220t／h循环流化床锅炉旋风分离器分离特性的试验研究

热电技 术 2002年第 1期(总第 73期) 220t／h循环流化床锅炉旋风分离器分离特性的试验研究 沈建平 ，殷春根 ，李军 ，方梦祥 ，施正伦 ，卓建坤 ，骆仲泱 ，岑可法。 (1．杭州协联热电有限公司，杭州310011；2浙江大学热能研究所，杭州3]oooo) 摘 要 时一 台220t／h循环流化库锅炉的 高温旋风分 离器进 圩了大量的试验研 究，包括 ：旋风 分 离器的分 离致率、分级分 离豉率等分离性能；多种因素，如凡 口风速、飞友浓度、粒径 太小、烟气温度等对分离嚣性能的影响；以厦分离性能对循 环倍率、炉内燃烧等锅炉运行特性的影响。所得结果对进一 步掌握旋风分离嚣的运行特性厦其对锅炉运行的影响有着 重要作 用，井 可对 旋风 分 离嚣 的 改进 和设 计 提供 较 好 的依 据 美键词 循环 流化床锅 妒 旋风分 离器 分 离致 率 循环倍 率 l 前言 分离器是循环流化床锅炉的主要部件之一，它 的分离效率、流阻与整个锅炉的燃烧、脱硫、循环倍 率及自身能耗等均存在着直接的关系，对整个锅炉 与稳定运行起着至关重要的作用。因而，分离 器的研究和发展一直是一个重要课题 。受到了世界 各国研究人员的重视 。 旋风分离器是目前循环流化床锅炉中应用最为 广泛的一种分离装置，其结构简单、压降低且分离效 率高 但它仍存在着一些缺陷，如磨损较严重、热惯 性大、体积大等，因而研究者们在对旋风分离器进行 进一步研究的同时，又开始研究和开发新型的分离 嚣，但这些分离器的研究开发尚不够完善成熟 ，还未 能在实际工程中得 以广泛应用 。所以当前乃至今后 较 肇一段时间内工业上采用的高温气 固分离设备主 要还是旋风分离器。 炉膛后墙布置了两只高温旋风分离器，旋风筒 采用支撑结构。旋风筒的内径为 似．8m；进口截面为 3．836×1 542m，设计进 口风速为 22m／s；出口截面为 2．692×2．516m；旋风筒总高为 12 77m。高温旋风筒 下部连接两个J阔，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 'b864mm。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 ，空预器出口烟道连接 电除尘器 、引风机和烟 囱。 图 l中的圆圈示 出了锅炉的预i点位置，其中+旋 风分离器部分主要是进行分离器进出口的飞灰和烟 气取样 。测试过程中，首先要正确把握取样 枪的角 度及伸人深度，从而保证取样孔能正对来 流方向，并 确保取样孔所在的位置基本处于该截面的代点 上。其次，要对分离器进出口的烟速作一估计，从而 保证取样基本能做到等速取样。另外，还需对分离 器进出口的飞灰浓度作一合理估计，并估计出取满 一 样杯的飞灰大致所需 的时间 ，以避免取样过程 中 抽吸时间过短而使 飞灰样过少 ，扶 而影 响对分离器 进出口飞灰浓度的计算；也不至于因取样时间过长 而使取样杯爆满，扶而无法对分离器进出口的飞灰 浓度进行估计。 试验过程中对旋风分离器共进行了9个工况的 测试 ，具体参数见表 l所示。 2 试验设备介绍及测试 3 试验结果 试验研究是在杭州协联热电有限公 司 220tth循 环流化床锅炉上进行的，该锅炉的大致结构布置如 图 l所示。锅炉为典型的 Ahlstrom roflow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 吊结掏。锅炉炉膛 分为下部密相区和上部稀相区，炉膛上部布置有炉 内屏式过热器。 一 d 3．1 灰、渣的平衡计算厦校验 分离器进出口飞灰浓度的准确测量对分离器分 离特性的了解与研究是十分重要的。表 2中示出了 其中 3个 工况飞灰重量、浓度平衡校 验的情况。一 是由底渣库称量底渣，然后根据煤的灰量、石灰石加 人后带进 的灰量，计算出飞灰的重量 ；同时由测得的 旋风分离器的分离效率、锅炉的循环倍率以及烟气 维普资讯 http://www.cqvip.com 沈连平等：220t／h循环流化床锅 妒旋风分离嚣分 离特性的试验研究 图 l 杭热 220ffh循环流化床锅炉结构示意图及刹点 分布 表 1 测试工况安排 5 维普资讯 http://www.cqvip.com 热电技术 2002年第 1期 (总第 73期) 量计算飞灰的重量，对两者进行比较。