沸騰爐的燃燒特性分析及其工藝結(jié)構(gòu)改進(jìn)
2005-06-28 00:00
近年來，隨著工業(yè)廢渣的廣泛利用，水泥配料中混合材品種越來越多，這些物料含濕量較高，在使用前必須進(jìn)行烘干處理。水泥廠烘干系統(tǒng)通常選用的熱源多為沸騰爐，而許多老式沸騰爐爐溫低、能耗高、結(jié)渣頻繁、操作管理比較困難等問題仍十分突出。本文通過分析其燃燒特性，針對各影響因素提出工藝結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，取得了高效節(jié)能烘干的預(yù)期效果。
1 沸騰燃燒的特性及影響因素
1.1 沸騰床燃燒的形成
沸騰床燃燒形式是介于層燃與懸浮燃燒之間的一種動態(tài)燃燒方式。當(dāng)鼓入空氣的流速超過固體燃料顆粒能夠停留在爐篦上的最低限度時(shí)，一些燃料粒子就會失去穩(wěn)定性，并在氣流中開始局部的起伏翻騰，形成沸騰燃燒狀態(tài)。此時(shí)穿過爐篦上固體燃料層的空氣流速是決定沸騰燃燒效果的基本要素，流速過小，燃料顆粒的沸騰狀態(tài)不能形成，或參與沸騰狀態(tài)的顆粒量較少，持續(xù)時(shí)間不長，顆粒自重使其很快返回到爐篦上；流速過大，沸騰床的燃燒環(huán)境被破壞，沸騰燃燒不能穩(wěn)定甚至喪失。只有當(dāng)空氣流速與燃料的沸騰運(yùn)動達(dá)到相對平衡時(shí)，燃料顆粒在空氣壓力的作用下，才能大部分或全部持續(xù)保持上升、下落運(yùn)動狀態(tài)，燃料在這種翻騰運(yùn)動過程中與空氣充分混合燃燒，即可最大限度地釋放熱量，從而形成高效的沸騰燃燒。
由于許多因素的影響，沸騰床會產(chǎn)生不均衡沸騰或者懸浮狀態(tài)的現(xiàn)象。在選擇空氣流速和達(dá)到燃料顆粒最佳沸騰狀態(tài)的平衡點(diǎn)時(shí)，若將鼓風(fēng)的壓力損失看作是沸騰的特征參數(shù)，那么，燃料層沸騰條件可用下式表示：
△P=hg(rc-rf)(1-m)
式中：ΔP—從固定床過渡到沸騰床的極限條件，Pa；
h—沸騰床的高度，m；
rc—固體燃料的比重，kg/m3；
rf—流體的比重，kg/m3；
m—沸騰床單位容積的空隙率，%；
g—換算系數(shù)，取9.8N/kg 。
除式中給定的幾個(gè)因素外，實(shí)際還應(yīng)考慮更多影響因素，如：不同形狀沸騰床的結(jié)構(gòu)、高度、流動阻力系數(shù)、流體流動的雷洛數(shù)、燃料空隙率以及顆粒直徑等，才能更真實(shí)地表達(dá)沸騰狀態(tài)，其中沸騰床的高度和流動阻力影響最大。
沸騰床的高度（顆?？v向之間距離的總和）比爐篦上初始固體顆粒層的高度要大，當(dāng)隨著在高度方向的熱空氣膨脹度的增加，沸騰床的瞬時(shí)高度所對應(yīng)的壓力也發(fā)生變化，造成沸騰床單位容積的空隙率m增加，沸騰床單位容積的顆粒數(shù)量相對減少，反應(yīng)表面積比爐篦上初始固體顆粒床的對應(yīng)比表面積小，所以其他因素的影響有所降低。
沸騰床的流阻比爐篦上初始固體顆粒床的流阻小，這個(gè)阻力隨著鼓風(fēng)速度的增加而成比例增加，當(dāng)達(dá)到顆粒完全懸浮在沸騰床上部時(shí)，就達(dá)到了極限值，高于該極限值時(shí)，會出現(xiàn)明顯的顆粒離析，嚴(yán)重影響燃燒效果。因此，壓力不足會造成不均衡沸騰，而壓力過大又易產(chǎn)生懸浮化狀態(tài)。沸騰床的形成恰是處于爐篦上的固定床和懸浮狀態(tài)之間的過渡形式。
1.2 沸騰燃燒中的傳熱和傳質(zhì)
