（工程热物理专业论文）锅炉改造中方形卧式分离器的研究与开发.pdf

浙江大学硕士学位论文王东摘要 摘要 由于燃烧设备和燃烧技术的相对落后，我国相当一部分的常规锅炉( 煤粉炉、 链条炉、燃油锅炉) 存在不同程度的燃烧效率低下、环境污染严重或者燃料成本 昂贵等问题。应用循环流化床燃烧技术对这些常规锅炉进行改造是解决这些问题 的一个很好的途径。在改造过程中，气固分离装置的选择起着至关重要的作用。 针对这一情况，本文对浙江大学热能工程研究所提出了一种可应用于锅炉改造中 的新型旋风分离器方形卧式分离器进行了试验和理论研究。 本文的工作可分为三个部分。第一部分对旋风分离器的研究发展状况进行综 述。首先介绍了评价旋风分离器的性能指标、影响旋风分离器分离性能的因素和 几种旋风分离器的分类方法，然后对目前旋风分离器内流场的研究进行了简要介 绍。一般认为，在立式旋风分离器内存在外层下旋涡及内层上旋涡的双层旋转流 动结构，但是在卧式旋风分离器中尚没有统一的认识。最后介绍了几种典型的旋 风分离器，并根据锅炉改造的需要简要介绍方形卧式分离器。 第二部分是在对方形卧式分离器的初步结构优化试验基础上，对一特征尺寸 矽为3 0 0r 1 3 1 n 的分离器在不同入口风速和不同入口颗粒浓度下的分离效率和分离 器阻力进行了较为全面的冷态模拟试验。结果表明，对于粒径大于1 ( 3 0p1 3 3 的 固体颗粒，方形卧式分离器的分离效率在9 0 以上，阻力小于1 5 0 0 p a ；在入口 风速1 8m s ，颗粒浓度o 8k g m 3 的工况下，测得切割粒径砍卯在5 0ui n 左右。 此外，对试验数据进行回归，得出了分离效率和分离器阻力的经验回归公式。为 方形卧式分离器的设计提供了设计经验公式。 在第三部分，在对目前多相流场模型和商用f l u e n t 软件简要介绍基础上， 应用f l u e n t 对方形卧式分离器内的颗粒运行轨迹进行了计算。得到不同粒径 的颗粒运彳亍轨迹以及分离器内气相流场的信息。结果表明，在分离器内部有两个 较为明显的旋涡，位于排气管附近的为强旋涡，位于半斜锥体后壁处有一弱旋涡。 关键词循环流化床锅炉改造方形卧式分离器经验回归颗粒轨迹 f l u e n t 流场计算 浙江大学硕士学位论文王东 a b s t r a ( 汀 a b s t r a c t b e c a u s eo ft h eb e h i n d h a n df a c i l i t i e sa n dt e c h n o l o g yo fc o a lc o m b u s t i o n ，t h e r ea r e c e r t a i np r o b l e m ss u c ha sl o wc o m b u s t i o ne f f i c i e n c y , s e r i o u sp o l l u t i o np r o b l e m so i c o s t l yf u e lc o s ti nal a r g en u m b e ro fr e g u l a rb o i l e r s ( i n c l u d i n gp u l v e r i z e d c o a l f i r e d b o i l e r s ，c h a i ng r a t es t o k e rb o i l e r s ，o i l - b u r n i n gb o i l e r s ) i no u rc o u n t t y o n eo f s o l u l i o n s t oa b o v ep r o b l e m si st or e t r o f i tt h o s eb o i l e r st oc f bo n e s g a s s o l i ds e p a r a t o rp l a y sa v i t a lr o l ed u r i n gt h ep r o c e s s t ot h i sc a s e ，an e wk i n do f c y c l o n e ，t h eh o r i z o n t a ls q u a r e c y c l o n e ，h a sb e e np r e s e n t e di nt h i sp a p e r t h e r ea r et h r e ep a r t si nt h i sp a p e ri nt h ef i r s tp a r t ，t h ed e v e l o p m e n to f c y c l o n e sh a s b e e ns u m m a r i z e d ，i n c l u d i n gc a p a b i l i t yc r i t e r i o n sf o rc y c l o n ee v a l u a t i o n ，f a c t o r sa b o u t s e p a r a t i o nc a p a b i l i t ya n dd e v e l o p m e n to ff l o wf i e l dw i t h i nc y c l o n e sa n ds e v e r a l c l a s s i c a lc y c l o n e s 。