循環流化床(以下簡稱“CFB”)鍋爐固體氣體分離的主要效能就是把氣流中的高溫固體物料從中分離開來,送回鍋爐的爐膛之中,用以來維持鍋爐爐膛的快速流態化運行?確保脫硫劑與燃料能夠實現多次循環,為焦炭顆粒和脫硫劑的停留時間的延長提供了條件?作為CFB鍋爐的關鍵部件,直接影響到爐膛的燃燒?后煙井的磨損,排放問題等,隨著最近幾年超臨界CFB的快速發展及鍋爐個性定制的要求,對分離器的性能要求越來越高,設計與制作難度越來越大,因此如何通過優化結構保證性能,提高產品質量,方便制作與安裝成為我們研究的新課題?本文對CFB鍋爐中水(汽)冷式分離器的結構設計進行了技術分析,探討了水(汽)冷式分離器模塊化的措施?

1分離器關鍵尺寸的選取表1展現出來的是較為典型的鍋爐旋風分離器結構尺寸,為進口旋風分離器?圖1為其符號意義,表1?表2為除塵技術中比較常用的循環流化床鍋爐和旋風除塵器的分離器結構尺寸?從圖1中我們能夠看出這種分離器的結構一共需要8個幾何尺寸,通常都是以簡體直徑來表示它的大小?它的主要參數詳情參照表3?

由于循環流化床鍋爐旋風分離器所處的運行條件不同,并受鍋爐整體結構布置上的限制,具有如下結構特點:

(1)筒體直徑D大,最大可達8~11m;

(2)筒體高度h矮,通常h≈(1~2)D;

(3)圓錐體高度H-h矮,一般H-h=(1~2)D;

(4)排氣管插入深度hc淺,一般hc為進口高度a的50%~100%,即hc=(0.5~1)a?

旋風分離器通常都是由下部圓錐段與上部筒體組成,就設計原理而言,分離器高度設置的越高,那么煙氣流在爐膛中停留的時間也就越長,轉圈的次數也就越多,分離的效率也更佳?但是因為增加了爐膛內分離器的高度,那么分離的效率若想增加就會略微緩慢?倘若筒體安置的太高,那么旋轉煙氣流在下降到圓錐段時,離心力將會全部消失,所以,通常情況下,設置筒體高度不超過2D?考慮到爐膛高度的限制以及分離器的經濟性,來確保有足夠的返料腿高度等情況?

圓柱直徑能夠直接影響分離效率?筒體的直徑越小,那么就會產生越大的離心力,由此,分離效率也會更佳?筒體直徑通常是根據煙氣量來決定的?如果煙氣量較大,那么一般情況下,筒體直徑也相對較大,因為筒體直徑比較大,那么也應該相應的提高進口流速,來確保分離效率?但是因為進口煙氣流速的平方和阻力降成正比,如果要控制阻力,那么進口流速要與其相應,也不能太高,所以在設計過程中限制了增加圓筒體的直徑?這是應該考慮同時使用幾個不同類型的分離器,來滿足對分離阻力與效率的設計要求?也要確保在并聯的各個分離器中,氣流應該屬于均勻分布的狀態,如若不然,會降低總分離器的效率?

對分離器的性能來說,圓錐段還是有一定的存在意義的,應用圓錐段能夠令主氣流變成向上流,而不是最初由下向上的氣流,因為在向下的過程中,截面積會一直縮小,在離心力的作用之下,顆粒下移向邊界的距離也隨之縮短,這樣一來,會增加許多阻力,但是卻對分離顆粒有著正面的作用?

因為在循環流化床鍋爐當中限制了爐膛的高度,所以圓錐段的高度也隨之受到了限制,高度通常為1.5D~2.5D?

排料口直徑的大小能夠直接影響鍋爐的分離效率?據實踐過程來看,以旋風分離器為例,爐膛中內漩渦核心區的氣流直徑通常都是中心筒子直徑的四分之一?一般情況下,理論上認為,只要中心筒直徑De小于圓錐段的錐頂直徑d即可?這樣能夠有效防止錐壁接觸到漩渦核心區域,避免二次夾帶的情況發生?目前基本都是加大d值,d值通常取1De~1.2De?過去D值通常取d≤(0.5~0.8)De?這樣能夠在圓筒體直徑和圓錐段高度之比在一定角度時,形成一個比較大的錐角,這樣就能有效避免二次夾帶的情況產生?最后確定鍋爐的排料口直徑d還應該考慮要和返料機構的立管直徑等同,這樣能夠留有余量,保證返料量的比重?一般情況下,立管直徑通常采用重力流動下與其相關的公式進行計算,固體顆粒流量Qp為因為發生漏風這種情況能夠直接影響分離效率,所以立管中料腿的高度需要有足夠多的料腿來進行密封工作,還要確保鍋爐運作中物料的正常循環?

