水(汽)冷分离器设计优化及模块化探讨

作者： 2016年10月11日来源：互联网浏览量：

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循环流化床(以下简称“CFB”)锅炉固体气体分离的主要效能就是把气流中的高温固体物料从中分离开来,送回锅炉的炉膛之中,用以来维持锅炉炉膛的快速流态化运行?确保脱硫剂与燃料能够实现多次循环,为焦炭颗粒

循环流化床(以下简称“CFB”)锅炉固体气体分离的主要效能就是把气流中的高温固体物料从中分离开来,送回锅炉的炉膛之中,用以来维持锅炉炉膛的快速流态化运行?确保脱硫剂与燃料能够实现多次循环,为焦炭颗粒和脱硫剂的停留时间的延长提供了条件?作为CFB锅炉的关键部件,直接影响到炉膛的燃烧?后烟井的磨损,排放问题等,随着最近几年超临界CFB的快速发展及锅炉个性定制的要求,对分离器的性能要求越来越高,设计与制作难度越来越大,因此如何通过优化结构保证性能,提高产品质量,方便制作与安装成为我们研究的新课题?本文对CFB锅炉中水(汽)冷式分离器的结构设计进行了技术分析,探讨了水(汽)冷式分离器模块化的措施?

1分离器关键尺寸的选取表1展现出来的是较为典型的锅炉旋风分离器结构尺寸,为进口旋风分离器?图1为其符号意义,表1?表2为除尘技术中比较常用的循环流化床锅炉和旋风除尘器的分离器结构尺寸?从图1中我们能够看出这种分离器的结构一共需要8个几何尺寸,通常都是以简体直径来表示它的大小?它的主要参数详情参照表3?

由于循环流化床锅炉旋风分离器所处的运行条件不同,并受锅炉整体结构布置上的限制,具有如下结构特点:

(1)筒体直径D大,最大可达8~11m;

(2)筒体高度h矮,通常h≈(1~2)D;

(3)圆锥体高度H-h矮,一般H-h=(1~2)D;

(4)排气管插入深度hc浅,一般hc为进口高度a的50%~100%,即hc=(0.5~1)a?

旋风分离器通常都是由下部圆锥段与上部筒体组成,就设计原理而言,分离器高度设置的越高,那么烟气流在炉膛中停留的时间也就越长,转圈的次数也就越多,分离的效率也更佳?但是因为增加了炉膛内分离器的高度,那么分离的效率若想增加就会略微缓慢?倘若筒体安置的太高,那么旋转烟气流在下降到圆锥段时,离心力将会全部消失,所以,通常情况下,设置筒体高度不超过2D?考虑到炉膛高度的限制以及分离器的经济性,来确保有足够的返料腿高度等情况?

圆柱直径能够直接影响分离效率?筒体的直径越小,那么就会产生越大的离心力,由此,分离效率也会更佳?筒体直径通常是根据烟气量来决定的?如果烟气量较大,那么一般情况下,筒体直径也相对较大,因为筒体直径比较大,那么也应该相应的提高进口流速,来确保分离效率?但是因为进口烟气流速的平方和阻力降成正比,如果要控制阻力,那么进口流速要与其相应,也不能太高,所以在设计过程中限制了增加圆筒体的直径?这是应该考虑同时使用几个不同类型的分离器,来满足对分离阻力与效率的设计要求?也要确保在并联的各个分离器中,气流应该属于均匀分布的状态,如若不然,会降低总分离器的效率?

对分离器的性能来说,圆锥段还是有一定的存在意义的,应用圆锥段能够令主气流变成向上流,而不是最初由下向上的气流,因为在向下的过程中,截面积会一直缩小,在离心力的作用之下,颗粒下移向边界的距离也随之缩短,这样一来,会增加许多阻力,但是却对分离颗粒有着正面的作用?

因为在循环流化床锅炉当中限制了炉膛的高度,所以圆锥段的高度也随之受到了限制,高度通常为1.5D~2.5D?

排料口直径的大小能够直接影响锅炉的分离效率?据实践过程来看,以旋风分离器为例,炉膛中内漩涡核心区的气流直径通常都是中心筒子直径的四分之一?一般情况下,理论上认为,只要中心筒直径De小于圆锥段的锥顶直径d即可?这样能够有效防止锥壁接触到漩涡核心区域,避免二次夹带的情况发生?目前基本都是加大d值,d值通常取1De~1.2De?过去D值通常取d≤(0.5~0.8)De?这样能够在圆筒体直径和圆锥段高度之比在一定角度时,形成一个比较大的锥角,这样就能有效避免二次夹带的情况产生?最后确定锅炉的排料口直径d还应该考虑要和返料机构的立管直径等同,这样能够留有余量,保证返料量的比重?一般情况下,立管直径通常采用重力流动下与其相关的公式进行计算,固体颗粒流量Qp为因为发生漏风这种情况能够直接影响分离效率,所以立管中料腿的高度需要有足够多的料腿来进行密封工作,还要确保锅炉运作中物料的正常循环?

