入口結(jié)構(gòu)對(duì)旋風(fēng)分離器分離效率的影響

孫 勝， 周 昊， 邱坤贊， 董 康， 岑可法

（浙江大學(xué) 能源清潔利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州310027）

循環(huán)流化床（CFB）燃燒作為一種新型高效燃燒方式［1－2］，在電站鍋爐領(lǐng)域逐步得到廣泛應(yīng)用．旋風(fēng)分離器是保證CFB鍋爐高燃燒效率和脫硫效率的關(guān)鍵設(shè)備，如何對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提高分離效率，一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的重要課題．

目前，CFB鍋爐正朝著大型化和高參數(shù)方向發(fā)展［3－4］，給旋風(fēng)分離器的布置提出了新的要求．黃永軍等［5］提出一種以分離器為中心，爐膛在兩邊布置的模塊化布置方案，既能保證CFB鍋爐的穩(wěn)定運(yùn)行和分離器較高的分離效率，又能降低鍋爐放大帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)．孫獻(xiàn)斌等［6－7］開發(fā)了一種緊湊式分流回灰外置換熱器，并在此基礎(chǔ)上提出了“復(fù)合爐型”設(shè)計(jì)思路，依此思路設(shè)計(jì)的H型210MW CFB鍋爐已經(jīng)投入運(yùn)行．呂俊復(fù)等［8－9］提出了一種帶入口加速段的方形旋風(fēng)分離器，很好地滿足了125MW CFB鍋爐的運(yùn)行要求．美國(guó)Foster Wheeler公司［10］開發(fā)了一種緊湊式CFB鍋爐，把高溫旋風(fēng)分離器與爐膛水冷壁組合為一體，在CFB鍋爐大型化過(guò)程中，比傳統(tǒng)CFB鍋爐更具優(yōu)勢(shì)．

旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)和入口煙道布置方式對(duì)旋風(fēng)分離器的分離性能具有重要影響．盧嘯風(fēng)等［11－12］的研究表明，短煙道和長(zhǎng)煙道2種入口煙道對(duì)旋風(fēng)分離器的分離性能影響較大，配長(zhǎng)煙道有利于顆粒在煙道內(nèi)加速，使分離器分離效率提高，但旋風(fēng)分離器的壓降會(huì)增大．陳繼輝等［13］對(duì)中心筒底部縮口斜切旋風(fēng)分離器進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)該旋風(fēng)分離器分離效率高于傳統(tǒng)旋風(fēng)分離器，并且受切口朝向影響較大，當(dāng)朝向?yàn)?0°時(shí)，分離效率最高．中科院工程熱物理研究所［14－15］和 Masnadi等［16］對(duì)6個(gè)旋風(fēng)分離器對(duì)稱布置的CFB鍋爐進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：同一側(cè)3個(gè)旋風(fēng)分離器的壓降和循環(huán)流率不同，內(nèi)部物料存在分布不均現(xiàn)象．李戰(zhàn)國(guó)等［17］研究了內(nèi)側(cè)式和外側(cè)式2種入口煙道布置形式對(duì)旋風(fēng)分離器性能的影響，結(jié)果表明：與外側(cè)式入口煙道旋風(fēng)分離器相比，內(nèi)側(cè)式入口煙道旋風(fēng)分離器的分離效率高，但壓降也高．法國(guó)Stein公司［18］采用入口煙道下傾布置和中心筒偏置布置，提高了旋風(fēng)分離器的分離效率和CFB鍋爐的脫硫效率．

目前，對(duì)入口煙道形狀和入口下傾角對(duì)旋風(fēng)分離器分離性能的影響還缺乏研究，筆者搭建了CFB冷態(tài)氣固兩相流試驗(yàn)臺(tái)，對(duì)入口煙道形狀和分離器入口下傾角對(duì)旋風(fēng)分離器分離效率的影響進(jìn)行了試驗(yàn)研究．

1 試驗(yàn)裝置及內(nèi)容

1．1 試驗(yàn)裝置

以135MW循環(huán)流化床鍋爐為原型，按照1∶10的比例進(jìn)行冷態(tài)模化，搭建了循環(huán)流化床冷態(tài)氣固兩相流試驗(yàn)臺(tái)．試驗(yàn)臺(tái)由循環(huán)流化床本體、布袋除塵器、送風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)和送風(fēng)管道等組成（圖1）．試驗(yàn)臺(tái)主要結(jié)構(gòu)尺寸見(jiàn)表1．

