（材料加工工程专业论文）流态化燃烧炉冷模试验研究.pdf

硕士学位论文 摘要 水泥熟料流态化煅烧工艺的研究已经开展了几十年，到目前为止还没有工 业规模的应用实例。目前较为成功的是日本的一些研究人员以高温造粒烧结技 术为核心的流态化煅烧工艺，已经在进行大规模的中期试验了。不过尽管如此， 有关大颗粒流化床的研究目前还不够完善，所得到的具有指导意义的资料不多。 本文对目前流态化煅烧水泥熟料的工艺进行分析总结，认为冷态成球工艺 是一种比较适合我国国情的流态化水泥熟料煅烧方法。为适应这一工艺，本文 提出以颗粒状煤作为燃料，在流态化状态下进行燃烧，产生高温烟气以满足熟 料煅烧过程的需要。燃烧过程中，少量的冷空气作为流化风，将燃料颗粒流化 起来，而燃烧所需的空气主要由温度较高的三次风来提供。 基于这一思路，本文设计了一种流态化燃烧炉，并通过冷态模拟试验，对 其结构和操作参数进行了初步的研究。首先根据传统的小颗粒流化床的设计经 验，对流态化燃烧炉进行了初步的设计，并结合试验对其进行了校验分析。在 初步设计的基础上，本文对燃烧炉的流体力学特性进行了研究，主要测定并比 较了不同三次风进风方式和比例下燃烧炉内气体流场以及阻力特性的变化规 律，以便对燃烧炉的结构进行研究。试验结果表明： ( 1 ) 设计过程中，对临界流化风速采用e r g u n 方程推导而来的临界流化风 速的计算公式在大颗粒流化床中取得比较相符的计算结果，因此设计结果较为 合理。 ( 2 ) 本次试验中，随着床料成分的改变，其临界流化风速变化范围为 0 9 m s 1 3 m s ，变化范围不大，因此在燃烧过程中，床料成分的改变对操作 风速的影响不会很大。 ( 3 ) 对燃烧炉的流场分布研究结果表明：三次风进风角度对燃烧炉内流场 影响较大，相同进风比例情况下，随着进风角度由径向到切向的变化，炉内流 场由原先的受限喷射流变成以旋流为主的流场，并且随着角度的增加而变得很 明显。在相同三次风进风角度情况下，流化风进风比例的增加，有利于煤颗粒 在流化段的正常流化，但不利于颗粒的分散。本文通过研究认为在三次风6 0 。 摘要 舢i | l i l l l l i | f f i i f l 删 y 2 0 8 3 7 6 0 进风流化风进风比例为l o 时条件下，轴向速度相对较低并且在边壁以及其它 一些区域产生汇流，径向速度有利于增加煤颗粒在燃烧炉内停留时间，切向速 度较大，离心作用强，炉内流场分布较为合理，有利于燃料分散以及燃烧过程 的实现。 ( 4 ) 对系统阻力特性的试验研究表明：本文研究的燃烧炉，其系统阻力损 失主要以三次风阻力损失为主，流化风对三次风阻力损失影响很小，系统阻力 损失随着三次风速的增加而上升。随着三次风进风角度的变化，以三次风入炉 风速为基准的阻力系数彘从1 2 上升到了2 2 ，不过从总的阻力损失来看该燃烧 炉的总体压损较小，因此在对燃烧炉进行结构优化设计时，阻力损失可以不作 为主要的影响因素来考虑。 关键词：熟料煅烧流态化燃烧流场分布阻力特性 硕士学位论文 a b s t r a c t t h et e c h n i q u eo ft h en u i d 讫a t i o nc a l c i i l a t i o n so fc l 珧e r h a sb e e nm e s t i g a t e d f o rs e v e r a ld e c a d e s h o w e v e r ，m e r ei s n ta i l yi n d u s t r i a l i z e d 叩p l i c a t i o nu l l t i ln o w t h el a s ts u c c e s s 如lr e s e a r c hw a sd o n eb yj a p a n e s es c i e n t i s t s ，n o wt 1 1 el a 玛es c a l e e x p e r i m e n t a t i o n sw e r ed o i i l g b u tm e r ei s s t i l ln o te n o u 曲r e s e a r c ho n 廿l e1 a 玛e p a r t i c l e sf l u i d i z e db e d ，o n l ya l i 仳l er e f i e r e n c ec a nb eo b t a i n e d 1 1 1t 1 1 i sp a p e r ，也et e c h n i q u eo fm en u i d i z a t i o nc a l c i i l a t i o n so fc l i n k e rh a sb e e n m a l y z e d 趾dc o n c l u d e d ，也ec o o l - b a l l i n gt e c h n i c si sc o n s i d e r e d 弱t 1 1 em o s ts u i t a b l e m e t l l o df o ro u rc o u n 由哆f o rm i st e c l l l l i c s ，an e wm