循环床锅炉下排气旋风分离器分离机理的研究

第 23卷 第 3期 1995年 3月 华 中 理 工 大 学 学 报 J．Huazhong Univ．Df Sci．＆_Tech Vd ．23 No．3 M ar 1995 7 I／ 循环床锅炉下排气旋风分离器 {6 分离机理的研究 杰刘德昌 夕 (煤燃 烧国家重 点实验室 ) 摘 要 根据对分离器内部流场的测试，分析了分离器内气固运动规律及其对粉尘颗粒捕集分 离的影响．利用径向混合模型，导出了描述分离器捕集分离机理的计算模型，并对模型进行了验 证．讨论了循环摩锅炉飞灰分 关键词 E生 堕墨坌蔓量； 分类号 TK 10 TU 834 3)妒 ， ／ 循环床锅炉关键设备飞灰分离装置，其性能的优劣，直接影响到锅炉的安全、经济运行．分 离器的结构型式和布置位置 ，决定了循环床锅炉的整体结构布置 ，成为区别循环床锅炉技术流 派的重要标志之一．循环床锅炉的飞灰分离器必须具有足够高的分离效率 ，提供足够多的物料 进行循环，以满足炉内燃烧、脱硫和传热等方面的需要．另外，还应具有阻力低、结构简单、布置 紧凑等优 良性能．由华中理工大学研究开发的下排气旋风分离器 ，具有高效低阻等优 良性能． 特别适合于循环床锅炉，现已应用于各种容量循环床锅炉的设计0 一．本文对该分离器的分离 机理进行了深入的分析与研究，为分离器的进一步完善与应用 奠定了理论基础． 1 分离器内气流与颗粒的运动与分析 下排气旋风分离器主要 由外筒体、导流体和排气管等组 成口 ．分离器 内气流与颗粒的运动参见图 1 含尘气流 由切向进 入分离器后，在外筒体与导流体之间的圆环柱内自上而下地旋 转运动，大部分直到排气管排出，而有一小部分则继续下旋 ，到 达底板时折转方向，逆着气流向上运动到排气口排出．粉尘颗粒 随着气流旋转 ．在离心力的作用下从气流中分离出来，沿器壁滑 下进入贮灰斗． 文献 [2]给出了分离器内气流三维速度场的测试结果．由 测试结果可知：切向速度 Ⅳ 由靠近导流体附近的准强制涡和靠 近器壁附近的准 自由涡组成．径向速度 Ⅳ 由源汇流组成 ：在靠 近导流体部分为类汇流 ，即 ⅣI向内；在靠近器壁部分则为类源 图1 捕集分离模型示意圈 收稿 日期 ：1 994·09—01． 陈汉平 -男，196"2年生 ．讲师‘武浞 ，华中理工大学煤燃烧国家重点实验室 (430074) ，埭 ． 反 ， 懒 ，， 维普资讯 http://www.cqvip.com 华 中 理 工 大 学 学 报 流．即 W 向外．轴向速度 在排气口以上．均为下降流，而在排气 口以下，除了有靠近器壁的 下降流外．还有靠近排气管的上升流． 对于准自由涡，W． r) =C1，式中 c 为常数 ；r为旋转半径 ，m； 为旋转指数．k值可由流 场测试确定．也可按下述经验公式计算 ： ：1一(1—0．74{rz) )[({tk+273)／zsC” ，式中 r!为分离器外筒体内半径 ，m； 为气流温度 ．C．准强制涡可表示为：W 一rz{r} (1一“ r m)· 式中 。为常数．c．与 k 及 r 有如下关系； c，／{^ } 一 {r ) (1一 f．{r ) )； ：{r ) = (1一 )／(2+ )； r = l／2· (1) 式中，r 为准自由涡与准强制涡的分界半径 ．m；r 为准强制涡 Ⅳ 等于最大值处的半径 ，m． 试验研究表明，r 与流场及分离器结构尺寸有关．r 可表示为：r [ +(1+ )r +krl ／ ：2(1+ )]．式中 r 分别为分离器导流体和排气管半径 一m． 在离心力场中，粉尘粒子的运动微分方程为： (dV ／dr)一 Ⅲ ( )一 Cl p(V 一 W ) ／2， (2) 式中，m 为粒子的质量，kg／m ； 为粒子径向速度 ．m／s； 为时间，s；V 为粒子切向速度，m／s； 为流动阻力系数 ；^ 为粒子在其运动方向上的投影面积，m ；P为气流密度 ，kg／m ． 一 般认为，在切 向粒子与气流无相对滑动，即 V 一W ．显然 ，切向流速对粉尘颗粒的捕集 分离起着主要作用．它使颗粒产生径 向加速度 ／r，由此而产生沿径 向向外的离心沉降速度 ，使粉尘颗粒运动到器壁而被分离．