循环流化床导热油炉在热定型机中的应用


汪琦,张慧芬,俞红啸,汪育佑

(上海热油炉设计开发中心  上海  200042)


摘  要:介绍了导热油炉在热定型机中的应用,讨论了循环流化床导热油炉的清洁燃烧技术,分析了炉床内气固混合燃烧的流化过程,研究了临界流化速度的计算方法,并对循环流化床导热油炉的结构型式进行了设计开发,给出了几种常用规格型号的循环流化床导热油炉主要技术指标,总结了循环流化床导热油炉的结构设计开发步骤。

关键词:热定型机;循环流化床;导热油炉;气固混合燃烧;临界流化速度;结构设计


前  言

涤纶是一种热塑性纤维,在染色等一系列加工过程中,由于受多次机械作用和多次拉伸,使织物原来的门幅和线圈几何形状有所变化,因而产生变形和收缩,甚至横直丝缕歪斜,严重影响产品的质量。热定型的目的主要是使涤纶针织物在有张力状态下加热,织物在规定温度下焙烘,使纤维分子间的次价健、分子链段的热运动加剧,从而可使分子重新组合、排列,内应力相对稳定。因此,对涤纶锦纶织物的热定型加工,可以提高织物的尺寸稳定性,增强抗皱性能,同时对织物的表面光洁度、强力、抗起毛起球等性能也有一定的改善。

对涤纶/棉织物进行热定型加工时,在涤纶中发生了结晶化及应力松弛,而棉纤维只是发生了应力松弛。如果从微观角度来考察应力松弛和结晶化过程,热定型加工可分为如下几个过程:织物进行热定型时,首先在热定型机箱体内织物被加热,随着温度上升,尤其是超过涤纶的玻璃化温度(Tg=81℃)以后,涤纶非结晶区内大分子链段发生越来越剧烈的内旋转,即大分子链段的动能克服了大分子间的范德华力,内旋转使体系内的能量趋于最低状态,即将原来因纺织加工和染整加工时累积贮存在涤纶内的能量全部释放出来,实现了应力松弛。

在新的稳定状态下,一旦分子或者链段稳定下来后,分子间的作用力开始重建,如氢键结合的力、范德华力等,进而某些链段进入晶格,开始结晶化过程,并相应地放出结晶潜热,使体系能量进一步降低,进入更新的低能量状态。织物离开热定型机箱体,温度回降到室温,由于以低于涤纶的玻璃化温度,使大分子链段的内旋转冻结,从而使热定型效果保持下来。

循环流化床导热油炉输出的高温导热油,通过导热油循环泵输送给热定型机烘箱中的翅片式散热器内,高温导热油携带的热量经过散热器传递给空气,而被加热后的热空气经循环风机送入喷嘴,吹到湿布面上,蒸发湿织物上的水,并且加热织物使之达到印染定型工艺所需要的温度。因为导热油炉可以供给热定型机等后整理设备较高温度,且温差变化很小的稳定热量,所以,在印染企业中仍作为主要的供热设备使用。

1.循环流化床导热油炉的特点

循环流化床导热油炉对燃料有广泛的适用性,几乎可以用任何种类的固体燃料,包括生物质燃料、燃煤、泥煤、矸石、油页岩和工业废渣;而对于烟气中未燃尽的灰粒,可以将其回收后在炉内重新燃烧,故燃烧效率会很高,可以达到95%以上。另外,如果采用较小的过剩空气系数,传热效果会很好,导热油炉热效率也会较高,可以达到86%以上;同时还不必考虑飞灰的带出,因为飞灰是循环回到炉床内再燃烧的。

