成人教育毕业设计（论文）-循环流化床锅炉旋风分离器分析.doc

华北电力大学成人教育毕业设计（论文）华北电力大学成人教育毕业设计(论文)论文题目：循环流化床锅炉旋风分离器分析 学生姓名： 学号 年级、专业、层次： 2008级 热动 专科 函授站： 山东省电力学校 二一年九月摘 要本文介绍了循环流化床锅炉组成结构及主要技术参数，探讨了循环流化床锅炉的效率提高，并对循环流化床锅炉特有的旋风分离器常见的几种形式进行介绍并对其运行工况和特性进行分析。关键词：循化流化床锅炉；气固分离器；旋风分离器；槽型分离器目 录前言1第1章 循环流化床21.1循环流化床锅炉简介2 1.1.1循环流化床锅炉结构3 1.1.2流态化31.1.3临界流化速度41.1.4影响临界流化速度的因素41.2循环流化床锅炉节能改造技术31.3循环化床锅炉节能改造技术61.4循环流化床的脱硫硝技术6第2章 循环流化床锅炉分离器102.1分离器简介102.2炉膛出口几何结构102.3槽行分离器.132.4介质冷却旋风分离器162.5多管式除尘器16第3章CFB锅炉气固分离器的选择183.1与燃烧产物的粒径分布相关183.2结焦问题183.3与颗粒飞速有关183.4多次分离除尘的条件193.5投资费用.21结论22参考文献23致 谢24前 言自循环流化床燃烧技术出现以来，循环床锅炉在世界范围内得到广泛的应用，大容量的循环床锅炉已被发电行业所接受。 循环流化床低成本实现了严格的污染排放指标，同时燃用劣质燃料，在负荷适应性和灰渣综合利用等方面具有综合优势，为煤粉炉的节能环保改造提供了一条有效的途径主循环回路是循环流化床锅炉的关键，其主要作用是将大量的高温固体物料从气流中分离出来，送回燃烧室，以维持燃烧室稳定的流态化状态，保证燃料和脱硫剂多次循环、反复燃烧和反应，以提高燃烧效率和脱硫效率。主循环回路是循环流化床锅炉的关键，其主要作用是将大量的高温固体物料从气流中分离出来，送回燃烧室，以维持燃烧室的稳定的流态化状态，保证燃料和脱硫剂多次循环、反复燃烧和反应，以提高燃烧效率和脱硫效率。主循环回路不仅直接影响整个循环流化床锅炉的总体设计、系统布置，而且与其运行性能有直接关系。分离器是主循环回路的主要部件，因而人们通常把分离器的形式，工作状态作为循环流化床锅炉的标志。分离器是主循环回路的关键部件，其作用是完成含尘气流的气固分离，并把收集下来的物料回送至炉膛，实现灰平衡及热平衡，保证炉内燃烧的稳定与高效。从某种意义上讲，CFB锅炉的性能取决于分离器的性能，所以循环床技术的分离器研制经历了三代发展，而分离器设计上的差异标志了CFB燃烧技术的发展历程。第1章 循环流化床11 循环流化床锅炉简介循环流化床(CFB)燃烧技术是一项近二十年发展起来的清洁煤燃烧技术。流化床燃烧是床料在流化状态下进行的一种燃烧，其燃料可以是化石燃料（如煤、煤矸石）、工农业废弃物（如可燃垃圾、高炉煤气）和各种生物质燃料（如秸秆）。 流化燃烧是一种介于层状燃烧与悬浮燃烧之间的燃烧方式。煤预先经破碎加工成一定大小的颗粒（一般为8mm）后置于布风板上，煤经给煤机进入燃烧室，燃烧室内料层的静止高度约在350500mm，空气则通过布风板由下向上吹送。当空气以较高的气流速度通过料层时，煤粒间的空隙加大，料层膨胀增高，所有的煤粒、灰渣纷乱混杂，上下翻腾不已，颗粒和气流之间的相对运动十分强烈。这种处于沸腾状态的料床，称为流化床。这种燃烧方式即为流化燃烧。流化燃烧后的细小颗粒燃料随高温烟气飞出炉膛，大部分被固态物料分离器捕捉，经返料器送回炉膛循环燃烧，这就是循环流化燃烧技术，采用循环流化燃烧技术生产的锅炉即为循环流化床锅炉。从已投运流化床锅炉分折，流化床锅炉具有独特的优越性：（1）燃烧效率高：国外循环流化床锅炉，燃烧效率高达99；我国设计，投运流化床锅炉效率也高达9598。该炉型燃烧效率高的主要原因是煤燃烬率高。煤粒燃烬率分三种情况分析：较小的颗粒（小于004mm），随烟气速度进行流动，它们未达到对流受热面就完全燃烬了，在炉膛高度有效范围内，它们燃烬时间是足够的；对于较大一些煤粒（大于06mm），其沉降速度高，只有当其直径进一步燃烧或相互磨擦碎裂而减小时，才能随烟气逸出，较大颗粒经分离器分离返回炉膛循环燃烧；对于中等粒度煤，其燃烧时间要比停留时间长，这给颗粒燃烬提供了足够时间，未燃烬颗粒循环燃烧，达到燃烬的目的。