循環(huán)流化床鍋爐高溫循環(huán)灰的分離裝置是循環(huán)流化床鍋爐循環(huán)系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件之一,其主要作用是將大量的高溫固體物料從煙氣中分離出來(lái),送回燃燒室,維持燃燒室內(nèi)較高的固體顆粒濃度,并保證燃料和脫硫劑多次循環(huán)和反復(fù)燃燒。從運(yùn)行機(jī)理上來(lái)說(shuō),只有當(dāng)分離器完成了含塵氣流的氣固分離并連續(xù)地把收集下來(lái)的物料回送至爐膛,實(shí)現(xiàn)灰平衡及熱平衡,才能保證爐內(nèi)燃燒的穩(wěn)定與高效;對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)而言,分離器設(shè)計(jì)、布置是否合理直接關(guān)系著鍋爐系統(tǒng)安裝、運(yùn)行、維護(hù)等各方面的經(jīng)濟(jì)性與可靠性。
分離器的性能在很大程度上影響著鍋爐的燃燒效率、脫硫效率等關(guān)鍵參數(shù)。目前,大型循環(huán)流化床鍋爐廣泛采用高溫旋風(fēng)分離器,必須滿(mǎn)足下列要求:(1)能夠在高溫下正常工作,不僅能承受高溫,而且還能消除由于溫度變化引起的脹差,避免由于高溫環(huán)境導(dǎo)致碳粒燃燒而產(chǎn)生的結(jié)焦等現(xiàn)象;(2)能夠滿(mǎn)足極高濃度含塵煙氣流的分離,能抵抗由于極高固體顆粒濃度煙氣沖刷帶來(lái)的磨損;(3)具有低阻特性;(4)具有較高的分離效率;(5)與鍋爐整體上適應(yīng),使鍋爐結(jié)構(gòu)緊湊。作為大型循環(huán)流化床鍋爐的基本結(jié)構(gòu)形式,爐外高溫分離技術(shù)在煤種適應(yīng)性及鍋爐熱效率等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。
循環(huán)流化床鍋爐燃燒系統(tǒng)由爐膛、旋風(fēng)分離器和回料閥組成。含灰煙氣在爐膛出口處分為左右兩股,沿切向引入分離器筒體。如圖1所示,由于筒壁的約束作用,氣流由直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變成圓周運(yùn)動(dòng),旋轉(zhuǎn)氣流的絕大部分沿器壁呈螺旋形向下,朝錐體流動(dòng),通常這股氣流被稱(chēng)為外旋流。含灰煙氣在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生離心力,將重度大于氣體的顆粒甩向器壁,顆粒一旦與器壁接觸便失去慣性力,靠入口速度的初始動(dòng)量隨外螺旋氣流沿壁面下落,最終進(jìn)入回料閥經(jīng)回料腿送回爐膛再次燃燒。旋轉(zhuǎn)向下的外旋氣流在到達(dá)錐體時(shí),因倒圓錐體向下漸縮的形狀,根據(jù)“旋轉(zhuǎn)矩”不變的原理,在不考慮摩擦損失的情況下,其切向速度會(huì)不斷提高。另一方面,外旋流旋轉(zhuǎn)過(guò)程中使周邊氣流壓力升高,在圓錐中心部位形成低壓區(qū),由于低壓區(qū)的吸引,當(dāng)氣流到達(dá)椎體下端的某一位置時(shí),便向分離器中心靠攏,以同樣旋轉(zhuǎn)方向的旋風(fēng)在分離器內(nèi)部由下反轉(zhuǎn)向上,繼續(xù)作螺旋運(yùn)動(dòng),稱(chēng)為內(nèi)旋流。最后,失去大部分大顆粒飛灰的螺旋煙氣經(jīng)中心筒進(jìn)入尾部煙道外,小部分未被捕集的顆粒也由此逃出。氣體中的顆粒只要在氣體旋轉(zhuǎn)向上排出前能夠碰到器壁,即可沿器壁滑落到排塵口,從而達(dá)到氣固分離的目的。
旋風(fēng)分離器主要作用是將大量高溫固體物料從煙氣流中分離出來(lái),送回燃燒室,以維持燃燒室的快速流化狀態(tài),促使燃料多次循環(huán)、反復(fù)燃燒,從而保證鍋爐的燃燒熱效率。因此,旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)性能直接決定著整個(gè)循環(huán)流化床鍋爐的運(yùn)行效率和熱負(fù)荷能力。
