王 磊，楊群峰

（1.華東理工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海，200237；

2.山東省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院濟(jì)寧分院，山東 濟(jì)寧，272300）

下排氣旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)改造及效果分析

王 磊1，楊群峰2

（1.華東理工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海，200237；

2.山東省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院濟(jì)寧分院，山東 濟(jì)寧，272300）

某煤礦自備電廠一臺(tái)型號(hào)為UG-35/3.82-M35的循環(huán)流化床煤泥鍋爐，其使用的下排氣旋風(fēng)分離器實(shí)際運(yùn)行時(shí)分離效率偏低，飛灰可燃物較多，造成較大的鍋爐熱效率損失，為解決這一問題對(duì)鍋爐的下排氣旋風(fēng)分離器設(shè)計(jì)了改造方案，對(duì)方案的可行性進(jìn)行了數(shù)值模擬，并對(duì)鍋爐的下排氣旋風(fēng)分離器進(jìn)行了工程改造。改造后的下排氣旋風(fēng)分離器實(shí)際運(yùn)行中分離效率大幅度提高，捕集的固體微粒粒度變細(xì)，提高了循環(huán)流化床的物料循環(huán)倍率，降低了飛灰含炭量，也提高了鍋爐運(yùn)行效率。

下排氣旋風(fēng)分離器；改造；數(shù)值模擬；分離效率

循環(huán)流化床鍋爐在爐膛內(nèi)或爐膛出口處安裝了旋風(fēng)分離器，以分離和收集煙氣中高濃度的細(xì)灰，再使用返料器把細(xì)灰送入流化床循環(huán)燃燒，使煙氣中的細(xì)灰在循環(huán)燃燒過程中實(shí)現(xiàn)完全燃燒。與其他氣固分離技術(shù)相比，旋風(fēng)分離器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無運(yùn)動(dòng)部件、分離效率高和壓降適中等優(yōu)點(diǎn)，尤其適合于在高溫、高壓和含塵濃度較高的工況下使用。

某煤礦自備電廠一臺(tái)型號(hào)為UG-35/3.82-M35的循環(huán)流化床煤泥鍋爐，運(yùn)行時(shí)飛灰可燃物高達(dá)9%，其下排氣旋風(fēng)分離器實(shí)際運(yùn)行分離效率僅為75%左右，造成返料量較少，鍋爐實(shí)際運(yùn)行效率偏低。

1 改造方案

利用旋風(fēng)分離裝置中的煙氣進(jìn)入下排氣管后，其旋流依然很強(qiáng)烈的特點(diǎn)，通過對(duì)下排氣管的改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)灰顆粒的二次分離，然后經(jīng)改進(jìn)后的返料系統(tǒng)最終送入爐膛，從而增加鍋爐的返料量。通過改造可解決目前循環(huán)流化床鍋爐下排氣旋風(fēng)分離裝置及其返料系統(tǒng)效率較低、返料量較少的問題。改造示意圖如下：

圖1 改造示意圖

2 改造前后數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比分析

對(duì)改造前后的下排氣旋風(fēng)分離器建立模型，運(yùn)用CFD商業(yè)軟件FLUENT對(duì)改造前后的氣固兩相流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，對(duì)顆粒的軌跡進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而計(jì)算分級(jí)效率。固體壁面的邊界條件設(shè)置如下：進(jìn)出口為逃逸邊界條件；灰斗最下端的落灰口、排氣管開口處截面為顆粒捕獲邊界，只要顆粒到達(dá)該處即表示其被捕獲而分離；其他壁面為反彈邊界條件。

數(shù)值模擬中每種結(jié)構(gòu)下的運(yùn)行參數(shù)都相同，入口氣相和顆粒相流速均為30m/s，顆粒入口濃度為28.9g/m3，顆粒粒徑符合Rosin-Ramm ler分布。通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，改造后不同粒徑的分離效率均有所提高，如圖2所示，尤其是5至45微米之間的微粒分離效率要明顯優(yōu)于改造前，另外改造后的總效率也相比改造前也有所提高了2%，從而驗(yàn)證了對(duì)下排氣旋風(fēng)分離器下排氣管的改造的可行性。

