（工程热物理专业论文）燃煤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.pdf

塑坚奎堂堡主兰垡堡塞 盘 摘要 面对日益严格的环保要求，常规燃油、燃煤锅炉改造成循环流化床锅炉具有 广阔的前景。本文作为浙江大学热能研究所对常规锅炉改造研究的一部分，针对 高温气西分离技术是旧锅炉改造中的关键部件之一，对各种适用于锅炉改造的分 离器进行了试验和理论研究。 一，十篙温旋风分离器是目前技术最成熟、应用最广的高温气固分离装置，本文对 杭十i t 热电厂一台2 2 0 t h 循环流化床锅炉的高温旋风分离器进行了热态分离性能 的试验，研究了锅炉负荷、分离器入口烟气温度、入口烟气速度、入口飞灰浓度、 入口飞灰粒径等运行参数对旋风分离器分离效率的影响，为循环流化床锅炉设计 和旧锅炉改造提供了运行依据和参考。 接着，本文对方形分离器进行了详细的研究。本文首先运用当前最先进的三 维粒子动态分析仪( p d a ) 对下排气方形分离器的内部流场进行了测试，得到了 方形分离器内部的详细的流场结构，对于分离器的改进具有指导意义。然后，针 对目前对并列布置的方形分离器组研究较少的现状，本文对不同入口排列方式的 方形分离器组进行了冷态试验研究，分析了分离器组的入口风速、入口飞灰浓度、 入口颗粒粒径对分离效率的影响，并提出了为分离器提供良好的入口气流结构是 保证方形分离器组较高的分离效率的关键。最后，针对在方形分离器试验中，在 高入口飞灰浓度时发生的即时分离现象，提出了不同于经典分离理论的即时分离 理论，澄清了人们长期在这方面的模糊认识，对循环流化床所采用的高浓度方形 分离器的设计和研究工作起着重要的指导作用，具有重大的理论和实践意义。 本文最后对撞击式分离器进行了冷态试验，研究了u 型分离器结构，如u 型分离器撞击元件的排数、结构形状，以及分离器的入口气体速度、飞灰浓度、 飞灰粒径等对分离器分离效率的影晌；并针对试验过程中出现的颗粒碰撞和反弹 现象，进行了理论上的探讨。 本文在对以上几种高温分离器进行充分的基础研究上，分别提出了利用这几 种分离器作为循环流化床的气固分离装置，对旧燃油燃煤锅炉进行改造的方案。 矾_ 究表明，高温旋风分离器、方形分离器、撞击式分离器应用于锅炉改造各具优 势j r 一 关键词：循环流化床锅炉，燃油、燃煤锅炉改造，高温旋风分离器，撞击式分离 器，方形分离器组，p d a 激光测速，分离机理，即时分离 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t f a c e dw j t bm o r er i g o r o u se n v i r o n m e n t a lr e q u i r e m e n t , t h e r ew i l lb eap r o s p e r o u s p e r s p e c t i v eo n t h ea r e ao f r e t r o f i t t i n go i l - b u r n e do rp u l v e r i z e dc o a lf i r e db o i l e r si n t ot h e c i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e d ( c f b ) b o i l e r s a s a p a r to f t h er e s e a r c ho fc o n v e n t i o n a lc o a l f i r e db o i l e rr e t r o f i t t i n gi ni t p eo fz h e j i a n gu n i v e r s i t y , f o rt h es e p a r a t o ri so n eo ft h e k e yc o m p o n e n t s i no l db o i l e r r e t r o f i t t i n g ，t h et h e s i sp a y ss p e c i a la t t e n t i o nt ot h ek i n d so f s e p a r a t o r sp r o p i t i o u st ob o i l e rr e t r o f i l t i n g 。a sm a n y r e s e a r c h e ss h o w e d ，c y c l o n e ，s q u a r e s e p a r a t o ra n di m p a c ti n e r t i as e p a r a t o ro w ns p e c i a la d v a n t a g e sa p p l i e dt or e t r o f i r i n g s o t h i sp a p e rw i l lt a k eat e s tr e s e a r c ho f t h o s ek i n d so f s e p a r a t o r s f i r s tw em a k et h ef u r t h e rr e