t h e nt h eh o r i z o n t a ls q u a r ec y c l o n eh a sb e e ni n t r o d u c e df o rb o i l e r r e t r o f i t i nt h es e c o n dp a r t ，b a s e do nt h ee l e m e n t a r yc o n f i g u r a t i o n o p t i m i z a t i o nt e s to nt h e h o r i z o n t a ls q u a r ec y c l o n e ，t h ee x p e r i m e n ta b o u ts e p a r a t i o ne f f i c i e n c ya n dp r e s s u r e d r o ph a sb e e nd o n e t h er e s u l t ss h o w st h a t ，f o rt h ep a r t i c l ew h i c hd i a m e t e ri sl a r g e r t h a n1 0 0 工im ，t h es e p a r a t i o ne f f i c i e n c yo ft h ec y c l o n ei sh i g h e rt h a n9 0 ，w h i l ei t s p r e s s u r ed r o pl o w e rt h a n1 5 0 0p a ；盔知i sa b o u t5 0 t tm ( w h i l ev = 1 8m s ，j 口= 0 8 k g m 3 ) ，i na d d i t i o n ，b ya n a l y z i n gt h e s ed a t a ，t w oe m p i r i c a lr e g r e s s i n gf o r m u l a eh a v e b e e np u tf o r w a r du p o ns e p a r a t i o ne f f i c i e n c ya n d p r e s s u r ed r o p i nt h el a s tp a r t ，f l u e n ti su s e dt oc a l c u l a t et h et r a j e c t o r yo f p a r t i c l e s ，w h i c hh a v e d i f f e r e n ts i z e s t h e ns o m ei n f o r m a t i o na b o u tf l o wf i e l dh a sb e e no b t a i n e db e s i d e st h e p a r t i c l et r a j e c t o r i e s t h er e s u l ts h o w st h a tt w oc l e a rv o r t e x e se x i s ti n t l l ec y c l o n e s t r o n gs w i r l i n gv o r t e xr o u n dt h ee x i tp i p ea n dw e a ko n en e a rb a c kw a l lo ft h e h a l f - t i l t e dc o n e k e y w o r d sc i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e d ， r e t r o f i t t i n g ，h o r i z o n t a ls q u a r ec y c l o n e ， e m p i r i c a lr e g r e s s i n g ，f l u e n t ， f l o wf i e l dc a l c u l a t i o n 独创性：，：! j j 本人声叫所呈交的学位论文足小人狂甘师指导1 7 进行的硼f 究“1 及取得的 研究成果。据我所知，除了文c 1 - 特别加以j ! , j , t i ：t i j 致谢的地方外，论文一 j 小包含其 他人已经发表或撰写过的研究成粜，也1 i 包禽为获得逝至三盘鲎一或其他教育机 构的学位或证书丽使用过的材料。i j 我一j ：作的同志剥本研究所做的任何贡献 均已布论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：砂百签字月期：鲫；年月) 尸f j学位论文作者签名：砂1 ，一签字月期：鲫；年月) 尸 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝望盘鲎有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权逝江盘茔可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 签字日期：纠；年2 ，月形曰 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 导师签名 签字日期：) 年月_ 馅 电话： 邮编： 浙江大学硕j ：学位论文王东辫章绪论 第一章绪论 能源与环境是当今社会发展的两大问题。