o d ew a sp r o p o s e dw h i c hu s e d p a r t i c l ec o a la sf i l e l t h ec o a lw a sb u m i i l g _ i 1 1t h ef l u i d i z e db e da i l d l e nt l l es u p e r h i 曲- t e m p e r a t i l r eg a sw a sp r o d u c e df 0 rt 1 1 ep r o c e s so ff l u i d i z a t i o nc a l c i n a t i o n s 1 1 1 廿l i sp r o c e s s ，m ep a n i c l ef i l e lw a sf l u i d i z e db yal m l ec o o la 吨a n dt h ea i rw h i c hw 弱 f o rt l l e 劬l i i l gw a l sm a i l l i ys u p p o r t e db yh i 曲- t e m p e r a t l l r et e n i a 拶a 扯 i i lt h i sp a p e r ，an e wt y p eh i 曲t e m p e r a t u r en u i d i z e db e d 向m a c ew a l sd e s i g n e d ， a i l dm ec o n f i 目l r a t i o na l l do p e r a t i o np a r 锄e t e r sw e r er e s e a r c h e db yc o l d - m o d e l s i m u l a t i n g f i r s t l y ，m ee q u i p m e n to fn u i d i z e db e di i lt h ee x p e r i m e n tw 弱d e s i g n e d b y 也ee x p e r i l i l e n t a lf o n i l u l f o rs m a l lp a l t i c l e sn u i d i z e d t h er e s u l t sc a l c u l a t e d w e r ec o m p a r e da n dv e r i f i e dw i mt 1 1 er e s u l t so ft h ee x p e r i m e n t a t i o n s e i a s e do nt 1 1 e d e s i g n ，t 1 1 eh y d r o d y n 锄i c sp r o s p e r i t ) ，o ft l l e f i l m a c ew 嬲r e s e a r c h e dm a i l l l yb y m e a s u r i n gm ef l o wf i e l d 跹dt h er e s i s t a n c ep r e s s u r el o s s i nd i 丘e r e ma n g l eo ft l l e t e n i a 巧a i ri n l e ta n dt l l em t i oo fn u i d i z e da i ri n l e t 1 1 1 em a i l lc o n c l u s i o n so ft l l i s p a p e ra r ep r e s e n t e da sf o l l o w s ： f 硫t l y t h em i i l 曲啪n u i d i z e dv e l o c 时w h i c hw 硒c a l c u l a t e db ym ef o m u l a s r o o t e d 劬me 曙吼e q u a t i o ni nc a l c u l a t i i l gi sa c c o r d i n gt om ee x p e 而n e n t a t i o nr e s u l t ， s ot l l ed e s i g nw a sr a t i o n a l s e c o n d l y i nt h ee x p e r i m e n t ，w h e n l ec o m e n to fb e dm a t e r i a l sc h a i l g e d ，m e m i i l i i i l 眦v e l o c 时o ff h l i d i z a t i o nr a l l g e d 舶m0 9 1 1 1 s 。