（化工过程机械专业论文）燃石油焦CFB锅炉中温旋风分离器的实验研究.pdf

摘要 通过单管实验研究，开发了具有独特的倒锥形导流体结构的p z c 型直流旋风管。它具有效率高、压降低和结构简单等特点。多管组合 实验研究了布管方式对组合多管的性能影响，发现旋风管间压降差值 大小是造成返混干扰的主要因素，而分离器灰斗底部抽气对减少旋风 管间的相互干扰引起的返混是非常有利的。全面系统的测定了p z c 型 旋风管内流场，分析了旋风管的结构参数和操作参数对流场分布的影 响，并得出了几点结论：倒锥形导流体结构和芯管开缝可降低排气管 入口附近的短路流，减小粉尘逃逸的机会，有利于分离：减小芯管直 径d ，时，分离空间切向速度增大，同时芯管附近的短路流减弱，也有 利于提高分离效率。 在实验的基础上，用相似准数关联的性能计算方法，回归出了旋 风管粒级效率、总效率和总压降的经验公式，建立了一套可应用于工 程实践的旋风管性能设计方法。最后采用1 2 0 根p z c 型旋风管设计了 一套燃石油焦c f b 锅炉的中温多管分离器，性能估算表明其效率不低 子9 9 ，压降在2 1 0 m m h 2 0 左右，达到设计指标，并有较强的操作弹 性。 关键词：直流旋风管、流场、分离器设计、c f b 锅炉、石油焦 e x p e r i m e n t a ls t u d y o nc y c l o n e s e p a r a t o r s a tm o d e r a t e t e m p e r a t u r e f o rp e t r o l e u mc o k e - f i r e dc f bb o i l e r a b s t r a c t an e w t y p eo fs p e c i a ls w i r lt u b ew i t hd o w n w a r dg a se x h a u s t w h i c h i sn a m e dp z c t y p ea n du s e da st h ec y c l o n es e p a r a t o ro fc f bb o i l e r h a s b e e n d e s i g n e dt h r o u g hs i n g l e s w i r lt u b e e x p e r i m e n t i t h a s m a n y a d v a n t a g e s s u c ha sl o w e r p r e s s u r ed r o p ，h i g h e re f f i c i e n c y ，s i m p l e r s t r u c t u r ea n ds oo n r e s e a r c h e so nt h ee f f e c to ft h ew a yo f a r r a n g i n gs w i r l t u b eo ns e p a r a t ep e r f o r m a n c cs h o wp r e s s u r ed r o pd i f i e f e n c ea m o n gs w i r l t u b e si st h em a i nf a c t o rt h a tb r i n g sr e e n t r a i n m e n t t a k i n go u tg a sf r o m t h eb o t t o m o fc y c l o n e h o p p e r c a nr e d u c e d e g r e e o fr e e n t r a i n m e n t f u r t h e r m o r e t h ef l o wf i e l di nt h ep z c t y p es w i r lt u b ei s s y s t e m a t i c a l l y m e a s u r e d ，a n dt h ee f f e c to fs t r u c t u r ea n do p e r a t i o np a r a m e t e r so nt h e d i s t r i b u t i o no ff l o wf i e l dw a si n v e s t i g a t e d t h er e s u l t so ft h ee x p e r i m e n t m a k ei tc l e a rt h a tc e n t e rb o d yw i t hr e v e r s ec o n ea n de x i tt u b ew i t hs e w s d e c r e a s es h o r tf l o wn e a re x i tt u b ea n dc a ni n c r e a s es e p a r a t i o ne f f i c i c n c y b a s e do nt h e e x p e r i m e n t s a b o v