（2）、煤种适应性强：流化床炉可燃用低热值的劣质烟煤、页炭、炉渣矸石甚至垃圾、秸秆等，对煤种适应性比煤粉炉、层燃炉好。在循环床锅炉中，通过粒子的循环回燃，炉膛温度能被控制，煤粒着火和燃烬较好。流化床锅炉设计特点是炉膛高，给煤、布风、出渣等设计都适应劣质煤的燃烧，布风装置将空气分别送入一次风的风室及分布板，送入二次风的风道喷咀。一次风约占总风量60，由燃烧室底部送入，二次风由密相区的不同高度送入，给高效燃烧提供了条件。 由于采用了分离回料装置，为劣煤分级燃烧、回燃提供了条件，循环流化床锅炉有两种类型分离装置，一种是惯性分离，一种是旋风分离；现在生产的锅炉多采用一级高温分离器。国产循环流化床锅炉采用较低流化速度（一般45ms55ms）、较低循环倍率约（1020），因此，分离受热面磨损较小。（3）、添加石灰石，有较高脱硫效果：流化床锅炉脱硫原理是：煤燃烧过程中产生氧化硫与流化床炉燃烧添加剂一氧化钙发生反应，产生的硫酸钙随炉渣排出，脱硫效果可达85。灰渣中硫酸钙增加，是综合利用较好的材料。（4）、降低了氮氧化物生成量：在800900低温下燃烧，可控制NOx生成。流化床炉NOx生成原理是空气中氮气和氧气，在燃烧时产生NO。在流化床炉燃烧过程中，燃料中90的氮原素转化成NO2，大约10的氮元素反应生成NO。在燃烧过程中，生成的NOx被末燃烧的碳或CaO还原，减少了NOx排放。（5）、系统简单、运行操作方便。（6）、灰渣综合利用，前途广泛：由于流化床炉渣可燃物极低（约115），而且具有较经济的脱硫效果，增加了灰中硫酸钙含量，这对综合利用提供了有利条件。灰渣可做各种建材的最好掺合料，水泥行业、制砖行业利用灰渣前途最广泛该炉型推广应用，可减少除灰渣场地，对无灰场条件的中，小城市而言不仅可以大大改善环境条件，而且可以推进建材行业发展，变废为宝，使煤碳发挥综合效益。1.1.1 循环流化床锅炉结构锅炉采用单锅筒，自然循环方式，总体上分为前部及尾部两个竖井。前部竖井为总吊结构，四周有膜式水冷壁组成。自下而上，依次为一次风室、浓相床、悬浮段、蒸发管、高温过热器、低温过热器及高温省煤器。尾部竖井采用支撑结构，由上而下布置低温省煤器及管式空气预热器。两竖井之间由立式旋风分离器相连通，分离器下部联接回送装置及灰冷却器。燃烧室及分离器内部均设有防磨内衬，前部竖井用敖管炉墙，外置金属护板，尾部竖井用轻型炉墙，由八根钢柱承受锅炉全部重量。锅炉采用床下点火（油或煤气），分级燃烧，一次风率占5060%飞灰循环为低倍率，中温分离灰渣排放采用干式，分别由水冷螺旋出渣机、灰冷却器及除尘器灰斗排出。炉膛是保证燃料充分燃烧的关键，采用湍流床，使得流化速度在3.54.5m/s,并设计适当的炉膛截面，在炉膛膜式壁管上铺设薄内衬（高铝质砖），即使锅炉燃烧用不同燃料时，燃烧效率也可保持在9899%以上。分离器入口烟温在450度左右，旋风筒内径较小，结构简化，筒内仅需一层薄薄的防磨内衬（氮化硅砖）。其使用寿命较长。循环倍率为1015左右。循环灰输送系统主要由回料管、回送装置，溢流管及灰冷却器等几部分组成。床温控制系统的调节过程是自动的。在整个负荷变化范围内始终保持浓相床床温860度的恒定值，这个值是最佳的脱硫温度。当自控制不投入时，靠手动也能维持恒定的温床。保护环境，节约能源是各个国家长期发展首要考虑的问题，循环流化床锅炉正是基于这一点而发展起来，其高可靠性，高稳定性，高可利用率。最佳的环保特性以及广泛的燃应性，越来越受到广泛关注，完全适合我国国情及发展优势。1.1.2流态化当固体颗粒中有流体通过时，随着流体速度逐渐增大，固体颗粒开始运动，且固体颗粒之间的摩擦力也越来越大，当流速达到一定值时，固体颗粒之间的摩擦力与它们的重力相等，每个颗粒可以自由运动，所有固体颗粒表现出类似流体状态的现象，这种现象称为流态化。对于液固流态化的固体颗粒来说，颗粒均匀地分布于床层中，称为“散式”流态化。而对于气固流态化的固体颗粒来说，气体并不均匀地流过床层，固体颗粒分成群体作紊流运动，床层中的空隙率随位置和时间的不同而变化，这种流态化称为“聚式”流态化。循环流化床锅炉属于“聚式”流态化。