1．2 試驗(yàn)風(fēng)速和物料粒徑的模化計(jì)算

物料在旋風(fēng)分離器內(nèi)的運(yùn)動(dòng)屬于兩相流動(dòng)過(guò)程，進(jìn)行冷態(tài)?；瘯r(shí)要考慮幾何相似、物理?xiàng)l件相似、邊界條件相似．考慮到實(shí)際情況的復(fù)雜性，筆者進(jìn)行以下簡(jiǎn)化［19］：

（1）若流動(dòng)是穩(wěn)定過(guò)程，則不考慮均時(shí)性準(zhǔn)則．

圖1 旋風(fēng)分離器冷態(tài)試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)圖Fig．1 Cold－state test rig for the cyclone separator

表1 試驗(yàn)臺(tái)主要結(jié)構(gòu)尺寸Tab．1 Structural sizes of the cold－state test setup

（2）若滿足幾何相似，氣流流動(dòng)達(dá)到自?；易枇μ幱谕粎^(qū)域，則忽略氣流脈動(dòng)的影響．

（3）若滿足進(jìn)口條件相似，則意味著準(zhǔn)則ωp／ωg＝idem、ce＝idem、n1＝idem能得到遵守．

（4）用冷態(tài)模擬熱態(tài)時(shí)，暫不考慮準(zhǔn)則ρp／ρg＝idem對(duì)于大顆粒流動(dòng)的影響．

經(jīng)上述簡(jiǎn)化后，模化過(guò)程需遵循以下相似準(zhǔn)則相等：

式中：Fr為弗勞德數(shù)；Re為雷諾數(shù)；St為斯托克斯數(shù)；l為定型尺寸，m；ω為氣流速度，m／s；ν為流體運(yùn)動(dòng)黏度，m2／s；ρp為固體顆粒密度，kg／m3；dp為固體顆粒直徑，m；ρg為氣體密度，kg／m3；μ為氣流動(dòng)力黏度，Pa·s；c0為阻力系數(shù)．

經(jīng)?；?jì)算，冷態(tài)條件下旋風(fēng)分離器入口風(fēng)速為7．31m／s，物料平均粒徑為112μm，原型旋風(fēng)分離器和模型旋風(fēng)分離器準(zhǔn)則數(shù)見(jiàn)表2．

表2 原型和模型旋風(fēng)分離器準(zhǔn)則數(shù)的比較Tab．2 Comparison of criterion number between actual and experimental cyclone separator

1．3 試驗(yàn)內(nèi)容及方法

試驗(yàn)內(nèi)容主要包括2個(gè)方面：（1）入口煙道形式（折角過(guò)渡結(jié)構(gòu)和平滑過(guò)渡結(jié)構(gòu)）對(duì)旋風(fēng)分離器分離效率的影響，見(jiàn)圖2；（2）分離器入口下傾角α（15°、30°和45°）對(duì)旋風(fēng)分離器分離效率的影響，見(jiàn)圖3．根據(jù)2種入口煙道結(jié)構(gòu)和3種不同入口下傾角，共安排6個(gè)工況進(jìn)行試驗(yàn)研究，如表3所示．

圖2 2種不同結(jié)構(gòu)入口煙道的布置Fig．2 Structural diagram of two different inlet ducts

試驗(yàn)前，采用法國(guó)KIMO AMI300風(fēng)速風(fēng)量?jī)x對(duì)旋風(fēng)分離器入口風(fēng)速進(jìn)行測(cè)量，保證入口風(fēng)速為?；?jì)算值．把水平煙道截面平均分為4個(gè)區(qū)域，取每個(gè)區(qū)域的中心為測(cè)點(diǎn)，取4個(gè)測(cè)點(diǎn)處風(fēng)速的平均值得到旋風(fēng)分離器入口風(fēng)速．測(cè)點(diǎn)分布見(jiàn)圖4．

爐膛中加入一定質(zhì)量的物料后，封閉給料口和返料口，保證物料進(jìn)行一次循環(huán)，以方便分離效率的計(jì)算．每次試驗(yàn)加入爐膛的物料量、旋風(fēng)分離器入口風(fēng)速和風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間均相同，保證不同工況旋風(fēng)分離器入口條件一致．

圖3 分離器入口下傾角示意圖Fig．3 Schematic diagram of entrance inclination angle

表3 試驗(yàn)工況Tab．3 Experimental conditions

圖4 入口煙道風(fēng)速測(cè)點(diǎn)分布Fig．4 Distribution of wind speed measurement points at inlet of flue duct

