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一种用在复合肥工程上的流化床热风炉

晨怡热管 2009-11-16 18:44:23
一、沸腾炉在复合肥工程应用的意义
复合肥是近代化肥工业发展的必然趋势,在化肥工业发达的国家和地区,其产量已占总用肥量的70%~80%。我国化肥的复合率尚远低于世界平均水平。随着农业经济的综合力提升,我国复合肥的生产已成为化肥产业结构调整的方向。
热风炉是复合肥烘干供热的关键设备, 决定了肥料的烘干产量和质量。目前肥料烘干应用的热风炉主要有三大类:燃气热风炉、燃油热风炉和燃煤热风炉。但依我国国情,绝大多数的地区和企业没有燃气条件,而燃油的成本太昂贵。所以国内化肥企业多是选用燃煤热风炉。
现阶段的燃煤热风炉主要有倾斜往复炉排炉、水平往复炉排炉和螺旋下饲煤炉、喷煤粉热风炉和流化床热风炉(俗称沸腾炉)几种形式
倾斜往复炉排炉、水平往复炉排炉和螺旋下饲煤炉都是层燃方式,在复合肥烘干使用上有几个共同的缺点与不足:
1、机械磨损大,炉条寿命短,设备故障率高。
2、燃烧效率低,能耗高。
3、对原煤有选择适用的要求。
4、给煤量控制不精准,供热不稳定,热风温度波动大。
5、燃烧环境差,司炉工的劳动强度较大。
6、工况的调节依靠人的因素较多。
喷煤粉热风炉,是把煤磨成细小粉状用喷煤烧嘴喷进炉膛在高浓度的悬浮状态燃烧。煤的磨粉置备能耗高,粉尘大。炉膛燃烧的烟气温度高,烟气出口携带飞灰大,该炉对煤质要求高,所以也不适合肥料的烘干供热。
沸腾热风炉的燃烧方式介入层燃炉和煤粉炉之间,是一种流化床燃烧方式,在煤燃烧工业应用上是发展趋势。冶金、建材和电力行业应用十分普及。随着沸腾炉的技术进步,尤其是逐步解决出口飞灰含尘量的问题,近几年,沸腾炉才开始在肥料行业的供热应用有长足进展。
传统观念上的燃煤热风炉都是层燃方式,给人的感觉就是脏、乱、差、累。据了解,许多企业对热风炉的供热不重视,表现在:设计时不经热工平衡计算选型随意,选购时不问规格合适与否图便宜,使用时用最不稳定的临时工。结果这一块成了场区最耗能最脏乱的地方,司炉工成了最没有尊严进而没有上进心的岗位工,烘干质量成了最不稳定最不放心的地方。由于肥料水分烘不干,直接影响了筛分、破碎和产品强度,是结块的致命伤。一些企业生产主管可能并没有意识到这一点,只是觉得工人是不是偷懒没下力气多加煤烧啊,烧多少煤他不管,能不能烧那么多煤也不管,直到把炉墙炉蓖烧垮,再让人拿耐火砖补补,拿炉条换换。许多炉体上连块温度表也没有,更谈不上热工控制了。对供热观念强些的、条件好些的企业可能选配了链条炉,它实质上还是层燃方式。尽管链条上铺煤厚度,链条转速是可控的,但煤质变了、肥料配方换了、负荷调了、供热温度要求变了,工人能靠主观性的经验把供热调整到合适状况就比较困难。
而流化床燃煤热风炉(沸腾炉)能够克服层燃炉的以上不足。事实证明,沸腾炉是燃煤热风炉中最为节能和环保的炉型,并且供热稳定、热工控制性能好、操作简易、维修量小。随着在日益蓬勃发展的复合肥工程上的应用,沸腾炉体现出的环境效益和社会效益将十分明显。