s e a r c ht ot h ec h a r a c t e ro fc y c l o n e sw h i c ha r eo p e r a t i n go n l a r g ea m o u n t o fc f bb o i l e r s o nt h i sp a p e r , t h r o u g ht h eo p e r a t i o nc h a r a c t e r st e s to f t h e c f bb o i l e rw h i c hi s r u n n i n gi nt h eh a n g z h o ut h e r m a l - e l e c t r i cp l a n t , w es t u d yt h e e f f e c to ft h eo p e r a t i o np a r a m e t e r so ns e p a r a t i n gc h a r a c t e r , s u c ha sb o i l e rl o a d s ，i n l e t v e l o c i t y , t h es i z ed i s t r i b u t i o no fs o l i d s ，o p e r a t i n gt e m p e r a t u r e ，e t c s e c o n d l y , t h es q u a r es e p a r a t o ri ss t u d i e di nd e t a i lh e r e a tf i r s t , 、村t l lt h em o s ta d v a n c e d m e a s u r i n gi n s m m a e n t - 1 抽r c e d i m e n s i o np a r t i c l ed y n a m i c sa n a l y z e r , t h ei n t e r n a l f l o wo fs q u a r es e p a r a t o rw a sm e a s u r e d t h e nt h em u l t i p h a s ef l o wc h a r a c t e r i s t i c sa r e s h o w ni nd e t a i li nt h et h e s i s ，t h er e s u l tc a l lg u i d et h ef u r t h e id e s i g no f s q u a r es e p a r a t o r a n dt h e ns o m et e s t sw e r em a d eo nt h ec o o ls q u a r es e p a r a t o r s w es t u d yt h es e p a r a t i n g e f f i c i e n c y , s i z ed i s t r i b u t i o ns e p a r a t i o ne f f i c i e n c y , p r e s s u r el o s s e so f t h ew h o l e s e p a r a t o r a n dt h ep r e s s u r el o s sd i s t r i b u t i o no ff o u rs q u a r es e p a r a t o r sw h i c ha r ea r r a n g e di nl i n e t h e nw ed i s c u s st h ee f f e c to fo p e r a t i n gc o n d i t i o n st ot h eg a s - s o l i d ss e p a r a t o r s ，a n d a c c o r d i n g t ot h ed i s c u s s i o nm a n yi n e a s u r e s 盯et om a d et or a i s et h e s e p a r a t i n g e f f i c i e n c y a n dt h e ni t i sp u tf o r w a r dt h a tt h eg o o df l o wc h a r a c t e r i s t i c so f t h ei n l e to f t h e s q u a r es e p a r a t o r si st h ek e yp r o b l e m o ft h es q u a r es e p a r a t o r so p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c si n t h et h e s i s f o l l o w i n g l y , t h es e p a r a t i o nm e c h a n i s mo fs q u a r ec y c l o n ea t1 1 i g hi m e ts