（热能工程专业论文）圆形撞击式分离器的试验研究和数值模拟.pdf

! 墅三查兰鲨堡鎏奎 塑至 摘要 零文主要对超细煤粉再燃课题中的下抽气分离超细粉技术作进一步的觋究，对 圆形撞击式分离器进行了试验研究和数值模拟。 大量的试验研究发现，用超细煤粉作再燃燃料时降低n o 。排放的效果较好，在 国外的一些实际工程应用中，n 0 ，的排放量已经可以降低4 0 6 0 左右，而且用 煤粉作再燃燃料有较好的经济性，所以煤粉再燃技术是很有发展潜力的一项工程技 术措施。而要实现这一技术的一个关键问题便是如何获取超细煤粉。 本文对圆形撞击式分离器方案进行了一系列的试验研究，试验目的是要提出一 种简单高效的超细煤粉的收集方法。该方案就是在原来的细粉分离器下抽气技术的 基础上引入了一个圆形撞击式分离器，以期能够解决下抽气方案存在的抽粉率和抽 粉细度无法同时得到满足的问题。试验结果表明在控制一定的抽风量和分离器挡板 间隙的情况下，该方案是基本可以解决原来的问题的。 但是当细粉分离器的进口速度加大至接近电厂中实际的进口风速下进行的试 验结果出现了抽粉率不够的问题，不过此时的抽粉细度还是比较令人满意的，已完 全达到了国外资料中给出的再燃所需细度水平。 针对上述问题，在以上两个方案的基础上，对旋风筒底部的分离室进行改进， 在分离室内，圆形撞击式分离器的外面加装导流挡板，这一改进方案解决了抽粉量 和抽粉细度这一比较关键的问题，而且几组试验锝到的煤粉细度都比较理想。 本文还对旋风筒的理论研究历程进行归纳总结，概括了旋风分离器的计算机仿 真所必需的理论和数值计算模型，对加装了圆形撞击式分离器后的旋风筒进行流场 和颗粒运动轨迹的数值模拟，得出了不同参数条件改变下分离细粉的规律，为下一 步在工程应用中制定可行的超细粉分离方案提供参考。 关键词：再燃超细煤粉旋风分离器 下抽气圆形撞击式分离器 数值模拟 浙江大学硕士学位论文a b s t r a ( 1 a b s t r a c t h o wt os e p a r a t ef i n ec o a lf r o mo r i g i n a lc o a lu s e di np o w e r p l a n t w a sm o r cs t u d i e d b a s e do nb o t t o mb l e e dt e c h n o l o g yo f c y c l o n e s e p e r a t o r , a n d as e r i e so f e x p e r i m e n t sa n d t h es i m u l a t i o no f t h ei n e r t i a i i a l o u s i e s e p a r a t o rh a v eb e e nc a r r i e do u ti nt h i sa r t i c l e a g r e a td e a lo f t e s tw o r k s h a s v es h o w nt h a tf i n ec o a lc a nb eu s e df o rr e b u r n i n ga n d i t sc h a r a c t e r i s t i ci sv e r yg o o d u s i n gf i n ec o a lf o rr e b u r n i n gf u e lc a l lp r o v i d e4 0 - - 6 0 0 , 4 n o x r e d u c t i o ni np r a c t i c a lu s ea n dt h i st e c h n o l o g yh a sc o s tb e n e f i t s ，s oc o a lr e b u r n i n gi s at e c h n o l o g yt h a th a s g r e a tp o t e n t i a l a n dt h ek e yp r o b l e m t or e a l i s e t h i st e c h n o l o g yi sh o wt og e tf i n ec o a l as e r i e so fe x p e r i m e n t sh a v eb e e nc a r r i e do u to na ni n e r t i a lj a l o u s i e - s e p a r a t o ri n o r d e rt of m das i m p l ea n dh i g he f f i c i e n c ym e t h o dt oc o l l e c tf i n ec o a l t h i sp r o j e c ti sp u t f o r w a r db a s e d o nb o t t o mb l e e d t e c h n o l o g y o f c y c l o n es e p e r a t o r , a i n e r t i a l i a l o u s i e s e p a r a t o ri s i n s t a l l e