沸騰爐的燃燒特性分析及其工藝結(jié)構(gòu)改進

　　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，取得了高效節(jié)能烘干的預期效果。
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，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。只有當空氣流速與燃料的沸騰運動達到相對平衡時，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、下落運動狀態(tài)，燃料在這種翻騰運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到燃料顆粒最佳沸騰狀態(tài)的平衡點時，若將鼓風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 。
　　除式中給定的幾個因素外，實際還應考慮更多影響因素，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，才能更真實地表達沸騰狀態(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，當隨著在高度方向的熱空氣膨脹度的增加，沸騰床的瞬時高度所對應的壓力也發(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，反應表面積比爐篦上初始固體顆粒床的對應比表面積小，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，這個阻力隨著鼓風速度的增加而成比例增加，當達到顆粒完全懸浮在沸騰床上部時，就達到了極限值，高于該極限值時，會出現(xiàn)明顯的顆粒離析，嚴重影響燃燒效果。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，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入沸騰床后就能夠迅速與固體顆粒間達成熱平衡，燃燒所產(chǎn)生的熱量通過上升的氣流膨脹擴大而釋放出來，見圖1。

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摘自《中國水泥》2005年 01月號