o l i d c o n c e n t r a t i o ni ss t u d i e s ，i ti st e s t i f i e dt h a tt h es e p a r a t i o nm e c h a n i s mi sf a rd i f f e r e n tf r o m t h a ta tl o wi n l e ts o l i dc o n c e n t r a t i o n t h e r ee x i s t s ap h e n o m e n o nc a l l e da st w o - i n s t a n t a n e o u ss e p a r a t i o n ，w h i c hw a sn e v e rf o u n di nc o n v e n t i o n a lc y c l o n ee x p e r i m e n t s t h i sp h e n o m e n o nh a s b e a r i n g o nt h el i m i tl o a do f g a s s o l i df l o w , a n d t h ep a r te x c e e d i n g t h el i m i tl o a dw i l lb es e p a r a t e di n s t a n t a n e o u s l ya f t e re n t e r i n gt h ec y c l o n e am o d e l n 浙江大学硕士学位论文 c a l l e dt w o - i n s t a n t a n e o u s s e p a r a t i o n i si n t r o d u c e di nt h i s p a p e r a sw e l la st h e c a l c u l a t i o n so fl i m i tl o a da n ds e p a r a t i o ne f f i c i e n c y , w h i c hc a l lb eu s e di nt h ed e s i g na n d r e s e a r c ho n s q u a r ec y c l o n ef o rc i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e d b o i l e r f i n a l l y , ad e t a i l e de x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho ni m p a c ti n e r t i as e p a r a t o ra tl o wi n l e ts o l i d l o a dw a sc a r r i e do u t t h es e p a r a t i o np e r f o r m a n c eo fs e p a r a t o rw a sm e a s u r e du n d e r d i f f e r e n ts e p a r a t i o nc o m p o n e n t s ，a s hl o a da n da i rv e l o c i t y t h e nam o d e li sa d v a n c e dt o i n t e r p r e tt h ep h e n o m e n o no fp a r t i c l e s b u m pa n dr e b o u n d t h ec a l c u l a t i o nf o r i d e a l r e b o u n dp a r t i c l ev e l o c i t yh a ss h o w nt h a tt h ei n f l u e n c eo fr e b o u n df a c t o rc a nn o tb e i g n o r e d ，w h i c hi sa n a l y z e di nt h i sp a p e ri nd e t a i l t h er e s u l tc a nb e u s e di nd e s i g na n d e x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho ni m p a c ts e p a r a t o r a tl o wi n l e ts o l i d1 0 a d a tt h eb a s i so ft h er e s e a r c ho ft h ea b o v es e p a r a t o r s ，s o m es c h e m e sw a sd e s i g n e dt o r e t r o f i to i l - b u r n e do rp u l v e r i z e dc o a lf i r e db o i l e r si n t ot h ec i r c u l a