固体颗粒（床料）、流体（流化风）以及完成流态化过程的设备称为流化床。1.1.3 临界流化速度 对于由均匀粒度的颗粒组成的床层中，在固定床通过的气体流速很低时，随着风速的增加，床层压降成正比例增加，并且当风速达到一定值时，床层压降达到最大值，该值略大于床层静压，如果继续增加风速，固定床会突然解锁，床层压降降至床层的静压。如果床层是由宽筛分颗粒组成的话，其特性为：在大颗粒尚未运动前，床内的小颗粒已经部分流化，床层从固定床转变为流化床的解锁现象并不明显，而往往会出现分层流化的现象。颗粒床层从静止状态转变为流态化进所需的最低速度，称为临界流化速度。随着风速的进一步增大，床层压降几乎不变。循环流化床锅炉一般的流化风速是23倍的临界流化速度。1.1.4 影响临界流化速度的因素（1）料层厚度对临界流速影响不大。（2）料层的当量平均料径增大则临界流速增加。（3）固体颗粒密度增加时临界流速增加。12 提高循环流化床锅炉热效率的措施适当提高燃烧温度，碳粒子的燃烬时间与燃烧温度有关，提高燃烧温度能明显的缩短碳粒子的燃烬时间。如下式其中:p为碳粒子的燃烬时间s；T b为燃烧温度；dp为碳粒子直径cm。当p从800升高到950时，碳粒子的燃烬时间缩短6倍左右。当燃烧温度从870提高到920，燃烧温度增加50时，锅炉燃烧效率提高了2个百分点左右。降低飞灰含碳量提高锅炉燃烧效率，影响飞灰含碳量的因素有如下方面：燃烧温度、煤的种类、分离飞灰的循环倍率、燃烧室上部燃烧偏斜、燃烧氧量的供给、分离器的分离效率、除尘灰再循环燃烧。（1）温度的影响：经试验证明当燃烧温度从900提高到950时，飞灰含碳量从22.5%降到10%左右，降低了12.5个百分点。燃烧温度提高1，飞灰含碳量降低0.25个百分点，这个影响程度的不同是由煤的燃烧反应性差异所决定的。（2）挥发分低的难燃煤种,飞灰含碳量较高，挥发分高的易燃煤种，飞灰含碳量较低，一般无烟煤的飞灰含碳量比烟煤要高5-10个百分点。(3) 分离灰循环倍率的影响： 图1-1 分离灰循环倍率从图上可以看出分离灰循环倍率为5时，飞灰含碳量为12.5%左右，而分离灰循环倍率从3提高到4，飞灰含碳量降低约2.5个百分点，7提高到8时，降低了1个百分点，14 提高到18时，只降低了0.5个百分点，离灰循环倍率在2-6之间变化，对飞灰含碳量的影响是最有效的。（4）器分离效率：分离器的分离效率与分离灰循环倍率的关系为，m为分离灰循环倍率，c为分离器分离效率，Ay为燃煤灰分含量，a为飞灰份额 。分离效率高，分离灰循环倍率大；煤中灰份含量高，分离灰循环倍率大；燃烧室出口飞灰份额大，分离灰循环倍率高。（5）优化燃烧调整和控制：提高燃烧效果，900-950；改善脱硫效果，830-880；控制NOX的生成量200mg/Nm3-400 mg/Nm3之间，(830-930)；烟气成分包括O2、NO2（NO）、N2O、SO2（SO3）、CO2、CO、N2等，根据O2，CO和CO2含量控制空气量，根据SO2含量控制石灰石加入量，根据NOX含量控制燃烧温度。降低床底渣含碳量，粗粒子在浓相床内的停留时间：Hb - 静止床料高度，m ；Fd - 布风板面积，m2；b -静止床料的堆积密度,kg/m3；B为燃煤消耗量，kg/h；为燃煤中粗粒子的份额。通过试验和实际运行可以高热值煤的停留时间比低热值煤长很多，这就是CFB锅炉烧低热值煤床底渣含碳量高的原因。故需要维持合理燃烧温度，适当提高料层厚度。制备合适粒度及大小分布的燃煤，防止燃烧分层，并注意在烧低热值煤的时候，减少一次风的使用，降低流化的速度。降低排烟温度，减少排烟热损失，影响排烟损失的因素有：排烟温度，包括尾部烟道受热面积灰，烟气含尘量大；过剩空气系数大。而降低排烟温度就可以从提高尾部烟道的受热面；提高分离器效率，降低烟气含尘量；加强尾部烟道的吹灰效率；合理搭配一二次风量，在保证流化和燃烧的情况下，尽可能减少风的使用。1.3 循环流化床锅炉节能改造技术加装燃油，经燃油节能器处理之碳氢化合物，分子结构发生变化，细小分子增多，分子间距离增大，燃料的粘度下降，结果使燃料油在燃烧前之雾化、细化程度大为提高，喷到燃烧室内在低氧条件下得到充分燃烧，因而燃烧设备之鼓风量可以减少15至20，避免烟道中带走之热量，烟道温度下降5至10。