石戰(zhàn)勝，孫正睿，段翠佳，曹文廣，李宗慧，馬治安，范曉明

(1.中國華電集團科學技術研究總院，北京 100016； 2.山東華電濰坊發(fā)電有限公司，山東 濰坊 261000)

0 引言

粗粉分離器是火力發(fā)電廠雙進雙出直吹式、中間倉儲式和中速磨直吹式等制粉系統(tǒng)中的一個關鍵設備，主要作用是把合格的細粉分離出去、不合格的粗粉返回磨煤機重新研磨[1-2]，其分離能力將影響制粉系統(tǒng)壽命、耗能及燃燒爐性能等。粗粉分離器主要分為徑向、雙軸向、多通道以及動靜態(tài)組合等形式[3-7]。目前，我國燃煤發(fā)電廠使用的基本上是國外過時的分離技術，易導致制粉系統(tǒng)能耗高、煤粉粗、煤粉均勻性差、一次風機電耗高等問題，嚴重影響著鍋爐的燃燒效率和污染物排放水平[8-9]。

國內(nèi)電廠一直在發(fā)展摻煤燃燒。隨著煤價上漲，入爐煤質(zhì)越來越差，當煤質(zhì)嚴重偏離設計煤種時，采用現(xiàn)有粗粉分離器會使制粉系統(tǒng)處于非正常工況運行，導致出力下降、制粉單耗大幅增加、煤粉細度偏粗、煤粉細度均勻性下降等問題，進而產(chǎn)生諸多鍋爐燃燒問題。這些問題對分離器和分離技術提出了更高的要求。

本文通過研究現(xiàn)有靜態(tài)粗粉分離器存在的問題，提出一種高效的粗粉分離器。將其應用于某電廠雙進雙出制粉系統(tǒng)，電廠考核性能指標顯著提升，達到了節(jié)能減排的目的。

1 傳統(tǒng)粗粉分離器的對比分析

我國粗粉分離器應用主要分為三個階段：1980年之前使用徑向分離器；1980年起逐步使用軸向分離器；1990年以后開始使用動態(tài)分離器和改進的新型軸向分離器。判斷其性能好壞的因素主要有分離效率、細度、循環(huán)倍率、調(diào)節(jié)性能、積粉程度和耐磨性等[10-12]。通過對比現(xiàn)有的靜態(tài)徑向和雙軸向粗粉分離器，可以找出其存在的缺陷。分析涉及的模擬方法為計算流體力學(CFD)和離散顆粒模型(DPM)，其中的湍流參數(shù)由雷諾應力模型(RSM)求解，Afolabi先生在論文中[13]已證明此模型的計算結(jié)果與實驗吻合較好。

1.1 徑向粗粉分離器

徑向粗粉分離器粗粉的分離主要發(fā)生在內(nèi)錐體內(nèi)，其余發(fā)生在內(nèi)外殼體之間。粗粉流動過程如圖1所示：流體從氣固入口進入分離器，直接撞擊內(nèi)錐底部，造成了內(nèi)錐底部磨損；流體受錐體下部錐形影響，沖刷邊壁造成了外殼體的磨損；流體經(jīng)徑向葉片90°的轉(zhuǎn)彎后沿切線進入產(chǎn)生離心分離，然后途徑中心筒從中心管出口排出分離器，造成了流經(jīng)路線變長、壓降變大，徑向分離器出入口與同樣直徑的雙軸向分離器出入口相比，壓降增加500 Pa左右[3]；內(nèi)錐體下部錐形帽四周設有回粉開口，內(nèi)錐體里分離出來的顆粒從開口排出，受入口氣流的影響會造成顆粒二次攜帶，影響分離效率；流體呈旋轉(zhuǎn)式排出，易造成兩個出口管濃度存在偏差。

徑向粗粉分離器具有阻力偏大、分離效率低、循環(huán)倍率大、制粉出力偏小、粉管濃度偏差大等缺點。在分離器有效空間中，入口管、內(nèi)外錐體之間的空間沒有得到合理利用。在雙進雙出鋼球磨制粉系統(tǒng)中，原煤中含有木塊、雜草、破布、編織袋等雜物，在運行過程中時常會掛在分離器徑向擋板上，造成流通面積減小、分離效率降低、壓降增加、出力顯著下降等，也會造成清理周期縮短和安全隱患增加[14]。