由式 (2)可知 ．随着切向流速的增大 ，离心沉降速度增 大，粒子被分离的可能性增大，分离效率提高；但由于切向流速的增大一气流旋转运动损失增 大 ，造成分离器的压力损失也增大；另外，如果切 向流速 过大 ，使 过大，将使粉尘颗粒的 径 向运动动量 m ( 。一W )过大 ，颗粒将从器壁弹回，进而被旋转气流夹带出分离器 ，反而使 分离效率降低．而气流的切向速度主要与气流入 口速度 ．和分离器的结构尺寸等有关．因此， 存在一最佳取值范围．研究表明；W．一1 5～25 m／s较为适宜． 很明显 ，径 向速度 也对粉尘颗粒的捕集分离产生重要影响．对于类汇流．它将促使颗粒 沿径向由外到内推向准强制涡区，进而随下降气流从排气管中逃逸 ，对颗粒的捕集分离产生不 利影响．而类源流沿径向将颗粒由内到外推向准 自由涡区．促使颗粒向器壁运动而被捕集．这 对颗粒的捕集分离是十分有利的． 舳 向速度 也影响着颗粒的捕集分离效果．在靠近导流体区域内，向下的轴向速度将使 粉尘颗粒沿导流体向下运动，从排气管中逃逸；在靠近排气管区域内，向上的轴向速度使得粉 尘颗粒 (有些甚至是从底板滑下的已被捕集分离的颗粒)沿排气管向上运动至排气 口从中逃 逸．这对粉尘颗粒的捕集分离显然是不利的．而在靠近器壁区域 ，向下的轴向速度将促使颗粒 向下运动，有助于已捕集分离的颗粒沿器壁向下运动至贮灰斗．从而对捕集分离产生有利的影 响． 综上所述．粉尘颗粒的分离主要发生在准 自由涡区域．若要提高分离效率 ，既要有效地强 化旋涡流，扩大类源流区域及其强度．叉要注意减少甚至设法消除由轴向速度引起的已分离粉 尘的二次夹带．这对于组织合理的流体动力场，提高分离效率 ，具有 指导意义．目前 已按此原 则，完善了分离器的内部结构，改善了流场 ，提高了分离效率，使其分离效率可与常规上排气旋 风分离器相媲美． 2 捕集分离模型 目前，对各种旋风分离器已作了研究- ．下排气旋风分离器内的气流与颗粒的运动十分 维普资讯 http://www.cqvip.com 第 3期 陈汉平等 ：循环床锅炉下排气旋风分离器分离机理的研究 113 复杂．为便于建立其捕集分离模型 ，必须进行 些合理的简化．现作如下假设 _a．分离器内粒 子在切向与气流无相对滑动 ．即 V 一W |b．粒子为球形颗粒；c．粒子足够分散 ，即忽略粒子间 的相互影响及粒子对气流运动的影响；d．气流在分离器内的径向速度为零．在此基础上，利用 基本模型一横向 (径向)混合模型 ，建立本分离器的捕集分离模型．该基本模型认为：在分离 器内由于涡旋气流高度的紊流和涡流，对粉尘起着混渗作用 ，使任一横截面上的粉尘分布均 匀；在器壁存在一近壁边界层 颗粒在此层内即被捕集，无二次扬起． 如 图 1所示 ．某一时刻 r，粉尘转过 0角．经时间dr，叉转过 角．则在时间 dr内．粉尘在 边界层内移动的距离 ，切向为 r d8--V ：dr( 为近壁处粉尘的切向速度 ，m／s)．径 向为 dr= V dr--( ／v )rzdO( 。为近壁处粉尘的离心沉降速度．m／s)，轴向为 d^．只有距分离器壁面 的距离为 以内的粉尘粒子能到达壁面而被捕集．则崔 角度内，粒径为 d的颗粒被捕集 分离的微分量为：-d,h(d)一C d^ [r； ( dr)!~d8／2，式中 ( 为 角度内粒径为 的颗粒 浓度．而在 d口角度内粒径为 d的颗粒总量为： (d)--C dh(r；一r{)d8／2，因此在 d 角度内被 捕集分离的粒子分数为： dm (d) 2r2dr一 (dr)i ( ) 哇 ， = 一 V r2 V t2墨 一 一一 将上式沿整个旋风气流的路径积分： d丽m(8)一』 V,z dO，式中，角标 ，。分别 表示分离器的进出 口；Ⅳ 为含尘气流在分离器内的旋转圈数．求解积分可得： 。(d) td)= exp[一 ( ／v )4~Nrg／(，l— r；)]．因此 ．分离器的分级效率为： (d)一 1一 。(3)／m．( )一 1一exp 一 ( !／v )4 Ⅳ，l／(r；一，})]． (3) 通过高度为 d的断面的气流量为 (参见图 2)Q： l aW dr=n I c。