（化学工程专业论文）分子筛焙烧炉节能设计研究.pdf

中文摘要 依据热工基本原理，从燃烧、传热等方面，对焙烧炉热能利用进行 了分析，指出了外热式回转圆筒分子筛焙烧炉用能方面存在的问题并提 出了节能设计的方法。从节能角度出发，针对齐鲁石化公司催化剂厂分 子筛焙烧炉结构特点进行了炉体结构改造，燃烧装置优化选择，炉衬 设计以及密封结构的改善。装置改造前，烟气余热损失、炉墙散热损失 及密封处的逸气损失等比较严重，焙烧炉的热效率达不到5 0 造成大 量的能源浪费。实施改造以后，具有良好的节能效果，仅回收余热和减 少散热损失两项可提高热效率l7 ，年节燃油达2 5 0 吨以上，从而降低 了分子筛生产成本提高了企业经济效益。 关键词：焙烧炉、节能技术、燃烧器、密封 a b $ t r a c t t h ee n e r g y s a v i n go p t i m i z e dd e s i g no nz e o l i t e r o a s t i n gh e a t i n gf u r n a c e i nt h eo p i n i o no fc o m b u s t i o na n dh e a tt r a n s f e rp r o c e s s t h i sp a p e r a n a l ) r s e st h ee n e r g yc o n s u m p t i o ni nr o a s t i n gf u r n a c ew i d e l y a n dp u t sf o r t h s o m e p r o b l e m s i ne n e r g yc o n s u m p t i o no ft h eo u t s i d e h e a t i n gr o t a t i o n c y l i n d e rr o a s t i n gf u m a c e b u ta l s ot h em e t h o d si ne n e r 9 3s a x i n gd e s i g n i n g a c c o r d i n gt o t h eb a s i cp r i n c i p l eo ft h e r m a ld 3 n a m i c s a sc o n c e r n st h e s t r u c t u r e so fr o a s t i n gf u m a c eo f z e o l i t ei nq l c c m o r er e s e a r c h e sh a x eb e e n d o n ei nf u r n a c eb o d ys i r u c i l i t c o p i t i m i z a t i o nc h o i c eo fc o m b u s t i o n e q u i p m e n t f u r n a c el i n e ra n dt h ei m p r o v i n gi n s e a ls t r u c t u r e b e f o r e a l t e r a t i o n ，t h eh e a te f f i c i e n c yo fr o a s t i n gf u m a c ei sb l o w5 0p e r c e n t ，a st h e h e a tl o s s e si nw a s t eg a s ，f u l l l a c ew a l la n ds e a l e t c a f t e rt h ea d o p t i n go ft h e a b o v em e t h o d s ，p r o d u c e db e t t e re f f e c t si nr e c y c l i n go fs u r p l u sh e a ta n d r e d u c t i o ni nh e a t l o s s s o h e a te f f i c i e n c yi si m p r o v e d 17p e r c e n t 。a n d 2 5 0 ，0 0 0 k gf u e l o i li ss a v e dy e a r l y ，w h i c hr e d u c e dt h ep r o d u c t o i nc o s to f z e o l i t e a n di m p r o v e d t h ee n t e r p r i s ep r o f i t s k e yw o r d s ：m a s t i n gf u r n a c e ，e n e r g y - s a v i n gt e c h n o l o g y c o m b u s t i o n e q u i p m e n t , s e a l 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得石油 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同 志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢 意。 