二、沸腾燃烧技术简介


2.1燃烧方式
沸腾炉是鼓泡流化床燃煤热风炉的俗称。它的燃烧方式是燃煤经破碎成10mm以下的颗料,经喂煤机械匀速地送入炉膛布风板上,布风板与等压风箱连成整体,鼓风箱的高压风通过布风板上的众多风帽小孔射入炉膛,各方散射的聚合成“气垫”托起煤粒及炉料呈流化态沸腾状燃烧,煤粒上下腾跃,相互磨擦,碰撞及裂解,由大至小直至燃烬为止,由于固体颗粒处于流化状态,具有一系列特殊的气固流动,热质传递和化学反应特性,从而使得这种介于层燃炉和煤粉炉之间的沸腾炉具备了一些常规燃煤方式的不同的特点。
2.2沸腾炉的优特点
1、燃料适应性广。它既可以烧优质煤,也可以烧各种劣质燃料——高灰煤、高硫煤、煤矸石、油页岩、石油渣、尾矿、煤泥、炉渣、树皮、稻谷壳、木头屑、垃圾等。在燃料来源、品种和质量多变的情况下,采用流化床燃烧技术更为适宜。
2、燃烧温度较低(850~950℃),能够在燃烧过程中有效地控制Nox和Sox的产生和排放,是一种“清洁”的燃烧技术,它避免了煤粉炉所需的庞大而昂贵的烟气脱硫、脱硝装置
3、燃烧效率高,可达90~99%。
4、截面热力强度大,床层传热能力高,可以减少炉膛体积与钢耗。
5、负荷调节宽泛,调节性能好。
6、灰渣不易软化或粘结,灰渣活性好,便于综合利用。
2.3一般沸腾炉在复合肥烘干应用上的主要问题
推广沸腾热风炉应用最成功的是华中科技大学国家煤重点燃烧室研究设计的“两段U型燃烧低污染高温烟气沸腾炉”。从1989年至今,已在全国推广应用了上千台套,并出口东南亚诸国,沸腾炉的应用主要是在建材和冶金等物料烘干行业。
沸腾炉在化肥工业应用尚需解决的主要问题是:
沸腾炉热烟气的飞灰量较大,尤其燃烧高灰份煤时对除尘设备要求高,若采用常规除尘器,烟气中粉尘排放浓度高,直接供热受到限制,系统阻力增大。
2.4
ZDFR型双级分离较洁净的流化床燃煤热风炉的介绍
本炉(专利号:ZL03 2 54894.X)设计炉内双级惯性气固分离装置及笛管二次风结构,一方面提高燃尽率,另一方面减少出口烟气的飞灰夹带,实现较清洁的热风供热,满足多行业的供热要求。拱顶形状较灵活,设计混合烟室可配风,使出口的热烟气温度均匀可调。
在流化床热风炉(沸腾炉)基础上,炉内设计双级气固分离装置:



1、高压空气
2、等压风箱
3、进煤管
4、沸腾床燃烧室
5、U型槽耐火砖分离器

6、U型燃烧沉降室 7、混合室
8、热烟气出口
9、笛形风管
10、出渣斗 11、手动风阀
图1
双级分离较洁净流化床热风炉结构简示图
1、U型槽耐火砖撞击式分离器
结构特征:在流化床炉膛与烟室间的挡火墙上方通风窗口,砌筑双排或三排U型槽耐火砖墙,每排U型槽耐火砖上下重叠砌筑,左右错开烟气通道;而前后排的通风道是错开的。当烟气经过时,气流撞击到U型槽砖后再折流到两边通风道,烟气中的固体颗粒经折流并与砖壁多次碰撞后脱离气流,在重力作用下沿U型槽沉降分离出来,并回落到炉膛进一步燃烧,以达到降低飞灰残炭和减小进入后烟室飞灰浓度之目的。考虑到U型槽内的积灰浓度过大,将会造成挟带,所以每几层叠砌后,改U型槽耐火砖为下斜槽的U型斜槽耐火砖,使灰在槽内集成一定量后即分段沉降。从而组成U型槽耐火砖撞击式分离器,选用耐火砖是考虑它的耐高温、抗氧化、安装砌炉方便,制造成本较低。
2、U型燃烧沉降室
炉膛的结构设计中采用了与以前不同的两段U型燃烧室。
结构特征:气流在下行又上行,经转向,加速再减速,使烟气中的固体颗粒在惯性力和重力的作用下与气流分离,并沉积于该室底部,并在此处进一步燃烧,以增加碳粒的燃烬时间,提高热效率。该室底部没有集灰斗,而是设计斜坡,沉降的积灰顺坡溢流到混合烟室的底部,从混合室底部设计的渣斗排出。依炉大小不等,沉降室与混合烟室的底部设计若干通风孔,通风孔下设计安装笛孔风管,此笛孔管与炉主风箱连通,笛管上设计两排方向的小孔,一排向上,为了向炉内补充二次燃烧的给氧;一排水平向出渣斗开孔,目的是松动和吹扫此处积灰方便排灰。主、次风管间设计有手控阀门,以控制分配二次风量的大小。
改进设计的斜坡结构和二次笛形风管,使炉整体更加紧凑,结构简单,投资省,分离器的阻力小,减少了出渣口,方便积灰燃烧对提高燃烧效率有贡献。另外还有利于挡火墙的结构牢固性,可提高炉体寿命。
该专利设计的炉型,除了具备沸腾炉的共同优特点外,还具有如下优点:
1、内采取双级分离,热烟气粉尘携带量大大减少。烟气含尘量小于10%。
2、烟气中的碳粒含量减少,炉燃烧热效率增加。
3、出口烟气温度均匀可调,出口方位自由灵活。
4、炉体结构紧凑,安装简单易行,经济实用。
5、广泛适用对飞灰含量和残碳量有特殊要求的供热工业生产线。如肥料造粒干燥等。