do nb o t t o mb l e e dd u c ti no r d e rt od r a w - o u ta d e q u a t ef i n e c o a l e x p e r i m e n m lr e s u i t si n d i c a t et h a t 血i sp r o j e c t c a r ia c h i e v et l l ea i m b u tw h e nt h ev e l o c i t yo ft h ei n l e to ft h ec y c l o n es e p e r a t o rg e tg r e a t e rt h a tn e a rt h a t o ft h ep o w e rp l a n t , t h em a s so ft h ef i n ec o a lt h a tt a k eo u ti sn o te n o u g h ，t h o u g ht h e p a r t i c l e d i a m e t e ri ss a t i s f i n g w h i c hc a nr e a c ht h el e v e rt h a th a v ei n d i c a t e di ns o m e j n f o r m a t i o nf r o ma b r o a d ， t od e a lw i t ht h ep r o b l e mw eh a v em e ta b o v e ，t h ep r o j e c th a sb e e ni m p r o v e db y f i x i n gb a m eo u ts i d eo f t h ei n e r t i a l a l o u s i e s e p a r a t o r t h er e s u l t si n d i c a t ei th a v ew e l l s e t t l et h ec o n f l i c tb e t w e e nt h et o t a lm a sa n dt h ed i a m e t e ro f t h ef i n ec o a l a n dt h ep a r t i c l e d i a m e t e ri sa l s os a t i s f i n g t h ed e v e l o p m e n tc o u r s eo ft h et h e o r e t i c a lr e s e a r c ha n dt h en u m e r i c a l c a l c u l a t i o n m o d e lo ft h ec y c l o n es e p a r a t o ra r er e v i e w e da n ds u m m a r i z e di n t h i sp a p e r t h ei n n e r f l o wf i e l da n dt h ep a r t i c l em o t i o no ft h ec y c l o n ew i t ha ni n e r t i a lj a l o u s i e s e p a r a t o ra r e s i m u l a t e d ，w h i c hw e l li n d i c a t et h er u l et os e p a r a t et h ef i n ec o a la n dp r o v i d er e f e r e n c e t o r e a l i s et h i sp r o j e c tf o re n g i n e e d n g k e yw o r d s ：r e b u r n i n g f i n ec o a l c y c l o n es e p a r a t o r b o t t o mb l e e di n e r t i a l j a l o u s i e s e p a r a t o r n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i i y ；8 0 2 2 9 本论文研究得到下列项目的资助 1 国家8 6 3 项目：型眉三迭匝豆燃隆低盟q ! 挂放的婴冠 2 国家9 7 3 项目：煤整坦凼回盟膛煎避氢班冠 3 国家教委优秀博士论文基金项目：查扭氯墨越! 迁整扭理塑亘 调莹崖粉豆燃隆低丛q ! 挂丝珏豇 浙江大学硕士学位论文 第章绪论 第一章绪论 1 1 控制电厂燃煤过程中n o ；排放的重要性 能源与环境是当今社会发展的两大问题，在能源的利用中，煤炭是我国分布最 广、较为丰富的能源，而石油、天然气资源则相对不足，我国的煤炭提供了7 3 的 能源和7 5 的电力，该比例居世界第二位。同时，煤的燃烧要排放出大量污染物， 引发一系列的污染问题。例如，我国每年排入大气中的8 7 的s 0 。、6 8 的n o ，：和 6 0 的粉尘均来自于煤的直接燃烧，因此，发展高效、低污染的清洁煤燃烧技术， 降低n 0 ，和二氧化硫的排放量是当前亟待解决的问题。 