烟––烟气流量(m3/h)

能达到沸腾燃烧状态所需的鼓风量Q (m3/h)和风压P (Pa mmH2O)的计算：Q = n.f 帽.V帽.K (8)

P= 9.8 K(P风+ P渣)×

地

P

760

(9)

式中：n ––炉床上实际风帽个数

P风––鼓风系统阻力：风管阻力取196 Pa(20mmH2O)，风帽阻力取1766 Pa(180 mmH2O)；

P渣––沸腾炉床的渣层阻力：渣厚500mm时取3924 Pa(400mmH2O)；

P地––当地大气压，mpa；

K ––储备系数，取1.3；

在选择风机时，可根据计算求得的风量和风压，适当增加20%确定其规格型号。

2.3 最佳沸腾速度的选择

要使燃料在炉内保持稳定的沸腾状态，只有选择在临界风速和带出风速之间的沸腾操作速度，而沸腾临界风速和带出风速取决于燃料的特性和颗粒分布。通常，燃煤的粒度分布较宽，多为0~10mm，平均粒径3mm左右。为使大颗粒能被吹起和考虑低负荷时的正常沸