利用稱重法計(jì)算旋風(fēng)分離器的分離效率η，η可表示為

式中：M0為試驗(yàn)前加入爐膛物料的質(zhì)量，kg；M1為試驗(yàn)后爐膛殘余物料的質(zhì)量，kg；m為返料斗收集物料的質(zhì)量，kg．

旋風(fēng)分離器對(duì)粒徑為δ顆粒的分級(jí)效率為：

式中：fo（δ）表示粒徑為δ的顆粒在逃逸物料中的分布頻率；fi（δ）表示粒徑為δ的顆粒在旋風(fēng)分離器入口物料中的分布頻率．

利用馬爾文激光粒度儀對(duì)布袋除塵器補(bǔ)集的物料進(jìn)行粒徑分析，得到逃逸物料中的粒徑分布頻率fo（δ）；對(duì)試驗(yàn)前后爐膛中的物料分別進(jìn)行粒徑分析，根據(jù)質(zhì)量守恒，計(jì)算得到分離器入口物料的粒徑分布頻率fi（δ）．在循環(huán)流化床流化過(guò)程中，磨損造成的床料顆粒粒徑退檔對(duì)大顆粒影響較小，可以忽略不計(jì)，但對(duì)小顆粒影響相對(duì)較大［20］，因此，筆者只對(duì)顆粒粒徑大于5μm的物料進(jìn)行分級(jí)效率的分析計(jì)算．

1．4 試驗(yàn)物料

采用循環(huán)流化床鍋爐排放的爐渣作為床料，其真密度為3 165kg／m3，粒度分布見(jiàn)圖5，其中最大粒徑為631μm，中位粒徑為102．5μm，與?；?jì)算結(jié)果近似．

圖5 試驗(yàn)用爐渣粒度分布Fig．5 Particle size distribution of slag samples tested

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2．1 入口煙道結(jié)構(gòu)對(duì)旋風(fēng)分離器分離效率的影響

在爐膛加入物料量和風(fēng)機(jī)開啟時(shí)間相同的情況下，6個(gè)工況的試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4．從表4可以看出，試驗(yàn)風(fēng)速和模擬值的誤差為0．96%～2．3%，兩組數(shù)據(jù)間的最大相對(duì)誤差為1．4%，在試驗(yàn)誤差允許范圍之內(nèi)．

6個(gè)工況下旋風(fēng)分離器總分離效率曲線如圖6所示．從圖6可以看出，入口煙道為平滑過(guò)渡結(jié)構(gòu)時(shí)旋風(fēng)分離器的分離效率曲線比折角過(guò)渡結(jié)構(gòu)下整體下移，即相同分離器入口下傾角條件下，入口煙道折角過(guò)渡結(jié)構(gòu)旋風(fēng)分離器的分離效率明顯大于平滑過(guò)渡結(jié)構(gòu)旋風(fēng)分離器的分離效率．在入口下傾角相同時(shí)，兩種結(jié)構(gòu)入口煙道對(duì)應(yīng)的旋風(fēng)分離器的分離效率最大相差2．90%，最小相差2．38%．這個(gè)差別對(duì)旋風(fēng)分離器的分離效率而言相當(dāng)大．

表4 試驗(yàn)結(jié)果Tab．4 Summary of experimental results

圖6 不同入口結(jié)構(gòu)下分離效率隨入口下傾角的變化Fig．6 Variation of separation efficiency with entrance inclination angle at different inlet structure

在相同入口下傾角的條件下，2種入口煙道結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)旋風(fēng)分離器的分級(jí)效率曲線如圖7所示．從圖7可以看出，在入口下傾角相同的情況下，入口煙道折角過(guò)渡結(jié)構(gòu)旋風(fēng)分離器分級(jí)效率曲線比入口煙道平滑過(guò)渡結(jié)構(gòu)旋風(fēng)分離器分級(jí)效率曲線整體上移，與總分離效率曲線隨旋風(fēng)分離器入口下傾角的變化趨勢(shì)一致．折角過(guò)渡煙道旋風(fēng)分離器分級(jí)效率達(dá)到100%時(shí)對(duì)應(yīng)的顆粒粒徑小于平滑過(guò)渡煙道旋風(fēng)分離器．

2．2 入口下傾角對(duì)旋風(fēng)分離器分級(jí)效率的影響

從圖6可以看出，當(dāng)入口煙道結(jié)構(gòu)相同時(shí)，旋風(fēng)分離器的分離效率隨下傾角的增大先降低后升高．6個(gè)工況中，入口煙道折角過(guò)渡、分離器下傾角為15°時(shí)，旋風(fēng)分離器的分離效率最高，為92．93%；入口煙道平滑過(guò)渡、分離器下傾角為30°時(shí)，旋風(fēng)分離器的分離效率最低，為87．47%．