1t o1 3 m s 1w h i c hm g e w 弱 m a b s t r a c t n a r r o w t h e r e f 0 r e ，i nt h eb 啪i i l gp r o c e s s ，也ec h a i l g eo fc o n t e n to fb e dm a t e r i a l s d o e sn o ta 丘e c to p e r a t i o np a r a m e t e r sal o t t h i r d l y ，m er c s e a r c hr e s u l t0 nn o wf i e l dd i s t r i b u t i o no fm m a c ei n d i c a t e dt h a t ： m ea 1 1 9 1 eo ft e r t i a 拶a i ri n t a k ep l a y e da ni 1 i l p o r t a n tr o l ei 1 1i 衄e rf l o wf i e l d u n d e rt h e s 锄er a t i oo fa i ri i l l e t ，i i l i l e rf l o wf i e l dc h a n g e d 舶me j e c t e dm o d e l t os w i r lw a y ， w h e nm et e n i a 巧a i ra i l g l ec h a l l g e d 丘o mr a d i a lt ov e r t i c a l ，m em o r em ea n g l e c h a n g e d ，缸l em o r en o t a b l em ef l o wf i e l dc h a i l g e d u n d e rt t l es a m et e n i a 叮a i ra i l g l e ， 也ei 1 1 c r e a s eo f m t i oo fa i ri n l e ti sg o o df o r t h en u i d i z i l l go fc o a lp a n i c l e s ，b u tb a df o r m ed e c e i 灯a l i z a t i o no fp a r t i c l e s b yc o m p a r i n gt h en o wf i e l d si nd i 疏r e ma n 9 1 eo f a i ri n l e t ，t i l eo p t i n l i z e da 1 1 9 l ea l l dr a t i oo fa i ri n l e tw e r ed e t e m i n e dt h a tt h ea l l g l ew a s 6 0d e 鲈e e sa n dt h er a t i 00 f 也ef l u i da i ri n l e tw 觞l o f o u n h l y ，t h er e s e a r c hr e s u l to ns y s t e mr e s i s t a u n c ep r e s s u r ei n d i c a t e dt 1 1 a t ：也e t e n i 町a i rp r e s 呲l o s sw a st h em a i l ls y s t 锄l o s s t h ee 髓c to ff l u i d i z e da i ro nt h e t e r t i a 巧a i rp r e s s u r el o s sw a st i n y w h e n l et e n i a 巧a i ri i l c r e a s e d ，s y s t e mr e s i s t a n c e p r e s s u r el o s si n c r e a s e d w i 也也ei 1 1 c r e a s eo ft l l ea n g l eo ft e n i a r ya i r ，t h er e s i s t a i l c e c o e f f i c i e n tb a s e d0 nt l l et e n i a 巧a i rv e l o c 时r a l l g e d 仔o m1 2t o2 2 h 0 w e v e r ，t h e w h o l ep r e s s u r el o s sw a sn o tl a 略e ，m e r e f o r et l l er e s i s t 孤c ep r e s s u r el e s so ft h es y s t e m c o u l db ec o n s i d e r e da sam i n o rf a c t o r k e y w o r d s ：c a l c i n a t i o n so fc l i n k e r ；f l u i d i z a t i o n ；c 0 m b u s t i o n ；f 1 0 wf i e l d ； r e s i s t a n c ep r o s p e m i e s 硕士学位论文 1 1 研究背景 1 1 1 水泥工艺现状 第1 章绪论 自1 8 2 4 年英国科学家j a s p d i l l 取得波特兰水泥专利以来，水泥工业已经经 历了近2 0 0 年的发展，期间煅烧工艺也经历了多次的变革，但是总的来说，水 泥熟料煅烧设备主要有立窑和回转窑两类，而且这两种工艺有其自身不同的特 点。 