循环流化床导热油炉的负荷调节速率快、操作灵活方便,负荷调节速度可以达到毎分钟5%额定负荷;并且对负荷变化的适应性好,在低负荷时可转换为鼓泡流化床,故最低在30%额定负荷下仍可运行。循环流化床导热油炉的脱硫脱氮效果较好,其原因是燃烧层的燃烧温度较低,一般是在850~950℃温度下燃烧,而这正是CaCO3分解和SO2与CaO化合的最佳温度。因为石灰石粉细比表面积大,又是沸腾燃烧,故能与SO2充分接触。另外,由于炉膛温度低,过剩空气系数较小,氮氧化物NOx生成也就较少、排放量也很低,所以,循环流化床导热油炉的燃烧属于清洁燃烧技术。

2.循环流化床导热油炉的燃烧系统

循环流化床导热油炉是把煤或生物质破碎到一定大小的颗粒,空气穿过布风板,把燃料层吹起后在炉膛一定的高度内处于流化状态,破碎好的煤粒子吹送到上下翻腾的高温流化层中燃烧,层内温度一般为850~950℃,新送入的煤或生物质进入数量比本身大几十倍的流化层中,很快被加热到着火温度而着火燃烧[1]

按照气固两相流动的规律,循环流化床处于鼓泡床和悬浮燃烧之间,鼓泡床的床层有明显的上界表面,循环流化床的流体速度比鼓泡床高,床层不断膨胀而没有上界表面,直到固体的煤或生物质颗粒几乎均匀充满炉室,而未燃尽煤或生物质颗粒将由设置在炉室出口处的分离器分离出来,然后再将这些未燃尽煤或生物质颗粒循环返回炉床内继续燃烧,燃尽的灰渣是由炉子底部的出灰排渣接口排出炉室外。

由于流化层热容量比较大,高温粒子在流化层内激烈运动,强化了燃烧与传热过程,所以一般不能燃用的劣质燃料,例如:油页岩、石煤、矸石等都能在循环流化床导热油炉内稳定地燃烧,甚至还可以燃用含碳量在15%以上的炉渣。

循环流化床导热油炉的工作原理是燃料和循环物料在炉膛内流化风的作用下呈流化状态,采用较高的流化速度,使物料在流化状态时没有明显的床面,燃料在流化状态下燃烧,大量的物料被烟气带到炉膛上部,经过布置在炉膛出口的分离器,将物料与烟气分开,并经过一种非机械回送阀将物料回送至炉床内。从而循环流化床导热油炉具有很大的热容量和良好的物料混合,所以对燃料的适应性强,并且由于床内强烈的湍流和物料循环,增加了燃烧的停留时间,因此燃料的燃烧充分、彻底,燃烧效率高。

循环流化床导热油炉的炉膛运行温度通常控制在850~950℃,在炉床中加入石灰石和脱硫剂,可使二氧化硫SO2的排放量大为降低,脱硫成本下降。循环流化床导热油炉采用低温分级送风燃烧,使燃烧始终在低温、低氧下进行,从而大大降低了氮氧化物NOx的生成。

通常将燃料煤和石灰石通过磨碎机磨成很小的颗粒,送入炉膛的下部后,由下部的流化空气吹入旋风分离器,99%以上的颗粒被旋风分离,落入U型回料器中,U型回料密封阀是利用旋风分离器底部出口的物料在立管中建立起来的料位,从而达到回路密封的作用,并且还能连续稳定地向炉床内返送物料,实现返料的自平衡。

返送的动力源来自回料器上升管和立管之间的料位差,回料器用风由单独的高压头、小流量的高压风机提供。由于高压风的松动作用,U型回料器中的灰循环回到炉膛内,循环灰一般为进料固体量的10~20倍[2]。带有少量粉尘的烟气离开旋风分离器,依次将其800℃左右的余热传送给对流受热面内的导热油、空气预热器内的一次风和二次风,最后烟气由多管除尘器或电除尘器除灰后,被引风机抽入烟囱排出。

循环流化床导热油炉采用干式出灰,灰的排放有三个途径:一是通过密相区底部的排渣管,经水冷螺旋出渣机排放;二是通过分离器下部的灰冷却器排放;三是作为飞灰被尾部除尘器收集排放。

