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1、 循环流化床锅炉旋风分离器的最新发展与高效运行 刘佳斌 (山东大学 能源与动力工程学院 济南 250010)摘 要： 循环流化床的分离机构是循环流化床的关键部件之一,其主要作用是将大量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。关键词: 旋风分离器、循环流化床锅炉、循环效率、发展。 循环流化床的分离机构是循环流化床的关键部件之一,其主要作用是将大量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
2、的燃烧效率和脱硫效率。因此,循环流化床分离机构的性能优劣,将直接影响整个循环流化床锅炉的出力、效率及运行寿命。 随着循环流化床锅炉大型化的发展,对分离器提出了更高的要求,它不但要能处理大容量的烟气,还要求能在恶劣的环境中可靠、稳定运行。多年的商业运行经验表明,高温旋风分离器目前仍是最适合(大型)循环流化床锅炉的分离器之一。 图1 75t/h循环流化床锅炉简图 1.循环流化床旋风分离器的工作原理图3 高温旋风分离器 如图2、3为普遍采用的高温旋风分离器结构。此类分离器的体积庞大,占地面积与炉膛基本相当,它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的一种干式气固分离装置。含灰烟气在炉
3、膛出口处分进入旋风分离器,旋风分离器的圆形筒体和气体的切向入口使气固混合物进入围绕旋风分离器的2个同心涡流,外部涡流向下,内部涡流向上。由于固体密度比烟气密度大,在离心力作用下固体离开外部涡流移向壁面, 再沿旋风分离器的壁面滑落,经返料器返回炉膛循环再燃,相对干净的气体通过内部涡流向上移动,由旋风分离器顶部的中心筒出口排出。烟气经过过热器、省煤器、空气预热器进入尾部烟道,随烟气排出的微细颗粒由锅炉后部的静电除尘器收集。 此类分离器在设计保留了传统的旋风分离器的设计特点，从目前的情况来看，运行情况良好，但由于分离器体积过大，且由于大量采用耐火，保温材料，机组具有热惯性大，易于磨损。等缺点2.旋风
4、分离器的效率影响因素及优化 旋风分离器的分离效率和整个锅炉的燃烧，脱硫，循环倍率以及自身能耗等有孩子接关系，分离器的分离效率和是评价旋风分离器性能的主要指标。提升分离器效率对控制耗能，稳定运行起着至关重要的作用。 分离效率是指某一粒径下的分离效率，取决于分离器的本身性能，由表1可以看出，在锅炉负荷为40%100%满负荷内运行时，分离器的分离效率都超过了98% 表1.灰的平衡计算结果 2.1烟气温度对分离效率的影响图4.分离效率与烟气温度的关系 烟气温度影响着烟气的粘度，随温度升高而升高，提高粘性阻力，使分离效率下降。总体上烟气温度升高会减少分离效率，但影响并不十分显著，工程中可大致将；烟温控制
5、在900摄氏度左右可获得较大的分离效率。 2.2进口烟速对分离器效率的影响 分离器的分离效率基本上随进口烟速的增大而增大，但当进口烟速过高时，由于紊流增加和尘粒反弹，造成二次扬尘增加，反而使效率降低，如图，将分离器进口烟速控制于16m/s左右可达到较高的分离效率。图5.分离效率与进口烟速的关系 2.3灰粒性质对分离器分离效率的影响 图6.分离效率与进口飞灰浓度关系 旋风分离器的运行对粉尘的粒径，浓度较为敏感，分离效率随着飞灰的浓度，粒径的增加而增大，如图可知，当飞灰浓度达到时候可以达到98%以上的分离效率。 2 .4分离器结构对分离效率的影响 综合考虑，通常，分离器进口宽度和进口形式，中心管插
6、入长度和直径，筒体直径等对分离效率有较大影响。通常，蜗壳进口可以使气固混合物平滑进入分离器，减少气固混合物对筒体内气流的撞击和干扰，分离效率较高。同时，中心管插入深度直接影响旋风分离器性能，起初，分离效率随中心管长度增加而增加。当中心管长度大约是入口管高度的0.4-0.5倍时，压力损失最小，此时分离效率最高，之后分离效率降低。最后，筒体直径对分离效率也有较大影响，通常筒体直径越小，离心力越大，分离效率越高。 以山东山东恒通化工股份有限公司热电厂YG -75 /3. 82 -M1型75 t/h循环流化床锅炉旋风分离器改造设计方案为例，改造前锅炉的实际出力达不到设计的参数,很难满足用户的要求，主要
7、原因是未改造前的分离器其实际分离效率与设计分离效率相差较大,循环灰量不能满足设计传热量,导致锅炉的出力达不到设计标准。由于分离器的分离效率低,尾部受热面直接受到浓度较高的含尘气流的冲蚀。又由于灰粒不能得到多次循环燃烧,必然会导致飞灰含碳量较高,锅炉效率低。 改造方案：主要是对器中心筒型式结构的改造,，以提高分离效率。 (1)中心筒直径与长度。把旋风分离器中心筒直径由原来的1 500 mm改成1 200 mm,中心管长度1 925 mm改成1 835 mm。在保证压降2 kPa的前提下,缩小中心筒直径来提高分离效率,且De /Do=0. 375(在0. 30. 5范围内),在保证分离效率不降低的