煤燃烧过程产生的大量污染物中，n o , 是一种危害性极大的污染物，因而受到人 们越来越多的认识和关注。n o 。是氮氧化物的总称，主要包括氧化氮( n o ) 、二氧化 氮( n o ：) 、氧化亚氮( n 。o ) 等几种。燃烧过程中排放出来的n o 。中n 0 约占9 5 ，n 0 2 约占5 。由n 0 ，形成的硝酸和二氧化硫形成的硫酸一样，是酸雨的主要成分，酸雨 已是世界公认的重大环境问题之一。n o 其本身毒性不大，但在大气中可氧化为n 0 2 ， 对人眼睛有刺激作用，对人的呼吸器官有强烈的刺激。另据研究表明，n o 。还会参与 光化学烟雾的形成，此时毒性更强，甚至有致癌作用。n 2 0 与二氧化碳样，会引起 温室效应，而且n 2 0 与大气中的氯氟化碳会在光合作用下释放出氯和氮原子，参与 催化循环，从而破坏大气臭氧层，导致更多的紫外线透过大气层到达地球表面，对 人类造成灾难性的影响。 近年来，虽然石油、天然气、水能和核能等资源的开发利用，煤炭在能源生产 总量和能源消耗总量中的比例有所下降；而且随着我国火力发电技术的进步，大容 量机组在总装机容量中所占比例逐年增加，单位发电煤耗不断下降以及单位发电量 的n o 。排放量逐年减少，但是由于发电量的快速增长，到2 0 1 0 年n 0 ；的排放总量将 比1 9 9 5 年增长2 2 9 万吨左右。预计在较长的时间内我国以煤为主的能源结构不会改 变。为了保护环境，实现国民经济的可持续发展，世界上的许多国家，均相继立法， 对燃煤电站锅炉的n o 。排放浓度加以限制。我国对3 0 0 m w 及以上机组容量机组实施 了n o ；排放不大于6 5 0 m g m 3 的排放标准。对燃油、燃气锅炉也提出了相应的排放 标准。有些地方政府对燃煤锅炉制定了更为严格的n 0 ，排放标准( 如北京市限制燃 煤锅炉n 0 。排放量小于2 5 0 m g m 3 ) 。 对燃烧过程中生成的n o ，实施控制是一项复杂的技术，由于n o ：的生成机理不同， 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 影响其生成量的因素也各不相同，同一控制因素对它们的影响程度也各有差异。此 外，在采用n o ，控制措施时，还要考虑该项措施不影响燃烧设备的能力和效率；不 增加能耗；不产生新污染物及经济因素等条件。通常，电站锅炉采用的n o ；控制方 法有以下四大类“4 1 ：改善运行条件、改进燃烧方法、烟气脱硝技术和循环流化床等 新型低污染燃烧技术。 1 2 煤粉再燃降低n o ；排放技术的提出 再燃( 燃料分级) 是一种燃烧改进技术，它用燃料作为还原剂来还原燃烧产物 中的n o ，。再燃技术是目前新兴的技术，在国外有很多科研机构对再燃进行了大量的 研究工作，它由于降低n 0 排放效果显著，有利于工业推广而成为非常具有发展的技 术。 最早发现再燃脱硝的是在w e n d t 和m y e r s o n 通过实验发现”1 将甲烷在电站锅炉 中主燃烧区的下游( 紧贴主燃烧区的地方) 作为再燃燃料喷入，可以使n o 的排放降 低5 0 。w e n d te ta l 于1 9 7 3 年首先提出了再燃烧这一概念，1 9 8 3 年，t a k a h a s h i e ta l ”1 在三菱重工的实验中报道了运用再燃烧方法可以降低超过5 0 的n 0 ，排放量， 这种方法作为一种实际的低n o 。燃烧技术，人们开始重视这项技术并对其进行了多 方面的研究。在最初的研究中，由于天然气本身不含氮，在燃烧中不会产生附加n 0 。， 因此很快成为被人们研究最多的对象。但对于大多数的燃煤电厂来说，由于煤粉方 便易得，国内外许多学者提出采用与主燃料相同的煤粉作为再燃燃料，其最大的优 点是：具有较好的经济性，在燃煤电厂里便于实现。g l a s se ta 1 4 1 ，b o s ee t a l 。1 较早的展望了煤粉再燃烧技术，并进行了实验研究，发现煤粉特别是挥发分较高的 褐煤和烟煤再燃时可以获得比天然气更好的效果。煤开始成为人们研究的首选的再 燃燃料。在国外已有工程实践表明煤粉再燃技术有比较满意的减排n o 。的效果，比 如在美国巴威公司的威斯康星州6 0 1i o m w 燃煤旋风炉上采用了煤粉再燃技术，降 低n o ，的效果非常显著，在4 0 6 0 之间“”；台湾能源与资源研究所与美国能源部 合作在一台7 5 t h 燃煤锅炉上实施超细煤粉再燃，燃用山西平朔烟煤，n o 。排放量从 原4 0 0 m g 。，降低到2 0 0 m g 。，“。 我国燃煤电厂很多，国内对再燃过程进行了基础性的研究。浙江大学对煤粉再 燃进行了基础研究，在4 台1 2 5 m w 锅炉上实施煤粉浓淡燃烧加空气分级，取得了n o ， 排放浓度低于5 0 0 m g n m 3 的长期运行效果效果，开发了在线燃烧优化和低n 0 。燃烧优 化系统，并成功在3 0 0 m w 锅炉上应用 1 2 q 6 ；清华大学钟北京等“7 ”1 对气体再燃和 烟煤、褐煤焦再燃进行了计算和试验研究；东南大学张强等“”对再燃机理及其技术 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 发展进行了评述，并对使用生物质作为再燃燃料进行了讨论；西安交通大学刘艳华 等”对铜川煤和焦中氮的存在形态进行研究；上海交通大学徐华东等。”