立窑水泥煅烧采用的是直筒结构的移动床技术，因而其内部的传热效率低； 同时由于在煅烧过程中窑体断面通风不均，因此熟料质量很不稳定；而且在这 种技术下单窑的生产能力很低，生产成本较高，所以这项工艺近年来正逐步被 淘汰。回转窑技术又分为湿法、半干法以及干法这三种类型，目前这一工艺的 主导技术是带悬浮预热预分解装置的回转窑水泥煅烧技术【l 】。相对于其它系统 而言，该工艺具有热耗低、适用于大规模生产、熟料质量稳定以及自动化过程 易于操作等优点，是一项较为成熟的生产技术。但是近年来的研究结果表明， 该系统的最高热效率只能达到6 0 左右，同时由于窑体体积庞大、占地面积大， 使得其成本已经无法进一步降低，而且其表面散热大，阻碍了热耗的进一步降 低，虽然世界各国都在试图进一步降低其生产生本，但是由于自身工艺的限制， 使得人们在这方面的改进没有质的提高，一直无法突破工艺瓶颈。 水泥工业主要以煤为能源，每年的煤炭消耗量在建材工业中占有很大的比 例。煤炭是我国最重要的一次能源，多年来，煤炭在我国一次商品能源消费构 成中占7 5 左右。从我国的能源资源状况及技术经济发展水平看，在今后相当 长的时期内，煤炭仍将是我国最主要的一次能源 2 1 。每年水泥生产在消耗大量 的煤炭资源的同时，也给环境造成很大的影响，每生产1 吨波特兰水泥，接近 于向环境排放1 吨c 0 2 等温室效应气体和其它s 0 2 等酸雨媒介物，以及n o x 等 有毒致癌物【3 j o 为此，有必要寻找一种能量利用更为合理、效率更高的新型熟料煅烧工艺 第l 章绪论 来解决上述问题。近年来世界各国都致力于快速煅烧法的研究，如电弧法、激 光法、红外线加热法以及流态化煅烧法等技术，其中流态化煅烧法受到广泛的 关注，并已在工艺和设备方面取得了较大的进展【4 】。 1 1 2 流态化煅烧水泥的优点 流化床内气固两相运动比较复杂，气固流态化状态是指固体颗粒在气流作 用下，具有液体可流动性的物理现象，它发生在特定的装置中。在没有外力作 用时，床内物料在自身重力作用下处于堆积状态，物料间接触较紧密。当在床 体下部通入向上的气流时，气流对物料产生了一个向上的托力，这个作用力将 克服床内物料的重力以及物料与器壁间的摩擦力，使得床内物料出现“膨胀 。 随着气流速度继续增大，物料便如开水一样沸腾起来。此时的气固两相具有液 体无定形特征，处于剧烈的运动中。这一过程中固体颗粒一方面处在不断的上 下往复循环运动中，另一方面颗粒又处在杂乱无章的不规则运动中，这种运动 造成了固体颗粒的不断混合，固体颗粒的混合又造成了部分气体的混合。因此， 流化床内的气固两相就一直处在不断的搅拌、混合状态，这使得物料与气流间 接触的总表面积成倍增大，各部分的温度浓度分布比较均匀，这是提高气一固 两相反应非常有效的途径之一。当物料沸腾一段时间后，通过调整气流速度， 使得托力减少，物料便可从流化床出口卸出。 流化床与固定床和移动床相比有着显著的不同，其自身具有以下特点【5 6 】： ( 1 ) 有一个明显的流化点和临界流化速度。，当流速达到彬时，整个 床层颗粒开始流化。 ( 2 ) 当形成稳定的流化床时，流态化床层的压降为一常数，并且具有一个 平稳的流态化上界面。 ( 3 ) 流态化床层的空隙率在任何流速下，都具有一个代表性的均匀值，并 且不因床层内物料位置的变化而发生改变。 ( 4 ) 密相流化床内主要分为气泡相和乳化相两个区域，流化床颗粒大部分 存在于乳化相内，同时由于颗粒一直处于不断运动的状态中，因此可以保证气 固两相的有效接触。 ( 5 ) 密相流化床内颗粒床层结构不均匀，颗粒表面特性会引起内聚现象， 2 硕士学位论文 同时由于气泡的聚并等原因，有时会造成沟流、腾涌等不正常流化现象。 ( 6 ) 在稳定的流态化床状态下，整个床层具有了流体的状态，因此床内物 料具有可流动性，床内温度分布相对比较均匀，整个系统也具有较好的传热特 性。但同时也会有气体短路、固体返混、颗粒扬析和磨损等缺点。 ( 7 ) 流态化床设备在机械制造方面较为简单，适于大规模操作，而且流化 床较其它气固接触设备也更加紧凑。 由此可见，流化床作为是一种高效、稳定、均匀的传热传质反应系统，将 其应用于水泥熟料煅烧过程，将具有以下显著的优点： ( 1 ) 流态化技术热工制度稳定，传热传质效率高，能有效的降低水泥烧成 热耗。 ( 2 ) 燃料在流态化状态下燃烧，可使用劣质燃料，对燃料品种要求低。同 时由于燃料的减少，相应的可减小c 0 2 、s 0 2 和n o x 等有害气体的产生，减少 环境污染。 ( 3 ) 流态化煅烧工艺整个系统的建设、运转和维修成本降低，单位容积产 量高。 ( 4 ) 熟料质量高，生产装置容易转换生产特种水泥的装置。 上述优点显示了流态化煅烧技术作为一种新型的水泥熟料煅烧工艺，必将 会有一个很光明的发展前景。 1 1 3 大颗粒流态化技术的研究现状 目前，流态化技术在现代工业生产中已经得到了广泛的应用。对流化床的 研究表明，提高流化颗粒的细度，可使得床内反应的性能获得较大的改善，因 此在大量的工业反应器中，针对细颗粒流化床的研究及相关技术的开发和应用 得到了长足的发展。