沸腾焙烧炉
出处：按学科分类—工业技术 轻工业出版社《制浆造纸手册第五分册酸法制浆》第48页（7433字）
国内亚硫酸盐制浆厂已普遍采用沸腾焙烧炉来焙烧硫铁矿。国内(包括硫酸工业)沸腾炉已烧过含硫10～50%、水分0，1～13%(或水分更高如泥浆加料)的矿。工业规模的实践数据可作为沸腾炉设计的依据。
1．结构型式和工艺条件
沸腾炉的结构型式有直筒型、扩大型(分一次扩大和二次扩大)、锥型床以及在床层中置放多个锥体等。目前采用较多的为一次扩大型。沸腾焙烧炉多采用钢板作外壳，内砌耐火砖(也有浇铸耐热混凝土)，在砖层和钢板外壳之间填有石棉灰保温层。保温层的厚度应使钢板外壳不要承受太高的操作温度，但温度也不要太低，因低温形成酸雾腐蚀。
图6－2－15 带有前室的一次扩大型沸腾焙烧炉
国内一些硫铁矿沸腾焙烧炉的设备特征和工艺条件列于表6－2－28。
表6－2－28 硫铁矿沸腾焙烧炉设备特征和工艺条件实例
*不包括二次风
表6－2－29 白银尾砂的粒析数据
2．炉床的焙烧强度
单位炉床面积上每日焙烧的干矿量(吨干矿／米2·日)称为炉床的焙烧强度。以含硫35%的矿石计算，也可以用硫来计算。
硫铁矿沸腾焙烧炉的焙烧强度取决于矿石的粒度，因为粒度较大的矿粒可以适应较高的沸腾层操作气速(图6－2－16)。可以分为三种情况：
图6－2－16 沸腾层气速与颗粒平均直径的关系
(1)全烧尾砂时，焙烧强度一般选用8～14吨(35%s)／米2·日。
(2)全烧粉碎的块矿，例如粉碎后通过3毫米筛网的矿粒，焙烧强度取25～30吨(35%S)／米2·日。
表6－2－30 通过3毫米筛网的粉碎块矿的粒析数据
某厂试烧7毫米粗粒子矿时，其焙烧强度达到：白银矿37吨(35%S)／米2·日；博山矿33～43吨(35%S)／米2·日。
(3)破碎的块矿和尾砂混合使用时，可以根据两者的比例不同，大致选择在15～25吨(35%硫)／米2·目之间。
表6－2－31 通过7毫米筛网的粉碎块矿的粒析数据
国内沸腾炉的焙烧强度有按上述数据提高的趋势(参阅表6－2－28)。
3．沸腾层操作气速
根据已确定的焙烧强度，可计算出操作温度下沸腾层气流速度：
式中 Cso。——炉气中SO2浓度，%(体积)；
w——操作温度下气流速度，米／秒；
Cs——矿(干)含硫，%：
ηs——硫烧出率，分数；
T——气体的绝对温度，°K。
假定Cs=35%，ηs=0．986，Cso。=13%，T=273+850=1123°K，代入上式，得U床和w的关系如下：
上述数据w值是按总风量计算的，如由炉膛补加二次风，则炉底风量相应减少。二次风量一般为总风量的10～20%。高强度沸腾炉往往采取二次风(甚至三次风)的办法米降低炉床的操作气速。
4．炉膛容积和容积强度
炉膛空间有效体积称为炉膛容积，习惯指沸腾层上部表面(溢流口面)至炉气出口中心线处，如出口在炉顶，则至出口顶端面。
硫铁矿燃烧反应的决定性步骤是一硫化铁的反应速度。例如对于一硫化铁的颗粒(－0．25～+0．18毫米)，在温度700～800℃时，在沸腾层上部空间燃烧7～8秒，硫的烧出率98%(图6－2－17)。
图6－2－17 焙烧时间与一硫化铁的硫烧出率的关系
由炉气带出的矿尘粒度一般小于0．25～0．18毫米，因此炉子上部的焙烧空间应保证气体停留时间不少于7～8秒，一般设计时取8～12秒。
炉的容积强度U容(吨／米3·日)是衡量炉子生产能力的指标之
式中 τ——气体在炉内停留时间，秒。
假定Cs=35%，ηs=0．986，Cso。=13%，T=273+850=1123°K，当τ在5～12秒范围内，U容值如下：
5．炉的尺寸
早期用于焙烧尾砂的沸腾炉是直筒形的，目前多采用一级扩大形的沸腾炉。炉的各部尺寸如图6－2－18所示。
图6－2－18 沸腾焙烧炉各部尺寸关系
(1)炉床的直径D1根据所需的日烧矿量和选择的炉床焙烧强度而定。
炉床面积F床：
式中 G——日烧含硫35%的干矿量，吨；
U床——炉床焙烧强度，吨(35%s)／米2·日。
炉床的直径D1：
(2)沸腾层高度H1近似地等于溢流口高度，目前国内大多数沸腾炉采用700～1300毫米。提高沸腾层高度，炉内热容量大，易于控制操作，易于布置换热装置，但沸腾层压力降加大，要求风机的风压相应高些。
(3)H2一般采取800～1200毫米。
(4)炉子上部直径D2取决于所选择的气流速度W′，一般设计中取0．5～1米／秒。炉上部截面积F2：
式中 V气——操作状态下的炉气量，米3／秒。
炉上部直径D2：
(5)扩散段高度H3可根据下式计算：
式中θ为扩大部分的扩散角，一般采用15～20°，上式可改写成：
H3=(1．87～1．38)(D2－D1)(米)
(6)炉上部高度H4可按以下顺序计算：
炉膛有效容积V：
或：
V=V气τ
式中 G——日烧35%含硫的干矿，吨；