对再燃技 术在我国的应用前景进行了探讨，但是公开的资料中却尚未发现大陆有使用再燃方 法降低n 0 。排放的工程应用。 我国2 0 0 m w 及以下容量锅炉一般均采用中间储藏式制粉系统，煤粉经细粉分离 器分离后进入粉仓，细粉分离器的排气以三次风的形式送入炉内燃烧。如果采用其 它的燃料作为再燃燃料，必须要增加另外的燃料系统，改进的成本的运行的安全性 都不方便。三次风中含有1 0 2 0 左右超细煤粉，将这些超细煤粉分离浓缩后作为 再燃燃料送入炉内还原n o 。实施燃料再燃。由于三次风煤粉粒度比一次风煤粉粒度 明显要小，易着火，易燃烬，是一种很合适的再燃燃料。另外，对于锅炉炉膛内的 燃烧工况而言，当三次风投入时，相当于增设了顶部燃烧区，实行分级燃烧，在燃 烧器区域形成富燃区，三次风喷嘴附近形成燃尽区，使n 0 ，排放量降低，此外，含 粉三次风还可起到还原已生成n o 。的作用，使n 0 ，进一步下降。 煤粉再燃技术的主要特点是：( 1 ) 不仅最大限度地控制n o ，的排放，而且使锅 炉燃烧更加稳定，尤其是低负荷运行性能得到改善，并可提高锅炉运行效率；( 2 ) 可以避免炉内结渣、高温腐蚀等其它低n o ，燃烧技术带来的不良现象；( 3 ) 由于三 次风喷口本来就位于炉膛上部，实施三次风超细煤粉再燃对设备改动很小，只需在 炉膛适当位置布置几个喷口即可，系统简单，投资较少，而且对锅炉运行状况( 如 汽温、飞灰可燃物、炉内结渣) 的影响也小。( 4 ) 无二次污染。 所以，利用三次风超细煤粉浓缩再燃是一项适合我国国情，成本低廉的降低n o 。 排放技术。与其他降低n o 。排放的技术措施相比较，无论在改造成本、运行成本和 n o 。降低效果方面均具有明显的竞争优势，有巨大的市场前景。 文献表明，在实施细粉再燃降n 0 。排放燃烧时，所需要的再燃燃料量最好应为 总燃料量的2 0 左右，但是在目前很多电厂中，由于细粉分离器的效率逐渐改进和 提高，能达到9 0 左右，三次风中的细粉量就只占1 0 左右，即使把这些煤粉全部 分离出来，也不能满足再燃所需要的细粉量。如果要进行再燃改造，解决细粉来源 将是一个至关重要的技术问题。 1 3 超细煤粉收集方法比较 用煤粉作为再燃燃料的一个关键问题便是如何得到超细煤粉。获取细粉的方法 很多，下面对本课题组探讨过的几种收集超细煤粉的方法进行比较，分析其优缺点 和工程可行性。 浙江大学硕士学位论文 第章绪论 1 用磨煤机磨制细粉 在制粉系统中增加台专门用于磨制细粉的磨煤机，这样的方法很简便，很容 易得到满足细度要求的细粉，而且粉量也很好控制，但是由于要增加新的磨煤机， 投资巨大，显然不划算。 2 用布袋除尘器和电除尘器收集细粉 在中储式制粉系统中，由于细粉旋风分离器不能把全部的煤粉分离下来，因此 在三次风中还有1 5 2 0 的超细煤粉，它们的平均粒径为1 5 um 左右2 1 ，因此可 以把这部分煤粉收集下作为再燃燃料。对于球磨机三次风中粉尘的收集问题，目前 国内水泥生产厂家采用的基本方法是采用m d c 磨煤袋收尘器和宽间距电收尘器来收 尘，且在工程实践中都达到了很好的效果。”2 。因此可以借鉴水泥厂的相关技术， 用 l d c 磨煤袋收尘器或宽间距电收尘器来收集三次风中的超细煤粉。将这两种除尘 器布置在细粉分离器排粉风机的后面，收集出三次风粉送入细粉仓，作为再燃燃料。 由于这两类除尘器的除尘( 收集) 效率都能达到9 9 左右，所以从中出来的气体可作 为燃尽风送入炉膛中。 根据m d c 磨煤袋收尘器和宽间距电除尘器的性能特点，用它们来收集三次风煤 粉在技术上是完全成熟的，但是存在着占地面积大和投资巨大等问题，另外电除尘 器还存在煤粉的燃烧爆炸等安全性问题，所以虽然两种除尘器的收集效率很高，但 是并不实用。 3 用分级机收集细粉 分级机也称为旋转动叶轮收集器，是一种同时利用离心分离和碰撞分离作用的 分离器，在化工、冶金等行业就是利用其旋转动叶轮高速旋转产生的涡流场把气流 中的微粉分离出来达到选粉的作用的。基于这种分离理论，由于三次风煤粉粒径小 于细粉分离器的临界粒径，因离心力小而不能分离，若采用旋转动叶轮收集器来收 集，旋转的动叶轮的高速旋转，可强迫含尘气流旋转，增大其离心力，起到分离超 细煤粉的作用。 目前，分级机的型式主要有叶轮式和叶片式两种。图1 一l 所示为叶轮式超细粉 空气分级机结构示意图。当用分级机来收集细粉时，可将从细粉分离器出来的带粉 气流在分级转子和分级叶片之间被充分分散，并进行循环分级。粗颗粒在强大的离 心力场的作用下，被甩向壁面，沿简壁下落，经调隙锥之间的间隙进入底部集灰斗， 其夹带的细颗粒被二次风再次吹起，再进入分级区循环分级。落入集灰斗中的粗颗 粒由泄料阀排出。细颗粒在向心的粘带力作用下，进入转子叶片的间隙，由分级机 顶部的细粉出口排出排出的气流进入下一级的高效旋风分离器和布袋除尘器收集。 采用分级机方案时，经济性要优于前面的两种除尘器，而且，本课题组的师兄通过 4 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 滑石粉的试验表明，当分机轮转速达到3 8 0 0 r m i n 时，它的收集效率和前面两种除 。