解决好能源、经济与环境的协调 发展，是实现中国现代化目标的重要静提。 我国是产煤大国，也是世界上少数几个以煤为主要能源的国家之一，煤炭 占次能源消耗总量的7 5 ，而这些煤炭中又有8 4 是直接用于燃烧的p j 。由 于燃烧效率不够高，燃烧所产生的大气污染物还没有得到有效的控制，特别是 二氧化硫( 8 0 2 ) 和氮氧化物( n o 。) 。我国的s 0 2 排放量约有8 7 来自煤的直 接燃烧【z 】。从我国电力发展规划的总量分析，2 0 0 0 年底，火电装机容量约为2 9 亿千瓦，其s 0 2 排放量为全国的5 0 。到2 0 1 0 年底，总装机容量将达5 - 5 5 亿 千瓦，其s 0 2 排放量将占全国的6 0 以上f 1 1 。也就是说，在2 0 0 0 年到2 0 1 0 年 的十年间，新增装机容量的电力结构按火电占6 0 6 5 考虑，则平均每年新 增装机容量为1 5 0 0 万千瓦左右。这样在每年新增火电装机容量中有近4 0 0 万千 瓦的燃料为高硫煤【”。因此，对火电厂采取有效的脱硫措施，减少二氧化硫排 放是我国当前的重点任务。此外，我国每年排入大气的n o 。有6 7 来源于煤的 直接燃烧f 2 1 。 1 1本文的研究背景 由于历史上的原因，我国现存的电站煤粉锅炉中有很大一部分为五、六十 年代建造的。这些锅炉由于燃烧效率低下、热耗量大以及污染严重等缺点，应 该已经退役或即将退役。一些运行中的中参效的电站煤粉锅炉也面憔者设备陈 旧、出力下降、缺乏优质煤、负荷调节不便、灰渣出力困难的问题。 综合来说，我国的旧煤粉锅炉的运行状况为【3 】： 1 ) 设备陈旧、技术落后，运行事故多、可用率低，检修、维护费用高，亏 损严重。 2 ) 锅炉热效率低、煤耗高，对煤种适应性差，不能烧劣质煤，难以适应煤 种多变的要求。 3 ) 大多采用除尘效率不高的水膜除尘器，烟囱冒黑烟、浓烟，排烟中的粉 尘对大气污染十分严重。1 9 9 0 年我国排入大气的1 3 0 0 万吨粉尘中，8 2 0 万吨来自于煤的燃烧，占6 3 。 4 ) 燃烧器技术性能差，无n o x 排放控制手段，致使燃烧产物中n o ，的捧 放浓度为发达国家的4 5 倍。1 9 9 0 年我国排入大气的4 0 0 万吨n o ， 中，2 0 万吨来自于煤的燃烧，占6 7 5 ，给大气环境带来了严重的 污染。 5 ) 无烟气脱硫装置，煤中的含硫经燃烧后全部排入大气。1 9 9 0 年我国排 入大气中的s o s 达1 5 0 0 万吨，其中1 3 5 0 万吨来自于煤的燃烧，占8 4 9 。无控制的s 0 2 的排放已严重污染了大气环境。现在我国p h 值小于 5 6 ( 通常作为酸雨的判断标准) 的降雨面积在近8 年中大大增加，从 1 7 ：5 万k m 2 扩大到2 8 0 万l c r n 2 ，占我国国土面积的2 9 。 6 ) 锅炉难以在低负荷下稳定运行，负荷可变化范围小。调峰能力差，不能 适应大范围的调峰要求。 浙江大学硕士学位论卫王东第一章绪论 7 ) 灰、渣含碳量高，综合利用程度低，要求不断扩大灰渣场，占用土地面 积多。 我国目前的小火电机组、工厂自备电站和工业锅炉普遍采用链条炉。运行 中通常存在燃烧困难、煤耗高、热效率低、出力不足、煤质适应性差、机械故 障多等问题。 在我国的一些厂矿的自备电站以油作为燃料。尽管这种锅炉的燃烧效率较 高，污染排放少，但自1 9 9 9 年以来的世界原油价格上涨，使得燃油锅炉的燃料 成本提高，给这些厂矿造成了沉重的经济负担f 4 j 。 综上所述，在我国目前众多燃油、煤粉锅炉和链条锅炉中，不同程度的存 在着以下一些缺点： 1 ) 对于煤粉锅炉，燃料的适应性差，烟气中污染物，特别是二氧化硫( s 0 2 ) 和氮氧化物( n o ；) 排放商，启动时必须依靠辅助燃料； 2 ) 对于链条锅炉，燃烧困难。出力不足，煤质适应性差； 3 ) 对于燃油锅炉，运行成本高。 1 - 2 锅炉改造发展状况 随着经济的发展，环保指标日益严格，这是中国可持续发展战略的重要内 容。为降低对环境的污染，我国已决定对燃用含硫量大于l 的煤的电厂必须 建设脱硫设施。如果用大于3 的高硫煤发电，需要建设2 5 0 0 万千瓦机组的脱 硫设施，不算运行费用，仅设备投资就需2 5 0 亿元，况且我国目前还有众多未 建造脱硫设旖的大大小小的电厂。美国s t e a m s r o g e r - t - 程有限公司的t - e s t r i n g f e l l o w 等普对烟气脱硫( f g d ) 和煤粉锅炉改造进行经济评估，他们对一 台11 2m w 燃用含硫量为2 8 的煤的煤粉锅炉建造烟气脱硫装置和改造成流化 床锅炉经济性评估发现( 1 9 8 6 年) 。