e s e v e r a l e x p e r i e n c e f o r m u l a s r e l a t i n gt h ep r e s s u r ed r o p ，g r a d ea n do v e r a l le f f i c i e n c yt os t r u c t u r ea n d o p e r a t i o np a r a m e t e r sh a v eb e e nd e v e l o p e df o rt h ed e s i g no fs w i r lt u b e a n da ni n d u s t r i a la p p a r a t u so f c y c l o n es e p a r a t o r sw i t h1 2 0s w i r lt u b e sa t m o d e r a t e t e m p e r a t u r e f o r p e t r o l e u mc o k e f i r e d c f bb o i l e rh a sb e e n d e s i g n e d ，a n dr e s u l t so fc a l c u l a t i n gs h o w i t se x c e l l e n tp e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：s w i r lt u b ew i t hd o w n w a r d g a se x h a u s t ，f l o wf i e l d c y c l o n ed e s i g n c f bb o i l e r , p e t r o l e u mc o k e 知识水坝damdoc damdoc为您倾心整理(小店)(qq2218108823) 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和 致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究 成果，也不包含为获得石油大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 幽i 年，月伽日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和 借阅：学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名 导师签名 年j - 月拗f ：t 年上，_ 月z 口日 知识水坝damdoc damdoc为您倾心整理(小店)(qq2218108823) 石油大学( 华东) 硕士论文 第1 章前言 第l 章前言 石油焦是石油深度加工的主要副产品，目前我国石油焦年产量约 4 0 0 万吨。随着我国从中东等地进口高硫原油数量的增加，以及石油 精炼水平的不断提高，国内高硫石油焦的产量呈现快速递增趋势。由 于商硫石油焦已经不适宜于电极炭棒的生产及冶炼工业的应用，一些 炼油厂不得不将其堆放处理，既影响正常生产又污染环境。 与此同时，炼油工艺过程中需要大量的蒸汽和电力，目前国内炼 油厂的热电供应有相当一部分是采用瓦斯气和重油作为燃料。国家经 贸委在“十五”期间制定了节约和代用燃料重油的计划，石油化工行 业是落实节约和代用燃料油的重要对象。炼油企业以石油焦作为动力 燃料，对节约和代用燃料油工作具有重大意义。 据测算，同重量的石油焦和燃料油的热值接近，而石油焦的价 格仅是燃料油的1 1 4 左右。若将我国每年生产的4 0 0 万吨石油焦均替 代燃料油作为石化工业的热电供应原料，每年可节约燃料油近4 0 0 万 吨，每吨燃料油按1 8 0 0 元的价格计算，直接经济效益可达5 4 亿元。 由此可见，炼油厂用石油焦代替燃料油生产蒸汽和电能所产生的 经济效益将会十分可观。但是石油焦与煤的性质有所不同，如采用传 统的煤粉炉技术燃用石油焦将会发生着火困难、燃烧不稳定、高温腐 蚀以及造成严重的环境污染等问题。循环流化床( c f b ) 燃烧技术是 一种高效、清洁的燃烧新技术，其独特的燃烧方式，可有效解决上述 问题。近l o 多年来。这一燃烧技术在世界主要工业发达国家和我国 得到了迅速的发展。据统计阻1 ，至1 9 9 5 年底国外已有3 0 0 多台大 型电站燃煤c f b 锅炉投入运行。总装机容量达1 3 0 0 1 0 4 k w ，国内 也有3 0 0 余台小型燃煤c f b 锅炉投用，但燃用石油焦的c f b 锅炉世 界上只有为数不多的几台，国内至今还没有一台国产燃用石油焦的 c f b 锅炉。根据国外经验，循环流化床锅炉燃用石油焦在经济上和环 互垫查兰! 兰奎! 堕主笙奎 兰! 兰堕童 石油焦的c f b 锅炉。根据国外经验，循环流化床锅炉燃用石油焦在 经济上和环保方面都是最佳选择。