燃烧设备之燃油经节能器处理后，由于燃烧效率提高，故可节油4.87至6.10，并且明显看到火焰明亮耀眼，黑烟消失，炉膛清晰透明。彻底清除燃烧油咀之结焦现象，并防止再结焦。解除因燃料得不到充分燃烧而炉膛壁积残渣现象，达到环保节能效果。大大减少燃烧设备排放的废气对空气之污染，废气中一氧化碳（CO）、氧化氮（NOx）、碳氢化合物（HC）等有害成分大为下降，排出有害废气降低50以上。同时，废气中的含尘量可降低3040。安装位置：装在油泵和燃烧室或喷咀之间，环境温度不宜超过360。安装冷凝型燃气锅炉节能器，燃气锅炉排烟中含有高达18%的水蒸气，其蕴含大量的潜热未被利用，排烟温度高，显热损失大。天然气燃烧后仍排放氮氧化物、少量二氧化硫等污染物。减少燃料消耗是降低成本的最佳途径，冷凝型燃气锅炉节能器可直接安装在现有锅炉烟道中，回收高温烟气中的能量，减少燃料消耗，经济效益十分明显，同时水蒸气的凝结吸收烟气中的氮氧化物，二氧化硫等污染物，降低污染物排放，具有重要的环境保护意义。采用冷凝式余热回收锅炉技术，传统锅炉中，排烟温度一般在160250，烟气中的水蒸汽仍处于过热状态，不可能凝结成液态的水而放出汽化潜热。众所周知，锅炉热效率是以燃料低位发热值计算所得，未考虑燃料高位发热值中汽化潜热的热损失。因此传统锅炉热效率一般只能达到87%91%。而冷凝式余热回收锅炉，它把排烟温度降低到5070，充分回收了烟气中的显热和水蒸汽的凝结潜热，提升了热效率；冷凝水还可以回收利用。锅炉尾部采用热管余热回收技术，余热是在一定经济技术条件下，在能源利用设备中没有被利用的能源，也就是多余、废弃的能源。它包括高温废气余热、冷却介质余热、废汽废水余热、高温产品和炉渣余热、化学反应余热、可燃废气废液和废料余热以及高压流体余压等七种。根据调查，各行业的余热总资源约占其燃料消耗总量的17%67%，可回收利用的余热资源约为余热总资源的60%。14 循环流化床的脱硫脱硝技术烟气脱硫是世界上唯一大规模商业化应用的脱硫方法，是控制酸雨和二氧化硫污染的最为有效的和主要的技术手段。 目前，世界上各国对烟气脱硫都非常重视，已开发了数十种行之有效的脱硫技术，但是，其基本原理都是以一种碱性物质作为SO2的吸收剂，即脱硫剂。按脱硫剂的种类划分，烟气脱硫技术可分为如下几种方法。 （1）以CaCO3（石灰石）为基础的钙法（2）以MgO为基础的镁法； （3）以Na2SO3为基础的钠法； （4）以NH3为基础的氨法；（5）以有机碱为基础的有机碱法。 世界上普遍使用的商业化技术是钙法，所占比例近90%。 烟气脱硫装置相对占有率最大的国家是日本。日本的燃煤和燃油锅炉基本上都装有烟气脱硫装置。众所周知，日本的煤资源和石油资源都很缺乏，也没有石膏资源，而其石灰石资源却极为丰富。因此，FGD的石膏产品在日本得到广泛的应用。这便是钙法在日本得到广泛应用的原因。因此，其他发达国家的火电厂锅炉烟气脱硫装置多数是由日本技术商提供的。 在美国，镁法和钠法得到了较深入的研究，但实践证明，它们都不如钙法。 在我国，氨法具有很好的发展土壤。我国是一个粮食大国，也是化肥大国。氮肥以合成氨计，我国的需求量目前达到33Mt/a（百万吨/年），其中近45%是由小型氮肥厂生产的，而且这些小氮肥厂的分布很广，每个县基本上都有氮肥厂。因此，每个电厂周围100km内，都能找到可以提供合成氨的氮肥厂，SO2吸收剂的供应很丰富。更有意义的是，氨法的产品本身就是化肥，就有很好的应用价值。 在电力界，尤其是脱硫界，还有两种分类方法，一种方法将脱硫技术根据脱硫过程是否有水参与及脱硫产物的干湿状态分为湿法、干法和半干（半湿）法。另一种分类方法是以脱硫产物的用途为根据，分为抛弃法和回收法。在我国，抛弃法多指钙法，回收法多指氨法。湿式氨法脱硫技术。氨法烟气脱硫工艺顾名思义是采用氨做吸收剂除去烟气中的SO2的工艺。氨法脱硫工艺具有很多别的工艺所没有的特点。氨是一种良好的碱性吸收剂:从吸收化学机理上分析，SO2的吸收是酸碱中和反应，吸收剂碱性越强，越利于吸收，氨的碱性强于钙基吸收剂；而且从吸收物理机理上分析，钙基吸收剂吸收SO2是一种气固反应，反映速率慢，反应完全，吸收剂利用率高，可以做到很高的脱硫效率。同时相对钙基脱硫工艺来说系统简单，设备体积小，能耗低。