r(1一c r)dr+ J 】 J r 口 l dr=abW．．由式 (1)可得c ：[r2+ )／r： q．代入上式求解得：c =W 6／r {[(2 J l， 一 )／2][1一 (r r1) ：一[(1+ )／alE1一 (r1／r．)。]一 [1／(1一 k)]El一 (r2／r．) ’．若令 B = (6／ )( ／ ／{：(2+ )／2~E1一 一．／r )!]一 [(1+ k)i3][1一 ( ／r )。]一 [-一1一 )][1一 ( ／r )。。 )，则在分离空间一准 自由涡内： W 一 Vl— J8r ．／ 一． 4) 由式 (2)令 dV ／dr一0并将 Cn=c／Re~代入则可求得粒子在离心力场中的沉降速度为： V 一 E4p d““v"／(3pcu"r)] ～’V ． (5) 式中， 为粒子密度 ，kg／m ；P为气流密度 ．kg／mj； ．n分别为流动阻力系数 C。一c／Re~,中的 系数与指数．其中 Re 为粒子相对运动雷诺数．Re V。 ／ ， 为气流的运动粘度，m ／s．令，一 ，将式 (4)代入式 (5)并引入 Stokes数 Stk—P 扩 ／(pc'．fr2)，可得： !／v ：一 (4B Stk／3) “。 ． 假定 Jv=h／a(^ 为分离器的有效分离高度 ，m)．并令 A=4~hrZz／_d(r 一一)]，则式 L 3j可 简化为： ( )一 l—exp1一A~(4ia)B Stk5 ～ )． (6) 令 (8)=50 ．由上式可得临界分离粒径 ： d 一 [(3／4)(1n2／A) 一 ，2pcv'／(,GW~B )] “ ”． (7) 这样，分级效率可以表示为： 维普资讯 http://www.cqvip.com 华 中 理 工 大 学 学 报 ( )= 1一exp[一 ln2(3／d‰) ～ ]= l—exp[一 ln2(8／d‰ · 式中 m 为分离指数，m=(n+1)／(2--n)． (8) 如果已知进口粉尘的质量频率分布 g．(d)或质量频率密度分布 (d)。则总分离效率 r{ 一 ∑ (d)g (d 或 一 I (d) (8)d8． (9) d 至此，得到描述下排气旋风分离器分离机理的模型．即分离器的主要分离性能指标：分级 效率 ( )，临界分离粒径 ． 及总分离效率 分别由式 (6)或 (8)，式 (7)及式 (9)确定． 本模型将分级效率表示成与几个无困次参数 ‘4，B，n．Stk等有关的形式，对于指导试验 研究很有益处．参数 ^与分离器结构有关；参数 日与分离器结构及流场分布有关．因此在模 化研究或放大设计中，维持分离效率相等的必要条件为_a．几何相似 Ib．流场相似 ．c．流动阻 力区间相同；d．Stk数相等． 另外。本模型将分离性能与分离器的结}弩参数、运行条件等联系起来，便于对该分离器的 分离性能进行预报及分析，也便于对分离器进行优化设计 ， 满足循环床锅炉对飞灰循环的要 求． 特别应指出的是本模型采用丁通用的流动阻力系数公式 c， 3、对于任意阻力区间都是适用的．避 免丁一般研究者限定在 Stokes区间- ～ ( 24 一1)的局限．对于某些具体 的研究对象 ．还可根据 Re,的具 体范围．另行回归求 出具有代表性的 c， 值，因此 ，本模型的通用性较强 ．实用性也较高．其基本方法也适用于 研究其它类型离心式分离器的捕集分哥机理． 3 模型的验证和有关问题的探讨 在 一0．2 m 及 r：一0．1 m 的下排气分离器试验台上，对其分离性能进行 了l大量的试验 研究“ ．从模 型 计算结果 与试验结果的比较可知两者 符合较好．这表明本模型对 分离性能的预报基本上是准 确可靠的．部分结果 比较如 图 2所示．试验 粉 尘 为煤 粉．图中出现偏差 的主要原 因在于细粒子的凝聚和粗粒 子的回弹．前者使实际分离 效 率 (d)及 高于 理论 值 ，临界粒径 d ，低于理论 值 ，而后者则有相反的效果 1 5 20 25 ／m ·S (a) (b)W =15 ml／s 围 2 模型计算结果与试验结果的比较 ⋯ 实测值 ，一计算值 另外．