t i n gf l u l d i z e db e d b o i l e r s r e s p e c t i v e l y w i 也t h es e p a r a t o r sw h i c hh a v es t u d i e di nt h et h e s i s k e yw o r d ：t h ec i r c u l a t i n g f l u i d i z e db e d s e p a r a t o r s ，i m p a c t i n e r t i a s e p a r a t o r ，p d a ， s e p a r a t i o nm o d e l i i i b o i l e r s ，r e t r o f i t t i n g ，c y c l o n e ，s q u a r e s e p a r a t i o nm e c h a n i s m ，i n s t a n t a n e o u s 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 卜1燃煤或燃油锅炉改造成循环流化床锅炉的意义 能源j 坪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，是实现中闺现代化目标的重要前提。 中国是燃煤大国，煤炭占一次能源消费总量的7 5 。随着经济的快速发展， 煤炭消费不断增长，】9 8 0 年煤炭消耗量是6 亿吨，到1 9 9 5 年已达】2 8 亿吨，1 5 年增加了1 倍多。我国次能源以煤为主的结构近期不会发生变化，预计到2 0 0 0 年、2 0 1 0 年和2 0 2 0 年煤炭产量将分别达到1 4 5 亿吨，1 8 亿吨和2 i 亿吨。随着 耗煤量的增加，污染物的排放也随着增加，特别是二氧化硫和氦氧化物的排放。 我国二氧化硫排放量约有9 0 来自煤炭消费，1 9 9 5 年全国含硫量大于3 的煤炭 产量为9 5 0 0 多万吨占煤炭总产量的7 ，但其对全国二氧化硫排放总量的贡献 却占1 1 4 。1 9 9 5 年底，我国火电装机容量为1 6 亿千瓦，其二氧化硫排放量占全 国总排放量的3 5 ：到2 0 0 0 年火电装机容量将达2 2 亿干瓦，其二氧化硫产生量 为全国的半左右：预计到2 0 1 0 年年火电装机容量可达3 7 亿千瓦，其二氧化硫 产生量将占全国的6 0 以上。因此，对火电厂采取脱硫措施，减少二氧化硫排放 是我国当前的重点任务。 中国能源部西安热工研究所对国内4 7 台容量为( 1 1 5 一1 0 0 0 ) t h 的各类电站 锅炉n o 。排放状况进于亍过普查，1 9 8 7 年中国电站锅炉的n o ，排放量已达到 ( 1 2 1 5 ) m t ，1 9 8 8 年则增至( 1 3 2 1 7 7 ) m t ；火力发电量每增加i o m w h ，n o ， 排放量则以( 3 9 0 0 0 8 8 0 0 0 ) t 的速度增加。根据普查：排放量较高的是一些设备 陈旧，热效率低的2 0 0 m w 以下的燃煤电厂。 在我国目前众多燃油、潆粉锅炉和链条锅炉中，尤其容量在2 0 0 m w 以下的 这类锅炉，存在着以下某些缺点： ( 1 ) 对于燃油锅炉，运行成本高。 ( 2 ) 对于煤粉锅炉，燃料的适应性差；烟气中二氧化硫和氮氧化物排放高； 低负荷燃烧时，必须依靠辅助燃料。 我国已决定对燃燥含硫量大于1 的电厂，必须建设脱硫设施或采取其他相 应效果的减排二氧化硫的措施。如果用大于3 的高硫煤发电，需要建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施的其他大大小小的电厂。美国s t e a m s r o g e r 工程有限公司 的tes t r i n g f e l l c w 等惮j 曾对烟气脱硫( f g d ) 和煤粉炉改造进行经济评估，他们 对一台11 2 m w 燃用含硫量为2 ，8 的煤的煤粉炉建造烟气脱硫装置和改造成流化 床( f b c ) 经济性评估发现，f b c 改造费用比另加脱硫装置少s 4 8 ，k w ，而运行和 浙江大学硕士学位论文 管理费用会少$ 1 0 6 2 k w 。 循环流化床燃烧技术作为一利新型的洁净燃烧技术，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所以把常规锅炉改造成循环流化床锅炉， 可以很好克服常规锅炉的一些缺点，并且具有良好的社会、经济效益，尤其对于 2 0 0 m w 以下的旧电站锅炉更具有优势。常规锅炉改造成循环流化床锅炉具有下 述优点： ( 1 ) 降低污染物排放； ( 2 ) 延长锅炉的寿命； ( 3 ) 对于一些锅炉，还可以增大其容量； ( 4 ) 节约建造费用和降低运行费用； ( 5 ) 可实现灰渣综合利用。 卜2燃煤或燃油电站锅炉改造成循环流化床锅炉的技术研究 卜2 1燃煤或燃油锅炉改造成循环流化床锅炉的研究综述啪。”1 随着流化床商用锅炉在很多国家的成功发展，将流化床燃烧方式引入煤粉锅 炉，即将原有的煤粉锅炉改造为流化床锅炉的设想，越来越受到人们的关注。 