从整体结构来讲,设计切向进口的高宽时,要采用比较适当的比例,通常都是应用扁高的矩形?扁高的进口能够有效地避免过高的压降,还有利于提高分离效率,减少颗粒径向分离的距离,令导入的气流在径向逐渐减弱?但是又窄又高的进口带来的不方便也有很多,因为设计中增加了进口的高度,那么如果要维持固定的气流旋转圈数,必须要增加筒体的长度,不然也不能提高分离的效率,一般情况下为a/b=2~3,a的值为0.4D~0.75D,b的值为0.2D~0.25D?

一般来说,进口面积也能够直接影响分离器的组织性能?与筒体截面积相比,进口面积较小时,进入分离器的气流产生的速度也就越大,这样对颗粒的分离有着正面影响?所以,行业内通常把K看做成衡量分离器组织性能的重要因素,行业内将其称为相对截面比?分离器根据K值的大小,可以将其归类为三种:(1)K=6~13.5,高效;

(2)K=4~6,普通;

(3)K<3,大流量?

通常情况下,在相同的气流量下,如果K值增加,那么分离器的体积也会随之增大,造价也会越来越高?但是如果进口流速Vi的值太高的话,那么就会增加其阻力,令磨损程度加剧,从某种程度上来说,降低了分离效率?所以,行业内在设计过程中,通常都会限制进口流速Vi?在设计过程中,超过设定的上限之后,才能增大Vi的数值,因为粒子跳跃带来的影响,出现重返气流或者是粒子不沉降的现象,都会令分离效率下降?粒子产生跳跃速度us可以按照式(2)来对其进行确定:

旋风分离器效率最高时发生在Vi/us=1.25处,明显的返流发生在Vi/us=1.36处?因此,由Vi/us=1.25,按式(2-3)可求出Vi的上限值:

气流在进入旋风分离器之后,缓慢地旋转到锥底,再向上运动,成为内旋流,最后从中心筒排出?一般情况下,中心筒的位置应该在分离器内具有特定的深度,让中心筒和圆筒体内壁这两者之间形成一个圆环形状的通道?

分离器分离效率计算与结构设计步骤?

(1)选择合适的入口速度ui,

(2)确定旋风分离器进口尺寸a?b,由式(4)确定:

(3)根据经验表格,由a?b返回求出D,筒体的直径?

(4)利用典型的循环流化床旋风分离器标准尺寸表确定其他尺寸?

(5)计算旋风分离器下部圆锥角?

(6)对旋风分离器返料腿(立管)的直径进行校核以保证输送足够的返料量?

(7)计算沉降速度,检查是否有再夹带?

(8)计算切割粒径d50及临界粒径d100?

(9)计算旋风分离器分级效率ηi?

分离器的关键参数为速度,分离器内烟气速率在下列条件下计算:压力是考虑了当地海拔的大气压力;温度是炉膛温度,因此通过分离器的烟气质量流量是:

炉膛出口速率(Vfo)对性能煤,在MCR负荷,炉膛出口速率应在16m/s~18m/s;对最差煤,炉膛出口速率应低于BMCR负荷时的18m/s;

分离器进口速率(Vci)对性能煤,分离器入口速率应低于MCR负荷时的24m/s;

分离器筒体速率(Vc)对性能煤,分离器入口速率应低于MCR负荷时的6m/s;

中心筒入口速率(Vvfi)对性能煤,中心筒入口速率应低于MCR负荷时的38m/s;

中心筒出口速率(Vvfo)对性能煤,中心筒出口速率应低于MCR负荷时的26m/s?

分离器本体结构要素设计的目的就是满足上述几个速率要求,这是锅炉安全性与经济性的要求?分离器本体结构要素见图2:

除了保证分离器的速率分离器的压力降也是重要指标,分离器压力降取决于:

分离器内固体流量?通过分离器的烟气流量?烟气实际密度?炉膛内流化速率(悬浮密度)?分离器内部几何尺寸和速率?分离器压力降由分离器入口粒子加速度压力降?旋风分离器入口压力降及烟气向下进入分离器时的压力降构成?