签名： 易脚n 年 ， 月t日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅：学校可 以公布论文的全部或部分内容可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文， ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名： 导师签名： 川年 j 一年 月日 月曰 石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 第1 章前言 1 1 工业背景 焙烧炉是分子筛生产过程中的关键设备。在分子筛生产工艺中，焙 烧起到了使分子筛脱除水分、形成独特晶格形状的作用。焙烧过程中， 焙烧炉转筒外部用高温烟气加热转筒内部通入过热蒸汽，从而在转筒 内部形成一定的气氛温度，使分子筛在脱除水分的同时发生脱铝补硅反 应，以提高分子筛的硅铝比，品胞收缩，达到产品要求的性能指标。 分子筛焙烧炉结构复杂，外形尺寸大，非标准件多，运行条件十分恶 劣( 转筒内部温度要求达到j j o 以上，转筒外部的温度7 5 0 左右，燃 烧室的温度超过1 2 0 0 。c ) ，造成初期投资和后期的维修费用比较高，并且 能源耗用量比较大。因此无论是对炉子的维修维护、操作管理，还是技 术进步、节能改造等诸多方面都是设备管理和设计部门的重点工作。 分子筛焙烧炉是外热式回转圆筒型炉，燃料采用重油或气体燃料。 焙烧炉在分子筛制造总的能源消耗中占相当大的比例。据统计，在一次 交换一次焙烧工艺中，能源消耗占总生产成本的3 5 ，其中燃油一项占 1 1 。在二次交换二次焙烧工艺中，能源消耗占总生产成本的4 5 其 中燃油一项占2 3 。由于市场竞争越来越激烈，催化剂的销售价格持续 走低，同时原材料价格又不断上涨，利润空间越来越小，只有深入挖掘 内部潜力，实施节能降耗措施。才能保证企业的可持续发展。 焙烧炉由于局限于建造时的技术、材料、资金等因素，采用的一些 结构、部件及材料等，不能充分利用能源，造成能源的浪费。比如散热 损失比较大、没有进行余热回收、燃油的燃烧不理想等等。因此对分子 筛焙烧炉实施节能改造的意义重大，改造以后节能的效果也会相当可观 的。 石油大学( 华东) 颈士论文 第l 章前言 1 2 焙烧系统简介 焙烧系统包括予干燥器、焙烧炉、除尘器、过热蒸汽生产及其它辅助 设备。焙烧炉是整个系统的核心。( 工艺流程见图1 一1 ) 。 图l i 焙烧系统工艺流程图 l 、转料泵：、打浆罐3 、燃烧器4 、风机5 、粉尘回收罐6 、循环水 泵7 、除尘器8 、预干燥器9 、转筒1 0 、炉体1 l 、过热蘸汽炉 分子筛浆液经过预干燥器干燥，成为固含量达到6 00 6 以上的膏状物 料后，进入焙烧炉转筒内部进行焙烧，最后经由出料箱进入打浆罐打浆 后输送到贮存罐贮存。饱和蒸汽经过热蒸汽炉加热成为5 5 0 以上的过 热蒸汽，从转筒尾部通入，以保证简体内一定的湿度。转筒及预干燥器 内的粉尘和蒸汽通过引风机进入捕尘器内进行捕尘。在燃烧室形成的高 温烟气流经转简和炉衬之间的空间，即对流室，与转筒换热以后进入烟 道排空。 石油大学( 华东) 硕士论文第l 章前言 1 3 焙烧炉改造前状况 齐鲁石化公司催化剂厂现有8 台分子筛焙烧炉，分子筛一车间和分 子筛二车间各4 台。 分子筛一车间4 台焙烧炉建于1 9 8 0 年，规格为由1 0 0 0 1 4 0 0 0 ，材 质为1 g r l 8 n i 9 t i 。在使用温度下，简体要满足一定的强度要求，其两支 撑之间的跨度不能超出安全规定值，使炉体的整体尺寸受到限制；同时 为了满足生产工艺要求，分子筛在一定温度下在简体内停留相应的时间， 焙烧炉要有一定长度来满足分子筛生产工艺要求，因此焙烧炉设计成两 台炉相连的两段式结构( 见图卜2 ) 。 连通烟道 图i 一2 分子筛一车间焙烧炉示意图 分子筛二车间4 台焙烧炉规格为巾1 2 0 0 1 8 6 0 0 ，材质为o r 2 5 n 2 0 。 由于转筒直径增大，使用材料的高温性能也有所提高，炉体的长度相应 增大，在满足工艺要求的情况下炉体设计成一段式结构。这4 台炉分 别建于不同时间，其中两台建于1 9 9 2 年，炉衬全部采用了耐火砖和保温 砖等耐火材料。另外两台建于1 9 9 7 年，对流室的炉衬采用了耐火纤维， 但对流室的径向截面为矩形。 本次改造内容为分子筛一车间4 台焙烧炉和分子筛二车间1 9 9 2 年建 i 油大学( 华东) 硬士论文 第1 章前言 告的2 台焙烧炉。 i 4 焙烧炉存在的问题 一、焙烧炉的余热损失比较大 燃烧室的平均温度为1 2 0 0 ，而烟气离开炉体时的温度在6 5 0 左 右，因此总供热量的4 0 被烟气带走。