另外，其脱硫副产品硫酸铵在某些特定地区是一种农用肥料，副产品的销售收入能降低一部分因吸收剂价格高造成的高成本。氨法脱硫工艺主要由两部分反应组成:吸收过程,烟气经过吸收塔，其中的SO2被吸收液吸收，并生成亚硫酸铵与硫酸氢铵；中和结晶，由吸收产生的高浓度亚硫酸铵与硫酸氢铵吸收液，先经灰渣过滤器滤去烟尘，再在结晶反应器中与氨起中和反应，同时用水间接搅拌冷却，使亚硫酸铵结晶析出。燃烧脱硫+ 尾部增湿活化（半干法）， 燃烧脱硫+尾部增湿活化系指循环流化床炉内加入石灰石进行燃烧脱硫，然后利用炉内未完全反应的脱硫剂（石灰），在锅炉尾部烟道喷入水或水蒸汽，适当降低烟气温度（高于烟气绝热饱和温度），尾部进一步进行烟气脱硫。脱硫产物呈现干态固体物，易于处理，没有污水处理及腐蚀等问题。该脱硫工艺适合与静电除尘器或布袋除尘器配套。降低NOx排放主要技术措施改变燃烧条件：包括低过量空气燃烧法，空气分级燃烧法，燃料分级燃烧法，烟气再循环法。炉膛喷射脱硝：包括喷氨及尿素，喷入水蒸汽，喷入二次燃料。烟气脱硝：干法脱硝，(烟气催化脱硝，电子束照射烟气脱硝)湿法脱硝。而在燃烧上：凡通过改变燃烧条件来控制燃烧关键参数，以抑制生成或破坏已生成的NOx达到减少排放的技术称为低NOx燃烧技术在各种降低NOx排放的技术中，低NOx燃烧技术是采用最广、相对简单、经济并且是有效的方法低过量空气燃烧、空气分级燃烧、燃料分级燃烧、烟气再循环。低过量空气燃烧：使燃烧过程尽可能地在接近理论空气量的条件下进行，随着烟气中过量氧的减少，可以抑制NOx的生成，采用低过量空气燃烧可以降低NOx排放15%20%煤粉燃烧时一次风比例和烟气中飞灰含碳量与NOx含量的关系如图显示，不过炉内氧的浓度过低，低于3%以下时，会造成CO浓度的急剧增加，从而大大增加化学未完全燃烧热损失。同时，也会引起飞灰含碳量的增加，燃烧效率将会降低；此外，低氧浓度会使炉膛内的某些地区成为还原性气氛，从而降低灰熔点，引起炉壁结渣与腐蚀。空气分级燃烧：基本原理将燃料的燃烧过程分阶段完成一级燃烧：将供入炉膛的空气量减少到总燃烧空气量的70%75%，使燃料先在缺氧的富燃料燃烧条件下燃烧。过量空气系数a1，降低了燃烧区内的燃烧速度和温度水平，而且在还原性气氛中降低了生成NOx的反应率，抑制了NOx的生成量。二级燃烧：其余空气与一级燃烧区产生的烟气混合，在a 1的条件下完成全部燃烧过程。炉膛喷射脱硝：向炉膛喷射某种物质来还原已生成的NOx，从以降低NOx的排放量。包括喷水、喷射二次燃料和喷氨等。1、喷水法，但一氧化氮氧化较困难，需喷入臭氧或高锰酸钾，不现实。2、喷二次燃料：即前述燃料分级燃烧，但二次燃料不会仅选择NO反应，还会与氧气反应，使烟气温度上升3、喷氨法（尿素等氨基还原剂） 4NH3十4NO十O26H2O十4N2 4NH3十2NO2十O26H2O十3N2 4NH3十6NO6H2O十5N2 8NH3十6NO212H2O十7N2由于氨只和烟气中NOx反应，而一般不和氧反应，这种方法亦称选择性非催化剂吸收（SNCR）法。但不用催化剂，氨还原NO仅在950 1050这一狭窄范围内进行，故喷氨点应选择在炉膛上部对应位置。采用炉膛喷射脱硝，喷射点必须在950 1050 之间。喷入的氨与烟气良好混合是保证脱硝还原反应充分进行、使用最少量氨达到最好效果的重要条件。若喷入的氨未充分反应，则泄漏的氨会到锅炉炉尾部受热面，不仅使烟气飞灰容易沉积在受热面，且烟气中氨遇到三氧化硫会生成硫酸氨（粘性，易堵塞空气预热器，并有腐蚀危险）。炉内喷氨脱硝优缺点：非催化喷氨脱硝法投资少，运行费用也低.但反应温度范围狭窄；要有良好的混合及反应空间和反应时间的条件；当要求较高的脱除率时，会造成NH3泄漏量过大等问题。第2章循环流化床锅炉分离器2.1分离器简介循环流化床(CFB)锅炉要求达到的一系列技术参数，如：循环倍率、燃烧效率、脱琉效率、床温床压以及对燃料的适应性等，都必须通过气固分离器的可靠性和高效率来实现。目前，我国多采用旋风分离器作气固分离，因为它结构简单，制造技术比较成熟，运行人员也比较熟悉。