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1、沸腾炉的特性及优化李瑞杰（中南大学能源科学与工程学院，热动0703班，学号1001070325，湖南 长沙410083） 摘要：本文概述了沸腾炉的燃烧特性，分析了沸腾床的燃烧形成过程，分析了沸腾炉的优缺 点，并初步分析了影响沸腾炉沸腾过程的主要因素，并且针对各影响因素提出工艺结构的改 进，尝试提出了自己对炉体结构设计及操作管理的建议，以达到高效节能的效果。关键词：沸腾炉；燃烧特性；影响因素；节能Characteristics and optimization of fluidized bed furnaceLi-Ruijie（School of Energy Science and Engin
2、eering, Central South University, Changsha 410083,China；） Abstract: This paper outlines the combustion characteristics of the fluidized bed furnace, analyzing the formation process of the boiling furnace and its advantages and disadvantages. We also have a preliminary analysis of the boiling process
3、 of the main factors in boiling furnace, and try to put forward our recommendations in the design , operation and management of the boiling furnace under the various factors, , to achieve an efficient energy-saving effect.Key word: fluidized bed furnace; Combustion characterize; factors; energy-savi
4、ng1沸腾炉的概念沸腾焙烧炉1是利用“聚式流态化床”技术的热工设备。流体从下而上流过静止的粒 状物料层时，若流速超过一定限度，则散料层开始膨胀、蠕动而具有流动性，变成假流体状 态，这一过程称为散料层的流化。流化后的粒料上下翻动与流体的沸腾相似，故又称沸腾层， 用此方法处理物料的热工设备称为沸腾炉。由于沸腾层较固定散料层比容增大，层内粒料彼此接触较少，流化介质几乎能与每个颗 粒表面接触，而且粒子在层内的强烈翻动使气固两相间的物理化学反应大大加速，传热大为 强化，层内温度均匀，沸腾层与冷却（或加热）器壁间的传热系数大、生产率高、操作简单、 便于实现生产连续化和自动化等一系列优点。由于以上这些优点，
5、沸腾炉在工业上被迅速而 广泛的应用于锌精矿、铜精矿的氧化焙烧和硫酸焙烧，含钻硫铁精矿的硫酸化焙烧，锡精矿、 辉钼矿、富镍冰铜的氧化焙烧，汞矿石焙烧等工业领域。沸腾炉的缺点是烟尘率高，热利用 率低。目前，沸腾炉正向大型化、富氧鼓风、扩大炉膛空间、制粒焙烧、余热利用和自动控制 等当面发展。沸腾床的床型有柱形床和锥型床。对于浮选精矿宜采用柱形床；对于宽筛分物 料和在反应过程中气体体积增大很多和颗粒逐渐变细的物料，宜采用上大下小的锥型床。沸 腾床断面形状可分为圆形或矩形和椭圆形。圆形断面的炉子，炉体结构强度大，散热较小， 空气分布均匀，因此，得到广泛应用。沸腾炉的炉膛形状有扩大形和直筒形两种。为提高操
6、 作气流速度，减少烟尘率和延长烟尘在炉膛内停留时间，以保证烟尘质量，目前沸腾炉多采 用扩大形炉膛。2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，气流对物料的曳力大于物料的自身的重 力，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。从临界
7、 速度开始沸腾，到带出速度下沸腾床开始破坏，这一速度范围称为沸腾范围。它是选择操作 沸腾速度的上下限。沸腾范围越宽，沸腾床的操作越稳定。只有当空气流速与燃料的沸腾运 动达到相对平衡即在沸腾范围时，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。理论和实践证明，颗粒越细则沸腾范围越小，并且 对不规则的宽筛分物料，沸腾范围比球形粒子的要小。实际上多数工业沸腾床内的粒级分布 较宽，所以合理的操作速度应是绝大多数颗粒正常沸腾而又不大于某一指定粒级的带出速 度。3影响沸腾过程的主要因
8、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，则挥发分着火燃烧，形成火焰，阻断了氧气到达焦碳的 表面，阻碍了焦碳的燃烧。同时确加热了焦碳，当其接近燃烬时，氧气达到焦碳表面，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： 3.1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
9、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12501315 Kgf m-2 h-1降低到750890Kgf 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9851020C降低到628705C，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。3.2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
10、。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。通常情况下，随着煤 的粒度不均匀性增大，处在8001000C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。 3.3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，使得燃烬过程拖 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
11、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1.151.25： 1左右。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，送入的煤易造成 燃烧不完全，甚至产生局部结渣。3.4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
12、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，此时炉内气一固混合速 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。3.5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二hg(r -r )(1-m)式中：AP从固定床过渡到沸腾床的极限条件，Pa；h一沸腾床的高度，m；r 一固体燃
13、料的比重，kg/ m3 ；r 一流体的比重，kg/ m3 ；m一沸腾床单位容积的空隙率，；g一换算系数，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
14、，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。 4沸腾燃烧的优缺点3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
15、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。国内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
16、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800850C 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 家对强制排放标准的要求。通常一般炉型SO的日排量为100mg/Nm3、NO为400 800mg/Nm3，而沸腾炉烟气中的SO日排量为18mg/Nm3、NO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