斤韶1 础 且山盱 爪 婪 1 ( 茭 k 1 机身2 叶片3 分机腔4 分机轮5 进科管6 轴 7 出料管 8 一次风管9 二次风管1 0 调隙锥1 1 送粉机 图1 1 分级机主机结构图 尘器的收集效率相差无几。但由于分级机自身的工作原理使得其存在安全性的问 题：分级机叶轮的高速旋转会使运行过程中内部温度升高，从而有煤粉自燃的危险。 1 4 本文的工作背景和主要工作内容 综上所述，煤粉再燃技术具有较好的经济性和可行性，其脱硝效率也比较高， 所以是比较有发展潜力的一项技术。在煤粉再燃技术中的一个关键问题是超细煤粉 的获得，这是很值得去研究解决的问题，一旦能够找到一种经济有效的方法，那将 大大促进煤粉再燃技术的发展。由于在制粉系统中本来就有大量的超细煤粉，这些 超细煤粉往往随着三次风喷入炉膛燃烧。如果能把制粉系统中的超细煤粉收集起来 作为再燃燃料的话，那么用超细粉再燃来实现低n 0 ，的燃烧方法就具有良好的经济 性和实用性。 经过研究表明电厂三次风含粉的粒度主要分布在s u m 一3 0 u m 之间，可以认为是超 细煤粉，完全可以满足再燃用煤粉的细度要求。三次风中的煤粉浓度比较低，要将 煤粉分离收集下来可以有两种方法：一种是纯收集的方法，主要采用布袋除尘器或 电除尘器将细煤粉收集下来；另一种方法是采用分级机把细粉先从三次风中分离出 来。采用布袋除尘器或电除尘器来收集超细煤粉在技术上是完全可行的，但存在占 地面积大和投资巨大的问题，很难在电厂推广利用。而采用分级机时经济性要优于 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 前者，但由于分级机自身的工作原理使彳导其存在安全性的问题：分级机叶轮的高速 旋转会使内部温度升高，有煤粉自燃的危险。另外，以上的这两种方法还存在共同 的一个问题，那就是收集粉量的不足，由于目前电厂中的细粉分离器的效率能达到 8 5 9 0 左右，这样三次风中的细粉量就只占总燃料的1 0 1 5 左右，而再燃所需 粉量是总粉量的2 0 左右，即使把三次风里的煤粉全部分离出来，也不能满足再燃 所需要的粉量要求。为了解决这个问题，本课题组的师兄研究了从制粉系统的细粉 分离器的底部抽出细粉的方法。经过一系列的试验，发现此种方法可以解决细粉量 不足的问题，但存在随着抽粉量的增加，抽粉细度也变大的问题，也就是无法同时 满足抽粉量与抽粉细度的要求。 本文将对另一套的改进方案“在旋风筒下抽气的基础上加装圆形撞击式分 离器”进行研究，研究工作是在国家高新技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 利 用超细煤粉再燃降低煤粉炉n o ；排放和池作和教授全国优秀博士论文基金项目 有机氮释放、迁移机理和可调节煤粉再燃降低劣质煤n o 排放的基金资助下进行的。 本文的主要工作内容如下： 1 、研究用细粉分离器下抽气技术来收集超细煤粉的可行性和经济型，分析其中存在 抽粉量和抽粉细度这一矛盾的原因所在。 2 、对细粉分离器下抽气技术进行改造，在此基础上加装圆形撞击式分离器，通过对 圆形撞击式分离器的参数变化组成的各工况的试验研究，找寻改进方案后的分离 效果和规律，总结影响抽粉率和抽粉细度的因素，得到较优的圆形撞击式分离器 的结构参数。 3 、对旋风筒的理论研究历程进行归纳总结，概括旋风分离器的计算机仿真所必需的 理论和数值计算模型。对加装了圆形撞击式分离器后的旋风筒进行流场和颗粒运 动轨迹的数值模拟，为确定实际的分离细粉方案提供参考。 参考文献： 1 毛文永，文剑平，全球环境问题与对策 m ，中国科学技术出版社，1 9 9 3 2 毕玉森，低氮氧化物燃烧技术的发展状况，环保论文集 m ，河南电力出版社，1 9 9 9 3 张永照，牛长山，环境保护与综合利用 m ，机械工业出版社，1 9 8 1 4 f o l s o m 。b a ，p a y n e ，r 。m o y e d a ，d ，v l a d i m i rz a m a n s k ya n dg o l d e n ，j ，a d v a n c e d r e b u r n i n gw i t hn e wp r o c e s se n h a n c e m e n t s j ，i ne p r i e p a1 9 9 5j o i n ts y m p o s i u mo n s t a t i o n a r yc o m b u s t i o nn o 。