经过几十年的努力，对中小细颗粒( 小于5 0 0 朋) 流化床研 究的定性描述和定量表达日趋成熟，现有的流化床模型也能很好地描述其内部 的反应行为。但对于大颗粒流化床的研究还很少，而且也只有少量定性的描述。 近年来，随着流态化技术所涉及的工业应用范围不断的拓展【_ 7 1 ，流态化床 使用的颗粒尺寸范围也在不断的扩大【引，特别是在煤的流态化燃烧和水泥熟料 的流态化锻烧等研究领域，有关大颗粒流态化床的基础理论及其应用研究日益 第1 章绪论 得到了人们的关注。一些学者也开始进行大颗粒流态化的研究工作。目前对大 颗粒流态化床的研究表明，大颗粒流态化床与细颗粒流态化床相比有很多不同 的特点，主要体现在以下几个方面【9 】： ( 1 ) 大颗粒物料的终端速度与临界流化速度之比为7 8 ，而细颗粒的比值 为6 4 9 2 ，可见大颗粒流化床的操作范围明显小于细颗粒流化床。 ( 2 ) 细颗粒流化床的流速自零增加至临界流化速度时，床层静止不动，仅 稍有膨胀，而当流速高于临界流化速度时，床层开始流化，并急剧膨胀，但不 出现气泡或只出现小气泡，呈现或接近散式流态化状态。大颗粒流化床则与之 相反，有大气泡的出现和明显的床层不均匀性。 ( 3 ) p r cr ：a i l f i e l d 及d g e l d a r t 对颗粒粒度为l 2 i m n 的大颗粒研究表明【刀 大颗粒流态化床中的气泡形成于分布板上方几个厘米处，其形状类似于两端凸 起中间凹陷的长条形空隙，在气泡的上升过程中，气泡并没有湍流尾涡形成。 这种情况仅在大颗粒流态化系统才会出现，并将导致床表面有较大幅度的上下 波动。 ( 4 ) 细颗粒流化床中气泡结构，如g e l d a na 类和大部分b 类颗粒床层中 的气泡存在明显的晕层，属有晕气泡，也称快气泡。这是由于这类气泡的上升 速度大于乳化相的粒隙气速，从而在气泡与气泡周围的乳相之间造成循环流动 的气体晕层。而对于大颗粒流态化床，乳相粒隙速度大于气泡的上升速度，乳 相中的气流将会穿过气泡，而不是在气泡与周围乳相之间循环，所以气泡外面 没有晕层包围，属无晕气泡，也称慢气泡。 ( 5 ) 具有一定高度的细颗粒流态化床中气泡的直径一般可达到最大稳定气 泡直径。而对于大颗粒流态化床，由于其运动粘度很大，气泡尺寸总是在轴向 逐渐增大，甚至对于很大的d 类颗粒，气泡尺寸的增大速率将高于气泡的上升 速度，所以有观点认为大颗粒流态化床并不存在最大稳定气泡尺寸。 ( 6 ) 细颗粒流态化床中的气泡爆裂后，颗粒获得很高的初速度，且这些速 度有着很高的向上分量。而大颗粒流态化床中的气泡爆裂后，颗粒所获得的速 度相当低，向上的分速度更低，所以大颗粒的抛掷高度也是很低的。 ( 7 ) 大颗粒流态化床由于其内部的气泡尺寸较大，与细颗粒流态化床相比， 更容易发生节涌现象，影响床层稳定性的因素更多。 4 硕士学位论文 由此可见，大颗粒流化床相对于小颗粒流化床来讲，有很多的区别之处， 对于水泥熟料流态化煅烧以及煤的流态化燃烧这样的大颗粒流态化床来讲，目 前还没有形成与之相关的较为完善的科学理论，这也是阻碍其研究与开发顺利 进行的主要原因，因此对于水泥熟料流态化煅烧工艺过程的研究，以及在这一 工艺过程中出现的煤的流态化燃烧过程的研究很有现实意义。 1 2 水泥熟料流态化煅烧工艺研究进展 经过研究人员的努力，流态化技术已经成功的应用于水泥工业中的分解炉、 烘干机以及气力输送等方面。在水泥熟料煅烧方面，世界各国的研究人员都进 行了大量的研究工作，提出了很多的方案，但至今都基本上处于试验阶段。 1 2 1国外研究进展 1 9 4 4 年美国的p y z e l 【1 0 】发明了流态化煅烧工艺，并于1 9 5 8 年在富勒公司将 规模扩大到6 5 8 5 t d - 1 ，如图1 一l 。具体过程是将粉状物料加入到反应器内，在 1 3 0 0 左右进行烧结反应，反应过程中粉状物料不断的裹覆在熔球上，最终形 成一定大小的颗粒从床层中溢流出来。溢流出来的固体颗粒经过筛选，其中较 小的颗粒再回到床层中作为进一步煅烧的核粒。此生产系统虽未得到工业应用， 但它为水泥熟料煅烧技术的发展提供了一个新的途径。日本国井大藏和美国的 o 列文斯比尔在7 0 年代曾预言：生产水泥熟料的p y z e l 法将对水泥工业产生潜 在的巨大影响 1 1 ，1 2 1 。 蠢辩气 图1 1p y z e l 设计的流态化熟料煅烧系统流程图 f i g 1 一lt l l ef 1 0 wc h 砒o f s y s t e mo f f l u i d 法db e dc e m e mc l i n l 【e rd e s 咖e db yp y z e l 5 第l 章绪论 到了七十年代，日本的佐成俊清 ”1 开发了一种大颗粒流态化煅烧装置。该 工艺分为两段式和一段式两种类型，如图1 - 2 所示。具体方法是将粉磨过的水 泥生料预先成球，经移动床预热器预热后加入到流化床中进行c a c 0 3 的分解和 熟料烧成。该装置采用填充式分布器，水泥生料球粒径为5 8 m m ，烧成温度为 1 4 0 0 1 4 4 0 。试验结果表明：熟料中f - c a o 的含量小于1 所需的烧成时间， 一段式为3 5 分钟，两段式为2 5 2 6 分钟。