煤粉炉和流化床锅炉在炉膛结构上的相似之处为改造提供了可能，如表l 一1 所示。 表1 - 1煤糟炉与c f b 有关设计参数 煤粉炉( p c )循环流化床锅炉( c r b ) 截面热负荷( m w l m 3 ) 4 4 6 32 6 0 体积热负荷( m w m 3 ) 0 1 5 一o 2 3o 1 0 o 2 5 平均高度m 2 7 4 51 5 - 4 5 平均吸热宰m w 柑 0 0 5 0 2 5o ，0 5 - 0 1 7 1 p b a s u 1 】提出了对旧锅炉成功改造的标准： 1 、改造后蒸汽流量、参数保持不变； 2 、燃料适应性广及较低n o ，、s o ，排放： 3 、所需额设备和新部件最少； 4 、对原有汽包和受热面改动最小； 5 、对原有锅炉结构和辅助设备改动最小。 当然，把现有的煤粉炉改造为流化床是一件很复杂的事，因为各个锅炉的型 号规格、运行年限、受热面状况都各不相同。必须在制定方案时具体考虑。 、l u r g i c e 改造方案 浙江大学硕士学位论文 1 3 本文的研究内容 本文正是在上述背景下，通过与热能所相关的科研任务相结合对适合于常 规锅炉改造成循环流化床锅炉的几种分离器，如撞击式分离器、高温旋风分离器、 方形分离器及方形分离器组等，进行试验研究。因此，本文在第二章首先对这几 种分离器的相关研究资料进行综述，第三章至第七章分别对各种分离器进行试验 和理论上的研究，第八章利用上述几种分离器进行改炉方案设计，具体研究内容 如下： 1 ) 研究高温旋风分离器在高温下的分离特性及运行情况： 2 ) 对分离效率较高、结构紧凑的方形分离器，进行两相流场进行p d a 测 试，分析方形分离器内的流场结构，以进一步熟悉其运行机理，为后续 研究打下基础。 3 ) 研究高入口浓度的方形分离器的分离机理： 4 ) 试验研究并列布置的方形分离器组； 5 ) 撞击式分离器结构简单、容易布黄，在旧锅炉改造中也是一个非常好的 选择；因此本文对撞击式分离器进行冷态试验研究； 6 ) 利用上述的研究成果，设计和评估燃油、燃煤锅炉改造成循环流化床锅 炉的各种方案。 浙江大学硕士学位论文 第二章高温分离器综述 循环流化床的分离机构是循环流化床锅炉的关键部件之一，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，以维持燃烧室的快速流态 化状态，保证燃料和脱硫剂多次循环、反复燃烧和反应。这样，才有可能达到理 想的燃烧效率和脱硫效率。因此，循环流化床分离机构的性能，将直接影响整个 循环流化床锅炉的总体设计、系统布置及锅炉运行性能。 循环流化床的分离机构必须满足下列几个要求：能够在高温情况下正常工 作；能够满足极高浓度载粒气流的分离，因为进人分离装景的固体颗粒含量可 达5 5 0 k g m 3 ：具有低阻的特性，因为分离装置的阻力增大势必要增大风机 的压头，增加能耗；具有较高的分离效率，实际上循环倍率在很大程度上是靠 分离器的效率来保证的，这里较高的效率不完全是对于大颗粒，而且也指小煤粒 或脱硫剂，因为稳定运行后床内参与循环运动的固体颗粒可能会较粗、较重，分 离器仅分离这一部分颗粒也能达到很高的分离效率；能够与锅炉设计的流程相 适应，使锅炉结构紧凑，易于设计。 2 1 高温气固分离装置的形式和特点 2 1 1 高温气固分离装置的形式 从目前的发展情况来看，循环流化床分离装置的种类很多，新的形式还在不 断出现，根据分离原理分，但大致可分为两大类。 ( 一) 高温旋风分离器 高温旋风分离器结构简单，分离效率高，广泛用于循环流化床锅炉中，典型 结构有绝热型高温旋风分离器、冷却型高温旋风分离器及其它类型的高温旋风分 离器分离器： ( 1 ) 耐火材料制成的高温旋风分离器内部有防磨层和绝热层，此类型的分 离装置占了已运行的和正在建造的循环流化床分离装置的绝大部分。l u r g i 公司、 a h l s t r o m 公司、b a t t e l l e 公司、r i l e y 公司设计制造的循环流化床锅炉均采用了此 类形式，在国内，许多3 5 t h 、7 5 t h 循环流化床锅炉也采用了这种形式。 这种类型的旋风分离器在设计上基本套用了常规旋风除尘器的设计方法。从 目前的应用情况来看，已有百余台循环流化床应用了这种高温分离器，运行情况 良好，但旋风分离器体积较大，受旋风分离器最大尺寸的限制，大容量的循环流 化床锅炉必须配用多个分离器，且旋风分离器工作温度较高，需用的耐火和保温 材料较厚，启动时间长，而且相对来讲散热损失也较大，如果燃烧组织不良，还 0 浙江大学硕士学位论文 会在旋风分离器内产生二次燃烧。 ( 2 ) 水冷、汽冷高温旋风分离器整个分离器设置在一个水冷或汽冷腔室内， 此种类型的旋风分离器是由f o s t e rw h e e l e r 公司提出的”l ，采用这种旋风分离器不 需要很厚的隔热层，仅为防止飞灰的积累，在水冷壁的防磨层之间衬以少量隔热 材料，这样可以节省材料、降低热损失和缩短启停时间。但这种分离器在制造上 相对较复杂一些，造价昂贵”j 。 a h l s t r o mp y r o p o w e r 则提出水冷方形旋风分离器概念，并将其用于紧凑型循 环流化床锅炉的设计之中。他们将圆形分离器改成方形四面由平面水冷壁组成的 分离器，大大简化了整个分离器制造和安装工艺。 ( 二) 惯性分离器 相对于旋风分离器，惯性分离器结构简单，易与整个锅炉设计相适应，制造 简单、启动快、维修方便、运行费用低，因此广泛用于循环流化床锅炉中，种类 也较多，典型的有：瑞典s t u d s v i ke n e r g it e c h n i ka b 公司提出的迷宫式惯性力分 离器i “】，采用槽形梁作分离元件。该公司的这种类型的分离器已有数台锅炉在运 行，据介绍运行情况良好。b a b c o c k w i l c o x 公司设计了有u 形粱惯性分离器的 循环床锅炉4 ”，浙江大学则提出了采用对流管束加鳍片作分离元件的惯性分离器 方案。清华大学也提出了自己的平面流分离装置，并已应用在其设计的2 0 t h 从循环流化床锅炉上。中科院工程热物理所提出了百叶窗式分离器【4 7 ，并用于7 5 t h 循环流化床锅炉上。 上述这几种形式的分离器具有下述特点：由于不采用高温旋风分离器，则 不需要很厚的保温层，、分离器四周可比较容易地布置受热面，使结构比较紧凑， 启动和停炉亦比较容易；分离器不受单个最大尺寸的限制，且可以使锅炉受热 面的设置保持传统的紧凑形式，有利于锅炉的大型化；分离器阻力相对较小， 有利于降低能耗。 但这种分离器的分离效率较低。比如对于较小的颗粒很难保证能实现循环燃 烧和燃尽，待别是采用脱硫剂时，尤其如此。 虽然采用高温旋风分离器分离效率较高，但体积庞大，结构复杂；而采用高 温惯性分离器虽然简单易布置，但效率较低，因此，许多学者都提出了多级分离 的方案，采用多级分离器组合来达到较高的效率。如浙江大学提出的第一级铝列 对流管束撞击式分离器，第二级下排气式旋风分离器中温分离方案，不但旋风分 离器尺寸较小，且炉温调节方便，如第一级分离效率为8 5 ，第二级为9 5 ， 则总分离效率为9 9 2 5 。西德的b & w 公司循环流化床也采用炉内u 形梁惯性 分离器和低温段多管旋风分离器两级分离方案，但须注意惯性分离器和后面受热 面的磨损问题。 浙江大学硕士学位论文 2 - 1 2 高温气固分离装置的特点 ( 一) 高温旋风分离器的特点 为适应高温、高浓度情况，高温旋风分离器在设计和应用时有其特殊之处， 现将高温旋风分离器的一些特点简述如下： ( 1 ) 高温旋风分离器一般均具有较高的人口速度和较小的截面速度。由于温 度的升高将会降低分离效率，故为保证较高的分离效率，在高温情况下使用者往 往提高人口速度，如在循环流化床锅炉中分离器人口速度选取可达4 0 m s 左右 【4 8 】，在流化催化裂化装置中旋风分离器人口速度一般也不低于2 0 m s 1 4 ”，而在其 它一些工业应用如除尘场合采用旋风分离人口速度在1 2 1 6 m s 即可。 ( 2 ) 分离器内壁一般衬有各种耐火材料，以耐较高的温度，并起着防磨损作 用，以延长旋风分离器的使用寿命。高温旋风分离器一般处于8 0 0 咀上的温度， 很难在这样高的温度情况下使用金属结构，而不采用内衬耐火材料。这样做的结 果将对分离器的工艺以及适应变负荷能力等要求较高。 ( 3 ) 高温旋风分离器一般处理固体浓度较高，而高人口浓度对旋风分离器的 性能影响不同于低浓度场合下对旋风分离器性能的影响，因而设计时需采取一些 必要的措施保持高浓度情况下的分离效率。 ( 4 ) 高温旋风分离器的结构设计往往要受到使用场合的限制，如直径，整体 长度等尺寸设计将受到系统布置及结构制造等困难的限制。 ( 5 ) 分离效率要求越来越高。在能源、化工、石油等行业中采用的高温旋风 分离器一般均要求其具有相当高的分离效率。 在循环流化床锅炉中采用的高温旋风分离器，其分离效率的高低，决定了锅 炉的循环倍率。现有的循环流化床锅炉发展要求有高的循环倍率以获得高的燃烧 效率和脱硫效率，相应地也就要求有高的分离效率( 见第1 章中介绍) ，因此， 对高温旋风分离器分离效率的要求也较为严厉。 ( 二) 高温方形分离器的特点 高温方形旋风分离器是由t i m oh y p p a n e n 等人口首先提出并将其应用于循环 流化床锅炉中，结构示意图见图2 2 、2 3 。其最大的结构特点为其外形为非圆形， 如正方形、长方形或多边形，一般采用的形状均为方形，故而通常简称为方形分 离器。当非圆形结构分离器简体用于高温状态时，可采用加工相对容易的水冷或 汽冷膜式壁组成，可大大降低加工成本，另一方面由于采用膜式壁结构，因此其 内部无需敷设很厚的耐火层而仅需敷4 0 一1 5 0 r a m 厚耐火层即可，从而提高了系 统启停的灵活性，体积尺寸也相对减少，再者，分离器的膜式壁还可与反应器如 循环流化床炉膛共用，使得系统更为紧凑。 浙江大学硕士学位论文 方形分离器的入口一般可采用狭长型，并可在入口侧加装导流板以提高分离 效率。由于入口气流不是直接冲击切削分离器内表面，且在壁面上往往有一层 颗粒流保护，使得方形分离器磨损比常规高温旋风分离器要轻。此种结构分离器 的截面形状可用一个参数定义，即分离器的圆形度x ，其定义： x = ( 分离器气相空间周长) ( 包含气相空间的圆周长)f 2 1 1 显然，对于圆形分离器则x = 1 ，方形分离器则x = 1 2 7 3 。对于此种分离器 设计时应保证x 大于1 1 ，最好大于1 1 5 为宜。 