沸騰爐原理介紹

一、基本原理

①流態(tài)化的基本概念

要了解沸騰爐，必須對固體流態(tài)化的基本概念有所了解。物體可分為固體和流體（液體、氣體）兩類。固體和流體其物理性狀有很大的不同。所謂固體流態(tài)化，就是讓固體顆粒通過與液體接觸而轉(zhuǎn)變成類似流體狀態(tài)的操作。固體流態(tài)化以后可使某些工藝過程簡化和強化，甚至使原來不可能的事情變成可能。在這里只介紹一些與石膏沸騰煅燒有關(guān)的基本概念。在一個長方體容器的底部，裝有一個多孔板，多孔板上方裝有一定高度的石膏粉層。氣體通過多孔板進入料層并穿過料層向上流出。當(dāng)氣流速度較低時，顆粒層是靜止不動的，氣體從顆粒之間的間隙通過，這種狀態(tài)的顆粒層成為固態(tài)床。當(dāng)氣流逐漸增加到某個臨界速度，氣流對固體顆粒的向上推力與顆粒的重量相等時，固體顆粒被氣體吹起而浮動于氣體中，在一定的空氣內(nèi)無規(guī)律的飛翔運動，床層開始膨脹和變松，空隙率比固態(tài)床增大許多，但床層仍有一個明顯的上界面，整個床層具有了類似液體性質(zhì)，這種床層就稱為流化床。如果氣流速度繼續(xù)增大，流化床就出現(xiàn)很大的不穩(wěn)定性，床內(nèi)固體的顆粒成團地濡動，氣體主要以氣泡形式通過床層上升。床層內(nèi)分為兩種聚集狀態(tài)：一種是大體上處于臨界流化狀態(tài)的低孔隙率的區(qū)域，稱為密相區(qū)；另一種是只有稀散固體顆粒高孔隙率區(qū)域（即氣泡），稱為稀相區(qū)。高于臨界流速的氣體以氣泡形式沿著流床上升，在上升過程中互相合并長大，到達床層上界面時氣泡破裂，因此床層上界面很不穩(wěn)定，上下波動，整個流化床看起來就像一鍋激烈沸騰的液體，這種性狀的床層叫做鼓泡床。繼續(xù)增大氣流速度，直至氣流速度大于固體顆粒的懸浮速度時，流化床上界面消失，顆粒將被氣體帶出容器，這就不再存在什么流化床，則成為氣流輸送了。固體顆粒實現(xiàn)流態(tài)化后，流化床就具有了類似液體的性狀，例如它可以浮起大而輕的物體；床層具有了液體那樣的流動性。

②石膏沸騰煅燒爐的工作原理

石膏沸騰煅燒爐的床層狀態(tài)屬于前面所描述過的鼓泡床，因此將這種爐子形象地稱作“沸騰爐”。沸騰爐煅燒部分為一個立式直筒狀容器在其底部裝有一個氣體分布板，氣體分布板可設(shè)計多孔板。目的是在停止工作時支撐固體粉料不致漏粉，在工作時使氣流從底部均勻地進入床層。在床層的上界面以上裝有連續(xù)進料的投料機。在床層上界面處的爐壁上有溢流孔，用于出料。在床層內(nèi)裝有大量的加熱管，管內(nèi)的加熱介質(zhì)為過熱蒸汽或?qū)嵊?，熱量通過管壁傳遞給管外處于流態(tài)化的石膏粉，使石膏粉脫水分解。在煅燒部分上部，裝有一個靜電除塵器，氣體離開流化床時帶出來的少量粉塵，由靜電除塵器收集后自動返回流化床，已除塵的尾氣由排風(fēng)機抽出，排入大氣。正常工作時，從沸騰爐底部鼓入空氣，通過氣體分布板進入流化床 。鼓入的空氣不需要很多，稍稍超過臨界氣速，使床層實現(xiàn)流態(tài)化即可。此時淹沒在流化床中的加熱管向物料傳遞大量的熱量，使二水石膏粉達到脫水分解的溫度，二水石膏就在流化床中脫去結(jié)晶水并變?yōu)檎羝?，這些蒸汽與爐底鼓入的空氣混合在一起，通過床層向上運動。由于蒸汽量比鼓入的空氣量多得多，所以整個鼓泡床的流態(tài)化主要是靠石膏脫水形成的蒸汽來實現(xiàn)的。由于在流化床中粉料激烈的翻滾、混合，所以在整個流化床中各處的物料溫度和成分幾乎是一致的。連續(xù)投入的石膏粉，一進入床層，幾乎瞬間就與床層中大量熱粉料混合均勻，在熱粉料中迅速脫水分解。為了避免剛加入的生料未完成脫水過程就過早排出，設(shè)計時在爐子中加了一塊隔板，將流化床分成大小兩部分，兩部分底部是連通的。生石膏粉先進入大的部分，在此脫掉大部分結(jié)晶水，然后通過下部的通道進入小的部分，在這里完成最終的脫水過程，再由床層上部自動溢流出爐。

二、石膏沸騰爐的特點

  ①設(shè)備小巧，生產(chǎn)能力大。

沸騰爐生產(chǎn)能力的大小實質(zhì)上由熱源通過加熱器壁傳遞給物料的熱量多少來決定。其傳熱方程式為：

Q=K×F×△t

式中Q—由熱源通過加熱器壁傳遞給物料的熱量（kJ/h)