c o n t r 0 1 k a n s a sc i t y ，m a yt 9 ( 1 9 9 5 ) 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 5 蒋怀军等，燃烧污染与环境保护 m ，华南理工大学出版社，1 9 9 3 6 l ds m o o t ，s ch i l l ，h x u ，n o ，c o n t r o lt h r o u g hr e b u r n i n g j ，p r o g r e s si ne n e r g ya n d c o m b u s t i o no ns c i e n c e ，1 9 9 8 ，3 8 5 4 0 8 1 7 t a k a h a s h i ，e t c ，i np r o c e e d i n g so ft h e 1 9 8 2j o i n t s y m p o s i u m o n s t a r i o n a r yn 啦 c o n t r o l j e p r ir e p o r tn o c s 一3 1 8 2 ，j u l y ( 1 9 8 3 ) 8 b a b c o c k w i l c o xc o m p a n y ，d e m o n s t r a t i o no fc o a lr e b u r n i n gf o rc y c l o n eb o i l e rn o 。 c o n t r o l j c o m p r e h e n s i v er e p o r t t o c o n g r e s s c l e a nc o a l t e c h n o l o g yp r o g r a m 。 d o e f e 一0 1 5 7 ，f e b r u a r y ( 1 9 9 0 ) 9 g l a s s j w ，w e n d t j 0 l ，1 9 “s y m p o s i u m( i n t e r n a t i o n a l ) o nc o m b u s t i o n s j ，t h e c o m b u s t i o ni n s t i t u t e ，p i t t s b u r g h ，p p1 2 4 3 1 2 5 l ，1 9 8 2 1 0 阎维平洁净煤发电技术哺 中国电力出版社，北京，2 0 0 2 e 1 1 黄皓鹏。r e s e a r c h d e v e l o p m e n to fe n e r g ya n dp o l l u t i o np r e v e n ta tc o m b u s t i o n h e a t t r a n s f e rl a b o r a t o r y ，2 0 0 2 5 内部交流资料 1 2 方磊，三次风再燃降低n o 。排放的研究 d ，浙江大学硕士学位论文，2 0 0 2 2 1 3 z h o uh a o ，c o nk e f a ，m a oj i a n b o ，c o m b i n i n gn e u r a ln e t w o r ka n dg e n e t i ca l g o r i t h m s t o0 p t i m i z el o wn 嘎p u l v e r i z e dc o a lc o m b u s t i o n j ，f u e l ，8 0 ( 2 0 0 1 ) ：2 1 6 3 - - 2 1 6 9 1 4 周昊茅建波，池作和，蒋啸，王正华，岑可法，燃煤锅炉低氮氧化物燃烧特性的神经网 络预报 j ，环境科学，2 0 0 2 ，2 3 ( 2 ) ：1 8 2 z 1 5 周昊，童汇源，孙平，岑可法，6 0 0 删锅炉偏转二次风系统炉内流动和n 0 。排放特性 j ， 中国电机工程学报，2 0 0 0 年1 1 月，6 8 7 l ，7 6 1 6 周吴，孙平，岑可法，偏转二次风系统6 0 0 m w 燃煤锅炉n 0 。排放特性及数值模拟 j ，环境 科学学报，2 0 0 1 年3 月，n 0 2 ，1 9 8 - - 2 0 2 ( 1 7 钟北京，施卫伟等，煤再燃过程中燃料特性对。还原的影响 j 燃烧科学与技术， 2 0 0 07 ( 2 ) ：1 1 5 - 1 1 9 1 8 54 砷a l 京。施卫伟等煤再燃过程中催化剂对再燃过程的影响 j ，热能动力工程，2 0 0 1 1 6 ( 3 ) ： 2 5 9 2 6 2 1 9 张强，李彦鹏，许益谦，再燃烧还原n 0 ；机理及其技术发展，工业锅炉 j - 2 0 0 1 2 r1 7 1 9 2 0 刘艳华，车得福等，x 射线光电子能谱确定铜川煤及焦中氮的形态 j ，西安交通大学学 报，2 0 0 0 3 5 ( 7 ) ：6 6 1 6 6 5 2 1 徐华东，罗永浩，王恩禄，陆方，再燃烧技术及其在我国的应用前景，动力工程 j ，2 0 0 1 ， 2 1 ( 4 ) ：1 3 2 0 1 3 2 3 ： 2 2 范从振，锅炉原理 m 。