利 用本模型对一 台 65 t／h循环床锅炉下排气 飞灰分离器进行了优化设计 ，并对其分离性能进行了预报，为该 锅炉的设计提供了重要数据．部分设计及预报结果如下 ： r2= 1．4 m，d= 2．0m，6： 0．8 m，W 一 20m／s，d_．^一 21 vm， = 94％． 对模型进行分析计算表明：分离器直径越大 ，气流温度越高．粒子粒径越小、密度越低。则 分离效率越低． 维普资讯 http://www.cqvip.com 第 3期 陈设平等：循环床锅炉 下排气旋风分离器 分离机理 的研究 3．1 粉尘浓度 试验研究表明：在气固分离中 ．当粉尘的体积浓度 (1v<2 000 cm。／m 时，基本 上可以忽略 固体颗粒之间及其对气流的影响“ ．对于循环床锅炉的飞灰分离装置而言，其含尘气流的质量 浓度大都小于 2～5 kg／m ，即相当于固体颗粒密度 ：1 000~2 500 kg／m。时体积浓度 勾 C <2 000 CFII ／m ．因此本模型作为一一种简化模型，将颗粒视为足够分散是基本台理的 但试验 数据表 明，分离效率将随含尘浓度的增加而提高 ]．其原因可能是由于粒子的凝集作用．租粒 子裹挟细粒子 ，粗粒子碰撞细粒子使之加速而被捕集 ；壁面浓集的灰尘起着缓冲作用．减少了 粒子因与壁面碰撞而破碎和回弹等．因此有必要对本模型引入粉尘浓度的修正．通常可以采片j 公式 (1一 )／(1一 )：(c ／C )。 进行修正一 ． 3．2 气流的径向速度 本模型的另一假设条件 ，气流的径向速度为零也是基本合理的．事实上，根据瀛场测试 ，气 流的切向速度要高出其径向速度一个数量级。 ，计算也表明，粒子的径 向速度也比气流的径向 速度至少高一个数量级．因此相对而言，气流的径向速度小得多．可以忽略不计． 3．3 氟粒相对运动的阻力系数 多数研究者 “ 在建立分离效率计算模型时，太都认为粒子相对运动雷诺数 Re~％1．即处 于 Stokes区，可以用 Stokes定律描述颗粒相对运动的阻力系数 C。一24~Re 对于一般的除尘 装置而言·这都是正确的．但对于循环床锅炉的飞灰分离装置，Stokes定律 已无法描述流动阻 力．计算表明，进入循环睐锅炉飞灰分离器的粒子 ．其 R 一般 为 o～l 000．远远超出了 St。kes 区．但 目前在循环床技术领域内．多数研究者仍简单地借用除尘技术领域中的研究结果．对具 体对象尚缺乏深入细致的研究．仍将粒子视为 Stokes粒子，这显然是错误的．正确的方法是在 R 的具体 范国内，寻求合理的流动阻力表达式．本研究中取为： ：C 一30／R s(R0—1～ 1 000)．计算表明．采用该式的计算结果与试验数据符合较好．而应用 Stokes定律时，两者之 同存在较大的误差． 3．4 粒子的切向速度 曾假设粒子的切向速度与气流的切向速度相等 ，即气固阃在切向无相对滑动．根据对分离 器内颗粒运动学的分析，这一假设实际上是忽略了颗粒运动微分方程中的二 阶微分项 ，即认 为 d ar／dr o．尽管这相当于说 ．粒子以不变的速度作向外的径向运动，与式 (5)不符．显然是 不合理的．但是作为不可求解的粒子运动微分方程 (除非用数值法近似求解 的一个很好的 近似解，其结果还是令人满意的． 参 考 文 献 1 Chen Hanping，Yang Heping，Lin Zhijie，et a1．New Type of Separator for CFBs with Low Pre rc Drop and High Efficiency． 10th International Conference on Fluidized Bed Combusrion．ASM E ． 1989 413～ 417 2 林志杰，陈汉平，刘德昌．F排气中温分离器型循环流化束锅炉的研究与设计．华中理工夫学学报，1 994，22 (3) 垢～2o 3 Chen Hanping，Lin Zhijie，Liu Dechang，et a1．Research for a New Type of Cyclone Separat0r 11“】In ternadona[Conference on Fhtidized Bed Combustion．