下排氣旋風分離器的結構改造及效果分析

王 磊，楊群峰

（1.華東理工大學機械與動力工程學院，上海，200237；

2.山東省特種設備檢驗研究院濟寧分院，山東 濟寧，272300）

下排氣旋風分離器的結構改造及效果分析

王 磊1，楊群峰2

（1.華東理工大學機械與動力工程學院，上海，200237；

2.山東省特種設備檢驗研究院濟寧分院，山東 濟寧，272300）

某煤礦自備電廠一臺型號為UG-35/3.82-M35的循環流化床煤泥鍋爐，其使用的下排氣旋風分離器實際運行時分離效率偏低，飛灰可燃物較多，造成較大的鍋爐熱效率損失，為解決這一問題對鍋爐的下排氣旋風分離器設計了改造方案，對方案的可行性進行了數值模擬，并對鍋爐的下排氣旋風分離器進行了工程改造。改造后的下排氣旋風分離器實際運行中分離效率大幅度提高，捕集的固體微粒粒度變細，提高了循環流化床的物料循環倍率，降低了飛灰含炭量，也提高了鍋爐運行效率。

下排氣旋風分離器；改造；數值模擬；分離效率

循環流化床鍋爐在爐膛內或爐膛出口處安裝了旋風分離器，以分離和收集煙氣中高濃度的細灰，再使用返料器把細灰送入流化床循環燃燒，使煙氣中的細灰在循環燃燒過程中實現完全燃燒。與其他氣固分離技術相比，旋風分離器具有結構簡單、無運動部件、分離效率高和壓降適中等優點，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型號為UG-35/3.82-M35的循環流化床煤泥鍋爐，運行時飛灰可燃物高達9%，其下排氣旋風分離器實際運行分離效率僅為75%左右，造成返料量較少，鍋爐實際運行效率偏低。

1 改造方案

利用旋風分離裝置中的煙氣進入下排氣管后，其旋流依然很強烈的特點，通過對下排氣管的改進，實現對灰顆粒的二次分離，然后經改進后的返料系統最終送入爐膛，從而增加鍋爐的返料量。通過改造可解決目前循環流化床鍋爐下排氣旋風分離裝置及其返料系統效率較低、返料量較少的問題。改造示意圖如下：

圖1 改造示意圖

2 改造前后數值模擬結果對比分析

對改造前后的下排氣旋風分離器建立模型，運用CFD商業軟件FLUENT對改造前后的氣固兩相流場進行了數值模擬計算，對顆粒的軌跡進行計算，進而計算分級效率。固體壁面的邊界條件設置如下：進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，只要顆粒到達該處即表示其被捕獲而分離；其他壁面為反彈邊界條件。

數值模擬中每種結構下的運行參數都相同，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。通過數值模擬發現，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%，從而驗證了對下排氣旋風分離器下排氣管的改造的可行性。

3 實際改造情況

根據UG-35/3.82-M35循環流化床煤泥鍋爐的下排氣旋風分離器的現場情況，按照設計改造方案的要求對排氣管進行了改造，其內外部改造情況如圖3所示，在排氣管的側面開槽采用304的不銹鋼板進行加工，形成排氣管的灰粒收集裝置，灰粒收集裝置根據現場情況，其底部為約40°的傾角，排氣管的內部改造后，澆注料進行摸角，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，連接輔助返料管的立管，從返料器上部區域的原分離器返料管立管的側面開孔接入。導流板、排氣管的灰粒收集裝置、輔助返料管構成了排氣管分離裝置。考慮到利用返料顆粒的量在返料管中形成一定的高度來進行密封，以避免煙氣短路回流，同時也能正常返料，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、外部改造情況

4 實際改造效果分析

為分析改造的實際效果，分別對改造前后部分位置的取樣樣品進行了粒度分析測試和含碳量檢測。通過激光粒度分析測試發現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，后續分離設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分離器的分離能力得到了進一步加強，能夠分離出粒徑更小的顆粒，可提高循環流化床鍋爐的返料量。對改造前后所取樣品的含碳量檢測發現，旋風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，從而說明通過對循環流化床鍋爐下排氣旋風分離器排氣筒的改造，有效提高了燃料的利用率。

綜合粒度分布測試和含碳量的檢測的結果，分析得出通過對循環流化床鍋爐下排氣旋風分離器排氣管的改造，能夠使下排氣旋風分離器的分離性能大幅度提高，捕集的飛灰粒度變細，提高了循環流化床的物料循環倍率，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.下排氣旋風分離器循環流化床鍋爐的研究與開發.煤炭加工與綜合利用，2000，3：47-49

［2]封躍鵬，姜大志.旋風分離器在結構上的改進［J].燃料與化工2009，2（40）：9-10

［3]郝曉文，王磊，趙強.下排氣旋風分離器的流場分析與結構優化.電站系統工程，2011，（27）3：15-19

［4]李昌劍.分級式合成氣初步凈化系統中旋風分離器的結構優化.上海：華東理工學，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的旋風分離器結構改進數值模擬.礦山機械，2012，7（40）：86-90

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