沸騰燃燒的特點(diǎn)，是氣體和固體燃料之間，沸騰床床內(nèi)與周邊之間的傳熱和傳質(zhì)速度極快，溫度梯度相對較小。這種特性是由于在空氣流中固體燃料顆?？焖俚乇粩嚢韬突旌?，導(dǎo)致固體顆粒與氣體間相互的傳熱系數(shù)小，接觸面積大而引起的。所以能夠使得氣體一進(jìn)入沸騰床后就能夠迅速與固體顆粒間達(dá)成熱平衡，燃燒所產(chǎn)生的熱量通過上升的氣流膨脹擴(kuò)大而釋放出來，見圖1。
1 沸騰燃燒的特性及影響因素
1.1 沸騰床燃燒的形成
沸騰床燃燒形式是介于層燃與懸浮燃燒之間的一種動態(tài)燃燒方式。當(dāng)鼓入空氣的流速超過固體燃料顆粒能夠停留在爐篦上的最低限度時(shí)，一些燃料粒子就會失去穩(wěn)定性，并在氣流中開始局部的起伏翻騰，形成沸騰燃燒狀態(tài)。此時(shí)穿過爐篦上固體燃料層的空氣流速是決定沸騰燃燒效果的基本要素，流速過小，燃料顆粒的沸騰狀態(tài)不能形成，或參與沸騰狀態(tài)的顆粒量較少，持續(xù)時(shí)間不長，顆粒自重使其很快返回到爐篦上；流速過大，沸騰床的燃燒環(huán)境被破壞，沸騰燃燒不能穩(wěn)定甚至喪失。只有當(dāng)空氣流速與燃料的沸騰運(yùn)動達(dá)到相對平衡時(shí)，燃料顆粒在空氣壓力的作用下，才能大部分或全部持續(xù)保持上升、下落運(yùn)動狀態(tài)，燃料在這種翻騰運(yùn)動過程中與空氣充分混合燃燒，即可最大限度地釋放熱量，從而形成高效的沸騰燃燒。
由于許多因素的影響，沸騰床會產(chǎn)生不均衡沸騰或者懸浮狀態(tài)的現(xiàn)象。在選擇空氣流速和達(dá)到燃料顆粒最佳沸騰狀態(tài)的平衡點(diǎn)時(shí)，若將鼓風(fēng)的壓力損失看作是沸騰的特征參數(shù)，那么，燃料層沸騰條件可用下式表示：
△P=hg(rc-rf)(1-m)
式中：ΔP—從固定床過渡到沸騰床的極限條件，Pa；
h—沸騰床的高度，m；
rc—固體燃料的比重，kg/m3；
rf—流體的比重，kg/m3；
m—沸騰床單位容積的空隙率，%；
g—換算系數(shù)，取9.8N/kg 。
除式中給定的幾個(gè)因素外，實(shí)際還應(yīng)考慮更多影響因素，如：不同形狀沸騰床的結(jié)構(gòu)、高度、流動阻力系數(shù)、流體流動的雷洛數(shù)、燃料空隙率以及顆粒直徑等，才能更真實(shí)地表達(dá)沸騰狀態(tài)，其中沸騰床的高度和流動阻力影響最大。
沸騰床的高度（顆?？v向之間距離的總和）比爐篦上初始固體顆粒層的高度要大，當(dāng)隨著在高度方向的熱空氣膨脹度的增加，沸騰床的瞬時(shí)高度所對應(yīng)的壓力也發(fā)生變化，造成沸騰床單位容積的空隙率m增加，沸騰床單位容積的顆粒數(shù)量相對減少，反應(yīng)表面積比爐篦上初始固體顆粒床的對應(yīng)比表面積小，所以其他因素的影響有所降低。
沸騰床的流阻比爐篦上初始固體顆粒床的流阻小，這個(gè)阻力隨著鼓風(fēng)速度的增加而成比例增加，當(dāng)達(dá)到顆粒完全懸浮在沸騰床上部時(shí)，就達(dá)到了極限值，高于該極限值時(shí)，會出現(xiàn)明顯的顆粒離析，嚴(yán)重影響燃燒效果。因此，壓力不足會造成不均衡沸騰，而壓力過大又易產(chǎn)生懸浮化狀態(tài)。沸騰床的形成恰是處于爐篦上的固定床和懸浮狀態(tài)之間的過渡形式。
1.2 沸騰燃燒中的傳熱和傳質(zhì)
沸騰燃燒的特點(diǎn)，是氣體和固體燃料之間，沸騰床床內(nèi)與周邊之間的傳熱和傳質(zhì)速度極快，溫度梯度相對較小。這種特性是由于在空氣流中固體燃料顆?？焖俚乇粩嚢韬突旌?，導(dǎo)致固體顆粒與氣體間相互的傳熱系數(shù)小，接觸面積大而引起的。所以能夠使得氣體一進(jìn)入沸騰床后就能夠迅速與固體顆粒間達(dá)成熱平衡，燃燒所產(chǎn)生的熱量通過上升的氣流膨脹擴(kuò)大而釋放出來，見圖1。
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