ASIDE，1991． 1 367~ 1 371 4 陈明绍，吴光兴 ·张大中等．除尘技术的基本理论 与应用．北京 ：中国建筑工业出版1土．1981． 5 井伊谷钢一．除尘装置的性能 马文彦译．北京 机减工业出版社 ，1986． 6 马广大．除尘器性能计算．北京：中国环境科学 出帧社 ，1990． 维普资讯 http://www.cqvip.com 华 中 理 工 大 学 学 报 7 小川明．气体中颗粒的分离．周世辉．刘隽^译．北京 ：化学工业出版社·1991． 8 Be su P．Fraser S A． Circulating Fluidized Bed Boilers Design and Operations．M assachusetts：Butter worth Heinemann．199l 9 许晋源，徐通模．燃烧学 (修订本 )．北京 ：机械工业出版社 ，1990 The Separating M echanism of a Cyclone Separator with Downward Exhaust Gas in a CFB Boiler Chen Hanping Huang Lin Lin Zhijie Liu Dechang Abstract The gas—solid movement in a separator and the effect of the movement on dust particle collection according to the measurement of the flow field in the separator are analyzed．A cal— culation model for describing the separating mechanism of the separator is：developed from the radial mixed mode1．the calculation model is verified by test results．The effect of the op- erating conditions of the fly ash separator in a CFB boiler on the model is also discussed． Key words： cyclone separator}gas—solid movement；separating mechanism ； calculation model Chen Hanping， lect．；National Lab．of Coal Combustion·H．U．S．T．·W uhan 430074· China． 材料科学与工程系科技成果选编 金属型半永久性 HP系列涂料 金属型半永久性 HP系列涂料主要应用于铝台金或铁台金金属型铸造和低压铸 造．起到保护金属型 ，调节铸件冷却速度 ，便于脱型轴芯的作用．HP系列涂料包括底 层涂料 (HP—B)，冒口绝缘涂料 (HP—IR)，面层涂料 (HP—CT)， 及型腔绝热涂料 (HP—IM)四种． HP系列涂料具有良好的悬浮性 ．涂敷性和保存性 底层涂料与金属的附着强度 高 (抗剪强度>4 MPa J；冒口绝热涂料具有良好的导热性和润滑作用 (涂层厚度为 0．1 5 mm 时，传热系数>1 60 W／m ·C)：面层涂料具有 良好的导热性和润滑作用 (涂层厚度为 0．1 5 mm 时．传热系数>700 w／m ·℃)；型腔绝热涂料保温效果适 中 (涂层厚度为 0．1 5 mm 时，传热系数<46o w／m ·℃)． HP系列涂料配套使用 ．制成的复合涂层具有如下特点：a．可明显调节铸件凝固 顺序，控制 冷却速度，获得组织致密的铸件 ；b．铸件易脱型．铁芯易抽取|c．涂层具 有永久性 ．涂敷 一次，可连续生产五个班次“上． 本成果经湖北省教委组织的专家鉴定认为：“设计构思新颖 ，具有独创性．经湖北 省科技情报所查新联机检索．HP系列涂料为国内首创，并达到国际先进水平 ” 维普资讯 http://www.cqvip.com