循环流化床技术是一种清洁煤燃烧 技术，具有以下特点【2 】： a ) 、燃用石油焦对加石灰石可实现床内脱硫，当c a y s 一2 时，脱 硫效率达8 5 以上： b ) 、循环流化床采用低温燃烧和分级燃烧，n o x 有害气体的排放 可以大幅降低达到环保要求； c ) 、石油焦挥发组分低，采用循环燃烧，可提高燃烧效率和脱硫 剂的利用率： d 1 、c f b 锅炉负荷调节范围大，调节性能好，对稳定蒸汽系统有 好处。 鉴于它先进的燃烧方式和良好的应用情况，采用c f b 燃烧技术 燃用石油焦是相当不错的选择。因此，面对国外相关技术的垄断以及 考虑到国内实际状况，有必要开发一种适合燃用石油焦的国产c f b 锅炉。 中国石化集团公司武汉石化厂、中船重工7 1 1 研究所和武汉锅炉 厂在燃石油焦c f b 锅炉的研究方面作出了有益的尝试。2 0 0 0 年他们 设计并建造了国产第一台负荷为7 5 t h 的燃石油焦c f b 锅炉。该锅炉 是典型的n 型结构，使用布置在水平烟道尾部中温区域的多管下排气 旋风分离器作为飞灰分离机构。经过两年时间的运行该锅炉始终达 不到设计负荷，而通常维持在2 0 3 0 t h 左右，最好状况也不过4 0 t h 。 通过对锅炉运行状况的全面分析，认为循环流化床锅炉核心部件旋风 分离器效率较低，无法建立足够的物料循环量。导致锅炉炉膛上下温 差较大，锅炉达不到设计蒸发量。因此，需要对现有旋风分离器进行 改造。经过几种改造方案的对比，选择重新开发压降低、效率高的多 管旋风分离器。 本文的目的在于开发一种新型的压降低、效率高的旋风分离器。 主要研究内容分为两个部分：第一部分是新型分离器的开发与设计。 - 2 - 石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 首先是优化旋风管结构的单管实验研究，然后是模拟实际工业装置多 管组合实验研究，最后是工业装置的设计计算：第二部分是旋风管内 流场测定、相关流场参数计算及旋风管性能计算方法总结。 互垫查堂! 竺查! 堡主堡壅 苎! 童里蜜丛查羞曼! 呈塑塑盟奎堕堡至 第2 章国内外有关c f b 锅炉的文献综述 2 1c f b 锅炉的工作原理卜5 循环流化床锅炉一般可分为两部分，第一部分由炉膛、气固分离 机构和回料器组成，并形成了一个固体物料循环回路。第二部分是对 流烟道及布置在对流烟道中的过热器、再热器、省煤器和空气预热器。 燃料、脱硫剂和空气进入炉膛内的流态化燃烧室，发生掺混和着 火燃烧，夹带着大量细颗粒物料的烟气在炉膛出口后的气固分离器中 分离出所夹带的粒度相对较大的脱硫剂和未燃烬的焦炭，净化烟气进 入尾部受热面，而被分离器收集下来的物料通过返料器送入燃烧室循 环再燃烧、脱硫以及保证炉膛内的温度分布均匀。 图2 - l 循环流化床锅炉简图 与煤粉炉一样，循环流化床锅炉的炉膛通常布置有水冷管，用于 吸收燃烧所产生的热量。布置在对流烟道中的过热器、再热器、省煤 互迪盔堂! 兰查! 堕主堕兰 茎! 童里堕丛宣羞曼! 里塑丝堕苎堕堡垄 器和空气预热器则吸收进入烟道中的烟气的余热。 2 2c f b 锅炉的特点协4 6 7 l 循环流化床锅炉有许多独特的优点，使得它比其他形式的固体燃 料锅炉具有更大的吸引力。 1 、燃料适应性广 由于大量灰粒子的稳定循环，新加入循环流化床锅炉的燃料将只 占床料的很小份额。又由于循环流化床的特殊流体动力特性，使其中 的质量和热量交换非常充分。这就为新加入燃料的预热、着火创造了 十分有利的条件。而未燃尽的煤粒子通过多次循环既可增加其炉内停 留时间又可多次参与床层中剧烈的质量和热量交换，十分有利于其燃 尽。这就使循环流化床锅炉不仅可高效燃用烟煤、褐煤等易燃煤种， 同样可高效燃用无烟煤等难燃煤种，还可高效燃用各种低热值、高灰 分或高水分的矸石、固体垃圾等废弃物。 2 、燃烧效率高 循环流化床锅炉的燃烧效率要比鼓泡流化床锅炉商，燃烧效率通 常在9 7 5 9 9 5 范围内。循环床锅炉燃烧效率高是因为有更好的 气固混合，高燃烧速率( 特别是对粗颗粒燃料) 和绝大部分末燃烬的 燃料颗粒被再循环至炉膛等特点。 3 、污染物排放少 可利用脱硫剂进行炉内高效脱硫是循环流化床锅的突出优点。常 用的脱硫剂是石灰石。通常循环流化床锅炉的床温保持在8 0 0 1 0 0 0 0 c 之间，过高可能因床内产生焦、渣块而破坏正常流化工况，过 低则难以保证必要的燃烧温度。而这一区间正是脱硫反应效率最高的 温度区间。因而在适当的钙硫比和石灰石粒度下，可获得高达8 0 9 0 的脱硫率。同样由于较低的燃烧温度，加以分级送风，使循环流 互塑盔堂! 些查! 堡主堡塞 苎! 主里查丛查羞曼! 呈塑生塑苎坚签查 化床锅炉燃烧时产生的氮氧化物也远低于粉煤炉。这样，燃煤循环流 化床锅炉的二氧化硫和氮氧化物排放量都远低于不加烟气脱硫的粉 煤炉，可轻易地控制到低于排放标准。 4 、截面热强度高 同样由于流化床中剧烈的质量和热量交换，不仅使燃烧过程能在 较小截面内完成，还使炉膛内床层和烟气流与水冷壁之间的传热效率 也大大增加。这就使循环流化床锅炉的炉膛截面和容积可小于同容量 的链条炉，沸腾床锅炉甚至粉煤炉。 s 、锅炉负荷适应性好 循环流化床锅炉中床料绝大部分是高温循环灰，这就为新加入燃 料的迅速着火和燃烧提供了稳定的热源。