U容——炉的容积强度，吨(35%s)／米3·日；
V气——操作状态下的炉气量，米3／秒；
τ——气体在炉内停留时间，秒。
6． 前室
硫铁矿沸腾焙烧炉是否应设置前室有不同意见：一是认为不需要前室，因为生产实践证明，没有前室的炉生产也很正常；另一认为有了前室更便于操作。目前尚无定论。
前室的面积，大型沸腾炉占炉床面积的5～7%，小型沸腾炉占10～15℃。前室的形状应为半圆形或半椭圆形，不采用方形以避免死角。前室的高度为溢流口高度的1．5～2倍。前室风量按每平方米面积计算应为炉床风量的1．1倍。
7．风帽
常用的风帽为侧孔形，各厂的风帽外形不同，但均大同小异。每个风帽有6～12个风孔，常用的为8孔，孔径5～7毫米。
使颗粒不会在布风板上滞留的侧孔式风帽的小孔风速(w孔)可用下式计算：
式中 γ粒——颗粒重度，公斤／米3；
δ最大——颗粒最大直径，米。
设计选择的小孔风速常为上述计算值的2倍或更高一些。
对于焙烧尾砂的沸腾炉，小孔风速通常采用15～25米／秒，对于焙烧块矿的沸腾炉则采用35～50米／秒。
根据烧矿量计算的空气用量以及选择的小孔风速和风帽规格，可以确定风帽个数。
风帽在布风板上的排列力求避免形成死角。推荐在中间部分采用等边三角形排列，最外2～3圈采用同心圆排列，在两种排列形式的交接处如有大的空隙可斟酌补加风帽。
8．沸腾层的终端速度
目前在设计硫铁矿沸腾焙烧炉时，有可能按所用矿的类型选择焙烧强度，从而确定炉子的主要尺寸。因此有关流态化的计算只是作为复核参考。
终端速度的含义是：对于一定粒度的颗粒，是其维持流化床的最大极限速度，若超过此速度将被气流带出。终端速度的计算，试验者根据各自的试验结果得到不同的公式，结果各不相同。推荐采用Allen公式核算终端速度w终，适用范围Re=1～500。
式中 γ粒——颗粒重度，公斤／米3；
γ气——炉气重度，公斤／米3；
g——重力加速度，米／秒2；
μ——炉气的粘度，公斤／米·秒；
Φp——颗粒的形状系数，取0．7；
Dp——颗粒的平均直径，毫米。
在沸腾焙烧炉中，加入的矿与矿渣的平均粒径范围，在缺乏实测值的时候，下述数据可供参考。
假定沸腾炉的操作温度为850℃，炉气粘度μ=446×10－7公斤／米·秒(0．0446厘泊)，γ粒=4600公斤／米3，γ气≈0．33公斤／米3，则终端速度：
沸腾层的操作气速w一般等于0．25～0．6w终。
9．沸腾层的起始速度
起始速度的含义是床层开始流态化的最小限制速度。各试验者导出的公式也不尽相同。现推荐M·Leva公式，适用范围Re＜10。
假定条件同终端速度的情况下，得：
10．沸腾层的压力降
ΔP沸=h沸γ沸(公斤／米2)
γ沸=γ粒(1－ε沸)(公斤／米3)
式中 h沸——沸腾后某一风量下沸腾层的高度，米；
γ沸——沸腾料层的重度，公斤／米3；
γ粒——床层中固体物料的真重度，公斤／米3：
ε沸——沸腾层在某一气流速度下的空隙率，查图6－2－19。
图6－2－19 气速与空隙率的关系
1－颗粒平均直径0．2毫米
2－颗粒平均直径0．3毫米
3－颗粒平均直径0．4毫米
由于风帽及进气箱的压力降一般约占ΔP沸的10～15%，故总压力降为：
ΔP=(1．10～1．15)h沸γ沸
风帽压力降与通过小孔的风速有关(图6－2－20)。
图6－2－20 风帽孔速与压力降的关系
固定层空隙率：
式中 γ假——颗粒的假重度；
γ粒——颗粒的真重度。
床层膨胀率：
固定层高度：
颗粒平均直径：
式中 xi——某一尺寸颗粒成分，%；
di——该成分的颗粒直径，其值为相邻筛孔孔径d1与d2的乘积的开方值，即
，毫米。
颗粒的形状系数：球形颗粒的形状系数Φp=1，其他各种固体的形状愈不规则，Φp愈小。Φp与固定层的空隙率的关系由下式计算：
当ε固=0．5时，Φp=0．6。
矿在沸腾层内停留时间
式中 G层——沸腾层内颗粒重量，公斤；
G——每小时加料量，公斤，
F床——沸腾床面积，米2；
h固——固定层高度，米；
γ假——颗粒的假重度，公斤／米3。
11．沸腾层内冷却设施的传热系数
沸腾层内冷却设施的传热系数根据实测的经验数据分别为：用冷却水箱或冷却水夹套时，传热系数约在150～200千卡／米2·时·℃，水流速度不应低于0．3米／秒；管式冷却器由于水流速度较大，可达250千卡／米2·时·℃；采用中压废热锅炉时，沸腾层内蒸发管束的传热系数一般取250千卡／米2·时·℃。
表6－2－32 有关沸腾层工艺参数的计算结果
12．烟尘率
由炉气带出的炉灰(即烟尘)量，基本上取决于矿石的颗粒径级及炉气的线速度。炉气中的烟尘含量由下式计算：
式中 β——由炉气带出的炉灰占矿渣总量的百分数(即烟尘率)，一般取70～90%；
x——矿渣产率，分数；
V气——焙烧1公斤干矿产生的湿炉气容积，米3。
某试验炉对烟尘率β的实测结果为：
