沸腾炉原理介绍

一、基本原理

①流态化的基本概念

要了解沸腾炉，必须对固体流态化的基本概念有所了解。物体可分为固体和流体（液体、气体）两类。固体和流体其物理性状有很大的不同。所谓固体流态化，就是让固体颗粒通过与液体接触而转变成类似流体状态的操作。固体流态化以后可使某些工艺过程简化和强化，甚至使原来不可能的事情变成可能。在这里只介绍一些与石膏沸腾煅烧有关的基本概念。在一个长方体容器的底部，装有一个多孔板，多孔板上方装有一定高度的石膏粉层。气体通过多孔板进入料层并穿过料层向上流出。当气流速度较低时，颗粒层是静止不动的，气体从颗粒之间的间隙通过，这种状态的颗粒层成为固态床。当气流逐渐增加到某个临界速度，气流对固体颗粒的向上推力与颗粒的重量相等时，固体颗粒被气体吹起而浮动于气体中，在一定的空气内无规律的飞翔运动，床层开始膨胀和变松，空隙率比固态床增大许多，但床层仍有一个明显的上界面，整个床层具有了类似液体性质，这种床层就称为流化床。如果气流速度继续增大，流化床就出现很大的不稳定性，床内固体的颗粒成团地濡动，气体主要以气泡形式通过床层上升。床层内分为两种聚集状态：一种是大体上处于临界流化状态的低孔隙率的区域，称为密相区；另一种是只有稀散固体颗粒高孔隙率区域（即气泡），称为稀相区。高于临界流速的气体以气泡形式沿着流床上升，在上升过程中互相合并长大，到达床层上界面时气泡破裂，因此床层上界面很不稳定，上下波动，整个流化床看起来就像一锅激烈沸腾的液体，这种性状的床层叫做鼓泡床。继续增大气流速度，直至气流速度大于固体颗粒的悬浮速度时，流化床上界面消失，颗粒将被气体带出容器，这就不再存在什么流化床，则成为气流输送了。固体颗粒实现流态化后，流化床就具有了类似液体的性状，例如它可以浮起大而轻的物体；床层具有了液体那样的流动性。

②石膏沸腾煅烧炉的工作原理

石膏沸腾煅烧炉的床层状态属于前面所描述过的鼓泡床，因此将这种炉子形象地称作“沸腾炉”。沸腾炉煅烧部分为一个立式直筒状容器在其底部装有一个气体分布板，气体分布板可设计多孔板。目的是在停止工作时支撑固体粉料不致漏粉，在工作时使气流从底部均匀地进入床层。在床层的上界面以上装有连续进料的投料机。在床层上界面处的炉壁上有溢流孔，用于出料。在床层内装有大量的加热管，管内的加热介质为过热蒸汽或导热油，热量通过管壁传递给管外处于流态化的石膏粉，使石膏粉脱水分解。在煅烧部分上部，装有一个静电除尘器，气体离开流化床时带出来的少量粉尘，由静电除尘器收集后自动返回流化床，已除尘的尾气由排风机抽出，排入大气。正常工作时，从沸腾炉底部鼓入空气，通过气体分布板进入流化床 。鼓入的空气不需要很多，稍稍超过临界气速，使床层实现流态化即可。此时淹没在流化床中的加热管向物料传递大量的热量，使二水石膏粉达到脱水分解的温度，二水石膏就在流化床中脱去结晶水并变为蒸汽，这些蒸汽与炉底鼓入的空气混合在一起，通过床层向上运动。由于蒸汽量比鼓入的空气量多得多，所以整个鼓泡床的流态化主要是靠石膏脱水形成的蒸汽来实现的。由于在流化床中粉料激烈的翻滚、混合，所以在整个流化床中各处的物料温度和成分几乎是一致的。连续投入的石膏粉，一进入床层，几乎瞬间就与床层中大量热粉料混合均匀，在热粉料中迅速脱水分解。为了避免刚加入的生料未完成脱水过程就过早排出，设计时在炉子中加了一块隔板，将流化床分成大小两部分，两部分底部是连通的。生石膏粉先进入大的部分，在此脱掉大部分结晶水，然后通过下部的通道进入小的部分，在这里完成最终的脱水过程，再由床层上部自动溢流出炉。