三、在复合肥应用的工艺布置和控制流程图解


以该专利设计的炉型在十万吨/年尿基复合肥上的应用情况为例
3.1
ZDFR流化床热风炉及配套设备工艺设计布置图
依烘干机热平衡计算热风炉供热量:
Q=11072500
kJ/h(≈2,650,000kcal/h)
取炉的热效率η=90%,该炉的实际热效率大于此值。
考虑设计余量,按取整值3,000,000 kcal/h的供热量,设计年产10万吨尿基复合肥烘干机配套的流化床热风炉,型号定义为ZDFR3。
热风炉工艺设计为架起形式,方便炉底出渣。

 


1、
鼓风机
2、炉体
3、圆盘喂煤机
4、储煤仓 5、煤提升机 6、出渣斗 7、煤破碎机

图2
年产十万吨尿基复合肥应用的沸腾炉工艺流程简图


3.2流化床热风炉热工监控流程示意图:

图3
尿基复合肥应用的沸腾炉热工控制流程示意图


    设计现场控制热工柜,采取智能数显,按键式界面。选定需要测控的工艺点如下:

表1

热工柜工艺测点参数


序号





代号


工作范围


测量范围


仪 器 仪 表


01


炉膛工作温度


T1


850-1050℃


0-1300℃


数显表、热电偶


02


尾气温度


T2


0-100℃


0-300℃


数显表、热电阻


03


混合热风温度


T3


0-300℃


0-300℃


数显表、热电阻


04


鼓风风压


P1


3-6kPa


0-10kPa


数显表、压力传感器


05


炉膛负压


P2


-50-0Pa


-500-0Pa


数显表、压力传感器


06


鼓风机风门阀位


Z1


0-100%


0-100%


数显表、电动执行器


07


射风机阀位


Z2


0-100%


0-100%


数显表、电动执行器


08


喂煤机转速


N


0-5HZ


0-50HZ


 

变频器


 

3.3运行与控制的说明
该流化床热风炉能在很宽泛的变负荷下运行,其正常燃烧的标志是风煤量合理地调配,使得炉膛温度与炉膛负压能稳定在一正常细小偏差范围内。在点火启动阶段,起始投料阶段、煤种变换、停炉压火等各工况下的运行操作,扰动因素特别多。实现完全自动调节涉及许多的模糊变量,设计十分困难。所以本设计采用了自动与手动两档切换(通过M/A键)。
在点火启动、开始投料阶段及停炉压力的过程控制一般都采用手动档。尤其在沸腾炉投产初期,需经过一段时间的手动控制操作使用,对煤种的适用性、炉子的燃烧特性有了较深的了解,数显指标、参数调整有了较丰富的经验后,才可以切换到自动档运行。并应根据手动运行的经验将参数设置妥当。、
一般正常工况下干燥机的进料量和进料水分是一稳定值,当出料水分偏大时,出干燥机的热风温度(t2)会偏低,说明供热量不足,就要求增加供热,即加大给煤量,按键控制圆盘喂煤机转速N提高,与之适应,要按键调大鼓风机风门阀位Z1,以保证过量氧气供给和维持系统的正常燃烧温度t1,因热烟气量的增加,随即要调节射流风机的冷风补给,即按键加大风阀Z2开度,从而保证干燥机的入口热风温度t3(130-150℃),经以上调整后,尾气量会增加,从而应适当调大尾气引风阀位的开度,以确保系统负压供热气流的通畅。反之亦然。P1和P2分别是炉底鼓风机工作状态的正压力和炉膛正常运行时的负压力监测点。
当煤种一定,负荷稳定后,以上的正常运行参数基本是稳定的,即按以上的设计思想建立控制模型,对关键参数予以自动调节。
根据DCS系统需要,本控制设计有与上位机通讯的通道。考虑到系统的开放性,与上位机的通讯借助PLC来完成。本系统将向PLC输出所需的4-20MA模拟量信号,I/O开关量状态信号和接收PLC开关状态信号,最后通过PLC总线与上位机进行信息交换。
3.4
在尿基复合肥应用的效果评价
以河南心连心化工股份有限公司的第一条年产十万吨尿基复合肥生产线烘干技改为例,原烘干热风炉是下饲式燃煤热风炉,改造成沸腾炉。沸腾炉较原下饲式燃煤热风炉有许多的优势。
表3-2
沸腾炉改造前后的工况与性能指标比较表