     K—傳熱系數(shù)[W/(m2.K)]

     F—加熱器傳熱面積（m2）

     △t—熱源與物料的溫度差（℃）

沸騰爐由于物料實現(xiàn)了徹底的流態(tài)化，因此爐內(nèi)不需要安裝攪拌設(shè)備。在爐內(nèi)就可以高密度地安裝很多加熱管，因此尺寸不大的爐子就可以有非常大的傳熱面積。

另外，沸騰爐采用的熱源為導(dǎo)熱油，其傳熱系數(shù)K比熱煙氣為熱源的傳熱系數(shù)高出一個數(shù)量級。從傳熱方程式就可以看出，由于傳熱系數(shù)和傳熱面積都較大，總傳熱量Q也就大。這就是說沸騰爐的生產(chǎn)能力比較大，比如產(chǎn)量為5~6t/h的沸騰爐，其長寬只有2m，產(chǎn)量為20t/h的沸騰爐，其長寬也只有3.2m就足夠了，這是其他傳統(tǒng)的外熱式煅燒設(shè)備無法相比的。

②結(jié)構(gòu)簡單，不易損壞。

由于物料實現(xiàn)了流態(tài)化，沸騰爐就不需要有轉(zhuǎn)動的部件，爐子的結(jié)構(gòu)就簡單得多。不但制造方便，投產(chǎn)后也幾乎不需要維修保養(yǎng)。

由于用的是低溫?zé)嵩?，沸騰爐在任何情況下都沒有被燒壞的危險，設(shè)備使用壽命也特別長。

③設(shè)備緊湊，占地少

沸騰爐是立式布置的設(shè)備，除塵器套在爐體上方，與爐子連成一個整體，設(shè)備非常緊湊。不但占地少，還可以避免除塵器結(jié)露。

④能耗較低

沸騰爐的熱能消耗和電力消耗都較低。熱能方面：從熱源傳遞給物料的熱能，除了小部分用于加熱爐底鼓入的冷空氣以及少量的爐體散熱損失外，幾乎都有效地用于物料的脫水分解。爐子本身的熱效率在95%以上。

電能方面：沸騰爐不需要轉(zhuǎn)動，也沒有攪拌機，物料主要是靠石膏脫水產(chǎn)生的水蒸氣來實現(xiàn)流態(tài)化的，需要在爐底鼓入的空氣也很有限，因此鼓風(fēng)機的功率也很小，因此沸騰爐的電能消耗比傳統(tǒng)的煅燒設(shè)備少得多。。

⑤操作方便，容易實現(xiàn)自動控制

流化床有一個特點，就是床層中物料溫度一致。

因此操作中只要控制物料一個設(shè)定溫度，就可以連續(xù)穩(wěn)定

地生產(chǎn)出合格產(chǎn)品。單一的控制參數(shù)，很容易實現(xiàn)自動控制。

⑥產(chǎn)品質(zhì)量好，熟石膏相組成比較理想，物理性能穩(wěn)定

由于采用低溫?zé)嵩?，石膏不易過燒，只要控制出料溫度合適，成品中不含二水石膏，無水石膏也只在5%以內(nèi)，其余均為半水石膏。這樣的相組成很理想，物理性能也很穩(wěn)定。

⑦基建投資省，運行費用低

由于沸騰爐設(shè)備小巧結(jié)構(gòu)簡單、占地少，因此基建投資較同等生產(chǎn)規(guī)模的其他類型煅燒設(shè)備節(jié)省。投產(chǎn)后，由于能耗較低、維修工作量少、使用壽命長，因此運行費用也較省。

脫硫石膏煅燒工藝

低溫慢速煅燒是指物料在煅燒設(shè)備中停留時間較長，進出料時間至少為幾十分鐘，石膏顆粒的表面溫度均處于較低狀態(tài)，石膏顆料內(nèi)外溫度較為接近，如炒鍋、…

脫硫石膏的主要成分是CaSO₄·2H₂O，雜質(zhì)成分包括SiO₂、A1₂O₃、Fe₂O₃、MgO、CaO等，其中CaSO₄·2H₂O含量一般達到85％以上，游離水含量10％~15％。脫硫石膏一般呈中性，是一種粉狀材料，濕粉狀脫硫石膏的密度為1.06~1.20g/cm³，其顆粒直徑集中在30-60μm，其品質(zhì)取決于石灰石的來源和煙氣脫硫過程的生產(chǎn)控制。由于脫硫石膏呈濕粉狀，易結(jié)團，因此在煅燒前不需要像天然石膏一樣進行破碎，但需要對成團的石膏粉進行烘干、打散、分散，從而使石膏顆粒充分與加熱介質(zhì)均勻接觸，保證傳熱過程均衡連續(xù)；其次，脫硫石膏的顆粒粒度分布窄，在煅燒后需要增加粉磨措施，以保證良好的顆粒級配；最后，脫硫石膏中含有少量的SiO₂等高硬度雜質(zhì)對煅燒設(shè)備具有較強的磨損性，需對直接接觸及運動部件進行耐磨處理。