1.2 軸向粗粉分離器

圖1 徑向粗粉分離器流體流動過程

軸向粗粉分離器不再利用內(nèi)錐體空間進行分離。分離主要發(fā)生在內(nèi)、外殼體之間，摒棄了內(nèi)錐體下部錐形帽，避免了四周流出顆粒造成的二次攜帶。雙軸向粗粉分離器采用上、下兩級分離。如圖2所示：流體從氣固入口進入，直接撞擊內(nèi)錐下部的撞擊錐，經(jīng)過內(nèi)外殼體間的上、下兩層擋板后由出口排出，進口煤粉會高速撞擊內(nèi)錐易造成分離器內(nèi)錐磨損，其中最大速度值在出口處，所以出口要做好防磨工作；煤粉撞擊內(nèi)錐底部會造成粗細粉成團返到回粉管排出，造成分離效率不高；顆粒經(jīng)壁面處落入到回粉管中，在頂蓋處顆粒速度減小，易造成堆積。

圖2 軸向粗粉分離器流體流動過程

軸向粗粉分離器雖然阻力有所降低、分離效率有所提高，但煤粉細度偏大、粉管濃度偏差等仍然存在。且由于內(nèi)錐體的分離，造成空間浪費、分離器尺寸增加、容積強度變低；分離器有效空間中，入口管也同樣沒有得到合理利用。在雙進雙出鋼球磨制粉系統(tǒng)中，盡管清理周期略微增長，但軸向擋板也沒有解決原煤中含有木塊、雜草、破布、編織袋等雜物的堵塞，運行過程中會掛在軸向擋板上，造成流通面積減小、阻力增加、出力下降等。

2 新型粗粉分離器

徑向分離器易堵塞、壓降大、出力小，而軸向分離器容積強度低、撞擊分離效果差、空間受限于兩層擋板、頂蓋顆粒易聚集，新型粗粉分離器將合理利用進口空間和先進的分離理念(如離心分離設備)，增加消除軟性物質(zhì)堵塞的設備并改進分離器結(jié)構以消除積粉等問題。徑向分離器已逐漸被取代，新型粗粉分離器在軸向型基礎上進行了改造：進口增加離心分離葉片，以便在分離器底部形成一級分離，且增加的葉片可以起到打碎軟性物質(zhì)的作用，與回粉管內(nèi)防堵構件共同起到防止軟性物質(zhì)堵塞的作用；葉片使流體沿切線方向運動，使流場偏離內(nèi)錐，避免撞擊；取消下?lián)醢寤蛘邔⑵渥優(yōu)橐坏絻蓪有醢?即擋環(huán))，縮小下層分離器空間，同時將上擋板下移并同時減小內(nèi)外錐體；上擋板上面圓柱可變?yōu)閳A臺狀，形成一定傾斜角來消除頂端出現(xiàn)顆粒聚集；兩個出口下端增加消旋和混合裝置來減小出口濃度偏差等問題如專利CN 201720176274.5[15]。改進后的分離器體積縮小、容積強度增加。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 測試數(shù)據(jù)和分析

新型粗粉分離器在某電廠示范應用，經(jīng)測試、考察得到了靜壓、細度、出力等性能參數(shù)，測量和計算依據(jù)DL/T 467—2004《電站磨煤機及制粉系統(tǒng)性能試驗》。

改造前，粗粉分離器制粉系統(tǒng)最大出力為56 t/h、平均經(jīng)濟出力為54 t/h(清理后的分離器)，磨煤機單位電耗為18.96 kW·h/t，實驗測試計算數(shù)據(jù)見表1：磨兩側(cè)壓降阻力相差150 Pa，可能因分離器內(nèi)構件變形或已形成輕微軟性物質(zhì)堵塞引起，平均阻力為1 375 Pa；磨兩側(cè)分離器出口煤粉細度R90的偏差為5.62%、平均值為11.75%，R200的平均值為1.32%，煤粉均勻性指數(shù)為0.88；分離器平均效率為52.2%；磨兩側(cè)循環(huán)倍率相差0.58，循環(huán)倍率平均值為2.26。

改造后，制粉系統(tǒng)最大出力高于66 t/h、平均經(jīng)濟出力為61 t/h，磨煤機電耗為16.64 kW·h/t，其他實驗計算結(jié)果見表1：磨兩側(cè)分離器出口煤粉細度R90偏差為1.68%、平均值為10.36%，R200平均值為0.6%，煤粉均勻性指數(shù)為1.02，分離器效率平均為62.37%；磨分離器兩側(cè)壓降相差70 Pa，阻力平均為675 Pa；磨兩側(cè)分離器循環(huán)倍率相差0.32，循環(huán)倍率平均值為1.90。