改造费用比另加脱硫装置少$ 4 8 k w ，而运 行和管理费用会少$ 1 0 6 2 k w | 5 1 。 1 2 1 循环流化床锅炉的特点及锅炉改造的意义 循环流化床技术作为种新颖的高效低污染清洁燃烧技术，具有燃料适应 往广、污染扬摊放低、灰渣秘甩价值高的特点，可在低成本韵弱对实现较低的 污染排放指标。近年来，由于循环流化床燃烧技术的理论基础研究的进一步深 入，循环流化床锅炉在世界范围内得到了成功发展和广泛应用。 循环流化床锅炉的特点主要有以下几个方面1 2 】： i 、燃料适应性广 这是循环流化床锅炉的重要优点之一。在循环流化床锅炉中按质量百分比 计燃料仅占床料的1 3 。其余是不可燃烧的固体颗粒，如脱硫剂、灰 渣或砂。循环流化床锅炉的特殊流体动力特性使得气固和固一固混合非常好因 此燃料进入炉膛后很快与大量床料混合，燃料被迅速加热至高于着火温度，而 同时床层温度没有明显降低。只要燃料的热值大于加热燃料本身和燃烧所需的 空气至着火温度所需的热量，上述特点就可以使得循环流化床锅炉不需辅助燃 料而燃用任何燃料。循环流化床锅炉既可燃用优质煤，也可燃用各种劣质燃料， 2 浙江大学碗j 学位论文王东第一章绪论 如高灰煤、高硫煤、高灰高硫煤、高水分煤、煤矸石、煤泥，以及油页岩、泥 煤、石油焦、尾矿、炉渣、树皮、废木料、垃圾等。 2 、燃烧效率高 在循环流化床锅炉中。燃烧区域扩展到整个炉膛乃至高温旋风分离器，携 带出炉膛的粒子被高温旋风分离器捕集，并直接送回燃烧室下循环燃烧。在烧 优质煤时，燃烧效率与煤粉锅炉的持平：烧劣质煤时，燃烧效率比煤粉锅炉的 高5 。 3 、脱硫效率高 循环流化床锅炉的脱硫比鼓泡流化床锅炉更加有效。典型的循环流化床锅 炉达到9 0 脱硫效率时所需的脱硫剂化学当量比为1 5 2 5 ，鼓泡流化床锅炉 达到9 0 脱硫效率则需要脱硫剂化学当量比为2 5 3 ，甚至更高。 4 、n o x 排放低 氮氧化物排放低是循环流化床锅炉另一个非常吸引人的特点。运行经验表 明，循环流化床锅炉的n o 。排放范围为5 0 1 5 0p p m 或4 0 1 2 0m g m j 。 5 、其他污染物排放低 6 、燃烧强度高，炉膛截面积小 循环流化床锅炉的截面热负荷约为3 5 4 5m w m 2 ，接近或高于煤粉炉。 同样热负荷下鼓泡流化床锅炉需要的炉膛截面积要比循环流化床锅炉大2 3 倍。 7 、给煤点少 8 、燃烧预处理系统简单 9 、易于实现灰渣综合利用 1 0 、负荷调节范围大，负荷调节快 当负荷变化时，只需调节给煤量、空气量和物料循环量，不必像鼓泡流化 床锅炉那样采用分床压火技术。若采取外置式热交换器，负荷调节性能更好。 此外，由于截面风速高和吸热控制容易，循环流化床锅炉的负荷调节速率也很 快，一般可达每分钟4 。 1 1 、床内不布置埋管受热面 1 2 、投资和运行费用适中 循环流化床锅炉的投资和运行费用略高于常规煤粉锅炉，但比配置脱硫装 置的煤粉炉低1 5 2 0 。 综上所述，由于其低温燃烧和分段燃烧的特性，具有脱硫剂利用率高、脱 硫效率高、低n o 。排放、燃料适应性广以及燃料制备和给料系统简单的特点， 采用把原有的常规锅炉改造为循环流化床锅炉可以很好的克服常规锅炉的一些 缺点，并且具有良好的社会、经济效益。 常规锅炉改造为循环流化床锅炉具有以下优点： 1 1 提高对煤种的适应性： 2 ) 提高燃烧设备的燃烧效率和锅炉的热效率： 3 ) 减少s 0 2 和n 0 。的排放； 钔提高锅炉的调峰能力： 5 ) 有利于灰渣的综合利用： 6 1 延长超龄锅炉的服役期； 7 ) 发展洁净煤燃烧技术。 浙江大学硕士学位论支王自 第一章绪论 1 - 2 1 国外循环流化床锅炉的改造情况 国外利用循环流化床锅炉所具有的低污染、燃烧效率高、运行费用低以及 燃料适应性好的特点，并结合老电厂服役期对现役电厂锅炉进行改造形成了循 环流化床技术的发展方向之。 早在循环流化床锅炉诞生时起，就有将常规锅炉改造为循环流化床锅炉的 成功案例。如芬兰a h l s t r o m 公司建造的第一台商用循环流化床锅炉就是由一台 热功率为1 5 m w 的燃油锅炉改造而成的，燃料也由油改为泥煤【2 l 。 比较早的煤粉锅炉改造为循环流化床锅炉的是芬兰m o t e l l s e l l uo y a a n e k a s k i 电站的1 0 0t h 煤粉炉改造为燃用9 0 泥煤的循环流化床锅炉，于1 9 8 5 年投入运行【6 】。自此陆续多个退役或无法满足环保要求的煤粉炉改造为循环流化 床锅炉。其中波兰t u r r o w 电厂改造工程比较典型。该电厂当时是波兰最大的发 电厂，有1 0 台前苏联制造的燃用褐煤的2 0 0m w 煤粉炉，由于燃料的含硫量过 高，污染物排放严重而面临停产。该电厂曾考虑采用烟气脱硫解决这一问题， 通过投资、场地以及整体经济效益分析后。决定采用循环流化床改造方案。改 造中利用原有基础、钢架、部分受热面在原有场地上实施。投资较少。现1 号 炉已经改造完毕，并予1 9 9 8 年投入运行，锅炉效率在9 0o o - - - 9 0 5 之间。在满 足环保要求、解决了低负荷稳燃与低负荷经济性的同时，锅炉出力提高1 2 【7 】。 