在相同入口煙道結(jié)構(gòu)的情況下，不同入口下傾角對(duì)應(yīng)旋風(fēng)分離器的分級(jí)效率曲線如圖8所示．從圖8（a）可以看出，當(dāng)入口煙道為折角過(guò)渡結(jié)構(gòu)時(shí)，入口下傾角為15°的旋風(fēng)分離器的分級(jí)效率曲線總體要高于入口下傾角為30°和45°的旋風(fēng)分離器分級(jí)效率曲線，分級(jí)效率達(dá)到100%時(shí)對(duì)應(yīng)的顆粒粒徑也顯著小于另外2種入口下傾角的旋風(fēng)分離器．當(dāng)入口煙道為平滑過(guò)渡結(jié)構(gòu)時(shí)，不同入口下傾角旋風(fēng)分離器分級(jí)效率有類似的規(guī)律，如圖8（b）所示．

圖7 不同入口下傾角時(shí)分級(jí)效率隨入口煙道結(jié)構(gòu)的變化Fig．7 Change of classification efficiency with inlet duct structure at different entrance inclination angles

圖8 不同入口煙道結(jié)構(gòu)下分級(jí)效率隨入口下傾角的變化Fig．8 Change of classification efficiency with entrance inclination angle under different inlet duct structures

3 結(jié) 論

（1）在入口下傾角相同的情況下，折角過(guò)渡入口煙道旋風(fēng)分離器的分離效率高于平滑過(guò)渡入口煙道旋風(fēng)分離器的分離效率．所以，在循環(huán)流化床鍋爐的設(shè)計(jì)過(guò)程中，入口煙道宜采用折角過(guò)渡結(jié)構(gòu)．

（2）在入口煙道結(jié)構(gòu)相同的情況下，旋風(fēng)分離器的分離效率隨入口下傾角的增大先降低后升高．

（3）旋風(fēng)分離器的分級(jí)效率隨入口煙道結(jié)構(gòu)和分離器入口下傾角的變化規(guī)律與總分離效率隨二者的變化規(guī)律趨勢(shì)一致．

［1］岑可法，倪明江，駱仲泱，等．循環(huán)流化床鍋爐理論設(shè)計(jì)與運(yùn)行［M］．北京：中國(guó)電力出版，1998：1－14．

［2］劉靜，王勤輝，駱仲泱，等．600MWe超臨界循環(huán)流化床鍋爐的設(shè)計(jì)研究［J］．動(dòng)力工程，2003，23（1）：2179－2184，2204．LIU Jing，WANG Qinhui，LUO Zhongyang，et al．Design and research on a 600MWe supercritical circulating fluidized bed boiler［J］．Journal of Power Engineering，2003，23（1）：2179－2184，2204．

［3］YUE G X，YANG H R，LU J F，et al．Latest development of CFB boilers in China［C］／／20th International Conference on Fluidized Bed Combustion．Xi＇an：Springer Berlin Heidelberg，2010：3－12．

［4］孫獻(xiàn)斌，蔣敏華，于龍，等．國(guó)產(chǎn)大型CFB鍋爐的開發(fā)研制與工程示范［J］．中國(guó)電力，2008，41（3）：38－42．SUN Xianbin，JIANG Minhua，YU Long，et al．R＆D and demonstration of large domestic CFB boilers［J］．Electric Power，2008，41（3）：38－42．

［5］黃永軍，盧嘯風(fēng)，劉漢周．大型循環(huán)流化床鍋爐的結(jié)構(gòu)布置與試驗(yàn)研究［J］．動(dòng)力工程，2006，26（1）：49－53．HUANG Yongjun，LU Xiaofeng，LIU Hanzhou．Structural layout of large circulating fluidized bed boilers and study tests performed［J］．Journal of Power Engineering，2006，26（1）：49－53．

［6］孫獻(xiàn)斌，李志偉，時(shí)正海，等．循環(huán)流化床鍋爐緊湊式分流回灰換熱器的試驗(yàn)研究［J］．中國(guó)電力，2006，39（7）：27－30．SUN Xianbin，LI Zhiwei，SHI Zhenghai，et al．Experimental study on compact splitting－type returning ash heat exchanger of CFB boilers［J］．Electric power，2006，39（7）：27－30．

［7］蔣敏華，孫獻(xiàn)斌．大型循環(huán)流化床鍋爐的開發(fā)研制［J］．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2007，27（23）：1－6．JIANG Minhua，SUN Xianbin．Research and development of large CFB boilers in China［J］．Proceedings of the CSEE，2007，27（23）：1－6．