在燃料量一定的情况下，可以通过控 制流化床内的温度来改变料球在流化床内的停留时间，从而控制产量，床层特 别适合于实现自动运转。研究人员在对大颗粒流化床进行了一定的研究后提出： 在不同的流化床直径、颗粒直径和流化床温度下，大颗粒流化床均可以呈现出 较为良好的流态化状态，颗粒混合完全。这项试验从理论上论证了水泥熟料采 用流态化煅烧的可行性。 ， 攮艘- 弋 圈 协蠢-空气乙囊一 一段式流化床两段式流化床 图1 2 七十年代日本科学家设计的水泥熟料流态化煅烧系统 f i g 1 - 2 廿l es y s t e mo f t l l ef l u i d 协db e dc e m e n tc i i n k e rd e s i 弘e db yj a p 姐e s es c i e n t i s t si n1 9 7 0 s 19 8 3 年日本秩父公司【1 4 】在熊谷水泥厂建成了5 0 t d 1 的流态化煅烧水泥熟料 的试验装置。试验成功后，该公司又设计了3 3 0 t d 1 的流化床烧成工艺流程。该 系统由四级旋风预热器、分解炉、流化床反应器、分级器和两级熟料冷却机组 成。生料粉经预热预分解后在流化床反应器内迅速混合流化，瞬间达到烧成温 硕士学位论文 度。高温生料粉由于产生液相而粘附在己烧成的细小熟料颗粒的表面发生烧成 反应。随着反应的进行，熟料颗粒不断的长大，分级器则将其粒径控制在 o 5 m m 5 眦之间。熟料烧成后先进入流化床冷却机进行骤冷，以提高熟料质 量，随后继续进入移动床冷却机，进一步回收余热。该工艺热耗比同规模s p 窑降低2 0 ，但系统阻力较高，电耗增加1 0 。由于熟料粒径小，节省了破碎 环节，水泥粉磨电耗大幅度降低。同时，由于反应温度低，n o x 和s 0 2 排放量 比s p 窑低得多。 曩一毫气 l3 曩_ 囊* 跌聪k 7 第l 章绪论 l 矾珥捆气j 一蹦脯一跳 日c 董晁冀 ， 写 u 。h敞 留 工a 至翘蕾二l | 一麓闷 一一 o 舻鼙! 蝴 图l _ 4 川崎公司2 0 0 们工艺流程图 f 遮1 4t h en o w c h 矾o f 廿l en u i d i z e d b e dc e m e n tc l i n k e ro f 2 0 0 抛d e s i 弘e db yl l n l m ) 的流态化技术，今年来，随着对该技术研究的逐 渐深入，其应用领域不断拓展，目前成功的用于粘性强或粗块状颗粒的表而涂 层，涂料、悬浮液及溶液的于燥，粉碎，造粒，煤燃烧和气化，铁矿石还原， 油页岩热解，焦炭活化，石油热裂解等操作过程，应用领域与传统流化床已基 本处于一致。喷动床的基本结构如图1 1 2 所示。 图1 1 2 典型喷动床基本结构示意图 f i g 1 1 2s k e t c ho f a 勺，p i c a ls p o u t e db e d 与普通流化床相比，喷动床主要区别在于其进气口，喷动床的进气口直径 大。且目前人们对喷动床的设计基本上是一个床层内只有一个进气的喷动结构， 因此与传统流化床相比较，喷动床具有以下特剧3 4 】： 1 7 第1 章绪论 ( 1 ) 床内流型重复性强且流型变化比流化床少，其流动比流化床相对更简 单和有规律。但同时所能处理的物料尺寸及所用床体结构比流化床有更多的限 制。 ( 2 ) 操作压降比流化床低。这是因为垂直壁面剪切力可部分支撑固体颗粒 的重量；而且部分气体从喷射区快速通过床体，相应的气体停留时间短。 ( 3 ) 对粗颗粒，其气一固接触效率优于流化床。 ( 4 ) 特别适合于处理粘性强的物料以及需要去除表面层以促进传热及传质 效率的物料。作用于喷射区四周的相当大的剪切作用力对于破碎这类物料非常 有效，但也导致喷动床操作物料磨损严重。 ( 5 ) 粒子在床内有规律的循环运动使喷动床造粒可以得到具有高强度和高 球形度的粒状产品。 ( 6 ) 良好的气一固接触、传热效率及粒子的快速搅动使喷动床可采用比正 常许可温度高的气体，可方便地处理热敏性物料。 ( 7 ) 结构简单且无移动部件、无分布板等。同时因为喷动床中所用颗粒较 大，没有明显的颗粒夹带所以一般不需要附加旋风分离器只要在床面以上留下 足够的空间即可。 研究表明喷动现象只能在一个有限的流速范围内存在，流速太低射流区不 能穿过床层，太高则导致全床流化。于是，喷动床的操作范围就会有一定限制， 为此喷动床具有一些操作参数： ( 1 ) 最小喷动速度。最小喷动速度是喷动床操作的一个关键参数。研究表 明最小喷动速度不仅与流体和固体颗粒的性质有关，还与起始喷动床高度有关， 与喷动床的几何结构也有一定关系。对柱体直径小于o 5 m 的喷动床，无论有无 底部倒锥一般认为m a t h u r 和g i s h l e r 在1 9 5 5 年提出的经验关联式是最简单但应 用范围最广的 3 5 】。 砜= 瞰 ( 2 ) 最大喷动床高。当静床层大于某一临界值时，由于喷动的堵塞、环隙 区物料的流态化、喷射床与环隙区界面的不稳定等原因。无论如何调节气流速 度或压降，都不能形成稳定的喷动。这一临界高度即为最大喷动床高。b r i d g 、) l r a t e r 硕士学位论文 提出了被认为与试验数据最吻合的关联式 翊。 