因而循环流化床锅炉的负荷 可以很低，如额定负荷的3 0 左右，无需辅助的液体燃料，也不会发 生煤粉炉难于保持正常燃烧甚至熄火的情况。由于同样原因，循环 流化床锅炉能够适应负荷的快速变化。 6 、燃料制备系统相对简单 循环流化床锅炉无需煤粉炉的复杂的制粉系统只需简单的干燥 及破碎装置即可满足燃烧要求。另一方面，与循环流化床锅炉相比， 链条炉虽一般不需燃料制备装置，但其燃烧效率一般很低为保证燃 料在链条炉排上的高效燃烧。燃料颗粒必须很均匀，这样的燃料制备 装置同样会比循环流化床锅炉的复杂。 在具有众多优点的同时，循环流化床锅炉也有一些缺点或问题， 主要是：烟风系统阻力较高，风机用电量大。这是因为送风系统的 布j x l 板及床层远大于煤粉炉及链条炉的送风阻力，而烟气系统中又增 加了气固分离器的阻力。受热面磨损问题比较严重，可能成为影响锅 炉长期连续运行的重要原因。这是因为烟气流中含尘浓度很高，因而 可能对炉膛水冷壁和气固分离器造成严重磨损。若分离器效率不高或 石油大学( 华东) 硕士论文第2 章国内外有关c f b 锅炉的文献综述 运行不正常，还将引起对流受热面的严重磨损。对辅助设备要求较高。 某些辅助设备，如冷渣器或高压风机的性能或运行问题都可能严重影 响锅炉的正常安全运行。 上述问题在循环流化床锅炉的发展过程中太多已经得到较好的 解决。如适当的炉膛设计可完全避免水冷壁的磨损：正确选择和设计 分离器，既可保证很高的分离效率也能避免自身的磨损：而冷渣器和 高压风机等主要辅助设备随着循环流化床锅炉的发展，也都有了成熟 的产品。风机问题则是单就烟风系统阻力而言，如果考虑到煤粉炉 需要复杂的制粉系统而链条炉效率低且无脱硫效果，则风机用电量的 少量增加是完全可以接受的。 2 3 c f b 锅炉技术的研究进展【3 1 4 。8 8 】 2 3 1 国外发展现状 经过近二十年的迅速发展，国外循环流化床锅炉技术已经形成了 几个各具特色的主要炉型。 1 、鲁齐炉型 鲁齐公司是最早生产循环流化床锅炉的公司之一，其循环流化床 锅炉的特点是采用高循环倍率，高温旋风分离器和外置流化床热交换 器。目前这种循环流化床锅炉的大型化问题已顺利解决，最大容量锅 炉是法国普罗旺斯电厂配2 5 0 m w 机组的7 0 0 t h 亚临界压力循环流化 床锅炉。该锅炉已于1 9 9 6 年4 月投入商业运行。 2 、舆斯隆炉型 芬兰的奥斯隆公司是最早生产循环流化床锅炉的公司，其特点是 采用高循环倍率，高温旋风分离器，在炉膛内可布置少量受热面但不 设外置流化床热交换器。这种循环流化床锅炉的大型化问题也已顺利 解决，已有各种容量的大型电站锅炉在世界各地( 包括我国四川内江) 石油大学( 华东) 硕士论文第2 章国内外有蓬c f b 锅塑塑塞墼堡堕 运行。 3 、福斯特- 惠勒炉型 与奥斯隆炉型相近的是福斯特惠勒炉型，其主要不同在于使用 水冷高温旋风分离器和在大型亚临界或超高压锅炉上采用特殊的循 环灰过热蒸汽热交换器。最大容量的这种锅炉是装在美国宾夕法尼亚 州约克郡的7 8 3 t ，l l ( 2 5 0 m w ) 亚临界压力循环流化床锅炉该锅炉已 于1 9 9 7 年上半年投入商业运行。 4 、巴特利炉型 这是美国巴特利试验室开发的一种多固体循环流化床锅炉，其特 点是采用专门的惰陛固体作床料，且其密相区下部不布置受热面，因 而对煤的粒度要求不高。按其设计意图，大颗粒煤( 如2 0 r a m 或更大) 可通过不断循环使其燃尽。这种炉型的最大容量是日本三井的3 0 0 讹 多固体循环流化床锅炉。目前很少有用户采用这种炉型。 5 、德国巴高克c i r c o f l u i d 炉型 这是德巴在欧共体资助下开发的一种低速( 低倍率) 循环流化床 锅炉其设计意图是尽可能将鼓泡床和高速循环床的优点很好地结合 起来。锅炉的特点是采用低的循环倍率和中温( 4 0 0 5 0 0 0 c 1 旋风分离 器。锅炉采用塔式布置，在分离器前、炉膛稀相区的上方布置大量对 流受热面。这种锅炉的结构相对简单，但大型化，特别是再热器的布 罱，有一定困难。目前最大容量的这种锅炉是装在捷克的燃褐煤的 3 5 0 讹高压电站锅炉。 6 、美国巴威的内循环炉型 这种锅炉采用高速床和两级分离器。在炉膛出口前后的高温区装 有两组槽型惯性分离器作为第一级分离，而分离下来的飞灰将在炉膛 上部形成内部循环。在锅炉尾部省煤器之后还有一多管旋风分离器作 第二次分离。两级分离器的累计分离效率可达9 7 5 以上。这种锅炉 石油大学( 华东) 硕士论文第2 章国内外有关堕塑壁塑塞堕堡垄 的结构相对简单，布置更接近传统的煤粉锅炉。目前最大容量的这种 锅炉是装在美国宾夕法尼亚州的燃高灰分尾煤的2 1 0 t h 高压循环流 化床锅炉。 2 3 2 国内发展现状 我国虽然早在6 0 年代初就开始发展鼓泡床锅炉，但循环流化床 锅炉的起步却较晚，直到1 9 8 9 年11 月才有首台3 5 t h 循环流化床锅 炉在山东明水电厂投入运行。此后，在有关部门的支持下，一批中小 容量( 7 5 t h 为主) 循环流化床锅炉相继在各地中小热电厂投入运行， 其中绝大部分为国内自行开发研制，只有少量是引进技术生产的。