并且由于烟气直接进入烟道排入 大气没有设置余热回收设备对余热进行回收利用，造成能源的极大浪 费。 二、密封结构不合理，冷风漏入量比较大 转筒与炉衬之间的密封结构如 图卜3 所示。这是一种径向接触式 密封，靠装在转简上的密封填料进 行密封。这种结构设计上忽略了一 个关键问题：由于此处的温度可达 6 0 0 以上，密封填料需采用耐高 温的耐火纤维制品来制作，而耐火 纤维回弹性较差，在受到挤压、磨 损之后不能恢复原状。密封是在冷 态下进行安装的，但是砌体受热以 ：_ _ _ 一一 薹蚕藿二： 、j 4 了一一一i ，7 丁 彳i 一 l i 盈薤箍主尹 l 欠之： 图卜3 穿培密封图 后会膨胀长高，经计算密封下部炉1 、炉墙2 、密封函3 、转筒 墙在使用温度下能长高1 2 r a m 左右。 4 、料箱5 、压紧元件 这样在填料和密封函之间会形成圆 缺状缝隙降低了密封效果，使大量冷空气进入炉体内部。此外，由于 填料在炉墙中间，维修比较困难，尤其是在运行过程中不具有维修性。 实际使用中，密封填料损坏以后，除了大修以外，从未单独对其进行过 4 石油大学( 华东) 硕士论文 第1 章前言 维修，使此处密封基本不起作用 进出料箱与转筒之间的密封结 构形式见图l 一4 所示。进出料箱的 密封一是阻止外界冷空气进入转简 内，二是保证物料不漏出。从图中 可以看出这种结构是用压紧板等 弹性元件将毛毡或玻璃丝布等压紧 在转简上进行密封。由于密封材料 的质地比较软密封固体物料效果 不好：同时由于密封材料的使用温 度比较低，运行不长时间，就会因 受热碳化或磨损等原因损耗掉，失 造成很大的热损失。 图1 4 料箱与转筒之间密封图 1 、料箱! 、锥形筒3 、压紧板 4 、螺栓 去了密封的作用，从而造成物料泄漏和冷空气的漏入。 三、炉衬结构不合理，保温效果达不到要求。炉衬结构见图1 一j 。 炉衬结构分为上部对流室和下部燃烧室及其中间均匀分布烟气的花格 拱。该结构存在以下问题：1 ) 燃烧室和对流室的顶部，在拱顶砖之上用 隔热混凝土浇注，由于拱脚砖的位置己确定，拱顶砖在受热以后只能向 上膨胀造成较薄的中间部分裂缝，保温效果下降：2 ) 为了给立墙留有 膨胀空间，对流室托砖架与立墙之间有一5 0 r a m 的缝隙，中间填以耐火纤 维，填充时基本不压缩。长时间运行。耐火纤维受烟气冲刷，厚度减薄， 降低了保温效果：3 ) 对流室立墙顶部处于自由状态，尽管各层砖之间有 拉砖相连，但由于长期在负压下工作，立墙有向里倾倒的趋势：4 ) 花格 拱采用楔形砖错砌留空的结构，一处损坏会导致整个花格拱的塌落：j ) 炉衬用耐火砖和隔热砖砌筑，最外层使用4 m m 石棉板，保温效果比较差。 一 。麓 石油大学( 华东) 硕士论文 第l 章前言 ，=：； ； 三三了二 ；，t - 置 一一 ：= ：j ；：三差三三三三要三三三三薹 图 一j 炉衬示意图 l 、烧嘴砖：、燃烧主n 拱脚粱4 、花倍拱 j 、对流室6 、托砖架i 、拱脚砖8 、拱顶 炉体表面温度超过1 0 0 ，燃烧室表面温度甚至达到1 2 0 。c ，造成大量的 散热损失，并使夏季厂房内的温度高达6 04 c 以上，操作条件极为恶劣。 同时造成炉体重量大，安装与维修不方便。 四、燃烧效果达不到要求。 所用燃烧器为r 型燃烧器，其结构比较复杂且对油的质量要求较 严。但是随着降低成本、节能降耗的要求，需燃用重油、渣油等价格比 6 石油大学( 华东) 硬士论文 第1 章前言 较低的油品，导致喷头经常结焦。尤其是冬季，燃油的粘度较大时，结 焦情况更加严重，需要经常清理燃烧器，造成燃烧器溅油现象比较严重 既浪费了燃料，又污染了操作环境。r 型燃烧器需手动调节，调节不及 时会造成燃油雾化效果不好，燃烧不彻底，火焰中亮点较多，时常发生 冒黑烟的现象。并且r 型燃烧器没有油量比例调节功能，使用中只能是 喷油和不喷油二位式调节，造成温度波动比较大。 1 5 优化设计的思路和方法 根据分子筛生产工艺及外热式回转圆筒工业炉的结构特点，从燃烧、 传热的角度出发，详细分析分子筛焙烧炉热损失的各种途径，对炉型和 炉体结构、燃烧技术、炉衬、密封结构及余热利用等进行研究，提出这 种炉型节能设计的方法，并进行节能优化设计。 石油大学( 华东) 项士论文第2 章焙烧炉节能基本理论 第2 章焙烧炉节能基本理论 2 1 焙烧炉组成 焙烧炉由炉衬、炉架、燃烧装置( 或电热元件) 、预热器、炉前管道、 排烟系统、炉用机械等部分组成。“。 炉衬，或称砌体，是用耐火材料、隔热材料和某些建筑材料砌筑或 敷设成的炉膛、燃烧室、排烟道等炉体部位。炉衬的作用是使焙烧炉在 加热过程中能承受高温热负荷、抵抗化学侵蚀、减少热量损失并具有一 定的结构强度，以保证炉内热交换过程的正常进行。 炉架是炉体的钢结构部分，有支柱、拉杆、炉墙钢板、拱脚粱、炉 项框架及固定构件的各种型钢组成。炉架的作用是固定炉衬并承受其部 分重量，侧支柱与拱脚梁承受砖砌拱顶的水平推力，前后支柱则用以承 受砌体的热胀力和某些构件的重量。 