但多年运行经验表明，旋风分离器用于CFB锅炉主要存在的问题有：保温材料耐高温和耐磨能力不强，造成旋风分离器内衬磨损严重；常压CFB锅炉虽规程上不允许有后燃现象，但实际运行中，旋风分离器内经常出现后燃现象，甚至将分离器自身烧坏；对增压CFB锅炉，因其出口烟气将送到燃气轮机作功，为了燃尽CO等，后燃现象并非不允许，这对旋风分离器的材料将提出更高的要求；保温材料的热惯性很大，导致启停时间延长，负荷变化适应能力低；旋风分离器自身体积大，不利于CFB锅炉大型化，超大的体积将给锅炉带来许多不易解决的问题等。气固分离器分离煤燃烧后产物和脱硫剂脱琉后产物的固体颗粒。这两种颗粒的粒度分布不同于入炉煤和入炉石灰石的粒度分布。完全只根据入炉煤粒度分布来选择气固分离器已不甚合理，制造厂按自身习惯，将用于一般煤粉炉的传统产品选作CFB锅炉的气固分离器则问题会更多。下面介绍几种国内外气固分离器，并提出CFB锅炉如何选用气固分离器的个人看法。2.2 炉膛出口几何结构清华大学做了个试验，图2-1为试验系统示意图。主床面积90mm90mm，有效高5.25m；试验物料为树脂，其平均粒径为500m，物料真实密度1400kgm3，终端速度2.7ms。图1-2表示试验中采用3种典型的出口几何结构。H指凸起部分高度(m)。图2-1 试验系统示意图1.主床 2.旋风分离器 3.称重系统 4.下降管 5.L阀 6.流量计图2-2 3种典型的出口几何结构图设Aehit表示炉膛出口面积为44mm88mm，循环颗粒流率为846gm2s。光滑形出口如图2-2a所示，炉膛出口的固体颗粒，由于导向板的作用随着变向气流而进入水平烟道，在出口附近的颗粒密度保持不变。平直出口结构如图2-2b所示，气固两相流中的固体颗粒一部分随气流离开炉膛，另一部分在与炉顶碰撞后，将沿炉膛内壁碰回并下降，在内壁面附近形成下降的颗粒层在炉膛内循环，它们不进入气固分离器。当采用图2-2c的出口结构时，凸起高度在炉膛顶部形成一个空腔。部分颗粒在向上运动过程中由于惯性而从炉膛进入此空腔，在空腔内密集起来形成一个较浓的区域。聚集的颗粒沿内壁回落称之为空腔效应，形成的颗粒在炉膛内循环。与光滑出口相比，实际上减少了气固分离器的负荷。试验的目的是要最大地增加这一炉膛内循环量。上述炉膛内循环量与图2-2c的H值有关。如凸起高度(H)小于颗粒惯性能达到的最大高度，则空腔内上升的颗粒将与炉顶相碰撞，碰撞后的颗粒将沿炉膛内壁落下，称之为碰撞效应。也和空腔效应一样，将导致炉膛顶部密度增加。如果H大于颗粒所能达到的最大高度时，则顶部密度不再增加。图2-3为炉膛出口几何结构对流化床炉膛密度分布的影响。这种现象不仅可减少流向气固分离器的颗粒量，还有利于增强气固两相的混合。从图2-3可看出，H从0增至015m，两条曲线的距离大于H015m和H035m之间的间距。也就是说空腔和碰撞的综合效应并非与H成正比增加。对CFB锅炉，H实际取05m即可，即将炉顶升高05m就够了。 图2-3出口结构对密度分布的影响 图2-4 出口结构对内分离效率的影响取H05m，用采样探头法，按各种流率Gi测得炉膛顶部的分离效率，如图2-4所示。该试验仍在Aehit44mm88mm和Uf514ms下进行。从图2-4可看出：(1)当H在0304m之间，3根曲线都趋向饱和；(2)随着Gi增大，炉膛内分离效率亦随之提高，当Gi1030kgm2s时，可达70。这说明出口结构作为初级内分离具有很大的应用价值，而且炉顶提高仅05m，无论是新建或旧炉改造都不会花太多的钱。这里要说明的是，并非全炉的效率，也不是气固分离器的效率，系指炉膛内测出下降颗粒量与上升颗粒量之比。改变炉顶几何结构这一措施除减少炉膛后气固分离器负荷外，还有利于减轻旋风分离器和尾部受热面的磨损。2.3 槽形分离器槽形分离器属撞击式分离器。图2-5为埃宾斯别尔格电厂的CFB锅炉系统图。图2-5 埃宾斯别尔格电厂CFB锅炉系统图1.炉膛 2.床的排灰口 3.水冷螺旋输灰机 4.栅格(筛子) 5.气力输送器 6.注入斗 7.旋转阀 8.注入式螺旋输送机 9.10.内外槽形分离器 11.L阀 12.空气管 13.多管除尘器集灰斗 14.送风机 15.多管除尘器返回管 16.排灰阀 17.空气预热器 18.灰斗埃宾斯别尔格电厂的CFB锅炉210th，510和106MPa，满负荷时烟气流速6ms。