水利水电出版社：北京1 9 8 6 7 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 2 3 付伸进王言华等，袋式收尘器在煤粉收尘系统中的应用 j ，四川水泥，n o 5 ( 1 9 9 8 ) ，p p 2 8 ( 2 4 饶英良，浅谈磨煤袋收尘系统的改造 j ，福建建材，1 9 9 8 ( 2 ) ：3 1 3 5 2 5 严峻，球磨机用高压静电除尘器的设计和使用 j ，化学工业与工程技术1 9 9 7 ，1 8 ( 3 ) ： 2 l 2 6 欧太武，超细煤粉再燃降低n o ，排放细粉分离技术研究 d ，浙江大学硕士学位论文，2 0 0 3 i ： 2 2 3 6 8 浙江大学硕士学位论文 第二章圆形撞击式分离器的试验研究 2 1 引言 第二章圆形撞击式分离器的试验研究 在上一章中介绍了将三次风所带细粉收集下来的一些方案，并分析了各个方案 的优缺点，实际上这些方案还存在一个共同的问题那就是收集粉量的不足，由于 目前电厂中的细粉分离器的效率能达到8 5 9 0 左右，这样三次风中的细粉量就 只占总粉量的1 0 1 5 左右，而相关资料表明再燃所需粉量应是总粉量的2 0 【l 】 左右，此时即使把三次风里的煤粉全部分离出来，也不能满足再燃所需要的粉量要 求。针对这个问题，提出了另一种从制粉系统的细粉分离器中抽出细粉的方法。 在制粉系统中，进入细粉分离器的煤粉是成正态分布的，包括各种不同粒径的 粒子，下图是其粒径的累积分布图，由图2 - 1 可知，粒径小于1 5 6 5 ud 1 的煤粉颗粒 占总量的3 8 5 3 【”。如果有一种方法能够把这部分细煤粉从细粉分离器中分离出 来，就会有一举两得的效果：一方面，这可以减少进入上升管中的煤粉量，即减少 三次风带粉量，从而提高旋风分离器的分离效率，并从一定程度上减轻电厂中由三 次风带粉量高所导致的问题；另一方面，可以把抽出来的煤粉作为再燃燃料，满足 足再燃对煤粉量以及煤粉细度的要求。 图2 1 针对这个问题，本课题组提出了使用下抽气旋风分离器抽取细粉的新方法，来 抽出进入细粉分离器中的大部分细粉。底部抽气是指在反转式旋风分离器的底部进 行抽气用于提高其分离效率的一种技术措施。国内外在这方面已有了一些科研成果 【3 】：s t a i r m a n d 和c a p l a n 在他们的文章中提到了在实验室的旋风分离器中，采用从 颗粒排出口抽气的方法所带来的好处，但并没有说明不同的抽气率对分级效率的影 $一峰裂t群* 浙江大学硕士学位论文 第二章圆形撞击式分离器的试验研究 响，也没有给出最佳的抽气位置；另外如煤炭研究协会等科研机构在这方面进行了 一系列的实验，确立了抽气率和抽气位置与整体以及分级收集效率的关系，试验结 果表明在正确设计和合理运行的工业反转型单管旋风分离器或多管旋风分离器上采 用1 0 的底部抽气量时可以使颗粒排放量减少3 0 ，当底部抽气量增大到1 5 时， 颗粒排放量可减少4 0 左右，不过增大抽气量对分离器效果的改善是有限制的，当 采用更高的抽气量时，颗粒的排放量将只有微小的变化，另外还发现抽出气流中的 颗粒平均粒径显著地小于集灰斗中颗粒的平均粒径，也就是将原粉中较细的颗粒抽 出来了。在分级收集效率方面，采用底部抽气技术后不同粒径颗粒的分级收集效率 都有不同程度的提高，当量直径小于5 u r n 的颗粒的分级收集效率的提高特别显著。 从以上的这些研究成果可初步看出底部抽气技术能够实现我们的收集细粉的目标。 2 2 细粉分离器下抽气试验研究 2 2 1 下抽气技术的理论分析 由有关资料对细粉分离器内的流场分析可知，在旋风筒内除了内外两个主旋气 图2 2 旋风分离器内流场图 流外( 见图2 2 ) ，沿除尘器的全长还有从外旋气流到内旋气流的二次气流p j ，图2 2 是t e rl i n d e n 所测出的实际二次气流流线图。1 ，从图中可看到上升管外壁面附 近的二次短路流将带动某部分较细煤粉直接进入上升管中，从而降低了分离效率； 另外在锥体部分存在径向涡流和轴向涡流，如图2 - - 3 所示，这些涡流将带动部分较 细颗粒随之做涡流运动，难以被分离下来，从而也影响旋风分离器的效率。 浙江大学硕士学位论文 第二章圆形撞击式分离器的试验研究 图2 3 旋风分离器内涡流图 1 9 8 6 年，e ws t a g e 等人基于边界模型对抽气量及抽气位置和除生效率进行了 较系统的研究i l2 j i l 。边界模型认为，由于较大动量颗粒的反弹和湍流现象，旋风分 离器壁表面的颗粒存在着不稳定性，即壁面附近存在着一层较薄的颗粒浓集区，被 分离出来的颗粒大都集积在该区域内。在这一区域内，较细颗粒( 包括一部分撞到 粗糙筒壁上反弹回气流中的较粗颗粒，大约4 0 6 0 u m ) 处于最外层，这一薄层气流 在锥形筒底部转为上升内旋流时，较细颗粒极有可能被重新带入，而使前面部分的 离心沉降成为无效，这也将降低分离效率，如图2 4 所示【6 1 a 图2 4 旋风分离器分离颗粒图 若在排灰口( 即锥体底部) 附近加设一抽气管进行下抽气时，则可以破坏筒内 部分颗粒的涡流运动，将其抽入抽气管中 另外，根据流体力学的漉线不可相交原 理，抽气管抽气所得的必然是紧靠壁面的外层气体，这样就可以把最外层的较细煤 粉颗粒给抽出来，从而也就避免壁面附近颗粒浓相层中的气体进入内旋流，因而该 浓集区中的颗粒也就不可能被带入排气管，而是进入抽气管中。此外，抽气管抽气 浙江大学硕士学位论文 第二章圆形撞击式分离器的试验研究 减少了灰斗与旋风筒主体之间的压力差，由此负压中心向上移动，因而灰斗中已分 离出来的颗粒的卷吸吹起来的现象大大减少。这样就达到了既抽出了细粉，又提高 了细粉分离器的效率的目的【7 】【8 】【9 】。 从上面的分析中可看出：通过底部抽气技术来得到再燃所需的超细煤粉理论上 是可行的。 