燃烧装置是实现燃料燃烧过程用以向炉内提供热源的设备。燃烧装 置除应保证在规定的热负荷条件下实现完全燃烧，还应保证燃烧过程稳 定，火焰的方向、形状、刚度和辅展性要符合炉型及加热工艺的要求。 预热器利用烟气余熟加热助燃空气或燃料，达到节约燃料、提高炉 温、加快升温速度的目的。 炉前管道是指与相应车间管道相接的附属于单台炉子的管道部分， 用作炉用燃料燃烧所需空气以及构件冷却水的输送和均量分配。 排烟系统是由产生抽力的排烟装置( 烟囱、引风机或喷射器) 和排 送烟气的烟道组成用以将炉内烟气排出炉外。保证排烟通畅是火焰炉 正常运行的重要条件。 炉用机械是炉子组成部分的机械运行部件，要保证达到炉子的工艺 要求和运行可靠。 8 石油大学( 华东) 硕士论文 第2 章焙烧炉节能基本理论 2 2 焙烧炉的能源 在焙烧炉的能源结构中，主要有气体燃料、液体燃料及电力等。 气体燃料主要是煤气、天然气和石油液化气。气体燃料含灰分极少， 不存在燃不尽问题，因此燃烧过程由着火和燃烧组成。 油是液体燃料，其沸点低于其着火温度，因此燃烧在气态下进行。 油受热后首先汽化成油蒸气，油蒸气与空气混合达到一定的温度时开始 着火、燃烧。要强化油的燃烧，就要保证有良好的雾化和混合。当雾化 不良时，油滴过大，燃烧时油滴破裂会产生大量的焦块。当混合不良， 空气不足时，即使雾化效果好，也会发生热分解，产生炭黑。这些焦块 和炭黑很难燃尽造成机械不完全损失。 电加热焙烧炉以辐射换热为主，温度均匀，调控方便，能够实现自 动控制且不存在排烟等污染环境的问题，尽管能源成本较高工业中 也有使用。 2 3 焙烧炉的热利用特点 不同的工艺和对象进行热利用的方式互不相同。例如在高炉炼铁中 热风从炉底吹入，使与炉料混合的焦炭燃烧，同时加热炉抖实现工艺 要求。这其中有燃烧火焰直接混合接触加热，也有烟( 燃) 气与炉料的对 流换热，实际上是多孔介质中的燃烧传热，电阻炉中，热量的传递主要 是通过炉墙与工件间的辐射进行加热，在砖窑炉中，燃料与工件交替码 放，燃料燃烧的同时将热量传递给旁边的工件。而在分子筛焙烧炉中， 燃烧室内生成的热烟气加热转筒，通过转筒将热量传递给分子筛达到干 燥和焙烧的目的，因此分子筛焙烧炉中的传热以对流和传导为主。 焙烧炉既是燃烧设备又是传热设备，显然，燃烧和传热对热利用起 至关重要的作用。炉子的热工过程包括内部热交换，外部热交换，燃烧 石油大学( 华东) 硕士论文第2 章焙烧炉节能基本理论 过程和炉内气体流动过程。燃烧过程直接影响到产品的产量、质量和燃 料消耗。提高炉子热工性能的前提条件是改进燃烧过程并提高燃烧效率。 其实质是燃烧技术的应用，因此应掌握炉子燃烧的特点。分析燃烧过程 的特点，合理组织气体的流动过程和燃料燃烧过程，同时控制生成物的 排放，防止环境污染。在焙烧炉中，热量的传递方式有传导、对流和辐 射炉子内的传热是多种传热方式组台在一起的复杂过程。在燃料与物 料混烧的焙烧炉中，热量可以通过热传导的方式直接从燃烧传向物料。 因此，燃料物料的颗粒大小，混台程度都对热传递有着重要的影响。对 流对大多数焙烧炉来说都是非常重要的传热方式。高温的烟气冲刷加热 表面不断将热量传递给物料或工件。烟气的成分、流向、流速、加热 表面形状等因素都会对对漉换热系数产生很大的影响。在焙烧炉中燃料、 烟气、炉体都处于高温状态，因而会有很强的辐射换热。影响辐射换热 效果的因素很多，如辐射体的温度，角系数、灰度系数等。合理的设计 可以大大提高辐射换热的效果。 2 4 焙烧炉热损失分析 1 ) 排烟热损失 烟气离开炉子时的温度大大高于冷空气的温度，在未进行余热利用 时，排烟温度可高达6 0 07 0 0 c 造成排烟热损失。排烟热损失是热量 损失的非常重要的途径。 2 ) 气体不完全燃烧热损失 燃料燃烧时会产生儿、c o 、c h ；等可燃性气体，在烟气排出炉子时， 部分尚未燃烧的可燃性气体也被排出炉外，从而构成了气体不完全燃烧 损失。 3 ) 固体不完全燃烧热损失 0 石油大学( 华东) 硕士论文第2 章焙烧炉节螗基本理论 进入炉中的燃料往往不会全部燃尽，造成固体不完全燃烧热损失。 这些未燃烧的燃料中，大的颗粒会通过灰斗、炉渣排除。小的颗粒则随 烟气飞出炉外，造成环境污染。 4 ) 炉体热损失 炉体的热损失包括散热损失、蓄热损失、孔洞辐射损失和逸气损失 等。其中最主要的是散热损失和蓄热损失。散热损失是指炉子的外壁及 各种管道向外散失的热量。有些保温措篪不好的炉子往往有比较严重的 散热损失。对于一些周期性操作的炉子，常常将物料加热到工艺要求的 高温，然后进行保温、降温直至成品出炉。炉体的温度也会相应的发生 周期性的变化，从而引起蓄热损失。连续作业炉在停炉、开炉时也会有 蓄热损失。 j ) 工艺热损失 物料被加热处理后自身要带走热量，造成工艺热损失。例如在分子 筛焙烧过程中，分子筛被加热到5 5 0 c 的高温，出炉以后，需自然降温 或采用冷却设备降温至环境温度，从而将热量白白浪费掉。采取措旄利 用这些热量就可以提高炉子的热效率。 2 5 热平衡计算心3 通过进行热平衡计算，可以定量地了解焙烧炉能量利用的走向，为采 取节能措施提供依据。