3.临界流化速度的计算方法

流化床的流化过程和特性,除了流体的流速对它有很大影响外,还和床层几何尺寸、气体分布板的型式、颗粒尺寸和粒度分布、流化床的内部结构等因素有关。为了保证床内的流化质量,在循环流化床的设计开发时,临界流化速度ωij是一个很重要的流化特性,可以由试验确定,也可以由计算决定[3]。但是由于循环流化过程的复杂性,其计算值一般都有偏差,因此计算值只能用于估算分析,所以对特定的循环流化床,在颗粒尺寸和粒度分布、床层结构决定后,应由试验来确定临界流化速度ωij值。

对于小颗粒,临界流化速度ωij的计算公式如下:

图片.png

对于大颗粒,临界流化速度ωij的计算公式如下:

图片.png

式(1)和式(2)中ωij——临界流化速度,cm/s;

dp——颗粒平均当量直径,cm;

ρs——颗粒密度,g/cm3

ρg——流体密度,g/cm3

ηg——流体动力粘度,g/cm·s;

g——重力加速度,cm/s2

通常将床层从固定状态转变到流化状态时,按布风板面积计算的空气流速称为临界流化速度ωij,即所谓的最小流化速度,相对应的风量即临界流化风量。在进行设计开发时,循环流化床导热油炉的空气正常运行速度必须大于临界流化速度ωij,亦即运行一次风量必须大于临界流化风量,这样才能保证循环流化床导热油炉的炉膛底部不会发生结焦。

临界流化速度ωij的经验计算公式如下:

图片.png

式(3)中ωij——临界流化速度,cm/s;

dp——颗粒定性尺寸(颗粒的筛分平均粒径),cm;

ηg'——气体运动粘度,g/cm·s;

ρs——颗粒的密度,g/cm3

ρg——气体的密度,g/cm3

循环流化床导热油炉的床层状态是随着穿过布风板一次风量的增加,从固定状态过渡到流态化状态。在固定床通过风量很小的时候,床层压降与风量呈正比增加,并且当风量达到一定的值时,床层压降达到最大值,如果再继续增加风量,床层会突然“解锁”,进一步增加风量,床层的压降仍维持不变,即床层的压降维持恒定,利用床层的这一特性,确定出从固定床状态过渡到流态化状态的这一转折点所对应的风量即为临界流化风量。

当循环流化床导热油炉的床层燃料颗粒尺寸和分布决定以后,通常以布风板面积作为流体流通截面来计算流体速度,如果流体的流速大于临界流态化速度,而又小于带出速度时,床层则为流化床。流化床流化过程和特性除了流体的流速对它有很大影响外,还和床层几何尺寸、气体分布板的型式、颗粒尺寸和粒度分布、流化床的内部结构等因素有关。所以,为了保证床内的流化质量,在循环流化床导热油炉的设计开发时,都应该对这些结构和参数进行详细的设计计算[4]

4.循环流化床导热油炉的结构设计开发

循环流化床导热油炉包括炉膛、旋风分离器、固体颗粒再循环装置、辐射受热面、对流受热面、一次风和二次风空气预热器。炉膛的下部输入燃料、石灰石和循环灰,底部分布有多个燃气或燃油的喷嘴,用于开车点火,并设置了灰渣的排出口。大部分的燃烧过程发生在燃烧室的下部,对导热油的辐射传热与对流传热主要发生在燃烧室的上部和尾部室的上部。由一次风空气预热器加热出来的一次热风从燃烧室的下部吹入,起主要的流化作用;由二次风空气预热器加热出来的二次热风由燃烧室的中部吹入,以补充进一步燃烧所需要的氧气。

循环流化床导热油炉采用对称竖井结构,即流化燃烧和炉膛辐射受热盘管布置在前部竖井烟道内;对流受热蛇形管和管式空气预热器布置在尾部竖井烟道内。前部竖井为悬吊结构,炉膛壁由辐射受热盘管和耐火隔热保温炉墙等组成,自下而上依次为一次风室、密相区、悬浮段。