法国p r o v e n c e 的2 5 0m w 循环流化床锅炉是又一个改造成功的典型例子： 原电厂使用煤粉炉，燃用位于电厂附近g - a r d a n n e 矿的高硫煤，其s 0 2 的排放量 很高，必须在1 9 9 4 年年底停机，故选用循环流化床锅炉代替煤粉炉，整修原有 机组的汽轮机。该炉于1 9 9 4 年1 1 月完成了水压试验，1 9 9 5 年春开始调试，同 年年底投入商业运行，锅炉效率及捧放指标均达到设计要求f 6 】。 美国、日本、法国、和乌克兰等国都有这种为满足环保要求而进行的煤粉 炉改造示范工程。其中已投运的美国t v a l 6 0 m w 鼓泡床和黑狗子电站嘲、n u c a l 电站，法国e m i l eh u c h e t 电站的改造工程多证明该技术是先进的、可行的和经 济的，环境上也可满足环保标准嘲。 利用循环流化床燃烧技术来改造这些超龄和即将超龄的锅炉有重大的经济 效益、环境效益和社会效益。下面列出了国外部分煤粉炉改造项目 s l ： 1 ) 美国t v as h a w n d e 电厂1 6 0m w 煤粉锅炉改造工程 2 ) 美国黑狗予电站1 0 0m w 煤粉锅炉改造工程 3 ) 美国n u c l a 循环流化床更新改造增容工程 4 ) 美国n i s e o 热电联产1 0 0m w 循环流化床锅炉改造工程 5 1 法国e m i l eh u c h e t 电厂1 2 5m w 煤粉锅炉改造工程 6 ) 法国p r o v e n c e 电厂2 5 0m w 煤粉锅炉改造工程 7 1 波兰t u r r o w 电站2 0 0m w 煤粉锅炉改造工程 8 )日本t a k e h a m 3 5 0m w 燃油锅炉改造工程 9 ) 乌克兰k l a a r k o vg i l e s 2 电厂5 0m w 直流煤粉锅炉改造工程 l o ) 乌克兰a l e x a n d r i a n g o l 电厂1 0 0t t h 煤粉锅炉改造工程 l1 ) 英国1 5 5 0m wp e t e r h e a d 电站改造工程 1 2 2国内循环流化床锅炉的改造情况 浙江大学硕士学位论文王东第一章绪论 一、将煤粉炉改造为循环流化床锅炉 将煤粉锅炉改造为循环流化床锅炉是最为常见的一种锅炉改造情况。在国 家政策允许范围内将锅炉改造为可燃用劣质燃料、同时满足环保要求的循环流 化床锅炉，直接涉及到这些企业的发展和国家的可持续发展战略。经济性评估 表明，对于这些即将退役的常规锅炉，由于汽轮发电机组仍能运行，如用循环 流化床燃烧技术改造，则能在满足环保要求的前提下使电厂服役期再延长2 5 年， 而其投资只有新建锅炉的4 0 0 ，在经济上很有吸引力和竞争力【3 】。 l 、浙江大学热能工程研究所关于江苏省南京化工工业集团7 5t ， l 煤粉炉改 造为1 0 0t h 循环流化床锅炉的可行性研究跚 该锅炉为半露天布置。单汽包自然循环中压煤粉炉，钢架固定结构，炉膛 截面接近正方形。喷燃器两侧墙四角布置，水平烟道内布置了两级垂直式对流 过热器，面式减温器在两级过熟器之间，尾部垂直烟道中布置两级交错布置的 钢管式省煤器及空气预热器，横向单面水力排渣，砖砌轻型炉墙。 根据锅炉的结构特点，确定采用低循环倍率、两级分离装置的方案。锅炉 整体改造方案是该为1 0 0t m 循环流化床锅炉，蒸汽参数保持不变，原锅炉外形 结构保持不变，炉膛由下部密相区和上部稀相区组成，密相区内布置横埋管。 水平烟道增高，以布置重新设计过的过热器。烟气离开炉膛后，冲刷水平烟道 内布置的高温过热器和低温过热器，经转向时候冲刷螺旋管省煤器和压槽式空 气预热器。 经过计算，将该7 5 讹煤粉锅炉改造为1 0 0t h 循环流化床锅炉的技术方案 是合理可行的，能解决目前该化工企业所面临的一些难以解决的问题，并且对 于我国旧煤粉锅炉的改造提供了一条有效的途径。 表1 - 17 5t h 煤粉锅炉改造前后的参数【9 1 2 、清华大学热能工程系对于某2 2 0 t h 煤粉锅炉改造为循环流化床锅炉的方 案设计【1 0 1 该煤粉炉为单锅筒自然循环高压煤粉炉，膜式壁双框架，半露天布置；燃 料室为正方形，煤粉燃烧器四角布置，燃烧室上部布置有后屏过热器，水平烟 道依次布置二级过热器和一级过热器。尾部竖井为轻型护板炉墙，分别布置高 温省煤器。高温空气预热器，低温省煤器和低温空气预热器。 考虑各部分承压受热面在改造中利用的可能性。钢架以及基础应以不动为 原则，原有场地布置已经比较紧凑。改造不增加占地面积。对流管速烟气速度 应保证长期稳定运行的可靠性，改造后出力不变。 按上述比较大的改造范围考虑，改造工程总费用每台锅炉约为2 1 2 0 万元。 初步测算，年运行时间按5 0 0 0 小时计算，仅燃料节约的费用高达8 6 0 余万元， 减排s 0 2 又节省环境费约5 0 万元，若考虑低负荷调峰节约燃料油及灰渣的综合 利用，则经济效益更为可观。 浙江大学硕士学位论文王东第一章绪论 二、链条锅炉改造为循环流化床锅炉 由于链条炉的燃烧效率低、煤耗高、煤制适应性差等问题，难于满足发电 和供汽的需求。另外由于固体未燃尽损失严重，所产生的飞灰中仍含有较高的 含炭量，不仅造成了能源的巨大浪费，而且造成了环境污染。 