间歇式炉按生产周期计算收支项目，连续式炉的 热平衡计算通常按单位时间计算炉子的各项收支项目。 2 5 1 热收入项 q ，= q 。+ q 。+ q r + q 、( 2 一1 ) 1 ) 燃料化学热q 。 燃料化学热是指炉子消耗的燃料所具有的全部化学热，其中包括燃 石油大学( 华东) 硕士论文第2 章焙烧炉节能基本理论 料机械与化学不完全燃烧部分所具有的热量， 2 ) 空气带入的物理热q q = v 。c 。t 。 或q = d v 。i 。 3 ) 燃料入炉显热q ， q f 2cr t f c ，= 1 7 3 7 + 0 0 0 2 5t ， 4 ) 雾化剂带入热量q ， 雾化剂为气体时：q 。= c ，t 。g ， 雾化剂为蒸汽时：q 、= g ；i ， 2 5 2 热支出项 q 】= q 。+ q 3 + q + q ；+ q 。 1 ) 有效利用热量0 。 2 ) 化学不完全燃烧损失的热量( ) 。 对于气体和液体燃料q ；q = 0 0 0 o 0 l 为燃料的低发热量值q 。 ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) 3 ) 机械不完全燃烧损失的热量q ； 对于气体和液体燃料q ，= 0 4 ) 炉墙散热q 。 无风时，散热损失为 0 i ：j 6 7 xl o 。1 x ( t s 。- t a ) + 1 1 6 3 l o k ，( t s - r a ) 4 。( ：一9 ) 表2 一l 炉壁方位修正系数 炉壁方位 修正系数k 水平面向下1 1 水平面向上 2 1 垂直面 1 5 石油大学( 华东) 硕士论文 第2 章焙烧炉节能基本理论 5 ) 烟气带走的热量q 。 g = ( g 。，。) + 2 5 1 1 6 g ( 2 1 0 ) 对不知燃料组成，则烟气带走热量可于参考文献 2 图2 4 j 查得 烟气热焓与燃料低发热量值的比值q ，来计算，即q ，= qq 。 2 6 焙烧炉的节能措施。“： 焙烧炉节能指满足工艺要求的前提下尽可能地提高热效率减少热 损失。节能工作的主要内容包括直接节能与间接节能两个方面。直接节 能是指通过提高炉子能源利用率、降低产品单耗从而直接减少能源消 耗量：间接节能则是通过降低原材料消耗、减少废品率、延长设备使用 寿命等途径来实现节能。 1 ) 从工艺上合理安排 在工艺过程认定后，节能的关键是外部热交换过程及内部热交换过 程的紧密配合。对炉子热工过程进行分析，针对炉子结构、所用燃料和 工艺要求与特点，不断改进炉子结构和提高炉子热工性能，合理改变工 艺流程、安排热利用子过程或与外界热利用系统合理配置和引入到新工 艺流程中去，这样不仅可以合理用能、节能，还可改进产品质量。 2 ) 合理组织燃烧 改善炉内的燃烧过程可以降低气体和固体不完全燃烧损失。对于燃 油炉保证燃油的良好雾化以及油蒸汽与空气的良好混合是完全燃烧的 关键。油通过油枪喷进炉内并被雾化成油滴。油喷嘴在油枪的头部，它 决定着喷油量的大小和雾化的质量。为了获得良好的雾化质量，要求选 择合适的油喷嘴，使得在一定的出力范围内，获得尽可能细的油雾并 使油雾的分布适合配风的要求，便于操作和检修。 石油大学( 华东) 硕士论文第2 章焙烧炉节能基本理论 3 ) 减少热量损失 利用热物理理论和原理，在分析焙烧炉能源耗费特点的基础上，可 以从如下几方面减少热损失： ( 1 ) 改进炉子结构 炉子的结构是根本，如果没有一个合理的结构再好的烧成技术， 要想提高其热工性能，也是非常困难，甚至是无能为力的。为此，要运 用生产和热测数据寻求炉子热工性能规律性，以便定量给出各种参数对 炉子热工性能的影响，为改进焙烧炉结构设计提出依据。 ( 2 ) 加强炉体保温 使用耐火纤维等绝热材料降低炉墙的导热系数，减少炉体散热损失： 采用合理结构，实现炉墙与受热物之间辐射与吸收的良好匹配：采用轻 质的耐火材料，降低炉墙的容积比热，减小墙体的蓄热损失：在炉墙内 壁涂刷高红外反射材料或设置辐射元件，减少炉墙吸收的辐射热，从而 减小墙体的散热与蓄热损失， ( 3 ) 充分回收利用余热 余热是焙烧炉回收利用潜力最大的一部分热损失，在能源耗费中占 相当大的比重。据统计，目f j i 中国的工业余热占总工业能源耗费的l j 、， 余热的回收有两种途径：一是过程内利用提高设备本身的效率。如将 焙烧炉的高温烟气预热送入炉内的空气和物料，或用以驱动炉子用鼓风 机等，借以减少炉子动力设备的耗电。二是过程外利用，主要通过余热 锅炉，利用高温烟气余热生产蒸汽，用于采暖或烘干非炉子本身的物料。 用换热器来预热空气( 或煤气) 的余热回收方法，是焙烧炉最主要且行之 有效的节能措施。 ( 4 ) 优化运行和自动化控制 利用计算机对工业炉的运行进行优化和自动化控制，使炉内的燃烧 1 4 石油大学( 华东) 硕士论文第2 章焙烧炉节能基本理论 处于最佳状态，使工艺稳定。在分子筛生产中，焙烧工序是保证产品质 量，决定产量，降低成本，节约能耗及环境保护的举足轻重的环节。