图2 1 方形分离器布置示意图 方形旋风分离器基于其结 构特点，可方便地实现两个或 多个分离器组件并列布置，而 且可以布置得相当紧凑1 5 0 ，一 种典型布置方式如图2 1 所示。 对于并列布置形式其回料既可 由每一组件单独实现，也可汇集至一，总灰斗集中回料。 方形分离器又可以分为上排气方形分离器( 如图2 - 2 ) 和下排气方形分离器 ( 如图2 3 ) 。 图2 - 2方形上排气分离器 图2 - 3 方形下排气分离器 ( 三) 惯性分离器的特点 相对于旋风分离器，惯性分离器结构简单，易于与整个锅炉设计相适应，因 此广泛用于循环流化床中，种类也较多，关于典型的分离器结构见文献 1 中的 介绍。通常的惯性分离器较高温分离器有以下特点。需要很厚的保温层，分离 器四周可方便地布置受热面，使结构比较紧凑，启动和停炉亦比较容易：分离 器不受单个最大尺寸的限制，且可以使锅炉受热面的布置保持传统的紧凑形式， 浙江大学硕士学位论文 有利于锅炉的大型化；分离器阻力较小，有利于降低能耗。但这种分离效率通 常较低；惯性分离器的工作原理是使气流急速转向或冲击在档板上后在急速转 向，其中颗粒由于惯性效应，运动轨迹和气流轨迹不一样，从而获得分离。 2 - 2 高温分离器的工作原理 分离器的工作机理主要分为两种，一种是依靠离心力的作用分离颗粒的，如 高温旋风分离器、方形分离器；一种利用阻挡件对气流的阻挡作用产生的绕流引 起的惯性分离，如撞击式惯性分离器。 2 2 - l 旋风分离器的工作原理 旋风分离器的分离过程参见图2 5 ，当含尘气流以1 2 2 5 m s 速度由进气管 进入旋风分离器时，气流将由直线运动变为圆周运动。旋转气流的绝大部分沿器 壁自圆筒体呈螺旋形向下，朝锥体流动，通常称此为外旋气流。含尘气体在旋转 过程中产生离心力，将重度大于气体的尘粒甩向器壁，部分尘粉由器壁 反弹回主气流形夹带，大部分尘粒靠 向下的重力滑壁面下落，进入排灰管。 旋转下降的外旋气流在到达锥体时， 因圆锥形的收缩而向分离器中心靠 拢。根据“旋转矩”不变原理，其切 向速度不断提高。当气流到达锥圆锥 体下端某一位置时，即以同样的旋转 方向从旋风分离器中部，由下反转而 上，继续作螺旋形流动，即内旋气流。 最后净化气经排气管排出分离嚣外， 一部分未被捕集的尘粒也由此逃失。 图2 - 5 旋风分离器分离过程 自进气管流入的另一小部分气体，则向旋风分离器顶盖流动，然后沿然气管 外侧向下流动。当到达然气管下端时，即反转向上随上升的中心气流一同从排气 管排出。分散在这一部分上旋气流中的尘粒也随同被带走。 基于旋风分离器内的气流及颗粒运动十分复杂，因此一些研究者对颗粒的分 离捕集机理作出一些假设，从而形成各种不同的分离机理模型。典型的有转圈理 论模型、平衡轨道理论模型、边界层分离理论模型等。 4 浙江大学硕士学位论文 2 2 2 撞击式分离器的工作原理 撞击式分离器是惯性分离器的一 利，类型，它依靠撞击横向布置在气体 通道上的分离体来分离固体( 见图2 6 ) 。 r b a s u 等认为在撞击式分离器内 撞击和拦截是气固分离应考虑的两个 主要机理，同时也应考虑到重力沉降一-*pyrl。*删 j = = 二萎赫 二| 卜_ = ! t 针升膏啦 j l - j l j 避= - - j = 兰芝t 、_ e f 力 j l 4 bj 、：! 、， 图2 - 6 撞击式分离器工作原理图 的作用，因此，撞击式分离器的分离效率主要取决于上述三者的共同作用m 】。 当气固两相流流经撞击式分离器时，气流可绕着分离体流动，固体颗粒由于 携带的动量要比气体大，它们得以继续按原来方向运动，因而偏离主气流方向， 最后撞击在分离体上。从图2 7 可看出，存在着颗粒轨迹界限，当颗粒运动越过 这个界限时，颗粒就无法被分离出来。因此界限流线距分离体中心线的 【涟 一谶线 军彩霹 ，= ：，= 丝 图2 7 气固混合物圆柱阻挡件的流动 2 3 高温分离器的性能指标 距离y 。是影响撞击分离效率的重要参 数。若在界限线内所有颗粒经撞击粘 附在分离体表面，那么可认为在距分 离体中心线距离y 。范围内，所有运动 颗粒都有可能被分离。对个二维的 分离体( 长圆柱、长型钢截面等) ，分 级分离效率将是y l i m d 。，其中d 。是分 离体宽度。 分离器的主要性能指标有：表示分离效果的分离效率节及分级效率仉；表示 分离器能捕集的最小尘粒直径称为临界直径；表示能耗指标的压降卸；表示生 产能力的处理气量o ；表示经济指标的单位处理量的造价，运行费用和寿命等。 其中以分离效率7 7 ，分级效率仍和压降卸这三个指标最为重要。 ( 1 ) 分离效率 浙江大学硕士学位论文 对分离设备而言，分离效率表示为： 节= 善 ( 1 - 1 ) u 。 其中g ，为分离器每小时再循环回送炉内的灰量( k g h ) ，g 。为每小时溢出炉膛的 总物料量( k g h ) 。 分离效率是衡量分离器分离气固的能力的指标，它除了与除尘器结构有关 外，还取决于粉尘的性质、气体的性质、运行条件等因素。因此除排入口条件完 全相同，分离效率不宜用来比较不同分离器的分离性能。 ( 2 ) 分级分离效率 为了较好的表达分离器自身的分离效率， 义是某一粒径下的分离效率，可写成下式： 穆：垡一卜c o - &“ c x ?c i x i 式中： 往往采用分级效率，分级效率的定 ( 1 - 2 ) c i , c c ，c 。