弘等到3 等硒一，】2 m 2 ， 式中：么，= d ；p p 如2 ，b = 1 1 1 ( 另有研究认为高温下取o 9 更合适) 。 ( 3 ) 最大喷动压降。当表观气速从零开始增加时，床层压降相应的增大， 当床型从固定床向喷动床开始转变时所具有的最大压降即为最大喷动压降。当 床高与床径比( h d ) 小于1 时，床层的最大喷动压降为单位床面积的床重，即 己= ( 1 o 1 5 ) 日( 所一p ，_ ) ( 1 一g o )( 1 3 ) 实际的计算中上式前需再乘一个较小的系数，通常取0 7 5 。 ( 4 ) 喷射区直径。喷射区直径是决定稀相喷射区和密相环隙区之间的流动 分布，流体与颗粒间传热、传质以及化学反应的一个关键参数。喷射区的平均 直径可由m c n a b 根据室温下试验数据获得的经验公式计算 3 7 1 。 见_ 1 9 9 祟 ”4 ) 形成稳定的喷动，不仅需要合理的操作参数，对于喷动床，其各部分的结 构对床内的物料喷动特性也有很大的影响： ( 1 ) 喷动口直径会影响喷动的稳定性。随着喷动口直径的增加，最大喷动 高度会下降，而当喷动口直径超过某一极限时，喷动则会消失。m u j u m d a r 【3 8 】 等人认为喷动口直径d i 与床身直径d c 之间存在一定关系：d c d i = 6 1 0 。 b e c k e r 【3 明认为对于小麦这样的粗颗粒d c d i 3 ，对于细小颗粒( d p = 0 6 m m ) 其极 限为d c d i = 1 0 。 ( 2 ) 喷动口轴心位置一般位于床体轴心处，除非工艺布置特殊要求会出现 两个轴心偏离的情况。 ( 3 ) 床体直径d c 除了与进气口直径有关外，还与颗粒直径d p 有关，一 般认为 柏】2 5 9 c d p 翌0 0 。 ( 4 ) 锥体角度太小容易引起不稳定喷动，一般锥角a 与物料休止角d 有下 列关系：4 0 9 叟( 7 0 p ) 。 经过多年发展，随着喷动床应用范围的不断推广及研究的逐渐深入，出现 了各种各样的改进型喷动床，它们适合于不同的物料，工作在不同的场合。主 1 9 第l 章绪论 要有多喷动口喷动床【4 1 1 、带喷动导向管的喷动床 4 2 1 、充气喷动床 4 3 删以及加压 喷动床嘲等，另外研究人员还研究过稀相喷动床 蛔、三相喷动床 4 7 ，4 8 1 等，大大 拓宽了喷动床的应用范围。 1 3 3 循环流化床的发展及现状 循环流化床锅炉又称第二代沸腾炉，是近2 0 年来从鼓泡床沸腾炉发展而来 的一种新型燃煤锅炉技术 4 9 1 。它的工作原理是：将破碎的煤颗粒( 0 1 3 n 吼) 送 入炉膛燃烧，炉膛内同时存有大量的床料，由炉膛下部配风使燃料在床料中呈 “流态化 燃烧，同时取消床层内的沉浸受热面，并在炉膛出口或过热器后部 安装气固分离器，将分离出来的固体颗粒重新送入炉内燃烧 5 0 1 。 在这方面，德国鲁奇公司首先取得了循环流化床燃烧技术的专利，并研究 开发出当时世界上最大的2 7 0t h - 1 循环流化床锅炉，由此引发出了循环流化床 燃烧技术的开发热潮，至今已经形成几个技术流派【5 l 】：以鲁奇公司为代表( 包括 s t a i l l 公司和a b b 公司) 的绝热旋风筒带有外置换热床的循环流化床锅炉技术： 以美国f w 公司为代表的带有脚e x 的气冷旋风分离循环流化床锅炉技术：以 原芬兰a l l l s 仃o m 公司为代表的燃烧室内布置翼形受热面的高温绝热旋风分离的 循环流化床锅炉技术等。 循环流化床由于其独特的流体力学特性和结构，因此具有其它锅炉不具备 的优点 5 2 】： ( 1 ) 燃料适应性广，不仅可以燃烧各种劣质煤，还可以燃烧高灰分高水分 的矸石以及固体垃圾等； ( 2 ) 燃烧效率高，由于飞灰燃料的多次循环，使得燃料的燃烧效率通常达 到9 8 以上； ( 3 ) 负荷调节性能好，环保性能好，有利于灰渣的充分利用； ( 4 ) 与鼓泡床相比，有利于大型化。 由于在操作以及设备设计、制造以及安装方面的原因，循环流化床在运行 时会出现一些问题： ( 1 ) 磨损问题。由于是高颗粒浓度和高风速运行，因此对锅炉内部的构件 磨损相对比较严重。 硕士学位论文 ( 2 ) 分离回料效率问题。运行时会出现分离效率底，同时回灰堵塞的问题， 一般建议采用旋风分离器以及u 型回料器。 ( 3 ) 结焦问题。由于煤种、操作风速以及床体结构的原因，回使得运行过 程中产生创面结焦的问题，对此不能搬套沸腾炉结焦的处理方法。应根据具体 情况在理论研究的情况下采取具体有效可行的措施。 循环流化床锅炉是一种新型的炉型，循环流化床燃烧技术在我国还是一门 年轻的技术，经过国内科研人员的努力取得长足的进展，加之该炉型有着燃烧 劣质煤以及其他固体垃圾的优势，所以循环流化床在我国有着广阔的发展前景。 1 3 4 分解炉的发展与现状 2 0 世纪7 0 年代左右，日本石川岛重工公司从熟料煅烧理论出发，认为回 转窑主要靠辐射换热进行，而熟料煅烧过程中，生料的分解是主要的耗能环节， 因此效率底，负荷大，而将生料分解这一环节分离出来，使用分解炉来完成这 一过程，使生料悬浮于热的窑气中，这样热交换更加剧烈，热效率高，进而还 能减轻回转窑的负担，因此设计开发出了分解炉这一设备，并在当时取得了很 好的效果。