对 炉子的热工过程进行计算机模拟，采用自动化控制，能够以最少的人力 物力做到操作的最优化。 2 7 焙烧炉的节能改造途径 1 ) 热平衡测定与分析 对焙烧炉进行节能改造时，首先应当进行热平衡测定。通过分析热 平衡测定的结果，可以了解热量在炉中的主要去向，从而抓住主要矛盾， 对症下药，确定节能改造的方向。炉子的具体情况不同，节能改造的主 要方向也不相同。例如分子筛焙烧炉的主要热损失为排烟热损失和散热 损失，其节能改造的主要途径是提高助燃空气预热温度加强余热的回 收，以及采用合理的保温结构和材料，减少炉体散热。又如周期性操作 的焙烧炉其主要热损失是炉体的蓄热损失。对这种炉子应当采用轻质 耐火材料砌筑炉体，提高炉子的升温速度，减少蓄热损失。如果无视炉 子的具体情况，在不进行热平衡测定与分忻的基础上，盲目引入节能新 技术进行节能改造很有可能会把有限的资金花费在次要的矛盾上， 结果事与愿违。 二) 节能改造投不的述j 焙烧炉的节能综合了多种因素因此在节能技术的选择中，在满足 工艺和生产要求的前提下，要多种因素综合考虑。应选择相对先进、成 熟的技术，从而达到经济上的最佳效益。例如，在炉体的保温中不t 重 要考虑保温效果对于能源的节省，同时也要考虑到材料的耗费。 3 ) 节能改造方案的设计与施工 确定节能技术之后，就进行方案的设计与旌工。在设计、施工的过 石油大学( 华东) 硕士论文 第2 章焙烧炉节能基本理论 程中，要充分考虑生产的连续性。首先要挑选生产的淡季，在有一定产 品仓储量的前提下施工。其次是尽可能地减少停产的时间，例如可以将 设备在炉外组装在一切准备就绪后，用很短的时间停产、安装、调试。 这一切都要求技术人员精心设计，合理安排，从而保证生产的连续性。 4 ) 现有工艺和生产线的改造 在改造现有工艺和生产线时，要敢于引进最先进的技术和设备，使 生产系统有彻底的改观，从而迅速达到国际水平，在竞争中处于领先位 置。当然盲目地引进先进技术和设备是不对的不仅会造成原有资产 的浪费，而且很可能会出现新旧设备不匹配的问题。因此，要充分考虑 现有的设备、资垒、空间等条件权衡利弊。在时机成熟的时候，要大 胆引进先进技术，时机不成熟时，可以进行局部的小规模改造。 5 ) 系统节能 系统节能的思想是不要把眼光只放在单台炉子或是一道工序上，而 应从整个生产系统的角度来综合用能。进行节能改造时不仅要考虑节约 燃料和蒸汽等直接消耗的能源，同时还要注意节约非能源物资所间接消 耗的能源。非能源物质所消耗的能源以前常被忽视，事实上，大部分非 能源物质如原材料，虽然自身不能提供能源，但它的制备是耗费了能源 的，节约这些非能源物资也就节约了能源。在满足经济环保等方面问题 一 要求的前提下，为了达到能源消耗最小的目标，既要考虑单体设备的节 能，又要考虑整体系统的节能。个生产系统是一个整体，单体设备节 能，组合起来后效果就不一定很好，因此充分考虑工艺流程的选择、上 下工序的协调、燃料和动力资源的分配等诸多因素，才能实现能源的最 优利用。 6 石油大学( 华东) 硕士论文 第3 章外热式回转圆筒焙烧炉节能的技术分析 第3 章外热式回转圆筒焙烧炉节畿的技术分析 根据外热式回转圆筒焙烧炉的结构特点结合分子筛焙烧炉存在问 题的分析，其节能设计应从以下五个方面入手：一是改进炉体结构：二 是选用合适的燃烧技术和燃烧装置；三是合理设计炉衬：四是采用有效 的密封机构；五是设置余热回收装置。 3 1 炉体结构 炉体结构应按照工艺条件、使用燃料的情况、热负荷的情况，所用 耐火材料和保温材料以及机械部分的特点，结合烟气流动和换热的特点 进行设计。 外热式回转圆筒焙烧炉在结构上分三个部分：l 、燃料燃烧产生烟 气的燃烧室；2 、烟气与转筒进行换热的对流室：3 、排出烟气的烟道。 为了使整个炉体更加紧凑，一般对流室在上，燃烧室在下，之间采用合 理的烟气分布结构。燃烧室的设计应保证燃料充分燃烧所需要的炉膛容 积和结构。对流室的设计则应考虑如何使烟气更加均匀地流过转筒与炉 衬之间的空隙，有利于增强对流传热并能满足炉幸l 对转筒辐射传热的 要求。烟气分布结构则要求能使烟气均匀进入传热室，不发生短路，不 留死角，使烟气与转筒能充分进行换热，烟道的设计主要是采用合理的 结构，降低烟气流动阻力，以保证烟气顺利排出，同时能利用烟道挡扳 调节炉内压力，并且能满足烟气余热回收装置的安装要求等， 3 11 燃烧室 i ) 炉膛容积的确定。燃料喷进炉内后，很快失去其初速度，随着 气流一起流动。因为燃油进入炉膛以后，绝大部分油滴很快就蒸发完， 所以无论对于燃油还是燃气的燃烧室，大部分炉膛空间主要燃烧的是可 燃气体。因此，燃料在炉内的停留时间实际上也就等于烟气在炉内的停 石油大学【华东) 硕士论文第3 章外热式回转噬筒焙烧炉节能的技术分析 留时间。为了保证燃料能完全燃烧，必须保证它在炉内有一个足够的停 留时间，也就要求有一定大小的炉膛容积。 燃烧室的容积是根据炉膛容积热负荷来确定的。炉膛容积热负荷就 是炉内每小时析出的热量和炉膛容积之比 ”孥 ( 3 1 ) 炉膛客积热负荷的大小可按表3 一i 选择。