尾部竖井采用支承结构,布置有对流受热蛇形管和管式空气预热器,两竖井之间由旋风分离器相连通,分离器下部连接再循环回送装置和灰冷却器。燃烧器和分离器内部均设有防磨内衬,前部竖井烟道采用敷设受热管的重型炉墙,尾部竖井烟道采用轻型炉墙,由八根型钢柱承受循环流化床导热油炉的全部重量。

在设计开发循环流化床导热油炉时,在流化床密相区没有布置导热油受热面,即把辐射受热盘管升高到距离布风板的位置2.5m以上的区域范围内。在炉膛的下部区域布置有等压风室、布风板、风帽,在炉膛距离布风板的位置2.5m以上的区域内,才布置了辐射受热面;在2.5m以下的区域内采用耐火材料和耐火砖构成炉墙。由于低速循环流化床只有在距离布风板1.5m左右的区域内才会有明显磨损现象,故这种布置方式可以降低烟灰颗粒对辐射受热面造成磨损破坏。

另外,适当增加辐射受热面最下部几圈螺旋盘管的壁厚,同时对下部辐射受热面螺旋盘管高度为0.5m左右的区域内增设防磨环,从而可以有效解决循环流化床导热油炉辐射受热面螺旋盘管的磨损问题[5]。这是因为循环流化床燃烧通常在850~950℃低温范围内燃烧,远远达不到一般煤的灰熔点,所以飞灰是软灰,对辐射受热面螺旋盘管的磨损较为轻微,故在设计开发时只需考虑避开密相区大颗粒的冲击作用。

在结构设计开发时,尾部竖井烟道内对流蛇形管受热面要安装防磨盖板,同时在管式空气预热器中第一排管子上也要加装防磨盖板,安装时要注意该防磨盖板应安装在第一排炉管上面,并且是迎着烟气流动方向、以起到保护第一排炉管的作用。另外,在对流蛇形管受热面和空气预热器烟气侧进口四边周围均要安装有防止烟气偏流的阻流板,同时要合理地选取对流受热面的烟气流速[6]

因为在尾部竖井烟道内布置了一次风、二次风管式空气预热器,预热空气温度可以加热到150℃以上,从而降低了排烟温度下降至160℃左右。由于一次风、二次风的预热空气有利于燃料燃烧,故可进一步提高燃烧效率,而且排烟温度可大幅度降低,故使得循环流化床导热油炉的热效率大幅度提高、可达到86%以上。

循环流化床导热油炉的负荷调节能力以及煤种适应能力,从设计计算的角度上看是同时解决化学平衡、热量平衡和质量平衡的设计计算。其计算分析步骤如下:化学平衡是首先必须满足的,即向循环流化床导热油炉供给设计燃料量及所需空气量,并产生相应烟气量;热平衡是将化学平衡中燃料产生的热量按照所需设计比例释放出来,以保证床温、炉膛出口烟温的两个温度设计参数;质量平衡是炉内物料的平衡,是通过具体结构设计和运行调整,把化学平衡所需空气量和产生的烟气量作为使用条件,按照热量平衡所需比例,将热量传递出去[7]

而详细的设计开发步骤是:根据设计煤种,设计出确定给煤位置、布风装置,按所需流化风速设计密相区截面,以保证床内燃烧份额在可调范围内。煤种及燃料确定后,其产生的烟气量是一定的,再根据所需飞灰再循环率,确定流化风速、确定稀相区截面,最后再确定导热油辐射受热面积和对流受热面积[8]。笔者设计开发几种常用规格型号的循环流化床导热油炉主要技术指标可参见表1所示,适应煤种是烟煤、无烟煤、贫煤、生物质燃料、煤矸石、煤泥、石油焦等。