短 短几年间循环流化床锅炉的生产和应用就得到了巨大的发展。但由于 基础研究工作相对滞后，我国循环流化床锅炉的大型化尚未取得相应 的进展。自行研制开发的2 2 0 t h ( 5 0 m w ) 循环流化床高压电站锅炉 至今未能推广应用，只有使用引进技术生产的2 2 0 t l l 机组陆续在一些 地方建成投运。到目前为止，已经投运的最大机组是装在四川内江的 进口4 1 0 t h ( 1 0 0 m w ) 奥斯隆循环流化床高压电站锅炉。 目前我国自行研制或生产的循环流化床锅炉主要有以下几种。 1 、中科院工程热物理所两级分离c f b 锅炉 两级分离循环流化床锅炉是中科院工程热物理所与国内一些锅 炉厂联合开发的一种循环流化床锅炉。最初设计采用简单的高温百叶 窗分离器。经多次改进，包括在尾部加装旋风分离器，较好地解决了 分离效率不高，出力不足和受热面磨损等问题。目前已有大量这种锅 炉在运行中，且绝大部分为7 5 t 1 1 级中压锅炉。与武汉锅炉厂联合开 发的2 2 0 饰高压锅炉，由于建设项目等原因至今尚未最终完成。 2 、清华大学炉内分离c f b 锅炉 清华大学开发的炉内分离循环流化床锅炉是清华大学与一些锅 炉厂联合开发的一种以炉内分离为特点的循环流化床锅炉。其最初设 石油大学( 华东) 硕士论文第2 章国内外有关c f b 锅炉的文献g 塞鎏 计采用简单的平面流分离器。为解决分离效率不商，出力不足和受热 面磨损等问题，经多次改进和试验，以炉内异型水冷分离器取代平面 流分离器，获得良好的效果。目前运行中的这种循环流化床锅炉也多 为7 5 讹级中压锅炉，更大的、高压的机组尚在建设过程中。 3 、c i r c o f l u i d 炉型 c i r c o f l m d 炉型是国内一些锅炉厂引进德国巴高克公司技术自行 生产的一种低倍率、中温分离循环流化床锅炉，其特点已如前述。目 前运行中的这种锅炉也是7 5 恤级的中压循环流化床锅炉。 4 、其它炉型 以上是到目前为止在国内生产和投运数量较多的几种循环流化 床锅炉，共同特点是容量不大、参数不高，且多为7 5 t l i 级的中压锅 炉。此外，生产和运行数量较少的还有：清华大学与另一些锅炉厂联 合开发的三旋涡水内冷分离器循环流化床锅炉，哈工大与一些工厂开 发的低倍率循环流化床锅炉，浙江大学、华中理工大学分别与一些工 厂联合开发的下排气旋风分离器循环流化床锅炉，西安热工研究院与 一些工厂联合开发的循环流化床锅炉，以及一些锅炉厂利用国外技术 生产的奥斯隆型( 或福斯特惠勒型) 循环流化床高压电站锅炉。 2 4 c f b 锅炉旋风分离技术研究进展【34 。1 9 q 3 】 气固分离器是循环流化床锅炉的关键设备之一，循环流化床锅炉 所要求达到的一系列技术参数，如循环倍率、燃烧效率、脱硫效率、 床温、床压等等，都必须通过气固分离器的可靠运行来实现。可以说 气固分离器的技术水平很大程度上决定了循环流化床锅炉的技术水 平和形成不同的技术流派。 近年来，对新型气固分离器的开发研究是循环流化床锅炉研究的 重点之一，总体上说，研究工作分两个方向：是对旋风分离器的改 进设计，包括高温水冷式旋风分离器、中温下排气式旋风分离器、中 石油大学( 华东) 硕士论文第2 章国内外有关c f b 锅炉的文献综述 温方型旋风分离器、三旋涡分离器、多管式旋风分离器等等：二是对 各种撞击式分离器和百叶窗式分离器的研究开发，包括槽型分离器、 百叶窗分离器等等。 1 、高温旋风分离器 循环流化床锅炉研究初期所选择的气固分离器是布置在炉膛出 口的高温区域高温旋风分离器，因为旋风分离器技术上比较成熟，并 且结构简单，分离效率高。典型结构有： a ) 、耐火材料制成的高温旋风分离器 分离器内部有防磨层和绝热层，此类型的分离装置占了己运行的 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 公司等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 小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，还会在旋风分离器内产生二次燃烧。 b ) 、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，采用这种族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。 2 、中温下排气分离器 浙江大学、华中理工大学等研究机构针对循环流化床锅炉采用的 石油大学( 华东) 硕士论文第2 章国内外有关c f b 锅炉的文献综鎏 常规上排气的高温旋风分离器造成的结构尺寸限制、布置困难等的提 出了下排气旋风分离器的新型式。 循环流化床锅炉采用下排气旋风分离器具有以下优点： a ) 、能明显改善锅炉的结构布置。传统的上排气旋风分离器布置 在循环流化床锅炉中，由于烟气流程和支撑的缘故，改变了原有锅炉 的布置结构而使得整个锅炉的外形尺寸较为庞大。