從整體結構來講,設計切向進口的高寬時,要采用比較適當的比例,通常都是應用扁高的矩形?扁高的進口能夠有效地避免過高的壓降,還有利于提高分離效率,減少顆粒徑向分離的距離,令導入的氣流在徑向逐漸減弱?但是又窄又高的進口帶來的不方便也有很多,因為設計中增加了進口的高度,那么如果要維持固定的氣流旋轉圈數,必須要增加筒體的長度,不然也不能提高分離的效率,一般情況下為a/b=2~3,a的值為0.4D~0.75D,b的值為0.2D~0.25D?

一般來說,進口面積也能夠直接影響分離器的組織性能?與筒體截面積相比,進口面積較小時,進入分離器的氣流產生的速度也就越大,這樣對顆粒的分離有著正面影響?所以,行業內通常把K看做成衡量分離器組織性能的重要因素,行業內將其稱為相對截面比?分離器根據K值的大小,可以將其歸類為三種:(1)K=6~13.5,高效;

(2)K=4~6,普通;

(3)K<3,大流量?

通常情況下,在相同的氣流量下,如果K值增加,那么分離器的體積也會隨之增大,造價也會越來越高?但是如果進口流速Vi的值太高的話,那么就會增加其阻力,令磨損程度加劇,從某種程度上來說,降低了分離效率?所以,行業內在設計過程中,通常都會限制進口流速Vi?在設計過程中,超過設定的上限之后,才能增大Vi的數值,因為粒子跳躍帶來的影響,出現重返氣流或者是粒子不沉降的現象,都會令分離效率下降?粒子產生跳躍速度us可以按照式(2)來對其進行確定:

旋風分離器效率最高時發生在Vi/us=1.25處,明顯的返流發生在Vi/us=1.36處?因此,由Vi/us=1.25,按式(2-3)可求出Vi的上限值:

氣流在進入旋風分離器之后,緩慢地旋轉到錐底,再向上運動,成為內旋流,最后從中心筒排出?一般情況下,中心筒的位置應該在分離器內具有特定的深度,讓中心筒和圓筒體內壁這兩者之間形成一個圓環形狀的通道?

分離器分離效率計算與結構設計步驟?

(1)選擇合適的入口速度ui,

(2)確定旋風分離器進口尺寸a?b,由式(4)確定:

(3)根據經驗表格,由a?b返回求出D,筒體的直徑?

(4)利用典型的循環流化床旋風分離器標準尺寸表確定其他尺寸?

(5)計算旋風分離器下部圓錐角?

(6)對旋風分離器返料腿(立管)的直徑進行校核以保證輸送足夠的返料量?

(7)計算沉降速度,檢查是否有再夾帶?

(8)計算切割粒徑d50及臨界粒徑d100?

(9)計算旋風分離器分級效率ηi?

分離器的關鍵參數為速度,分離器內煙氣速率在下列條件下計算:壓力是考慮了當地海拔的大氣壓力;溫度是爐膛溫度,因此通過分離器的煙氣質量流量是:

爐膛出口速率(Vfo)對性能煤,在MCR負荷,爐膛出口速率應在16m/s~18m/s;對最差煤,爐膛出口速率應低于BMCR負荷時的18m/s;

分離器進口速率(Vci)對性能煤,分離器入口速率應低于MCR負荷時的24m/s;

分離器筒體速率(Vc)對性能煤,分離器入口速率應低于MCR負荷時的6m/s;

中心筒入口速率(Vvfi)對性能煤,中心筒入口速率應低于MCR負荷時的38m/s;

中心筒出口速率(Vvfo)對性能煤,中心筒出口速率應低于MCR負荷時的26m/s?

分離器本體結構要素設計的目的就是滿足上述幾個速率要求,這是鍋爐安全性與經濟性的要求?分離器本體結構要素見圖2:

除了保證分離器的速率分離器的壓力降也是重要指標,分離器壓力降取決于:

分離器內固體流量?通過分離器的煙氣流量?煙氣實際密度?爐膛內流化速率(懸浮密度)?分離器內部幾何尺寸和速率?分離器壓力降由分離器入口粒子加速度壓力降?旋風分離器入口壓力降及煙氣向下進入分離器時的壓力降構成?

國外標準中對壓力降的描述:

式中:k,j是經驗參數?根據上面的設計,在實際工程運用中,對于使用機械式風機的情況,分離器在BMCR工況的壓力降是2000Pa左右?

2水(汽)冷式分離器的結構優化將分離器設置在汽冷腔室內或者是水冷室內,外殼均由汽冷管或者是水冷管焊裝或是彎制而成,用內側布滿銷釘和受熱面制成的曲面來代替絕熱旋風筒的高溫絕熱層,在上面澆注高溫耐磨料,這樣既能夠縮短啟停時間,還能夠有效地節省材料,有效降低因為分離器啟動帶來的熱損失?在運行過程中,水冷旋風筒可以吸收一些熱量,從原則上來講,物料的溫度持穩定狀態,不會上升,這樣很好地解決了一些旋風筒內側磨損等相關問題?采用冷卻式的分離器可以明顯地減少耐火耐磨材料耗量,改善分離器外壁超溫現象,減少爐膛和分離系統的脹差,見圖3?