3 實(shí)際改造情況

根據(jù)UG-35/3.82-M35循環(huán)流化床煤泥鍋爐的下排氣旋風(fēng)分離器的現(xiàn)場(chǎng)情況，按照設(shè)計(jì)改造方案的要求對(duì)排氣管進(jìn)行了改造，其內(nèi)外部改造情況如圖3所示，在排氣管的側(cè)面開槽采用304的不銹鋼板進(jìn)行加工，形成排氣管的灰粒收集裝置，灰粒收集裝置根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，其底部為約40°的傾角，排氣管的內(nèi)部改造后，澆注料進(jìn)行摸角，使排氣管的灰粒收集裝置的入口處能平滑過渡。在收集裝置的下部通過輔助返料管以40°的傾斜角引出，在引至原分離器返料管立管處附近時(shí)，連接輔助返料管的立管，從返料器上部區(qū)域的原分離器返料管立管的側(cè)面開孔接入。導(dǎo)流板、排氣管的灰粒收集裝置、輔助返料管構(gòu)成了排氣管分離裝置?？紤]到利用返料顆粒的量在返料管中形成一定的高度來進(jìn)行密封，以避免煙氣短路回流，同時(shí)也能正常返料，因此輔助返料管在靠近U型閥處的主返料立管處開孔引入。

圖3 排氣管分離裝置內(nèi)、外部改造情況

4 實(shí)際改造效果分析

為分析改造的實(shí)際效果，分別對(duì)改造前后部分位置的取樣樣品進(jìn)行了粒度分析測(cè)試和含碳量檢測(cè)。通過激光粒度分析測(cè)試發(fā)現(xiàn)改造后在返料器所采集的粉煤灰樣品中位徑（D50=168.2μm）比改造前同一位置所采集的樣品中位徑（D50=180.9μm）要小12.7μm，后續(xù)分離設(shè)備電除塵所捕獲的粉煤灰顆粒粒徑改造后（D50=92.23μm）比改造前同一位置所采集的樣品中位徑（D50=113.9μm）要小12.7μm，由此可見改造后旋風(fēng)分離器的分離能力得到了進(jìn)一步加強(qiáng)，能夠分離出粒徑更小的顆粒，可提高循環(huán)流化床鍋爐的返料量。對(duì)改造前后所取樣品的含碳量檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，旋風(fēng)分離器改造后返料器中所取樣品的含碳量顯著降低，電除塵裝置中所取樣品的含碳量也明顯降低，下排氣管改造處、料腿中所取樣品的含碳量也低于改造前在返料器中所取樣品的含碳量，從而說明通過對(duì)循環(huán)流化床鍋爐下排氣旋風(fēng)分離器排氣筒的改造，有效提高了燃料的利用率。

綜合粒度分布測(cè)試和含碳量的檢測(cè)的結(jié)果，分析得出通過對(duì)循環(huán)流化床鍋爐下排氣旋風(fēng)分離器排氣管的改造，能夠使下排氣旋風(fēng)分離器的分離性能大幅度提高，捕集的飛灰粒度變細(xì)，提高了循環(huán)流化床的物料循環(huán)倍率，有利于顆粒的燃盡，因而降低了飛灰含炭量，提高了燃料的利用率，也提高了鍋爐效率，改造后效果顯著。

［1]劉德呂，陳漢平，武正舜等.下排氣旋風(fēng)分離器循環(huán)流化床鍋爐的研究與開發(fā).煤炭加工與綜合利用，2000，3：47-49

［2]封躍鵬，姜大志.旋風(fēng)分離器在結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)［J].燃料與化工2009，2（40）：9-10

［3]郝曉文，王磊，趙強(qiáng).下排氣旋風(fēng)分離器的流場(chǎng)分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化.電站系統(tǒng)工程，2011，（27）3：15-19

［4]李昌劍.分級(jí)式合成氣初步凈化系統(tǒng)中旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化.上海：華東理工學(xué)，2012

［5]Qian F.Wu Y.Ef fect of the inlet section angle on the separ tion per formance of cyclone［J］.Chemical Engineering Research and Design.2009，87（12）：1567-1572.

［6]劉亞倩，李雪斌，李憶冬.基于Fluent的旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)改進(jìn)數(shù)值模擬.礦山機(jī)械，2012，7（40）：86-90

［7]黃盛珠，朱琳，馬春元等.新型下排氣旋風(fēng)分離器的流場(chǎng)和性能數(shù)值模擬.熱能動(dòng)力工程，2006，（21）1：70-74