槽形分离器的槽形部件交错排列，它们被悬挂在炉膛出口后的炉顶，对烟气和固体颗粒的通道形成迷宫，如图2-6所示。两排一次除尘器布置在水平烟道入口处，部分固体颗粒撞击槽形部件后沿槽板下落，收集来的灰粒沿后墙返回如图2-5之9及图2-6之2。由水平烟道中另一排分离器(图2-5之10)收集的固体颗粒进入灰斗，见图2-6之3，再经4只L阀(亦称J阀)即图2-5之11，返回下部炉膛。图2-6 槽形分离器示意图1.烟气和固体颗粒 2.返回炉腔的固体颗粒 3.返回储存斗的固体颗粒经槽形分离器仍未分离出而进入竖井的固体颗粒，通过布置在省煤器和空气预热器之间的多管式除尘器分离后的灰尘收集在灰斗内，再用气力输送设备从图2-5之13的底部输送到下部炉膛，多余的灰从灰斗经排灰阀(16)排入专用容器。槽形分离器除对比于旋风分离器结构上可降低CFB锅炉的高度外，还有以下优点：(1)由于分离器的阻力小，风压损失较小，下部炉膛的气流扩散密度甚低，因而减少了厂用电。经测试，风压可降低25，经计算300th的CFB锅炉，可降低锅炉厂用电的15。(2)炉膛内的颗粒分离，强化了颗粒内部的再循环，促使沿炉膛高度的浓度变化较均匀。(3)借助于L阀颗粒一次回收，炉膛内颗粒质量含量的调节范围增大。(4)新分离器的结构能采用新型耐热材料，由于其热容量小，对加快启停和负荷变化的反应均较快速。(5)由于配套采用了低温高效小直径的多管式除尘器，能分离颗粒直径小的灰尘，改善炉膛的热交换、燃烧条件和吸附剂的利用。(6)国外CFB锅炉多采用外置式灰热交换器以回收灰渣的物理热，并对负荷及床温进行快速控制和调节，故外置式热交换器是形成CFB锅炉的重要设备。例如德国ABBCE公司与鲁齐公司(lurgi Gmbh)共同生产的47台CFB锅炉都有外置式热交换器，简称FBHE。从分离器下来的循环灰温高达871899。FBHE内设有蒸发受热面、过热器和再热器，充分利用了高温灰的热物理，因热灰对受热面传热系数高，节约了大量炉管。国产CFB锅炉由于多方面的原因而未设置外置式热交换器，无上述功能。使用上述结构的两台美国拨伯葛-威尔考克斯公司的CFB锅炉，在两年考察期间运行良好。在合理的烟速下无磨损，无严重积灰现象；多管式除尘器效率达995；耐热材料除分隔墙壁有局部磨损外，其余部分无明显磨损现象，是一项成功的改造。槽形分离器也有装置在水平烟道以下炉膛的出口处，如德国斯坦缪勒公司的CFB锅炉，见图2-7和图2-8，图2-8与图2-7中槽形分离器的工作示意图。该锅炉52th，燃用烟煤或煤歼石。为了防止槽形部件的腐蚀，使用表面强化的铸件。槽钢按45倾角安装。这种除尘器与多管式除尘器(图2-7之6)相配合，除尘效率约90。与传统的CFB锅炉比较，由于颗粒与槽形分离器撞击后折回(见图2-8)，炉膛上部烟气浓度明显提高，导致传热系数的提高。图2-7德国斯坦缪勒公司的CFB锅炉系统1煤斗 2.石灰石斗 3.炉膛 4.槽形分离器 5.对流竖井 6.多管除尘器系统 7.省煤器段 8.送风机 9.返回炉膛灰图2-8 德国斯坦缪勒CFB锅炉的槽形分离器1.固体颗粒流 2.含尘烟气流这种设计的优点：(1)由于分离器的压力损失较小，下部炉膛的气流扩散密度很低，因而降低了厂用电；对热力设备的测试表明，锅炉的表压力降低25。经计算，对300th CFB锅炉，厂用电降低15。(2)由于沿炉膛高度燃煤分布比较均匀，因此上部炉膛的传热增加。(3)碳粒在反应区停留时间加长，改善了煤的燃烬条件，提高了燃烧效率。(4)由于无大尺寸的砖衬部件(旋风分离器、上升管、阀门等)，锅炉冷态启动时间缩短一半。这种设计的锅炉在劳霍夫-格林电厂为100th，在埃宾斯别尔格电厂为210 th，均运行良好。2.4 介质冷却旋风子分离器随着机组和锅炉容量的增大，为了相对地减小旋风分离器的体积，出现了水冷或汽冷旋风子，同时也降低了对分离器耐热材料的要求。芬兰Tampella公司研制开发的“带圆筒形多人口旋风子”新型CFB锅炉，炉膛和旋风子都近乎圆形，而且都由几片水膜式水冷壁组成，构成自然循环回路。燃烧烟气径向流人旋风子的多个入口。人口导向叶片迫使烟气切向旋转，固体颗粒被分离出来，落入与炉膛为同心圆的回料管。该炉膛上部与介冷旋风子直径差不多。