在結構上還必須注意幾個關鍵點,分離器進口尺寸的保證就是一個?分屏合理是保證分離器制造,運輸,安裝的首要條件,對于圖4中管屏①是尤為重要的,它保證了分離器進口尺寸,故無論分離器外徑多大,分離器進口設計時必需分為一片,其他分的片數越少越好控制產品質量,管屏②③為煙氣沖刷最嚴重的地方稱為靶區磨損可能性最大,見圖5,可以通過不同的耐磨材料層控制磨損問題?此外,管屏在制造時與集箱對接好,去工地焊接集箱環縫也是保證筒體質量的必要措施,見圖4?

分離器內部存在雙漩渦流動,貼壁的濃相外旋氣流向下存在一定的漩渦長度,淡相氣流旋向上進入中心筒?故分離器筒有效高度h1也是一個關鍵點,有效高度h1太長能量衰減,有效高度太短h1濃相外旋氣流漩渦長度不夠,導致氣流出現混亂使分離效率下降?所以在選取分離器上下部斷口時需要考慮,見圖6?

如果分離器不平滑,則必然存在濃相氣流反彈進入內旋稀相氣流的想象,這樣會出現返混,導致分離效率下降,所以在分離器內部加防磨裝置是下下之策,是用犧牲分離效率來提高運行持久,對于水(汽)冷旋風分離器來說,跳管時必須保證內部平滑性,不能有尖口?臺階,見圖7?

分離器入口是存在貼壁離心力的,而中心筒周圍的壓力梯度是不一致的,所以必然存在交變力,很容易造成固定部件的損壞,產生短路漏風?所以中心筒不要與分離器焊死,確保其有一定的自由度,見圖8?

水(汽)冷旋風分離器錐段的關鍵點是要解決環形半徑不斷變小與管徑不變的矛盾,一般會在錐段半徑為筒體一半時跳出一半管子,或者采用三通來保證管子間距,并且管間凈空應當不小于10mm,以避免焊接不便導致應力集中?水冷式的分離器采用跳管的方式比較合適,自補償特性可以保證溫差不大長,三通形式用在汽冷式分離器中比較合適,可以簡化結構節省空間,見圖9?

3模塊化設計的探討探討的目的是提供一種水(汽)冷式旋風分離器,以提高分離器制造與安裝質量,保證分離器安全性?提高經濟性?

模塊化設計的特征在于:多邊體拼接筒體?分離器直徑可變?靶區布置,銷釘優化?

分離器直徑可實現靈活多變以滿足各種參數要求?模塊化的管屏代替了手工焊接?靶區的布置加強了運行時的磨損系數,提高了安全性?銷釘的優化設計,通過提高銷釘的抓力,減少銷釘焊接數量,縮短制造周期?方便了工地安裝,提高了組裝質量?

多邊體拼接筒體?分離器直徑可變,筒體外側由多片膜式管屏拼接而成使其為多面近圓柱體,筒體內部由耐火澆注料澆筑為空心圓柱體,膜式管屏模塊化只需改變膜式管屏的數量?拼接角度就可形成不同筒體大小?奇形靶區,這樣設計能有效保證CFB鍋爐分離器運行的安全性,提高了焊接質量與安裝質量,可以減少制造,采用模塊結構能大大提高系統組件的廠內組裝率,方便工地安裝?見圖10,直徑為10000mm的筒體,通過75個4組的管屏按照相應角度拼接,形成一個75邊形近圓柱體?它與圓柱體設計極其接近,在結構尺寸上只有1~2mm的耐磨材料厚度變化,但手工焊縫只有75條,比原來的300條少了3/4?

此外,為預生產帶來可能,不同項目中筒體的大小可能不同,但無論如何變化,可以通過改變膜式管屏的數量及膜式管屏之間的拼接角度及耐火澆注料的厚度實現拼接,見圖11?

而奇形靶區則通過改變膜式管屏的數量膜式管屏之間的拼接角度及耐火澆注料的厚度形成,見圖12?

銷釘的設計一直是分離器制造?安裝的難題,數量巨大的銷釘不但焊接量大,質量也難以把控?通過減少管子上的直銷釘的數量,增加扁鋼上Y型銷釘的數量,Y型銷釘做成鋸齒狀,鋸齒之間纏上鋼絲,形成網狀,應當能提高抓附力,從而減少銷釘的焊接量?鋸齒狀銷釘見圖13?

4結語通過深入的了解分離器結構特點,以達到優化設計水(汽)冷式分離器這種換代產品,對分離器計算?結構等問題進行深入的分析,提出更為優化更為經濟的設計方案,并提出模塊化設計的設想?

(1)深入了解分離器設計現行方法的理論知識,關鍵尺寸的選取?

(2)深入了解水(汽)式分離器的結構優缺點,得出具有經濟性?合理性的結構?

(3)對水(汽)式分離器模塊化的設計提出設想,進行探討?

由于水(汽)冷式旋風分離器結構復雜,工藝難度大,安裝對接要求高,所以在設計時關鍵尺寸的選取對保證分離器質量,分離器安全性?經濟性等性能指標來說具有重大的意義?