在设计时如已选定炉 膛客积热负荷就可以根据要求的燃料消耗量和燃料的发热量确定炉膛 容手只， 表3 1 炉膛容积热负荷q 及炉膛截面热负荷q 选埘值 燃料 炉膛客积热负荷q rk - ? i 1 1 ) 炉膛截面热负荷q ( k m ) 重油3 8 9 5 8 1 j8 3 71 1 0 4 67 天然气3 4 8 9 4 6 5 21 0 4 6 7 实际上，炉膛内难免有一些死角，在那里是一些烟气的涡流，主气 流并不经过这些地方。因此，并不是整个炉膛空间都是有效利用于燃烧 的有效利用的炉膛体积v 。只是其中的一部分，即 v 、= 中v i ( 3 2 ) 炉膛充满度系数决定于燃烧器的形式、布置及炉膛的几何形状等因 素。一般炉膛充满度系数巾= o 6 0 8 z7 。充满度系数越低，在同样的炉 膛尺寸下，燃料的停留时间越少，对燃烧越是不利。因此，应当尽可能 地提高炉膛充满度系数。 炉膛截面积可从表3 1 中选取炉膛截面热负荷后，按下式计算 f ；生鱼( 3 3 ) q 设计时应充分考虑所采用燃烧器的火焰特点、布置及整个炉体的外 r 石油大学( 华东) 硕士论文 第3 章外热式回转圆筒焙烧炉节能的技术分析 形特点来提高充满度系数。相同炉膛容积的燃烧室，其炉膛的步 形尺寸， 应在保证垂直于燃烧器轴线方向上能容纳火焰直径的情况下，尽量延长 燃烧器轴线方向的尺寸。垂直于燃烧器轴线方向的炉膛截面的形状应 尽量和火焰的形状相贴合。本着以上原则，对于圆锥形火焰，燃烧室的 断面形状可以设计成矩形、顶部为拱形以及圆形等，其中以圆形截面为 最好。在实际应用中，还应综合考虑燃烧室与其它部分的结合方式和砌 筑的难易程度等问题。 2 ) 燃烧室的布置 ( 1 ) 采用液体燃料时，火焰的长度比较长，对流室下部空间不能 满足燃烧的要求，必须设置单独的燃烧室。燃烧室布置有两种方案： 3 设置多个燃烧室。每个燃烧室对应转筒的一部分。这种方式可以 使转筒在整个长度上温度比较均匀，也可以调节每一段的温度，从而适 应不同的工艺要求。但是会造成整个炉体的开孔增多，燃烧装置及炉前 管道增加，加大了操作、维护的难度，同时也增加了能源浪费的渠道。 设置单个燃烧室。通过烟气分配结构，在整个加热长度上将烟气 进行合理分配。这种方式可以减少炉体上的开孔燃烧装置及炉前管道 数量较少。但是增加了烟气分配结构的复杂性，炉子的施工难度将会加 大。并且如果烟气分配不合理，会造成烟气短路流动和局部超温的现象 发生。同时，由于一个燃烧室产生的烟气温度是相同的，转筒各部分的 温度无法进行单独的调整，从而降低了设备对工艺要求的适应性。 ( 2 ) 采用气体燃料时，火焰长度比较短，对流室下部空间能满足 燃烧的需要，可以不需要设置单独的燃烧室，而直接在对流室下部设置 多个燃烧器。 3 ) 炉底结构 ( 1 ) 热炉底结构。下排烟的炉子，将炉底下部砌一拱形空间，烟气流 1 9 石油大学( 华东) 硕士论文第3 章外热置回转圆筒焙烧炉节能的技术分析 经此空间进入总烟道。烟气可以对炉底进行加热，缩短炉子达到工作温 度的时间。 ( 2 ) 架空炉底结构。上排烟的炉子，将炉底用钢结构托起，可以降低 炉子的蓄热损失并且可以减少炉底基础混凝土的浇筑量，缩短施工的 周期。 ( 3 ) 实炉底结构。炉底直接砌筑在基础上，炉底结构简单，易于旌工， 但是热量传入下部基础，加大了蓄热损失，并容易造成底部基础的损坏。 3 1 2 对流室 在对流室中，主要进行烟气和转筒之间的对流换熟，以及炉衬与转 筒之间的辐射传热。对流室在结构上应符合传热的要求：一是使烟气沿 转筒均匀流动，减少烟气短路，从而保证烟气和转筒对流换热所需要的 面积和时间；二是增大炉衬对转筒的辐射传热的角度系数，提高辐射传 热的强度。 对于上排烟的炉子，烟气绕过转筒流动烟气在转筒周围分布会比 较均匀。而对于下排烟的炉子，转筒与其下部炉衬之间的缝隙成为烟气 短路流动的通道。在这个通道上应设置挡墙，以减少烟气的短路流动， 对流室的径向截面形状应尽可能采用圆形，从而可以减少炉体的外 表面积，降低炉体的散热损失，同时可以加大炉衬对转筒辐射传热的角 度系数，利于炉衬对转简的辐射传热。 3 2 燃烧技术和燃烧装置 外热式回转圆筒焙烧炉采用液体或气体燃料，也有使用电力加热的。 对于使用液体或气体燃料作为热源的炉子，燃烧装置的选择对于能源的 节约是十分重要的。 石油大学( 华东) 硕士论文第3 章外热式回转圆筒焙烧炉节能的技术分析 3 2 1 燃烧装置的分类 一、气体燃料燃烧装置 气体燃料燃烧装置是燃烧各种煤气的燃烧器，通常称煤气烧嘴。其 主要作用是按一定比例和一定混合条件将煤气和空气供入炉内燃烧或在 烧嘴内部实现燃烧，并满足炉内加热过程对火焰的要求。 根据煤气燃烧的火焰状况，通常分为无焰烧嘴和有焰烧嘴两大类。 此外还可以按火焰形状分类，如平焰、直焰、短焰等；按供风和混合方 式分为高压喷射式、内混或外混式、低压涡流式等。 无焰烧嘴使煤气与空气预先在烧嘴内混合，然后喷出迅速燃烧。由 于煤气和空气在烧嘴内部己混合均匀，因而火焰短而透明。