采用下排气旋风分 离器布置于循环流化床锅炉中，旋风分离器只相当予转弯烟道，这样 的布置与烟气流程完全符合，而且由于循环流化床锅炉的燃烧室较 高，将分离器布置在尾部烟道上是比较合适的，这样紧凑的布置方式 大大减小了锅炉的外部尺寸，降低了锅炉成本和锅炉房的占地面积。 b ) 、提高分离效率。根据对下排气旋风分离器内流场分析，在气 流导向锥以上不存在向上的内旋涡回旋运动，使得靠近气流中心的颗 粒较易达到外壁而不被回旋流夹带走，使得分离器的效率有所提高。 下排气旋风分离器布置在循环流化床的中温区域，由于烟气体积减小 的原因使得分离器的尺寸较小，另一方面温度降低，烟气粘度减小， 这些均可使分离器的效率提高。 c 】、提高了系统运行安全性。由于分离器内部温度不是很高，在 分离器内部不会发生结焦的问题，耐热保温热惯性带来的不利因素大 为减弱，从而提高了锅炉系统的运行安全性和可靠性。 d ) 、特别适合用于将原有的锅炉改造为低污染循环流化床锅炉的 场合。改造时无需增加原锅炉的占地面积，可以保持锅炉现有的布置 方式。 使用中温分离器的循环流化床锅炉，比较典型的有d e u t s h b a b c o c k 公司的c i r c o f l u i d 型循环流化床锅炉、浙江大学开发的下出 气型中温分离循环流化床锅炉等。 石油大学( 华东) 硕士论文第2 章国内外有关c f b 锅炉的文献综述 3 、其他形式的分离器 除了前述的高温分离器和中温下排气分离器，还有一些其它的一 些分离器形式，如低温分离器和组合分离器。一般认为低温分离器仅 适用于鼓泡流化床的飞灰回燃，并不适用于真正的循环流化床锅炉。 对于使用组合循环分离器的循环流化床锅炉，第一级高温分离一般采 用惯性分离，甚至采用了受热面相结合的分离器形式，结构比较简单， 体积较小；另外，分离器无须采用旋风分离的圆柱形结构而可以采用 方形或其他结构形状，四周布置受热面比较方便，而且不受最大尺寸 的限制，阻力也较小，但是惯性分离器的分离效率较旋风分离器低， 所以在后部低温区域再布置一个体积较小的高效分离器。这样，既可 达到较高的循环物料量，又避免了高温旋风分离的缺点，可以认为是 一种较有发展前途的分离型式。 使用组合型分离器的典型代表是b a b c o c k & w i l c o x 公司开发的 循环流化床锅炉。该型循环流化床锅炉在炉膛出口处设置了撞击分离 器，但在尾部受热面处又布置了多管式旋风分离器。b w 公司的第 一代循环硫化床锅炉中同时采用了内置式和外置式的u 形槽钢分离 器，外置式分离器收集的飞灰通过集料斗送回床内。而b w 公司的 第三代循环流化床锅炉，该锅炉采用了完全炉内u 形槽钢式分离器， 从而使结构大为简化，无须返料机构即可将飞灰送回床层。 石油大学( 华东) 硕士论文第3 章实验装置、_ 直棼及! 堕 第3 章实验装置、方法及内容 本文实验分为三个部分：旋风管结构优化实验、操作参数对旋风 管性能的影响实验和多管组合实验。实验装置共二套，一套是单管实 验装置，完成前两个实验另一套是多管组合实验装置，完成第三个 实验。 3 1 实验装置 单管实验装置如图3 - 1 所示。粉尘从旋风管入口均匀加入，经旋 风管分离后，被捕集的粉尘从旋风管底部的周向排尘口排出，净化气 体从排气管排出，经由风机、烟囱排入大气。整个装置处于负压操作 状态。旋风管本体由简体、导向叶片、导流体和排气管组成，并全部 按工业尺寸用碳钢制成。通风系统由一台离心通风机( 电机容量 1 8 k w ，流量3 2 2 肚5 1 5 3 m 3 h ，全压9 1 4 9 p a ) 和主管路直径为2 0 0 m m 的管道构成。旋风管出口流量的测定采用标准毕托管，毕托管安装在 被测量管线上距上游管件l l 8 d ，距下游管件l 2 堙d ( d 为测量管线直 径) 的位置。出口气流与环境温度用标准温度计测量，旋风管各处静 压用u 形管压差计测量。旋风管出口采样系统由采样嘴、滤盒、滤纸、 流量计和真空泵构成。小浓度实验时，使用喷射加料器加料，压缩空 气由气源提供，大浓度实验时采用加料斗人工均匀加料。 多管组合实验装置见图3 2 所示。实验装置由旋风管组合体、测 量系统、采样系统、抽气系统、加收料系统和通风系统组成。测量系 统、采样系统、加收料系统与单管实验装置基本相同。抽气系统粉料 收集采用直径2 0 0 r a m 的高效p v 旋风分离器。抽气量通过闸板阀控 制。离心通风机电机容量为1 2 5 k w ，流量为1 9 7 8 3 m ，全压为1 6 k p a 。 通风主管道直径5 0 0 r a m 。 石油大学( 华东) 硕士论文第3 章实验装置、方法及内容 离心通风机u 型管压差计出口抽气采样系统 毕托管 灰斗旋风管加料斗 气力输送系统 烟囱 图3 1 单管实验装置简图 1 5 石油大学( 华东) 硕士论文第3 章实验装置、方法及内容 图3 - 2 多管组合实验装置摘图 1 6 石油大学( 华东) 硕士论文第3 苹实验夔量! 查鲨壁堕查 3 2 实验方法 实验通过风机进口阀调节风量，用抽气管道节流阀控制灰斗抽气 量。实验前预设每次实验粉尘用量，按入口浓度和入口流量计算出加 尘时间，实验时连续均匀加尘，加尘完毕后待粉尘完全分离沉降后再 停机收尘，实验结束后采用称重法计算分离效率，即已捕集的粉尘质 量与加入粉尘的质量的比值为分离效率。