应用流化床燃烧技术是解决这一问题的有效途径。目前国内已有这方面的 成功案例。 华中科技大学( 原华中理工大学) 煤燃烧国家重点实验室将某6 5t h 链条锅 炉改造为下排气循环流化床锅炉【1 l 】 原锅炉具有如下设计特点： 1 ) 燃烧室由下部浓相床与上部稀相床组成； 2 ) 循环燃烧系统中飞灰的分离由下排气旋风分离器完成； 3 ) 全膜式水冷壁结构，床内没有埋管。 其主要改造措施为： 1 ) 拆除链条锅炉炉排，燃烧室下延，增加布风装置； 2 ) 低温过热器之后增加下排气旋风分离器； 3 ) 增加流化密封送灰器； 4 ) 锅炉各部分受热面视情况作适当调整。 通过改造使这台即将退役的链条锅炉可以重新投入运行，为企业、国家节 省了大量资金，产生巨大的经济效益、社会效益和环境效益。 表i - 3 3 5t h 链条锅炉改造前后的参数“1 三、燃油锅炉改造为循环流化床锅炉 油作为燃料来进行火力发电。具有燃烧效率高、污染物排放少等优点。但 根据我国能源政策，应该减少以油作为燃料直接燃烧发电。同时，持续高涨的 油价也使得燃油锅炉的燃料成本居高不下。以丹东造纸厂的两台3 5t ，1 1 燃油锅炉 为例，两台锅炉每年燃油约4 0 0 0 0 吨，按每吨重油1 0 0 0 元计，则每年燃油耗资 4 0 0 0 万元，比燃煤锅炉的燃料成本高一倍以上【l ”，给该厂造成沉重的经济负担。 因此，将部分燃油锅炉改造为燃煤锅炉将有助于降低燃料成本。这样，利 用具有高效低污染的循环流化床燃烧技术改造锅炉就成为一个很好的途径。下 面的就是一例将燃煤锅炉改造为循环流化床锅炉的成功范例。 6 浙江大学硕士学位论文王东 第章绪论 哈尔滨工业大学能源科学与工程学院与营口锅炉厂合作改造丹东造纸厂两 台3 5 t l l 燃油锅炉【l 引 根据厂方要求，改造躁则如下： 1 ) 采用低倍率循环方式； 2 1 不改变锅炉外形尺寸； 3 ) 保证原锅炉蒸汽参数和出力。 根据上述原则，采用的改造措施如下： 1 ) 炉膛下部完全改变，将原有油燃烧器，送风管道及炉底全部拆除，安装 布风装置，负压给煤装置和二次风系统。 2 ) 原炉两侧墙水冷壁下集箱割除不用，更换后的下集箱位置上移，与之相 应的原下降管根数和结构不变，随新下集箱作相应变动。 3 ) 原有高温过热器保持不变，低温过热器后部截去3 圈，保证过热器不超 温，又有适量减温焓。 4 ) 为了安装分离器，省煤器系统位置向下平移，受热面积不变。原空气预 热器分为上、下两个管组，空预器上管板各管孔上加装防磨套管。 5 ) 布风板以上的前、后墙为重型炉墙，砌到稀相区有水冷壁的区域后改为 轻型炉墙，两侧墙下部没有水冷壁的区域，为原有轻型炉墙。 丹东造纸厂两台3 5 咖燃油锅炉改造成低倍率循环流化床锅炉，可燃当地产 小窑煤，每年燃料费用可节约2 0 0 0 万元，预计改造投资一年内可收回，给工厂 节省了大量资金。 表1 43 5t h 燃油锅炉改造前后的参数0 1 2 】 l - 3 本文的研究内容 根据前面小节的介绍可知，将常规锅炉改造为循环流化床锅炉成为解决常 规锅炉存在问题的一个很好的途径。在对常规锅炉进行循环流化床改造的过程 中，其中关键一步是气固分离器的选择与布置。目前的气固分离器主要分为离 心式的旋风分离器和撞击式的惯性分离器两种。常规的高温旋风分离器虽然分 离效率高。但是体积庞大，重量重，布置困难；而惯性分离器虽然结构简单， 容易布置，但分离效率过低，要满足锅炉循环倍率的要求比较困难；若采用惯 性加旋风的两级分离，则系统比较复杂，布置也比较困难。 针对这一矛盾，程乐鸣等【l3 】提出了一种体积较小，而分离效率较高的分离 器，即卧式热交换式方形分离器( 通常称为方形卧式分离器，图1 1 ) 。方形分 离器由于其外形为非圆形，在高温区工作时，简体可采用加工相对比较容易的 水冷或汽冷膜式壁组成，可大大降低加工成本。同时由于采用膜式壁结构吸热， 其内部无需敷设很厚的耐火层，从而减少了锅炉的启停时间，体积也相对减小 【l “。而方形卧式分离器由于其绕流中心简水平布置。可以有效减少分离器的高 度要求。该种分离器不但体积小，重量轻，而且竖直高度小，可以布置在烟道 浙江大学硕：i 二学位论文王东 第一章绪论 拐角处，在对常规锅炉进行循环流化床改造增加分离器时可以不单独设支架或 吊架，从而减少了改造的工作量和费用1 5 1 。 c 玲。i 气固两相流l ；l 臼 i 几 u 分离下的固体颗粒 图1 - 1卧式热交换式方形分离器 c = 分离后气流 尽管对旋风分离器的研究已经有很多，但国际上对该种分离器的分离性能 的研究还是很少，目前只有中国的浙江大学【1 4 j 和加拿大d a l h o u s i e 大学在 进行。另外，由于卧式分离器与传统的立式分离器内部流场有较大的区别，所 以关于该种分离器的流场的理论研究几乎还是一片空白。为了尽早的开发这一 有着诸多优点，适应常规锅炉改造为循环流化床锅炉的新型分离器，还需要进 行大量的试验研究和理论分析。 综上所述，本文将分四个章节对以上的问题进行试验和理论研究。 在第二章中，将对气固分离器的性能指标加以分析讨论，介绍几种典型的 旋风分离器的现状及其优缺点，从而根据锅炉改造的需要引出方形卧式分离器 的介绍。之后对分离器内部流场韵研究成果进行综述。 