對比改造前后性能指標，分析結(jié)果如下。

(1)粗粉分離器改后磨煤機經(jīng)濟出力提高了7 t/h，長期運行的出力與負荷響應能力明顯提高，磨煤機磨煤單耗降低了2.3 kW·h/t以上，磨煤機單耗有所降低，達到了節(jié)能的目的。

(2)經(jīng)濟出力下改造后磨煤機煤粉細度R90降低了1.39%、煤粉均勻性指數(shù)提高0.14，煤粉細度明顯降低、均勻性指數(shù)有明顯提高，這些有利于降低鍋爐燃燒的飛灰含碳量。

表1 改造前后實驗計算結(jié)果

(3)改造后，經(jīng)濟出力下的磨煤機兩側(cè)分離器壓降差由150 Pa降低到70 Pa，粉管濃度偏差會降低；磨兩側(cè)分離器的平均循環(huán)倍率降低了0.36，這對提高出力和分離效率起到正向作用；分離器的效率平均值提高超過10%。

(4)改造后，經(jīng)濟出力下磨煤機平均分離器的阻力降低了700 Pa，阻力明顯降低，這為提高出力提供了有利條件，現(xiàn)場顯示最大出力超過65 t/h，有時甚至超過70 t/h，滿負荷可節(jié)省1臺磨；一次風機表盤顯示電流降低約15 A。

(5)運行數(shù)據(jù)顯示選擇性催化還原(SCR)入口NOx質(zhì)量濃度降低60 mg/m3；分離器清理周期顯著增長，運行平均阻力值通常降低超1 000 Pa以上。

3.2 效益分析

通過制粉系統(tǒng)分離器優(yōu)化改造，顯著提高制粉系統(tǒng)出力和分離器效率，煤粉細度、循環(huán)倍率、制粉系統(tǒng)阻力明顯降低，制粉系統(tǒng)的總體性能指標顯著提升；優(yōu)化了分離器下部擋板和分離器出口結(jié)構及風粉管道。改造投運后，分離器沒有發(fā)生積粉，分離器內(nèi)部積粉隱患得到消除，制粉系統(tǒng)安全可靠性全面提高。

改造后，磨煤機的經(jīng)濟出力顯著提高，5套制粉系統(tǒng)可達到額定負荷，現(xiàn)場運行可節(jié)省1臺磨煤機耗電量，即每年約節(jié)省電費160萬元(上網(wǎng)電價0.33元/(kW·h))；制粉系統(tǒng)運行阻力降低超過0.8 kPa(包含分離器堵塞情況)，每年約節(jié)省電費26萬元；按照設計煤種，鍋爐飛灰可降低0.5%，降低煤耗0.65 g/(kW·h)，每年節(jié)省131萬元；SCR入口NOx質(zhì)量濃度降低60 mg/m3，節(jié)省液氨費用為48萬元；另外節(jié)省了部分人工清理費用。

通過改造，每年不僅可節(jié)省燃煤，也減少了燃煤產(chǎn)生的污染物排放，節(jié)能減排效果顯著，社會效益可觀。

4 結(jié)論

通過對現(xiàn)有靜態(tài)徑向和軸向粗粉分離器結(jié)構特征分析，透析其優(yōu)缺點，提出新型粗粉分離器并示范應用，結(jié)論如下。

(1)徑向粗粉分離器阻力大、分離效率低、循環(huán)倍率大、制粉出力偏小、粉管濃度偏差大且易被軟性物質(zhì)堵塞等；分離器有效空間中入口管、內(nèi)外錐體之間空間沒有得到充分利用。

(2)軸向粗粉分離器盡管阻力有所減低、分離效率有所提高等，但煤粉細度偏大、粉管濃度偏差等仍然存在，且由于內(nèi)錐體的分離空間浪費造成分離器尺寸增加；粗粉分離器有效空間中，入口管也同樣沒有得到合理利用；軟性物質(zhì)堵塞現(xiàn)象仍然存在。

(3)新型粗粉分離器基于軸向分離器特征，引入了離心分離模塊、改進了擋板結(jié)構和出口、增加了防堵裝置等，示范應用后，制粉系統(tǒng)出力、分離效率、煤粉均勻性等顯著提高，煤粉細度、循環(huán)倍率顯著降低，運行阻力大幅下降，安全隱患基本消除，具有良好的社會經(jīng)濟效益。

下一步工作將進一步優(yōu)化新型粗粉分離器，充分利用其有效分離空間，增強容積強度，徹底解決粉管內(nèi)濃度偏差，使設備更節(jié)能更環(huán)保。