2 2 2 下抽气技术试验方法及试验结果分析 为了验证底部抽气技术的可行性，本课题组特别搭建了个实验台进行一系列 的试验，试验系统如下图所示： l 一煤粉仓；2 一绞龙；3 一旋风筒；4 一主风门；5 一大除尘器；6 一主风机； 7 一抽气阀门；8 一小除尘器；9 一抽气风机；1 0 一抽气管；l l 、1 2 一u 型计； 1 3 一文丘里管；1 4 一集粉斗； 图2 一s 细粉分离试验装置示意图 整个系统为负压系统，两台单机布袋除尘器各带一个引风机，主风机6 的压头 能使气流以一定的速度流入进口管道：抽气风机9 将带粉气流抽出。煤粉仓1 里的 煤粉由给粉机2 经文丘里管1 3 送入旋风分离器，此旋风分离器是以某电厂的细粉分 离器按l ：l o 的比例来制造的，其筒径为4 0 0 m 。抽气管1 0 在分离器底部伸入分离 器的锥体内，抽气位置离排灰口5 0 r a m 的地方，此位置是课题组前期通过试验分析得 出的最佳抽气位置 2 6 1 。抽气管的抽气量通过抽气阀门7 来改变，大小通过u 型差压 计的压差算出。主风门4 的作用是用来控制每个工况的风量保持一致。抽气气流中 的超细煤粉通过小布袋除尘器8 来收集，由于布袋除尘器的效率高达9 9 9 ，因此 浙江大学硕士学位论文第二章圆形撞击式分离器的试验研究 可以认为小布袋除尘器收集下来的粉量就是抽气抽出的粉量。由旋风筒出来的气流 通过大布袋除尘器5 排出。做完每个工况后，分别称出大小布袋除尘器以及集灰斗 中收集下来的粉量。将小布袋除尘器收集的粉量除以总粉量就得到抽粉率，而将大 布袋除尘器收集下来的粉量除以总粉量即可求得旋风分离器的分离效率。再将小布 袋除尘器收集的煤粉取样作粒径分析，得到所抽出煤粉的粒度分布。整个试验台结 构紧凑，操作简单，对试验结果的测量精确。试验结果可靠性较强。 试验中将抽风率变换为1 0 、1 5 、2 0 和2 2 四个工况而进行。对试验结果 分析概括后可得出： ( 1 ) 下抽气后，可以将模型细粉分离器的分离效率从9 2 5 左右显著提高到 9 3 5 9 6 8 ，而且随着抽风量的增大，旋风分离器的效率也增大。这是因为随 着抽风率的变大，抽出的粉量也越多，此时从旋风分离器排气管中出去的气流的含 粉量就相应降低，故而旋风分离器的效率得以提高。 ( 2 ) 随着抽风量的增加，抽取的粉量也相应的增加，这是由于随着抽风率的增 大，气流携带的煤粉颗粒也增多的原因。由图2 6 可看出：在2 2 抽风率时，抽 粉率能达到1 6 8 ，在实施细粉再燃时所需要的细粉量为整个燃料的1 5 2 0 左 右，因此，在旋风筒底部抽气时，所获得的细粉量基本满足再燃燃料量的要求。 1 01 2 1 4 1 61 8如投 抽风率( ) 图2 6 抽风率和抽粉率关系图 ( 3 ) 将不同抽风率抽取的细粉和进入细粉分离器的原粉比较，原粉的平均粒径为 5 8um ，细粉的粒径已经远远小于原粉粒径。但是从图2 7 可看出，随着抽风率的增 大，抽取细粉的平均粒径也增大，由1 0 抽风率时6 6 pm 的细粉平均粒径增大到 傅 伯 住 协 8 6 4 9 6 一斛杂幂 浙江大学硕士学位论文 第二章圆形撞击式分离器的试验研究 2 2 抽风率时1 5 1 “m 的细粉平均粒径。这说明随着抽气量的增大，虽然容易把细 粉抽出，也很容易把一些大颗粒卷吸进来，从而使所抽取的细粉平均粒径增大。 1 6 1 4 售 j 一1 2 堪 掣 霜 o 措_ 龚8 聂 醛 舞6 1 01 21 41 e1 b2 02 2 抽风率( ) 图2 7 抽风率和抽出煤粉粒径关系图 2 2 3 细粉分离器下抽气技术总结 从上面的分析中可看出，在细粉分离器上采用下抽气技术一方面确实可以提高 其分离效率，减少排气所带粉量；另方面，由于在实施细粉再燃时，所需要的细 粉量为整个燃料的1 5 2 0 左右，因此，在底部抽气时，所获得的细粉量基本满 足再燃燃料量的要求，由于在实验室里最高抽风率只做到2 2 左右，按图2 1 5 所 示的抽粉率和抽风率的折线规律，当抽风率增加时，抽粉率也增加，因此底部抽气 达到3 0 左右时的抽粉率应当没有什么问题。 但是这个方案始终存在抽粉细度随抽风量增大而变大的问题，将无法同时满足 抽粉量与抽粉细度的要求，所以这套方案有待改进。 2 3 圆形撞击式分离器分离试验研究 通过对以上细粉分离器下抽气方案的试验研究，初步解决了所需细粉量的问题， 但是还存在着一个矛盾，就是抽粉细度随抽粉量的增大而增大。为了解决单纯的下 抽气方案中存在的这对矛盾，提出了以下的改进方案：在原来的抽气管的基础上引 入一个百叶窗挡板的圆形撞击式分离装置，这样在下抽气时，可以对抽气气流进行 再分离，以期在获得所需粉量的同时防止大颗粒的进入，从而降低抽粉细度。 浙江大学硕士学位论文 第二章圆形撞击式分离器的试验研究 2 3 1 圆形撞击式分离器工作原理 圆形撞击式分离器属于一种惯性分离装置，此分离装置是在一个圆筒壁上开了 1 0 个槽，在每个槽的两边焊两片与切线成3 0 度角的狭长挡板，用于分离气流中的 粗大颗粒。将此分离装置套装到伸入旋风分离器分离室内的抽气管上后，在其上面 再套一个导流圆台，圆台上顶刚好与旋风筒的锥体底面持平，其结构简图如图2 8 所示。 图2 8 圆形撞击式分离器示意图 此分离器是通过惯性的作用来达到分离气流中颗粒的目的的。气流进入