在第三章中，简要介绍试验系统后，将在浙江大学气圃多相流动试验台上 进行方形卧式分离器结构优化及分离性能的试验研究，并根据试验数据进行经 验回归，分别得出分离效率、分离器阻力的回归公式，为其设计提供依据。 在第四章中，结合商用f l u e n t 软件中的离散相模型( d p m ) ，计算单颡粒轨 道模型，并对分离器内部流场进行计算模拟，以迸步了解分离器的性能。 在第五章中，对全文进行总结，同时提出对今后工作的建议。 参考文献 1 卓建坤燎媒或燃油锅炉改造成循环流化床锅炉中的气固分离技术的研究【d 】浙江大 学硕士学位论文1 9 9 7 ，3 2 岑可法，倪明江，骆仲泱，严建华，池涌，方梦祥，李绚天，程乐鸣，循环流化床锅炉 浙江大学硕士学位论文王东 第一章绪论 理论设计与运行 m 北京：中国电力出版社，1 9 9 8 3 刘德昌，陈汉平主编锅炉改造技术 m 】北京：中国电力出版社，2 0 0 0 4 。周凌云世界能源危机与我国能源安全【j 】中国能源2 0 0 0 ，1 ：1 - 5 5 s t r i n g f e l l o wfe j ，n o l t ees ，s a g e 辑( l ? f l u i d i z e db e d r e t r o f i tap r a c t i c a la l t e r n a t i v et o f g d p o w e r 【j ，1 9 9 4 ，2 ：7 8 - 8 1 6 s t e g m a n ng c ，z y c h a ir j ，g a n d h id ，f e a s i b i l i t yo fc i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e dd e s i g nf o r u t i l i t yb o i l e rr e t r o f i t r p r o c o f t h e1 9 8 7i n t e r c o n f o nf l u i d i z e db e dc o m b u s t i o ne d b y m u s t o n e nj p _ ，b o s t o n ，m a s s a c h u s e t t s ：a s m e ，1 9 8 7 ：1 1 2 - 1 1 9 7 d e l o n gm m 。h e i n s c h e lk j l a w r e n c ec co v e r v i e wo ft h ea f b cd e m o n s 仃a f i o n p r o j e c t s r p r o c ，o f t h e1 9 8 7 i n t e r c o n eo nf l u i d i z e db e dc o m b u s t i o ne d b ym u s t o n e nj p ，b o s t o n ，m a s s a c h u s e t t s ：a s m e ，1 9 8 7 ：1 3 2 1 3 9 8 g o b i r s c hg m ，w e i s b e e k e rt l ，r o s e n d a h ls m a f b cr e t r o f i ta tb l a c kd o g ：ap r o j e e t o v e r v i e w r p r o c o f t h e1 9 8 7i n t e r c o n f o nf l u i d i z e db e dc o m b u s t i o ne d b ym u s t o n e n 】p ，b o s t o n , m a s s a c h u s e t t s ：a s m e ，1 9 8 7 ：1 8 5 1 8 9 9 王勤辉，方梦样。李绚天，施正伦，胡国山，骆仲泱，倪明江，岑可法7 5 t t h 煤粉锅 炉改为l o o i h 流化床锅炉的方案研究【j 】浙江大学学报( 自然科学版) 1 9 9 7 ，( 3 1 ) 5 ： 6 2 8 6 3 4 l o 吕俊复。任维，张建胜，黎永，王听，刘青，岳光溪2 2 0 t h 煤粉炉改造为循环流化床 锅炉的方案设计【j 1 。洁净煤技术。1 9 9 9 ，( 5 ) 3 ：3 1 3 4 1 1 吴正舜，陈汉平，张世红，黄琳，刘德昌利用循环流化床燃烧技术对旧锅炉的改造【j 1 工 业锅炉2 0 0 0 ，2 ：3 1 - 3 5 1 2 别如山，张之栋，鲍亦龄。赵明泉，刘晓阳，杨励丹，刘炳辉。李柏生3 5 t h 油炉改 造成低倍率循环流化床锅炉【j 】节能技术1 9 9 6 ，6 ：3 4 3 6 1 3 程乐鸣骆仲泱。方梦祥。倪明江。岑可法卧式热交换式方形分离器叫中国专利： 0 02 0 1 9 1 4 0 1 4 周强。