另一则是根 据投煤量、石灰石量等以及大致的分离效率对分离 器进出口的飞灰浓度进行估计，并与实际测量值进 行比较。 表2 灰平衡计算 由此可见实测飞灰量和计算飞灰量相差不大， 而且计算得 的分离器进 、出 口飞灰浓度也和实测值 基本相近，这不仅表明底渣的计量是可靠的，同时也 说明分离器的飞灰浓度、分离效率及循环倍率的测 量是准确的 3 2 旋风分离器进出口飞灰的粒径分布特性 旋风分离器进出口飞灰的粒径分布如图2、图3 所示。由此可知 ，在试验的运行风速下 ，平均粒径大 于0．2525mm颗粒，基本上在炉内燃烧，最后随底渣 排出；对于粒径小于0．2525mm的颗粒被烟气携带出 炉膛进入旋风分离器，粒径为大于 0．1235mm颗粒， 绝大部分能被分离下来 ，进入返料器 ，被送入炉 内实 现燃烧 循环 ，而对 于小于 0 1235mm的颗粒 ，只有一 部分颗粒被分离出来，且随着颗粒的减小，其分离效 率逐渐降低。没有被分离下来的颗粒随烟气一起进 入除尘器。 3 3 分离效率及分级分离效率 由图 4可以看 出，在锅炉负荷为 40％一l00％满 负荷范围内运行时，分离器的分离效率都超过 98％。 分级分离效率指某一粒径下的分离效率，它与人 口 飞灰的粗细无关，只取决于分离器本身性能及单个 颗粒本身性质，更能衡量分离器的性能。由图 5可 以看出，平均粒径(指同一档筛分上下限尺寸的平均 值)dp>0．05nml的颗粒，分离效率大于90％。 6 —— 一 兽 一 彘 1Ⅲ ■ 蝗 一 彘 1Ⅲ 岫 蝗 飞灰筛分粒径 (m“ 围2 工况2时分离器进、出口飞灰粒径分布 4 飞灰筛分粒径 (ram) 图3 工况9时分离器进、出口飞灰粒径分布 帅∞ 加∞ ∞加∞∞ 仲o 维普资讯 http://www.cqvip.com 沈建平等：220t／h循环流化床锅炉旋风分 离器分离特性的试验研究 邑 僻 较 韫 彘 博 较 {噩 鼎 负荷(％^1cR) 图4 分离效率随负荷的变化 分离器进口飞灰粒径 (nuI1) 图 5 分离器的分级效率 3．4 烟气温度对分离效率的影响 烟气温度影响着烟气的粘度。随着温度的升 高，烟气粘度随之增加，因而作用在运动颗粒上 的粘 性阻力也会增加，从而使分离效率下降。当锅炉负 荷上升时，因为烟气的温度随负荷上升而升高(图 6)，所以对分离效率也有不利的影响。但是烟气密 度随着烟温增加而减小，从而使粘性阻力减少，然而 这一作用并不明显。所以总体上烟气温度升高会减 少分离教率，但其影响并不十分显著，如图 7所示。 因而随着负荷的增加，分离效率也增大(如图4所 示)。这是因为负荷会同时影响着分离器人口烟速， 入 口飞灰的浓度及粒径等运行条件。 3．5 进口烟速对分离效率的影响 分离器的分离效率基本上随着进El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 反弹等因素，造成二次扬尘也增加，反而使效率有所 降低，如图8所示。 3．6 灰粒性质对分离效率的影响 灰粒的许多物理化学性质都对旋风分离器性能 有影响，其中影响较大的是飞灰的浓度、粒径等。旋 风分离器对粉尘的粒度、浓度是很敏感的。图 9中 示出了飞灰浓度对分离效率的影响情况，由此可见， 分离效率随着飞灰浓度的增加而增大。分离效率随 着飞灰粒径的增加而增大，这可由图5分级分离效 率的曲线中看出来。 世 蛹 ! 椎 褪 负荷 (％Mc R] 图6 分离器运行温度与锅l炉负荷的美系 3．7 分离效率对循环流化床锅炉运行的影响 图2、图3为两种工况下旋风分离器进出口飞灰 平均粒径的分布。可以看出，进口飞灰的粗颗粒比 出口飞灰要多，表明大部分的粗颗粒被旋风分离器 分离下来，通过返料机构回送至炉膛，因而将对循环 流化床锅炉运行产生重大影响。 惜 裂 褪 9 ． ： 。6l850．． 87—0 —890 ．一9 0 930 ．9510 1 烟气温度 圈7 分离效率与烟气温度的美系 图 10和图 l1中示出了分离效率对分离器进、出 口飞灰含碳量的影响。随着分离效率的提高，炉膛 出口飞灰的含碳量降低，而分离器出El飞灰的含碳 量变化不大，表明大颗粒燃料的燃烧程度增加，提高 7 O O 0 0 O 0 O 0 维普资讯 http://www.cqvip.com 热电技 术 2002牛第 1期(总第73期) 了燃烧效率。而未燃烬损失主要由未燃烬的微细粒 子逃逸离开分离器而引起的。 