国外标准中对压力降的描述:

式中:k,j是经验参数?根据上面的设计,在实际工程运用中,对于使用机械式风机的情况,分离器在BMCR工况的压力降是2000Pa左右?

2水(汽)冷式分离器的结构优化将分离器设置在汽冷腔室内或者是水冷室内,外壳均由汽冷管或者是水冷管焊装或是弯制而成,用内侧布满销钉和受热面制成的曲面来代替绝热旋风筒的高温绝热层,在上面浇注高温耐磨料,这样既能够缩短启停时间,还能够有效地节省材料,有效降低因为分离器启动带来的热损失?在运行过程中,水冷旋风筒可以吸收一些热量,从原则上来讲,物料的温度持稳定状态,不会上升,这样很好地解决了一些旋风筒内侧磨损等相关问题?采用冷却式的分离器可以明显地减少耐火耐磨材料耗量,改善分离器外壁超温现象,减少炉膛和分离系统的胀差,见图3?

在结构上还必须注意几个关键点,分离器进口尺寸的保证就是一个?分屏合理是保证分离器制造,运输,安装的首要条件,对于图4中管屏①是尤为重要的,它保证了分离器进口尺寸,故无论分离器外径多大,分离器进口设计时必需分为一片,其他分的片数越少越好控制产品质量,管屏②③为烟气冲刷最严重的地方称为靶区磨损可能性最大,见图5,可以通过不同的耐磨材料层控制磨损问题?此外,管屏在制造时与集箱对接好,去工地焊接集箱环缝也是保证筒体质量的必要措施,见图4?

分离器内部存在双漩涡流动,贴壁的浓相外旋气流向下存在一定的漩涡长度,淡相气流旋向上进入中心筒?故分离器筒有效高度h1也是一个关键点,有效高度h1太长能量衰减,有效高度太短h1浓相外旋气流漩涡长度不够,导致气流出现混乱使分离效率下降?所以在选取分离器上下部断口时需要考虑,见图6?

如果分离器不平滑,则必然存在浓相气流反弹进入内旋稀相气流的想象,这样会出现返混,导致分离效率下降,所以在分离器内部加防磨装置是下下之策,是用牺牲分离效率来提高运行持久,对于水(汽)冷旋风分离器来说,跳管时必须保证内部平滑性,不能有尖口?台阶,见图7?

分离器入口是存在贴壁离心力的,而中心筒周围的压力梯度是不一致的,所以必然存在交变力,很容易造成固定部件的损坏,产生短路漏风?所以中心筒不要与分离器焊死,确保其有一定的自由度,见图8?

水(汽)冷旋风分离器锥段的关键点是要解决环形半径不断变小与管径不变的矛盾,一般会在锥段半径为筒体一半时跳出一半管子,或者采用三通来保证管子间距,并且管间净空应当不小于10mm,以避免焊接不便导致应力集中?水冷式的分离器采用跳管的方式比较合适,自补偿特性可以保证温差不大长,三通形式用在汽冷式分离器中比较合适,可以简化结构节省空间,见图9?

3模块化设计的探讨探讨的目的是提供一种水(汽)冷式旋风分离器,以提高分离器制造与安装质量,保证分离器安全性?提高经济性?

模块化设计的特征在于:多边体拼接筒体?分离器直径可变?靶区布置,销钉优化?

分离器直径可实现灵活多变以满足各种参数要求?模块化的管屏代替了手工焊接?靶区的布置加强了运行时的磨损系数,提高了安全性?销钉的优化设计,通过提高销钉的抓力,减少销钉焊接数量,缩短制造周期?方便了工地安装,提高了组装质量?

多边体拼接筒体?分离器直径可变,筒体外侧由多片膜式管屏拼接而成使其为多面近圆柱体,筒体内部由耐火浇注料浇筑为空心圆柱体,膜式管屏模块化只需改变膜式管屏的数量?拼接角度就可形成不同筒体大小?奇形靶区,这样设计能有效保证CFB锅炉分离器运行的安全性,提高了焊接质量与安装质量,可以减少制造,采用模块结构能大大提高系统组件的厂内组装率,方便工地安装?见图10,直径为10000mm的筒体,通过75个4组的管屏按照相应角度拼接,形成一个75边形近圆柱体?它与圆柱体设计极其接近,在结构尺寸上只有1~2mm的耐磨材料厚度变化,但手工焊缝只有75条,比原来的300条少了3/4?