程乐鸣，骆仲泱，岑可法方型卧式分离器的试验研究 j 】浙江大学学报( 工学 舨) ( 录用) 1 5 程乐鸣，周强，骆仲泱，岑可法一种应用于锅炉改造的新型分离器方型卧式分离 器 j 电站系统工程( 录用) l6 s a h as k ，b a s up ，d y t t aa ，p e r f o r m a n c eo fan o v e lh o r i z o n t a lg a s - s o l i ds e p a r a t o ri na c i r c u l a t i n g f l u i d i z e db e dr i s e r r 】p r o o ft h e7 ”i n t e m a t i o n a lc o n f o nc i r c u l a t i n g f l u i d i z e db e d 2 0 0 2 5 ：5 6 7 5 7 4 9 浙江大学硕士学位论文王东第二章旋风分离嚣的研究概述 第二章旋风分离器的研究概况 气固分离装置是循环流化床锅炉循环回路的关键部件，其主要作用是将大量 固体物料从气流中分离出来，然后由返料装置送回燃烧室，以维持燃烧室的快速 流化状态，保证燃料和脱硫剂多次循环，反复燃烧和反应，以达到理想的燃烧效 率和脱硫效率。因此，它的性能直接影购着整台锅炉的总体设计、系统布置及运 行性能。 应用在循环流化床锅炉中的气固旋风分离器是利用旋转的含尘气体所产生 的离心力，将颗粒从气流中分离出来的一种气固分离装置。旋风分离器因其分离 效率高、结构相对简单、运行经验丰富等优点，被广泛应用于循环流化床锅炉中。 本文主要介绍几种旋风分离器的结构特点、分离性能，并根据锅炉改造的需要介 绍一种新型的旋风分离器方形卧式分离器。最后对分离器内流场的研究成果 进行综述，为以后的流场计算作铺垫。 2 - 1旋风分离器概述 在研究旋风分离器之前，有必要知道评价分离器的性能指标，以及对其分离 性能的影响因素，以指导具体的研究工作。 2 - 1 1分离器的性能指标 评价旋风分离器的指标有很多。它们包括：表示分离效果的分离效率叮及分 级效率刁r ；表示能耗指标的分离器阻力z i p ；表示分离器对颗粒的捕集能力的临 界粒径砍；表示生产能力的处理气量q ；表示经济指标的单位处理量的造价、操 作费及寿命。其中前两种指标最为重要。 一、分离效率及分级效率 1 、分离效率 分离效率是指含尘气流在通过分离器时所捕集下来的颗粒量占进入分离器 的颗粒量的百分数，即： 叩= 等枷。 c z m 式中，g 进入分离器的颗粒量，埏； g c 一被捕集的颗粒量，虹。 分离效率是衡量分离器气固分离能力的指标，它除了与分离器结构有关外， 还取决于被分离物料的物性、气体的性质以及运行条件等因素，因此。除非在选 用的入口条件完全一样的情况下，分离效率不宜用来比较各分离器的性能1 1 l 。 2 、分级效率 为进一步表明分离器的分离性能，分析中往往采用分级效率的概念。 分级效率是指含尘气流在通过分离器时所分离下来的固体颗粒量占原始固 体颗粒量的百分数。其可由下式表示： 1 0 浙江大学硕士学位论文王东 第二章旋风分离器的研究概述 铲等小错 位z ， 式中：g ，g ，g 口分别为进入分离器、捕集下来、飞离分离器的颗粒量； x ，墨，蜀分别为进入分离器、捕集下来、飞离分离器的颗粒份额。 分级效率是对某个粒径而言，与被分离颗粒的大小无关，只取决于分离器本 身性能及颗粒的本身性质，因此用它来衡量分离器的性能比较合适【2 】。 当进行分离器试验计算时，需要测量分离器进、出口气流中颗粒或捕集下来 颗粒的粒度分布和浓度，则可根据式( 2 - 2 ) 计算分级效率。在实际应用中，分 离器捕集下的颗粒粒度分布五测量要比出口气流中颗粒粒度分布尼的测量容易 的多，因此较常用的方法是式( 2 2 ) 中的前半部分。 3 、分离效率和分级效率的关系1 2 】 对于上述两种分离效率，有下述两种关系：一是在已知分级效率关系和进口 物料的粒度分布情况下，估算总分离效率；二是根据总分离效率和进、出口物料 的粒度分布，求出分级效率。前者适用于设计计算，后者则适用于试验中计算、 处理数据。实际上，往往是根据试验得到的结果来进行设计计算。 但设计计算时，已知分级效率和进e l 物料的粒度分布，即可用下式来估算总 分离效率： ，7 = r l i x i ( 2 - 3 ) 二、分离器阻力 分离器阻力是评定分离器性能的另一个重要指标，它表示气流通过分离器时 的压力损失。阻力大，用于风机的电耗就大，因此压降是衡量分离器的能耗和运 转费用的参数。通常分离器的阻力是指分离器前后管道中气流的平均全压之差。 a p = 只一只+ 晶+ 只 ( 2 4 ) 式中：毋分离器进口处管道内平均全压，p a r 分离器出口处管道内平均全压，p a 翰一等于( p 。一p d g 矾高温情况下在大气中浮力校正值，p a 日分离器前后高度差，m p 厂一大气密度，k g m p 广分离器内气体密度，k g m 3 p ，分离器前后动压差，p a 当分离器前后管道处于同一高度或高度相差不大时，可忽略f 项：当分离 器前后管道内气流速度相差不大时，则可忽略动压头p v 的影响，此时，分离器 压力损失为分离器前后静压之差。 分离气阻力不仅取决于分离器的结构形式，还与分离器运行条件如颗粒浓 度、入口速度、分离器内气流温度( 仅在高温工况下考虑) 有关。 三、临界粒径 旋风分离器所能捕集的最小颗粒直径称为临界粒径砍。临界粒径以的大小是 反映旋风分离器分离能力的理论