一 掌 一 料 糕 镀 求 一 蓦 一 料 籁 镀 求 一 一 ■ 艰 加 口 丑 蛰 分离器进口烟气速度 [n ) 圄8 进口速度对分离效率的影响 进口飞灰浓度 (}噜 m。) 图9 飞灰浓度对分离效率的影响 分离效率 固 10 分离效率对分离器进口飞灰含碳量的影响 图12和图 l3示出了旋风分离器进、出口不同粒 径飞灰的含碳量分布情况。由此可见，旋风分离器 入口处 ．只有 细颗粒 (小于 0．05ram)的含碳 量较 高， 达 18％左右；而其他粒径颗粒的含碳量均较低，都小 8 于5％。而出口处，各档粒径颗粒的含碳量均较高， 都高于进口相应粒径颗粒的含碳量，这说明旋风分 离器内的二次燃烧很少。另外，说明被分离器分离 下来的循环物料中含有较多的未反应脱硫剂和惰性 床料。这样可提高脱硫剂的利用率，并保证流化床 内存粒量的基本恒定，从而保证循环流化床能够稳 定运行。 图 11 分离效率对分离器出口飞灰含碳量的影响 蝈 摧 托 描 Ⅱ 飞葳牡径 from3 图l2 旋风分离器进口不同粒径飞灰的含碳量分布 邑 蛔 摧 赴 匕 钼 飞灰粒径(ram) 圈 I3 旋风分离器出口不同粒径飞灰的含碳■分布 的 维普资讯 http://www.cqvip.com 沈建平等：220ffh循环流化床锅炉旋风分离器分离特性的试验研究 3．8 循环倍率 循环倍率是循环流化床锅炉的一个重要参数， 循环倍率的改变将导致炉内燃烧与传热特性的变 化。而循环倍率与燃料种类及分离器的分离效率等 因素有关。循环倍率越高，要求的分离效率也就越 高(如图 14所示)。另外，燃料 中灰份越高 ，所要求 的循环倍率也就越大，如图 15所示。 O 0 曩。 檀 隶 O O 0 料 醢 姆 循环倍率 围 l4 循环倍率与分离效率的关系 4 结论 燃料灰份 ) 圄 15 燃料灰份与循环倍辜的关系 锅炉负荷在 40％～100％MCR范围内运行时，分 离器的分离效率都超过98％。分离器人VI的实测飞 灰浓度在 3，Okg／Nm3左右。平均粒径大于 0 2525mm 颗粒，基本上在炉内燃烧，最后随底渣排出；粒径大 于0 1235—0 2525mm的颗粒绝大部分被分离下来， 而小于0 1235mm的颗粒只有部分分离下来，这说明 炉内参加循环的颗粒粒径分布约为 0 1—0 25ram。 因此给入石灰石基本都参与循环。 烟气温度、进口烟速、飞灰的浓度、飞灰粒径等 对旋风分离器的分离效率均有影响，其中烟温升高 会减少分离效率，但其影响并不显著；在一定的进口 烟速范围内，烟速增大，分离效率随之增大，但当进 12-I烟速过高时，由于紊流增加和尘粒反弹等因素 ，反 而会使效率降低；飞灰的浓度、粒径等对旋风分离器 的分离效率影响较大，分离效率随着飞灰浓度和飞 灰粒径的增加而增大。 随着分离效率的提高，炉膛出VI飞灰的含碳量 降低，而分离器出口飞灰的含碳量变化不大，表明大 颗粒的燃料其燃烧程度增加，提高了燃烧效率。分 离器出口各档粒径颗粒的含碳量均高于进 口，说明 旋风分离器内的二次燃烧很少；另外，说明被分离器 分离下来的循环物料中含有较多 的未反应脱硫剂和 惰性床料。这样可提高脱硫剂的利用率，并保证流 化床内存粒量的基本恒定，从而保证循环流化床能 够稳定运行。该循环流化床锅炉的循环倍率一般在 25左右 参考文献 1．曹柏林，宋泽，毛国锋 带旋涡分离器的循环流化床锅 炉的试验 研究 动力工程 ，1990，10(6)：34—38 2．Comas M，Comas J．and Chetrit．C Cyclone pressure drop and efficiency vAth and without an inlet~,Kne Powder Technology．1991， 66：143— 148 3．罗晓兰．陈建议 ．金有海 ，明铭显 ．固粒相浓度对旋风分 离器性能影响的试验研究．工程热物理学报，1992，13(3)：282 — 285 4何佩敖 开发循环流化床锅炉的新型分离器 热能动 力工 程 ，1993，8(5) 227—234 5 刘德 吕 ．陈汉平 ，林志杰 国外循环床 锅炉分离器 的发 展及我们的研究 动力工程，1996．16(5)：29—33 6王树荣，方梦样，骆忡泱，李绚天，倪明江，岑可法 高浓 度方形分离器的分离机理研究 动力工程，1998，18(3)：49— 54 2 欢 迎 投 稿 欢 迎 订 阅 ’ 《 《 }长 9 一 维普资讯 http://www.cqvip.com