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沸騰爐原理介紹

一、基本原理

①流態化的基本概念

要了解沸騰爐，必須對固體流態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。所謂固體流態化，就是讓固體顆粒通過與液體接觸而轉變成類似流體狀態的操作。固體流態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，這種狀態的顆粒層成為固態床。當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，在一定的空氣內無規律的飛翔運動，床層開始膨脹和變松，空隙率比固態床增大許多，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，這種床層就稱為流化床。如果氣流速度繼續增大，流化床就出現很大的不穩定性，床內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。床層內分為兩種聚集狀態：一種是大體上處于臨界流化狀態的低孔隙率的區域，稱為密相區；另一種是只有稀散固體顆粒高孔隙率區域（即氣泡），稱為稀相區。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。固體顆粒實現流態化后，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。在床層內裝有大量的加熱管，管內的加熱介質為過熱蒸汽或導熱油，熱量通過管壁傳遞給管外處于流態化的石膏粉，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，使床層實現流態化即可。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晶水并變為蒸汽，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化主要是靠石膏脫水形成的蒸汽來實現的。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

  設備小巧，生產能力大。

沸騰爐生產能力的大小實質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[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了徹底的流態化，因此爐內不需要安裝攪拌設備。在爐內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熱油，其傳熱系數K比熱煙氣為熱源的傳熱系數高出一個數量級。從傳熱方程式就可以看出，由于傳熱系數和傳熱面積都較大，總傳熱量Q也就大。這就是說沸騰爐的生產能力比較大，比如產量為5~6t/h的沸騰爐，其長寬只有2m，產量為20t/h的沸騰爐，其長寬也只有3.2m就足夠了，這是其他傳統的外熱式煅燒設備無法相比的。

結構簡單，不易損壞。

由于物料實現了流態化，沸騰爐就不需要有轉動的部件，爐子的結構就簡單得多。不但制造方便，投產后也幾乎不需要維修保養。

由于用的是低溫熱源，沸騰爐在任何情況下都沒有被燒壞的危險，設備使用壽命也特別長。

設備緊湊，占地少

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

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：沸騰爐不需要轉動，也沒有攪拌機，物料主要是靠石膏脫水產生的水蒸氣來實現流態化的，需要在爐底鼓入的空氣也很有限，因此鼓風機的功率也很小，因此沸騰爐的電能消耗比傳統的煅燒設備少得多。。

操作方便，容易實現自動控制

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定溫度，就可以連續穩定

地生產出合格產品。單一的控制參數，很容易實現自動控制。

產品質量好，熟石膏相組成比較理想，物理性能穩定

由于采用低溫熱源，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，其余均為半水石膏。這樣的相組成很理想，物理性能也很穩定。

基建投資省，運行費用低

由于沸騰爐設備小巧結構簡單、占地少，因此基建投資較同等生產規模的其他類型煅燒設備節省。投產后，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。