目前经过这么多年的发展，分解炉从工作原理来讲可分为：圆筒式、 流化床式以及烟道式分解炉。本文主要介绍流化床式分解炉【5 3 1 。 原始型改进型n m f c 图1 1 3m f c 分解炉结构示意图 f i g 1 1 3 廿l es k e t c ho f 也en c 流化床式分解炉典型的代表是日本三菱重工和三菱矿业水泥公司开发的 m f c 分解炉，他们将化学工业中的流化床用于煅烧水泥，1 9 6 3 年开始试验并在 2 l 第1 章绪论 1 9 6 8 年获得姗c 设计专利。第一台m c 分解窑是1 9 7 1 年在日本东谷水泥厂 运行，在试运转后连续运转了1 5 个月很容易就达到了2 0 0 0 t d - 1 效果显著。此后 分解炉不断发展，经过两次重大的改革：原始的m c 分解炉高径比较小近似于 1 ，改进后的分解炉将其增大到2 8 ，而新型的n 姗c 分解炉则将高径比提高 到4 5 左右酬。 原始的c 分解炉在运行过程中，发现虽然能提高生产能力，但是运行过 程中由于底部流化床面积很大，在物料正常流化后发现流化风与三次风的比例 较高，造成整个分解窑系统热耗增加。同时由于流化床底部面积大，很难保持 稳定的流化状态，另外还要吹入大量流化空气，使流化空气风机的功率消耗增 大。 改进后的m c 分解炉把原型中的流化床面积缩小，提高炉体的高度，采用 流化一悬浮迭加原理，延长了物料在炉内的停留时间。生料在炉内分解后，通 过斜烟道进人窑尾上升烟道底部，再利用窑气中过剩氧使燃料继续燃烧，使生 料分解率进一步提高。另外利用出炉烟气将含碱、氯、硫成分较高及温度较高 的窑废气“稀释 和降温，有利于防止上升烟道结皮。 n m f c 分解炉是三菱重工在2 0 世纪8 0 年代中期开发的，它在第二代改进 型m c 炉基础上，进一步增大了分解炉的高径比，将流化床面积减至尽可能小， 使流化空气量降至最小，将全部生料喂入炉内，形成稳定流化层。同时这种分 解炉可烧煤粒、劣质煤，甚至可以用煤矸石、垃圾以及废轮胎作为燃料。n m c 分解炉可分成4 个区：悬浮区、稀薄流化区、供气区和流化层区。在操作过程 中，其最低风速一般为o 8 m s ，但实际过程中，由于物料会产生团聚，同时燃 料中会存在粗颗粒，所以操作风速一般为最低风速的3 6 倍，实际取值为4m s 1 左右。 1 4 本章小结 本章通过对文献的综合，认为在水泥熟料流态化煅烧工艺研究中，将生料 在冷态下成球之后送入炉中预热预分解，进行煅烧的这种冷态成球工艺比较符 合我国的国情。在这一工艺中，煤的燃烧在流态化状态下进行的，过对于目前 煤的流态化燃烧的综合叙述，认为在结构上可以借鉴这些床型结构，设计出一 硕士学位论文 种适合于水泥熟料流态化煅烧的高温烟气炉，并通过试验研究的手段，对结构 进行优化设计研究。 第2 章研究思路、内容及方法 2 1 研究思路 第2 章研究思路、内容及方法 本课题的最终目的，是要设计出一种超高温烟气炉，提供高温烟气完成水 泥熟料的流态化煅烧过程，具有很大的针对性。因此，首先要确定整个流态化 煅烧工艺流程，得出设计的起始参数，之后对于炉子的结构以及各部分的尺寸 进行理论上的设计和计算，提出一种或者几种设计的模型，然后通过试验研究 的手段，对床料和模型的适应关系以及模型的流体力学特性进行研究，最后对 比得出一种较为优化的燃烧炉结构。 2 2 研究内容 在文献综述的基础上，结合具体试验条件，针对熟料流态化煅烧工艺过程 以及煤的流态化燃烧，确定本课题具体的研究内容如下： ( 1 ) 根据物料以及热量平衡计算，确定一种较为优化的冷态成球流态化煅 烧水泥熟料的工艺； ( 2 ) 在流态化工艺流程确定的前提下，根据现有的成熟的小颗粒流化床理 论，在工艺参数的基础上，对燃烧炉进行结构和参数的设计，并且根据相似原 理设计出试验装置以便研究； ( 3 ) 针对燃烧过程中床料成分的变化过程，对不同成分的床料进行流化特 性分析； ( 4 ) 研究模型中不同的三次风迸风方式及进风比例对内部流场的影响； ( 5 ) 研究模型内部的阻力特性。 2 3 研究方法 2 3 1 试验物料制备和参数测定 实验用的物料是以普通的建筑用砂子和实际生产中的煤以及煤渣为原料， 硕士学位论文 进行筛分选取，然后烘干备用。 一般工业生产中，沸腾炉燃煤点火所用的床料都经过严格筛分，而燃烧过 程中，所加入的煤只需破碎至1 0 i 砌以下，本文从试验研究角度出发，选择试 验物料的粒径在l 8 m m 之间。 试验中，采用阿基米德排水法测定床料的真密度，床料的平均粒径采用筛 分法进行测量计算。 2 3 2 风速标定 管道内风速的测定采用等面积圆环法。利用毕托管和压力采集系统测量进 口管道管壁处负压和管道内的风速，通过曲线拟合得出进风口负压与管道内风 速的函数关系式，然后根据管道风速利用流体的连续性方程推算出床内任何截 面的表观风速。 等面积圆环法简述如下，将圆形断面分成n 个面积相等的同心圆环，再将 每个圆环分成两个面积相等的部分，测点就放在这两部分的分界线上。 管道中标定的风速实际是一个平均的风速v ，将面积为a 的圆管分成n 个 面积相等