工 况 性 质 指 标


技 改 前


(1#、2#二段干燥)


技 改 后


(1#一段干燥)


进口物料水分(%)


≥3.0


<3.0


出口物料水分(%)


≤1.8


<1.0


进口物料温度(℃)


55-60


60-65


出口物料温度(℃)


65


≥65


进口热风温度(℃)


<170


135


出口热风温度(℃)


<75


>75


成品肥料产量(t/h)


12-14


22-25


肥粒强度(N)


14


>20


每吨干料标煤耗(Kg/t)


19-23


8-10


每吨肥料电耗(kw/h)


28


18


劳动力(人/班)


4


3


炉前工作环境


差,人工排渣


好,自动


点火、起火




压火时间



12-16小时


稳定性




结疤情况


经常


没有


尾气排放


达标


达标


系统故障情况


经常


 

没有


 

(1)设计采用该沸腾炉后,提高了供热能力和供热稳定性和可控性。使一段干燥即能达到原来两段干燥的能力,减小了运行成本,提高了设备使用效率。
(2)干燥的肥料强度高,水分低,并少走一次转筒干燥机的流程,减少了肥料的破损率,提高了合格成品肥料的产量,减少了返料量。
(3)出料温度提高,返料量减少,促进转鼓造粒的水分降低,造粒后的肥粒温度升高,这些又作为干燥机良好的进料初始条件,反过来促进烘干品质的提高。
(4)热工监控系统对工况运行有量控的明确指标,对指导沸腾炉操作十分方便,尤其是干燥机的入口温度控制得精准,没有出现肥料超温熔化而积疤返料现象,工艺流程十分顺畅。
(5)U型燃烧沉降室与U型槽砖分离器的使用,对提高燃尽率和炉内收尘有很大的贡献,投资不大,但效果明显。微量的粉煤灰掺入肥料中,比例约0.21‰,对成品肥的色泽和理化性能没有改变。
(6)沸腾炉的体积比下饲炉要大,投资也略高,但其改造后年直接节能效益超过100万元(按300天/年计)。
(7)因系统改造后,故障率少,生产组织得很顺畅,增产能力明显,年新增产量6万吨,增加产值9000余万元,加上省劳力省维修费等,技改的综合效益十分显著。
ZDFR炉型在其他肥料企业应用也广受好评。
四、ZDEFR流化床热风炉在化肥行业的工程应用业绩表

序 号


用    户    名    称

炉    型


1


河南心连心化工有限公司尿基复合肥


一期ZDFR3二期ZDFR2和三期ZDFR2程应用


2


江苏中东集团化肥有限公司(总部)


ZDFR3,多品种复合肥


3


信阳中东化肥有限公司


ZDFR3,烘硫基复合肥


4


中东集团化肥公司沭阳分公司


ZDFR3.5,硝基复合肥


5


上海阿波罗复合肥有限公司


ZDFR3,烘多种复合肥


6


辽宁营口三征有机化工股份有限公司


2×ZDFR2,烘生物复合肥


7


湖南澧县氮肥厂


ZDFR3,烘生物复合肥


8


陕西汉中远东化肥有限责任公司


ZDFR3.5, 烘硫基复合肥


9


**农五师赛里木肥料有限责任公司


ZDFR1,烘尿基复合肥


10


贵州宏福实业开发有限总公司


ZDFR6,烘磷石膏


11


河南省昊利达化工有限公司


一期ZDFR2\二期ZDFR3,烘尿基复合肥


12


安徽省宁国司尔特化肥有限公司


ZDFR4,烘硫精矿


13


青海格尔木藏格钾肥有限公司


ZDFR6,烘钾肥


14


河南天华化工有限公司


ZDFR3, 烘硫基复合肥


15


平顶山飞行化工集团复合肥公司


ZDFR2\ZDFR1烘尿基复合肥


16


山东潍坊嘉尔特化肥有限公司


ZDFR3硫基复合肥


17


山东博丰复合肥有限公司


ZDFR2\ZDFR1烘尿基复合肥


18


山东泰安山东农大复合肥有限公司


ZDFR4尿基复合肥

责任编辑: banye 参与评论
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