8、条件下,缩短了中心筒长度使压力损失减少。 (2)改造中心筒内部结构。原中心筒内部有4块钢板十字支撑,以防止中心筒热变形,但对上升气流产生一定阻力。改造后的中心筒是在筒外增加加强筋,防止中心筒热变形。这样,中心筒的通流面积增大,阻力减少。 改进前结构型式 图7.改进后结构型式 如图7，改造完工后,锅炉于2004年2月底投入运行,经多次检验测试运行效果较好,整个锅炉参数均能达到设计要求,而且运行周期较长,带负荷容易,能稳定地带到满负荷,分离效率得到提高;由于分离效率的提高,有更多的细颗粒被分离送回炉膛参加循环,床料粒径变细,排出底灰粒径变细。此外,分离效率提高后,有较多物料被送回炉内,炉内颗粒浓度
9、增加,炉内热负荷增加,降低了运行费用。可见改进合理的分离器结构，如中心管管径和筒体直径可有效地提升其的分离效率，改善循环流化床锅炉效能。3. 旋风分离器最新发展现状在最原始的高温旋风分离器基础上，经过不断的完善和发展，锅炉设计机构已推出多种形式高温旋风分离器。 3.1 国内旋风分离器的发展概况 我国在循环流化床锅炉的研究和开发上起步较晚，现如今，在借鉴，吸收国外先进技术的基础上，推出了较多具有自主知识产权的循环流化床锅炉，在75t/h-130t/h级循环流化床锅炉市场占有较大份额，同时，旋风分离器的研究也在许多高校和研究室机构进行，并取得了一定的成就。 3.1.1下排气旋风分离器如右图8，下排
10、气旋风分离器是华中科技大学的专利,这种分离器被布置在水平烟道与尾部竖井烟道之间的转向室,将水平烟道与尾部烟道融为一体,使锅炉布置更为紧凑合理,占地面积减小,并且保持了整台锅炉的“兀”型布置的结构特点。下排气旋风分离器一般采用中温分离,由于中温分离不存在分离器内燃烧和结渣问题,加了锅炉运行的安全可靠性。同时，中温分离不需要厚的绝热材料,大大缩短了启动时间。而且中温分离的烟气温度较低,烟气粘度降低,需采用的筒体直径减小,提高了分离效率。 图8下排气旋风分离器如右图9，清华大学发展的方形分离器的烟气入口段用水冷壁管弯成圆弧形的加速段,这是一种非方非圆的结构,故取名为“异型分离器”。,该分离器布置在炉
11、膛与竖井烟道之间,分离器的前墙及入口段共用炉膛后墙膜式壁,炉膛和分离器彻底成为一个整体,从结构上解决了分离器与炉膛的膨胀与密封问题。在分离器内采用密排销钉加耐磨材料的防磨处理方式,解决了分离器的磨损问题。2001年12月,装有清华大学的水冷异型旋风分离器循环流化床锅炉在威海热电厂顺利投运。 3.1.2水冷异型旋风分离器图9 75.t/h水冷异型分离器循 环流化床锅炉总图 3.1.3 新型的双进口方形旋风分离器 如右图10，重庆大学锅炉燃烧研究室提出了一种新型的双进口旋风分离器布置的概念，其目的是为了解决常规圆筒形旋风分离器和方形炉膛布置不够紧凑以及循环流化床锅炉大型化过程中出现炉膛与分离器布置
12、矛盾的问题。 该方案将分离器与炉膛组成一个模块化结构,通过多个模块的横向排列,以解决循环流化床锅炉的大型化要求。采用双侧切向进风,和单入口旋风分离器相比,可望改善分离器的流场,提高分离效率并减少压损。初步的冷态试验结果显示,循环流化床锅炉能够稳定地运行,而分离器也可以达到理想的分离效果。 3.2国外旋风分离器的进展 图10 双进口方形旋风分离器 3.2.1水(汽)冷旋风分离器 如右图11，针对常规高温旋风分离器内残碳燃烧产生高温结焦以及热惯性大等缺点,美国FosetrWheeelr(FW)公司率先开发出水(汽)冷旋风分离器，分离器设置在水(汽)冷腔室内，整个分离器都采用膜式壁组成。在分离器的膜
13、式水冷壁表面上,衬以约60mm厚的耐磨材料,而膜式水冷壁与金属外壳之间,则衬以50一100mm厚的隔热材料。这样可以节省大量的耐火材料,大大地缩短机组的启停时间。但这种旋风分离器的汽水管路结构复杂、制造困难、成本较高,这无疑对它的商业应用和发展会起一定的限制作用。四川宜宾循环流化床锅炉发电有限责任公司首台国产1th循环流化床锅炉就采用这种汽冷式旋风分离器。 3.2.1水(汽)冷式旋风分离器 图11.汽冷式旋风分离器 3.2.2 圆柱形多进口旋风分离器C(YMIC) 如右图12，芬兰Tempella Power公司从,1990年开始进行CYMIC型循环流化床锅炉的开发工作,现在Kvaemer公司已经拥有CYMCI型循环流化床锅炉的专利和生产权。CYMCI的特色是分离器布置在炉膛内部,炉膛和分离器由膜式水冷壁制成,燃烧主要发