某公司3#、4#機(jī)組為哈爾濱鍋爐廠HG-465/13.7-L.PM7型超高壓自然循環(huán)CFB鍋爐,B-MCR蒸發(fā)量為465t/h。鍋爐設(shè)計(jì)采用2個(gè)直徑8.08m的高溫絕熱旋風(fēng)分離器,布置在燃燒室與尾部對(duì)流煙道之間,外殼由鋼板制造,內(nèi)襯為絕熱材料及耐磨耐火材料,分離器上部為圓筒形,下部為錐形。防磨絕熱材料采用拉鉤、抓釘、支架固定。除中心筒外,旋風(fēng)分離器所有組件均有12mm碳鋼板卷制而成,內(nèi)敷保溫、耐火防磨材料,鋼板外設(shè)計(jì)溫度為450℃。旋風(fēng)分離器煙氣進(jìn)口處凈截面為3060mm×5700mm。鍋爐MCR工況時(shí),旋風(fēng)分離器的入口設(shè)計(jì)煙速為16m/s。
公司3#、4#機(jī)組運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng),安全性能越來(lái)越差。為了確保機(jī)組高效節(jié)能安全運(yùn)行,分別在2007年和2010年進(jìn)行改造,將中心筒材質(zhì)更換為更耐高溫的1Cr25Ni20Si2不銹鋼,并將中心筒吊裝方式由懸掛式改為支撐式,一定程度上解決了筒體變形、吊掛裝置碳化嚴(yán)重的問(wèn)題。
目前,3#、4#機(jī)組分離器存在著以下幾個(gè)問(wèn)題:分離器出口水平煙道處澆筑料磨損嚴(yán)重,每次停爐都需要對(duì)其進(jìn)行大面積修補(bǔ);并且2臺(tái)鍋爐從各自A、B分離器出口處直到空預(yù)器出口,煙溫相差很大,4#爐兩側(cè)溫差甚至超過(guò)了30℃,鍋爐安全性及熱效率受到很大的負(fù)面影響。為提高3#、4#機(jī)組的運(yùn)行效率和穩(wěn)定性,對(duì)分離器存在的問(wèn)題進(jìn)行研究是十分必要的。
針對(duì)3#、4#機(jī)組存在的分離器出口水平煙道澆筑料磨損嚴(yán)重和尾部煙道兩側(cè)煙溫相差大的問(wèn)題進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)其主要原因?yàn)榉蛛x器煙速較高。
1)分離器出口煙氣攜帶大量飛灰顆粒,以螺旋氣流形式前進(jìn)。同樣的煙氣流量,螺旋氣流外側(cè)煙氣線(xiàn)速度更大,對(duì)煙道澆筑料的磨損會(huì)更為嚴(yán)重。
2)煙氣流速過(guò)快,從2個(gè)分離器出來(lái)的2股煙氣在尾部煙道內(nèi)得不到充分混合,導(dǎo)致煙道兩側(cè)溫差較大,鍋爐熱效率降低。
分離器入口煙速受一二次風(fēng)量影響,由鍋爐負(fù)荷決定;并且分離器分離效率也受煙速影響,進(jìn)入分離器的煙氣速度越高,分離器分離效果越好。所以,降低煙速只能從降低分離器出口煙速著手。
在分離器中心筒上部加裝6塊均勻布置的12mm厚1Cr25Ni20Si2不銹鋼阻流板。
1)在中心筒上部加裝阻流板后,內(nèi)旋上升煙氣被阻流板延滯,速度降低,減小了在中心筒入口對(duì)外旋下降煙氣的卷吸作用,提高了旋風(fēng)分離器的分離效率,提高鍋爐運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。
2)內(nèi)旋上升煙氣被阻流板延滯,外圍氣流轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能下降,線(xiàn)速度降低,大大減小了其離開(kāi)分離器后對(duì)水平煙道澆筑料的磨損速率。
3)降低了煙氣在尾部煙道局部部位的流動(dòng)速度,強(qiáng)化了煙氣與尾部受熱面的熱交換,緩解尾部煙道局部受熱面的磨損和過(guò)熱現(xiàn)象,其中3#爐降低7℃,4#爐降低4℃,鍋爐熱效率顯著提高。
4)3#、4#爐排煙溫度每降低1℃,鍋爐熱效率提高0.51%,煤耗降低0.185g/(kW·h)。3#、4#爐排煙溫度分別降低了4℃和7℃,機(jī)組年利用小時(shí)按機(jī)組額定負(fù)荷5000h測(cè)算,3#、4#機(jī)組每年分別節(jié)煤536.5t和938.9t,可創(chuàng)造年經(jīng)濟(jì)效益