无焰烧嘴的 特点是：以煤气作为喷射介质，煤气压力高，不需设燃烧风机及其输送 管道：燃烧所需的过剩空气量少、燃烧快、火焰短、火焰温度高：易回 火，调节范围小；燃烧能力低、外形尺寸大；空气与煤气的预热温度受 到限制；噪声比较大。 有焰烧嘴使煤气与空气全部或大部分在烧嘴外：昆合喷入炉内后再 边混合边燃烧，因而火焰较长并有明显的轮廓。有焰烧嘴的特点是：煤 气压力较低，必须设氍燃烧风机及其输送管道：燃烧时所需过剩空气较 大、火焰长、燃烧慢、火焰温度低：不易回火调节比可以比较大：燃 烧能力大，结构紧凑：空气和煤气的预热温度可不受限制。 常用煤气烧嘴的技术性能见附录中表f 一1 二、液体燃料燃烧装置 液体燃料燃烧装置是将油当作燃料的燃烧器，一般简称油嘴。燃料 油需要经过雾化后再燃烧，因此油嘴除具有一般燃烧装置的基本性能外， 还应具有良好的雾化能力，以保证燃料的完全燃烧。 燃油烧嘴主要按油的雾化方法分类： 2 i 石油大学( 华东) 硕士论文 第3 章外热式回转圆筒焙烧炉节能的技术分析 1 ) 气体介质雾化油嘴是靠气体介质的动量将油雾化，分高压介质 ( 蒸汽或压缩空气) 雾化和低压空气雾化两种。 2 ) 机械雾化油嘴是用机械方法直接将油雾化，即高压油嘴通过油嘴 进行离心破碎和突然扩张破碎，或利用高速旋转杯将油进行离，0 破碎后 再用低压空气进一步雾化。 此外还有用超声波或磁化等方法用于降低油粘度以提高油的雾化效 果：也有采取介质雾化和机械雾化双重雾化的办法来改善重油雾化效果 的。常用油嘴的性能见附录中表f 一2 、3 。 三、新型节能燃烧器” 燃油燃烧产生的热能是焙烧 炉主要的热源，燃烧效果直接影响 到炉子的热效率。采用新型的节能 燃烧器是优化燃烧，减少燃烧过程 的损失是节能的重要方面。下面介 绍几种节能型燃烧器。 1 ) 平焰燃烧器。平焰烧嘴是 美国于2 0 世纪6 0 年代研制与应 用于工业炉在国外已得到广泛 应用。平焰燃烧器的燃料为油或 煤气，其主要特征是烧嘴出口采用 了喇叭口形状的烧嘴砖，使火焰形 成厚1 0 0 2 0 0 r a m 直径 6 0 0 2 0 0 0 m m 的贴壁圆盘形火焰。 这种特殊的温度场、热流场、压 圈3 1 平焰燃烧器的基本结构 1 、烧嘴砖2 、角钢吊挂： 、燃料喷枪 4 、燃料进口、中心杆j 、空气进口 盟3 2 燃油型高速烧嘴简图 石油大学( 华东) 硕士论文第3 章外热式回转圆筒焙烧炉节能的技术分析 力场有利于提高加热速度，防氧化，并节约能源。典型平焰烧嘴结构如 图3 1 。 2 ) 高速烧嘴。高速烧嘴自身带有一个燃烧室，燃料与空气混合后， 在燃烧室内基本上实现完全燃烧。高速烧嘴的节能效果主要有：强化 对流换热，缩短加热时间，降低排烟温度，减少烟气散热损失。提高 炉内温度均匀性，缩短均温时间，提高生产率，节约能耗。易于实现 自动调控。燃油型高速烧嘴结构如图3 一：。 3 ) 气泡雾化喷嘴。气泡雾 化喷嘴的主要构思是将高压 空气( 蒸汽) 在流动的燃油中 产生气泡用气泡作为雾化的 动力，利用气泡的产生、运动、 变形直到喷嘴出口爆破来产 生非常细的液雾。气泡雾化喷 嘴的主要优点是：雾滴 s m d 3 1 0 0 0 耐火层厚度 1 1 32 3 23 4 84 6 4 内壁温度墙高或墙宽n l 1 534 ，5 4 5 1 0 0 0 耐火层厚度m m 1 1 32 3 23 4 84 6 4 ( 2 ) 隔热层厚度 石油大学( 华东) 硕士论文第3 章外热式回转圆筒焙烧炉节能的技术分析 直墙和圆筒炉衬的稳定态传热是不同的，但圆筒炉衬符合下列条件 时可近似按平炉衬计算 一“ 隔热层厚度应根据炉内壁温、不伺隔热材料的物理性质及炉体表面 的允许温度，按热工计算求得。隔热砖的尺寸有一定标准，实际设计中 可以选定一定尺寸后，进行验算。 稳定态下，可求出通过炉墙的热流密度：1 ： 铲嚣 卅1 1 ) i 程计算中往往需要知道层与层之间界面上的温度，可由下式得出 卜卜噜n - 1 茅s c 3 - - i s ) ! ) 拱形结构设计 ( 1 ) 拱项厚度与中心角度 工燃烧室和对流室的拱顶厚度及拱的中心角可参照表：3 - - 3 采用 表3 - 3 拱顶形式的选择 拱顶跨度( m )所处最高温度( )拱顶厚度( r a m )中心角度适用范围 0 5 8 2 98 5 02 3 06 0 。炉膛和各 ：3 0 1 6 3 9 4 41 0 0 0 2 3 0 6 0 。种炉口拱 ：j 9 1 0 0 03 0 09 0 。 顶 3 0 1 6 6 9 6 1 0 0 03 0 09 0 下列部位可采用1 8 0 。中心角度的拱顶。 石油大学( 华东) 硕士论文第3 章外热式回转圆筒焙烧炉节能的技术分析 a 烟道内层拱顶：b 蓄热室拱顶：c 检查孔拱顶。 符合下列情况时，可采用中心角度为6 0 。或9 0 。的多层拱形结 构。 a 提高结构强度而不增加拱顶的厚度时： b 结构上要求拱顶在厚度方向上分层错开时： c 局部拱顶需要经常拆修时，如加料口拱顶、燃烧室拱顶等。 ( ! ) 拱形结构的砌筑方式 根据拱顶砖排列方式的不同，拱形结构用错砌和环砌两种形式： 错砌法适用于各点工作温度一致的燃烧室拱顶，