［8］呂俊復(fù)，白玉剛，岳光溪，等．方形分離器入口加速段寬度［J］．清華大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2000，40（4）：66－69．LüJunfu，BAI Yugang，YUE Guangxi，et al．Width of accelerating inlet of square cyclone［J］．Journal of Tsinghua University：Science ＆ Technology，2000，40（4）：66－69．

［9］王玉召，侯祥松，吳玉新，等．方形分離器入口高寬比及直段高度對(duì)分離性能的影響［J］．動(dòng)力工程，2007，27（2）：184－188．WANG Yuzhao，HOU Xiangsong，WU Yuxin，et al．Effect of height to width ratio at entrance and the straight section＇s height on the performance of rectangular shaped cyclone separators［J］．Journal of Power Engineering，2007，27（2）：184－188．

［10］GOIDICH Stephen J，HYPPANEN Timo．Foster Wheeler compact CFB boilers for utility scale［C］／／Proceedings of the 16th International Conference on Fluidized Bed Combustion．Reno，Nevada：［s．n．］，2001．

［11］劉漢周，盧嘯風(fēng)，唐家毅．300MW循環(huán)流化床鍋爐分離器入口煙道氣固流動(dòng)特性研究［J］．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2009，29（32）：6－11．LIU Hanzhou，LU Xiaofeng，TANG Jiayi．Study on gas solid flow characteristics in separator inlet flue duct of 300MW circulating fluidized bed boiler［J］．Proceedings of the CSEE，2009，29（32）：6－11．

［12］唐家毅，盧嘯風(fēng)，賴靜，等．循環(huán)流化床鍋爐旋風(fēng)分離器入口煙道內(nèi)氣固流動(dòng)特性的試驗(yàn)研究［J］．動(dòng)力工程，2009，29（4）：348－352．TANG Jiayi，LU Xiaofeng，LAI Jing，et al．Experimental study on gas－solid flow characteristics in inlet flue duct of cyclone separator of CFB boilers［J］．Journal of Power Engineering，2009，29（4）：348－352．

［13］CHEN J H，LU X F，LIU H Z，et al．Effect of the bottom－contracted and edge－sloped vent－pipe on the cyclone separator performance［J］．Chemical Engineering Journal，2007，129（1／2／3）：85－90．

［14］SUN Y K，LU Q G，BAO S L，et al．Commercial operation test and performance analysis of a 200MWe super－h(huán)igh－pressure circulating fluidized bed boiler［J］．Industrial ＆ Engineering Chemistry Research，2011，50（6）：3517－3523．

［15］廖磊，那永潔，呂清剛，等．六個(gè)旋風(fēng)分離器并聯(lián)布置循環(huán)流化床的實(shí)驗(yàn)研究［J］．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2011，31（11）：11－16．LIAO Lei，NA Yongjie，Lü Qinggang，et al．Experimental study on a circulating fluidized bed with six cyclone separators［J］．Proceedings of the CSEE，2011，31（11）：11－16．

［16］MASNADI M S，GRACE J R，ELYASI S，et al．Distribution of multi－phase gas－solid flow across identical parallel cyclones：modeling and experimental study［J］．Separation and Purification Technology，2010，72（1）：48－55．

［17］李戰(zhàn)國(guó)，劉志成，賀軍，等．旋風(fēng)分離器的入口煙道布置對(duì)性能的影響［J］．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2009，29（17）：1－7．LI Zhanguo，LIU Zhicheng，HE Jun，et al．Influence of inlet duct layouts on cyclone performance［J］．Proceedings of the CSEE，2009，29（17）：1－7．

［18］LALAK I，SEEBER J，KLUGER F，et al．Operational experience with high efficiency cyclones：comparison between boiler A and B in the Zeran Power Plant，Warsaw／Poland ［C］／／Proceedings of 17th International Fluidized Bed Combustion Conference．New York：ASME，2003：1－5．

［19］岑可法．鍋爐燃燒試驗(yàn)研究方法及測(cè)量技術(shù)［M］．北京：中國(guó)電力出版社，1987：25－48．

［20］呂俊復(fù)，楊海瑞，張建勝，等．流化床燃燒煤的成灰磨耗特性［J］．燃燒科學(xué)與技術(shù)，2003，9（1）：1－5．LüJunfu，YANG Hairui，ZHANG Jiansheng，et al．Investigation on the ash size distribution and attrition during the coal combustion in fluidized bed［J］．Journal of Combustion Science and Technology，2003，9（1）：1－5．