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5.结束语

热定型过程是在热定型机烘箱内完成,湿织物是以一定的速度连续通过烘箱,在织物进入热定型机的加热区以前,对织物进行超喂处理,有利于涤纶释放出贮存在纤维内部的能量,并使织物获得所需的幅宽计经纬密度。涤纶针织物在热定型过程中关键是控制热定型温度和热定型时间,涤纶针织物的热定型温度为180~210℃,热定型时间是20~90s,冷却温度为50℃左右。

如果热定型温度过低、时间过短均能造成织物表面不平整、不挺括、门幅收缩等疵病,失去热定型作用;如果热定型温度过高、时间过长会造成织物发硬变脆,强力下降,弹性降低并能使某些分散染料升华而产生色差,严重的甚至能使纤维熔融;而在织物离开热定型机的加热区后,应在平整状态下立即使其降温到玻璃化温度Tg以下,如用冷水滚筒或者吹冷风等方法。

循环流化床导热油炉的燃烧过程是在气固两相间的较大区域内,气固强烈混合并有内循环过程,这一内循环导致气固间的良好传热和传质,从而使整个燃烧系统达到均匀的温度分布和快速的燃烧反应。所以,除了燃煤或生物质燃料以外,还可以燃烧低热值的煤矸石、油页岩、煤泥、生活垃圾等,对处理城市垃圾和综合利用能源有着显著的经济效益和社会效益。

循环流化床导热油炉的燃烧属于低污染燃烧,由于循环流化床导热油炉的炉膛温度可控制在850~950℃左右,并在投入燃料燃烧的同时可以直接加入石灰石,故运行成本较低;从而可以去除二氧化硫SO2及控制氮氧化物NOx有害物质生成,并避免大气环境中形成酸雨造成的危害,同时由于石灰石随同未燃尽颗粒再循环,其利用率好、脱硫效率高,而且当Ca/S比为1.5~2.5时,脱硫效率可以达到85~95%。所以,采用这种先进的燃烧方式可以为燃烧高硫煤解除了后顾之忧。

循环流化床导热油炉适合调峰运行,能做到在低负荷时不投料稳燃,具有负荷调节比大、负荷调节速度快等优点。导热油炉的热效率高,由于燃料是在多次循环中完成燃烧的,所以,燃料的化学不完全燃烧热损失几乎为零,同时灰渣的热量也能得到充分的回收,故循环流化床导热油炉的热效率可达到86%以上。另外,因为飞灰可燃物低,燃后的灰渣可作为水泥的掺料和轻质建筑材料,故综合经济效益较好。


参考文献:

[1]汪琦,汪萍.载热体加热炉燃烧过程的研究[J].化工装备技术,1997,18(6):7-12.

[2]汪琦,张慧芬,俞红啸等.循环流化床导热油炉的循环系统研究[J].工业炉,2018,40(3):24-28.

[3]汪琦,张慧芬,俞红啸等.循环流化床导热油炉设计参数的分析与计算[J].工业炉,2018,40(2):50-54.

[4]汪琦.载热体加热炉的传热研究[J].化工装备技术,1995, 16(5):18-23.

[5]汪琦,俞红啸,张慧芬等.导热油炉和供热系统的泄漏原因及处置方法[J].工业炉,2017,39(3):39-41.

[6]汪琦.载热体加热炉对流受热面中的烟气流速分析[J].化工装备技术,2010,31(6):20-22,28.

[7]汪琦.浅析导热油炉的设计[J].化工装备技术,2007,28(5): 49-51.

[8]汪琦.载热体加热炉辐射室内传热计算分析[J].化工装备技术,1997,18(2):17-19.


作者简介:

汪琦,高级工程师,硕士,长期从事热载体加热技术、新能源技术、节能减排技术、热油炉、热风炉、热水炉、熔盐炉、道生炉、联苯炉、焚烧炉、生物质气化炉的设计研究开发工作。

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