二、石膏沸腾炉的特点

  ①设备小巧，生产能力大。

沸腾炉生产能力的大小实质上由热源通过加热器壁传递给物料的热量多少来决定。其传热方程式为：

Q=K×F×△t

式中Q—由热源通过加热器壁传递给物料的热量（kJ/h)

     K—传热系数[W/(m2.K)]

     F—加热器传热面积（m2）

     △t—热源与物料的温度差（℃）

沸腾炉由于物料实现了彻底的流态化，因此炉内不需要安装搅拌设备。在炉内就可以高密度地安装很多加热管，因此尺寸不大的炉子就可以有非常大的传热面积。

另外，沸腾炉采用的热源为导热油，其传热系数K比热烟气为热源的传热系数高出一个数量级。从传热方程式就可以看出，由于传热系数和传热面积都较大，总传热量Q也就大。这就是说沸腾炉的生产能力比较大，比如产量为5~6t/h的沸腾炉，其长宽只有2m，产量为20t/h的沸腾炉，其长宽也只有3.2m就足够了，这是其他传统的外热式煅烧设备无法相比的。

②结构简单，不易损坏。

由于物料实现了流态化，沸腾炉就不需要有转动的部件，炉子的结构就简单得多。不但制造方便，投产后也几乎不需要维修保养。

由于用的是低温热源，沸腾炉在任何情况下都没有被烧坏的危险，设备使用寿命也特别长。

③设备紧凑，占地少

沸腾炉是立式布置的设备，除尘器套在炉体上方，与炉子连成一个整体，设备非常紧凑。不但占地少，还可以避免除尘器结露。

④能耗较低

沸腾炉的热能消耗和电力消耗都较低。热能方面：从热源传递给物料的热能，除了小部分用于加热炉底鼓入的冷空气以及少量的炉体散热损失外，几乎都有效地用于物料的脱水分解。炉子本身的热效率在95%以上。

电能方面：沸腾炉不需要转动，也没有搅拌机，物料主要是靠石膏脱水产生的水蒸气来实现流态化的，需要在炉底鼓入的空气也很有限，因此鼓风机的功率也很小，因此沸腾炉的电能消耗比传统的煅烧设备少得多。。

⑤操作方便，容易实现自动控制

流化床有一个特点，就是床层中物料温度一致。

因此操作中只要控制物料一个设定温度，就可以连续稳定

地生产出合格产品。单一的控制参数，很容易实现自动控制。

⑥产品质量好，熟石膏相组成比较理想，物理性能稳定

由于采用低温热源，石膏不易过烧，只要控制出料温度合适，成品中不含二水石膏，无水石膏也只在5%以内，其余均为半水石膏。这样的相组成很理想，物理性能也很稳定。

⑦基建投资省，运行费用低

由于沸腾炉设备小巧结构简单、占地少，因此基建投资较同等生产规模的其他类型煅烧设备节省。投产后，由于能耗较低、维修工作量少、使用寿命长，因此运行费用也较省。

脱硫石膏煅烧工艺

低温慢速煅烧是指物料在煅烧设备中停留时间较长，进出料时间至少为几十分钟，石膏颗粒的表面温度均处于较低状态，石膏颗料内外温度较为接近，如炒锅、…

脱硫石膏的主要成分是CaSO₄·2H₂O，杂质成分包括SiO₂、A1₂O₃、Fe₂O₃、MgO、CaO等，其中CaSO₄·2H₂O含量一般达到85％以上，游离水含量10％~15％。脱硫石膏一般呈中性，是一种粉状材料，湿粉状脱硫石膏的密度为1.06~1.20g/cm³，其颗粒直径集中在30-60μm，其品质取决于石灰石的来源和烟气脱硫过程的生产控制。由于脱硫石膏呈湿粉状，易结团，因此在煅烧前不需要像天然石膏一样进行破碎，但需要对成团的石膏粉进行烘干、打散、分散，从而使石膏颗粒充分与加热介质均匀接触，保证传热过程均衡连续；其次，脱硫石膏的颗粒粒度分布窄，在煅烧后需要增加粉磨措施，以保证良好的颗粒级配；最后，脱硫石膏中含有少量的SiO₂等高硬度杂质对煅烧设备具有较强的磨损性，需对直接接触及运动部件进行耐磨处理。