芬兰Ahsfrom Pyropowcr公司研制开发的“Pyropowcr紧凑型锅炉”，其分离器由内置式旋流分离器的垂直墙和集料斗组成。固体颗粒沿回料管流回炉膛。该炉与150 MW机组相配套。上述两种介冷旋风分离器都使得锅炉结构更加紧凑，减少了耐火和耐热材料的使用量，可缩短启停时间，避免了炉膛和分离器之间膨胀差。介冷旋风分离器的冷却水或汽都是锅炉水汽循环系统的一部分，其受热面根据热平衡和强度计算，由制造厂家设计决定。介冷旋风分离器虽因降低耐热材料的运行温度从而增加耐磨性，但磨损源于颗粒飞速的三次方，故耐磨材料的研制仍属旋风分离器的重要课题。最近有的厂使用氮化碳化硅作内衬的高温旋风分离器，产生了较好的效果。2.5 多管式除尘器多管式除尘器虽是一种老式的除尘器，但在CFB锅炉中仍多有采用者。上述德国斯坦缪勒公司的锅炉，就是用装在省煤器前的多管式除尘器将回收的灰返回炉膛，见图2-7之6。也有用多管式除尘器作为CFB锅炉的一次除尘。例如：我国援外工程，巴基斯坦的拉克拉电厂350 MW机组及其配套的锅炉3。该厂设计燃用拉克拉地区的高琉褐煤：挥发分26，灰分1952，固定碳2248，低位发热值1202MJkg，入炉煤颗粒度013mm。3台机组于1995年6月至1996年1月先后投入运行。该炉燃烧后产生的烟气自炉膛引出后，流经对流过热器及光管省煤器后，进入多管除尘器，将粗颗粒灰捕集下来，返回炉膛回燃。经多管式分离器捕除灰尘后的烟气，再经外置式省煤器及空气预热器，然后进入布袋除尘器进行最终清灰3。第3章CFB锅炉气固分离器的选择一般燃煤锅炉分离器的选择是否妥当，只影响到粉尘的排放，而CFB锅炉气固分离器的选择当否则影响到整个锅炉的运行性能。目前国内CFB锅炉设计在气固分离器选择上存在一定的盲目性，一般多选用自己厂生产的或比较熟悉的分离器，这可能源于历史惯性。这种盲目性的选择是造成CFB锅炉一系列问题的根源。上面介绍了各种分离器，目的是供选用气固分离器时作参考。现分析选用气固分离器的有关因素。3.1 与燃烧产物的粒径分布相关分离器的效率与燃烧产物的粒径分布密切相关，但燃烧产物的粒径分布情况在设计时还是一个未知数。燃烧产物的粒径分布不仅与燃煤的粒径分布有关，也与燃煤的性质相关。还与运行方式有关。例如：褐煤和烟煤等易燃，甚至能因堆积产生热量而自燃。它们与无烟煤和贫煤相比，即令入炉煤粒径分布相同，但燃烧产物的粒径分布可能迥异。入炉煤的粒径分布，从理论上讲是设计选定的，但实际燃煤的粒径分布取决于煤破碎和筛分系统的性能。对CFB锅炉运行起决定性作用粒径分布参数有：最大粒径、平均粒径和小于300m的粒径所占百分比。一般来说颗粒大的所占百分比大，宜选用碰撞式分离器，小粒径分布多的宜选用旋风分离器，但亦不尽然。例如上述巴基斯坦拉克拉电厂入炉煤粒度分布为013mm，属易燃煤，且与之配用的石灰石岩风化严重。该机组虽系我国设计，但采用美国福斯特惠勒能源公司的技术，该炉直接采用多管式除尘器。上述埃宾斯别尔格电厂210 th CFB锅炉则采用撞击式槽形分离器并配用多管除尘器，其效率能达995。3.2 结焦问题炉膛出口烟气中常含有一定浓度的CO，很容易在旋风分离器中再燃烧，对易结焦的煤，不宜选用旋风分离器。撞击式槽形分离器后部的转向室空间将成为剩余CO的再燃室，因为转向室空间的烟气流的旋涡有利于CO燃烬，而且此时烟气中颗粒浓度已稀，故不会发生严重结焦。3.3 与颗粒飞速有关燃烧产物中的颗粒速度从理论上可以表达，设up表示炉膛中上升速度，上升力为Fs。 3-1Fg颗粒受到的重力；Fd颗粒受到的阻力；Fb颗粒受到的浮力；Fr颗粒燃烧时受到的“反应力”；dp颗粒直径；p颗粒密度；ug烟气速度；g烟气密度；CP阻力系数；g重力加速度：颗粒的质量变化速度，即燃烧速度；u燃烧反应生成的气体逸出速度，为火焰分离角。从理论上讲，uP可以根据以上诸式计算，但实际运算很困难，实际测量也不易。这里只说明如果uPug或mPuPmgug（mP、mg表示颗粒和烟气的质量)，这部分颗粒可能不被气固分离器带走而处于第二文章第2节的情况。被烟气所夹带的颗粒是造成旋风分离器磨损的主要成分。有些无烟煤燃烧时发生爆燃，爆成甚小的颗粒，其固定碳含量较高，未燃烬的颗粒可能在分离器中或以后的烟道中再燃。3.4 多次分离除尘的条件循环倍率KGB，G为单位时间内