每个工况重复实验3 次，然 后求出算术平均值作为该工况的分离效率。旋风管出口气流中的粉尘 粒度样品按等动采样原理进行采集。 实验中主要测定的参数有：旋风管入口流量q 。、旋风管总效率碍、 旋风管总压降p 、灰斗压降r 、灰斗底部抽气率q 以及旋风管入口 和出口气流中的粉尘样品粒度分布。实验粉料采用3 2 5 目滑石粉、催 化剂和武汉石化c f b 锅炉电除尘灰，所有的粉尘粒度分布均采用 c o l l i t e rl s 2 3 0 型激光粒度分析仪分析。表3 1 为实验粉料粒度分布特 征值。 昊j 9 07 55 02 51 0 粉料及代号 倒c u m 3 2 5 目滑石粉 3 6 6 62 7 2 41 5 7 27 4 73 p o w d 盯 催化剂c a t a l y s t 3 6 0 63 1 9 92 6 2 81 9 7 61 3 4 6 c f b l 撑7 7 8 74 0 2 81 7 3 07 7 83 0 8 武汉石化c f b c f b2 撑1 0 6 3 05 8 6 22 3 1 81 1 0 85 5 5 装置电除尘灰 c f b3 拌1 1 2 3 36 9 4 22 7 9 l1 3 5 77 5 1 石油大学( 华东) 硕士论文第3 章实验装置、方法及内容 3 3 有关测定参数的计算 i 、压降和静压 各处静压采用u 型压差计测定。主要测定的参数有：旋风管入口 静压只、出口静压只和灰斗静压只，并由此计算总压降尸= 只一只、 灰斗压降蛾= 只一只及灰斗压降占总压降的比值皑a p 。 2 、入口流量q i 用毕托管测出出口管道中心流速v ，然后根据被测管道的截面积 计算出口流量q ，再通过状态换算得出入口流量q i 。 a ) 、出口气速的测定 对于标准皮托管，测得的出口管中心气速计算公式为 v = k ( k 为毕托管系数，取k = 1 )( 3 - 1 ) 式中：只一测点处气流全压。m m h 2 0 ； 只一测点处气流静压，脚m 王， 0 ； 岛一测点处气体密度，培川3 。 由理想气体状态方程知： p 靠2 r t ( 3 - 2 ) 联立式3 1 和3 2 可得： 空气的摩尔气体常量r = 2 8 7 o s j ( k g k ) ，代入式3 3 并化简得： 阽、。2 x 98 2 8 7 0 5 j 孚 蚴s y 雩( 2 7 3 + 孚t ) - m - i c 砒， c 。4 ， 石油大学( 华东) 硕士论文第3 章实验装置、方法及内容 式中：p 测点处气体的绝对静压，m m h 2 0 ： 只一当地大气压，m m h 2 0 ： 日测点处气体动压，m m h 2 0 ： l f 一测点处气体绝对温度和摄氏温度，足，。 b ) 、旋风管出口流量q 的计算 q ? = ；d 2 v 3 6 0 0 = 号- d 2 菩j 2 3 9 5 8 1 ( 2 1 7 。3 3 3 + 。t ) + - a h 3 6 。 ：6 7 7 3 9 6 5 旦d ：艇z i 塑：竺 矿 - q 1 0 3 3 0 + 故 q , = 5 7 5 7 8 7 d 2 1 ( 2 1 7 0 3 3 0 3 + t ) + 只a h - ( m 3 ，| 1 1 ) ( 3 5 ) 系数v v 取o 8 2 ，式中d 为被测管道直径，m m ； 只一旋风管出口静压，m m h ，0 。 c ) 、旋风管入口流量q 的计算 q = 精i 1 g ( m 3 h ) ( 3 - 6 ) 式中：致一旋风管出口流量，由式3 5 计算，r t l 3 h g 一灰斗底部泄气率。 3 、底部抽气量q q q = q q l = 5 6 8 5a h ( m 3 h ) ( 3 7 ) 式中：q ，一旋风管入口流量，由式3 - 6 计算，朋3i h f 。一抽气管道中测点处的摄氏温度，； 只一抽气管道中测点处的静压，m m h ：0 。 石油大学( 华东) 硕士论文第3 兰塞燮鐾! 查鲨墨堕查 4 、粉尘浓度的控制与计算 加尘所用的喷射加料器是采用喷射器的原理，以气力输送方式将 粉尘输送到进气管道中。粉尘浓度通过加尘量g 、入口流量q j 和加 尘时间f 来控制的，由此可计算加尘时间为 f ：罂( s ) c g ， 、 然后根据实际加料时间反算出实际入口浓度。 5 、等动采样的参数计算甜3 ( 3 8 ) 为使采集的粉尘样品与实际气流中粉尘粒度分布一致，必须使采 样嘴内的气流速度等于被测管道内该采样点处气流速度，即等动采 样。对于非等动采样，如图3 3 ( b ) 所示，当采样速度v 2 大于管道内气 流速度v i 时，大颗粒由于惯性较大，一部分不能随气流进入采样嘴， 致使所得结果低于实际浓度，粒度偏细；如图3 3 ( c ) 所示当采样速 度v 2 小于管道内气流速度v i 时，一部分小粒子随气流绕过采样嘴， 而稍大粒子因惯性进入采样嘴，致使所得结果高于实际浓度，粒度偏 粗。所以，只有在v l = v 2 即等动采样时，如图3 3 ( a ) 所示，才能采 集到反映被测点真实浓度和粒度分布的粉尘样品。 - - - - - - - - - - _ 一v l - v 2 = = ；_ - - - - ( a ) v i = v 2 、= = 2 = - 一 ； - - v i = i v 2 三；= 一 = = = = = - - ( ”v l v 2 在实验过程中，通过转子流量计的控制来保证等速采样。满足等 速抽气采样条件时，转子流量计处的实际流量q 口为 石油大学( 华东) 硕士论文第3 章实验装置、方法及内容 见= i 口。2 圪等( 1 飞) ( 3 - 9 ) 式中：q o 一在t 。，p i 状态下采样气体流量，n 1 3 1 1 ； d 。一采样嘴内径，r f l m ： k 一采样点处气流速度，m s ； x 。一被测气流含湿度，体积百分比； 只，疋一采样点处气流绝对压力和绝对温度，删：i l h 2 0 ，k ； 只，l 一转子流量计处绝对压力和绝对温度，m m h 2 0 ，k 。 实验是在冷态常温下进行，故工，- - 0 ：由于玻璃转子流量计上的 读数是按标准空气进行标定的，所以要按气体密度的不同进行修正， 流量计上的读数幺与进入流量计的气体量q 口的关系为 卵q 口、只1 e 瓦l b ( m 31 h )臼1 0 ) 则转子流量计上实际读数应为： 魏= 薏蜃( m 协) 式中：最一转子流量计标定时绝对压力，取7 6 0 m m h g ； 瓦一转子流量计标定时绝对温度，取2 9 3 k 。 忽略采样系统中热量损失，则= t ，t g = 2 7 3 + 3 0 = 3 0 3 k ，采样嘴 内径为d 。= 0 4 r a m ，将以上参数数值代入式3 - 1 1 可得： q 6 。1 1 6 7 4 姘旷4 0 1 壶( m 3 h ) 3 。1 2 式中：采样点处气流速度。由式3 4 计算，r u s ； 名采样点处气流绝对压力，m m h 2 0 ； 只一当地大气压，m m h 2 0 ： 巴一流量计处真空表读数，m m h 2 0 。 石油大学( 华东) 硕士论文第3 章实验装置、方法及内容 3 4 实验方案及内容 影响旋风管性能的因素很多，本文主要研究以下几方面的内容。 1 、旋风管结构参数优化实验研究 实验粉料为3 2 5 目滑石粉，固定入口浓度c = 1 0 9 t ? 1 3 和入口流 量翻= 2 1 0 0 m 3 ，h ，主要研究： 曲、导流体结构对性能的影响； 妫、分离空间高度日对性能的影响； c ) 、排气管插入深度h 对性能的影响： d ) 、排气管入c i 直径d ，对性能的影响。 2 、操作参数对旋风管性能的影响实验研究 在结构参数优化的基础上，使用武汉石化c f b 电除尘灰作为实 验粉料，主要研究： a ) 、入口流量9 i 对性能的影响； b ) 、入1 3 浓度c ，对性能的影响； c ) 、粉尘粒度分布对性能的影响。 3 、多管组合实验研究 由多根旋风管组合成多管后，性能如何变化? 这将是本实验的研 究内容。实验采用3 6 根旋风管以不同的布管方式使用武汉石化 c f b 电除尘灰作为实验粉料，主要研究： a ) 、入口流量q ，对性能的影响； b ) 、入口浓度c 对性能的影响； c ) 、灰斗底部抽气率对性能的影响。 石油大学( 华东) 硕士论文 第4 章旋风管性能实验结果分析与讨论 第4 章旋风管性能实验结果分析与讨论 旋风管性能实验分为两个部分：一是单管实验，重点是研究主要 结构参数及操作参数对旋风管性能的影响：二是应用优化后的旋风管 结构，模拟工业装置的多管组合实验，研究布管形式和操作参数对分 离器的影响规律，为工业装置提供设计依据。 4 1 单管实验结果分析与讨论 4 1 1 旋风管结构参数优化实验研究 本节主要研究导流体结构、分离空间高度、排气管插入深度和排 气管入口直径对旋风管性能的影响规律。 1 、导流体结构对性能的影响 导流体的作用是引导从叶片流出的气流稳定运动。不同导流体结 构对旋风管内流动状况有较大影响，因此它对旋风管分离性能的影响 不可忽视。本文采用如图4 1 所示的锥形、渐扩形和倒锥形三种导流 体，对比研究导流体对分离性能的影响。表4 1 的实验结果表明，锥 形结构的分离效果十分差。倒锥形结构最好，渐扩形结构要比倒锥形 er 食 锥形渐扩形倒锥形 图4 1 不同结构的几种导流体 石油大学( 华东) 硕士论文第4 章旋风管堡蟹实验结星分析与t 堕堡 低近一个百分点。这是因为对于倒锥形结构，由于其结构的独特性， 气流进入导流体端部的倒锥部分后加速旋转，增大粉尘的离心力，有 利于粉尘分离，同时在一定程度上抑制了排气管附近的短路流，也有 利于分离。因此，本文以后的相关研究就选用倒锥形导流体结构。 表4 1 不同结构导流体对分离性能的影响 i导流体结构锥形渐扩形倒锥形 1 分离效率( ) 7 7 s 68 4 0 l8 4 9 8 2 、分离空间高度对性能的影响 分离空间高度h 是指导流体端部到排气管出口的距离。图4 - 2 是分离 空间高度h 对性能的影响规律。图中曲线l 和曲线2 分别是h 一印， 一p 对应关系曲线。由图中曲线l 可知：在一定的范围内，随着 分离空间高度h 的增大，旋风管总效率随之增大，当h 3