：分别为进入分离器，捕集下来，飞离分离器的颗粒量； x t ，z c ，x o ：分别为进入分离器，捕集下来，飞离分离器的分离份额； 分级效率是对某一特定直径的粉尘颗粒而言，说明的是分离器对直径为d 的颗粒的分离效率，与分离效率相比，它更能说明分离器的分离性能。 分级效率与分离效率的关系为： 1 1 = r f x i ( 1 - 3 ) x ；：为颗粒筛分份额。 ( 3 ) 分离器的临界颗粒直径d ， 临界颗粒原是由旋风分离器理论发展而来，它表示旋风分离器所能分离捕集 的最小粉尘颗粒直径d 。临界颗粒的直径大小是反映分离器分离效率高低的理论 依据。临界颗粒直径越小，分离器性能越好。从理论上讲，小于临界粒径的颗粒 是完全不能被捕集的。但在实际上，颗粒在进入分离器后，由于颗粒问的相互碰 撞，颗粒的团聚夹带及静电和分子g i 力等因素，使一部分小于临界粒径的细粉尘 也能被捕集。 浙江大学硕士学位论文 在有些文献中，人们还习惯用分离效率为1 0 0 的颗粒最小极限粒径d 。和分 离效率为5 0 的切割粒径d 。来表示临界粒径。d ，。0 寓意着儿大于d 。的粒径的粉 尘颗粒，分离器都可完全分离，而切割粒径d ，。表示对d ，。的粒径粉尘刚好有5 0 被捕集。 实际上，笔者认为分离器内的粉尘种类很多。如未燃烬的煤灰粒子、灰粉、 脱硫剂等等。不同密度的相同粒径的颗粒被分离的效率大不一样。在确定颗粒临 界直径之际，应考虑颗粒密度的影响。 ( 4 ) 分离器压降 压降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，是衡量分离器能耗和运转费用的指标。通常分离器的阻力是分离器前后管 道中气流的平均全压之差。 a p = p p o ( 1 - 4 ) 只，p o ：分别为分离器前后管道内的平均全压。 2 - 4 几种改造方案比较 从前面第一、二节的分析可以看出，这几种分离器各有各的特点，高温旋风 分离器分离效率最高，但结构较复杂：而惯性分离器结构简单、阻力损失较小， 但分离效率较低；方形分离器由于仍基于离心力分离，保持了较高的分离效率， 同时结构紧凑，其性能指标介于二者之间。第一章已经提出，高温分离器是常规 锅炉改造成循环流化床锅炉的关键部件之一，在旧锅炉改造中，根据所采用的高 温分离器不同，当前有多种改造方案，这些改造方案由于高温分离器的运行性能 的影响，有各自的特点，如表2 1 所示。 目前对分离器的设计都基于经典的理论，而且随着循环流化床锅炉的发展， 分离器的相关研究就显得不足，而对于适用于常规锅炉改造成循环流化床锅炉的 高温分离器的就更少。因此本文将对高温旋风分离器、撞击式分离器、方形分离 器以及方形分离器组进行试验研究。 浙江大学硕士学位论文 3 - 1 概述 第三章高温分离器的热态试验研究 旋风分离器因其结构简单、分离效率高、无转动部件、可适用较广场合等优 点得以广泛应用循环流化床锅炉中。然而，在对旧煤粉炉的改造过程中，为了更 好地确定改造方案，特别当选定了采用高温旋风分离器时，最优化的确定和设计 锅炉的容积热负荷和受热面布置，必须全面了解旋风分离器的运行特性。因此， 本章将对杭州热电厂一台2 2 0 t h 的循环流化床锅炉上的旋风分离器进行热态试 验，研究了负荷、入口风速、粉尘大小、温度等运行因素对分离性能的影响；另 外，对旋风分离器的热态试验研究是作为整台锅炉的整体性能研究的一部分。 3 2 试验循环流化床锅炉简介 锅炉立面图见图3 1 ，该锅炉为典型的a h l s t m mp y r o f l o w 型结构，锅炉系单 锅筒，自然循环水管锅炉，半露天布置。炉膛和尾部烟道采用全膜式壁全悬吊结 构。高温旋风筒采用支撑结构，汽包中心线标高为3 6 3 9 3 m ，锅炉总高为4 2 m ， 锅炉最大外形尺寸为：本体长2 6 3 6 5 m ，宽1 1 3 6 4 m 。 锅炉炉膛分为下部密相区和上部稀相区，下部密相区为锥形结构，布风板标 高为5 3 8 4 m ，截面积为2 8 1 4 6 m 2 ，采用猪尾管布风，一次风分为下部流化风 和上一次风，密相区采用耐磨耐火材料防磨，运行平台为8 m 层，沿炉膛四周开 设了给料口、给石灰石口、点火油枪口，二次风口、上一次风口及返料口。上部 炉膛前后墙间距为5 5 1 2 m ，两侧墙间距为8 9 4 4 m ，额定运行风速为5 m s ，在炉 膛上部，布置了4 片炉内屏式过热器。 在炉膛后墙布置了两只高温旋风筒，旋风筒的内径为m 4 8 m ，进口截面为3 8 3 6 1 5 4 2 m ，设计进口风速为2 2 m s ，旋风筒总高为1 2 7 7 m ，高温旋风筒下部连接 两个j 阀，采用多点送风，保证旋风分离下来物料返回床内，以维持炉内高浓度， 返料管的直径为巾8 6 4 m m 。在旋风筒进出口和返料立管上均设置了高温膨胀节， 以保证锅炉膨胀密封。 尾部烟道尺寸为4 ，2 4 x 6 1 0 8 m ，最高标高为3 7 3 1 6 m ，在内布置了高温过热 器、低温过热器、省煤器和空预器，采用顺列布置，加防磨盖板防磨，空预器出 口烟道连接电除尘器、引风机和烟囱。 给煤采用刮板机由前后墙给入，前墙布置二个点，后墙