入口结构对旋风分离器分离效率的影响

孙 胜， 周 昊， 邱坤赞， 董 康， 岑可法

（浙江大学 能源清洁利用国家重点实验室，杭州310027）

循环流化床（CFB）燃烧作为一种新型高效燃烧方式［1－2］，在电站锅炉领域逐步得到广泛应用．旋风分离器是保证CFB锅炉高燃烧效率和脱硫效率的关键设备，如何对其进行结构优化，提高分离效率，一直是国内外学者研究的重要课题．

目前，CFB锅炉正朝着大型化和高参数方向发展［3－4］，给旋风分离器的布置提出了新的要求．黄永军等［5］提出一种以分离器为中心，炉膛在两边布置的模块化布置方案，既能保证CFB锅炉的稳定运行和分离器较高的分离效率，又能降低锅炉放大带来的风险．孙献斌等［6－7］开发了一种紧凑式分流回灰外置换热器，并在此基础上提出了“复合炉型”设计思路，依此思路设计的H型210MW CFB锅炉已经投入运行．吕俊复等［8－9］提出了一种带入口加速段的方形旋风分离器，很好地满足了125MW CFB锅炉的运行要求．美国Foster Wheeler公司［10］开发了一种紧凑式CFB锅炉，把高温旋风分离器与炉膛水冷壁组合为一体，在CFB锅炉大型化过程中，比传统CFB锅炉更具优势．

旋风分离器的结构和入口烟道布置方式对旋风分离器的分离性能具有重要影响．卢啸风等［11－12］的研究表明，短烟道和长烟道2种入口烟道对旋风分离器的分离性能影响较大，配长烟道有利于颗粒在烟道内加速，使分离器分离效率提高，但旋风分离器的压降会增大．陈继辉等［13］对中心筒底部缩口斜切旋风分离器进行了研究，发现该旋风分离器分离效率高于传统旋风分离器，并且受切口朝向影响较大，当朝向为90°时，分离效率最高．中科院工程热物理研究所［14－15］和 Masnadi等［16］对6个旋风分离器对称布置的CFB锅炉进行了研究，结果表明：同一侧3个旋风分离器的压降和循环流率不同，内部物料存在分布不均现象．李战国等［17］研究了内侧式和外侧式2种入口烟道布置形式对旋风分离器性能的影响，结果表明：与外侧式入口烟道旋风分离器相比，内侧式入口烟道旋风分离器的分离效率高，但压降也高．法国Stein公司［18］采用入口烟道下倾布置和中心筒偏置布置，提高了旋风分离器的分离效率和CFB锅炉的脱硫效率．

目前，对入口烟道形状和入口下倾角对旋风分离器分离性能的影响还缺乏研究，笔者搭建了CFB冷态气固两相流试验台，对入口烟道形状和分离器入口下倾角对旋风分离器分离效率的影响进行了试验研究．

1 试验装置及内容

1．1 试验装置

以135MW循环流化床锅炉为原型，按照1∶10的比例进行冷态模化，搭建了循环流化床冷态气固两相流试验台．试验台由循环流化床本体、布袋除尘器、送风机、引风机和送风管道等组成（图1）．试验台主要结构尺寸见表1．

1．2 试验风速和物料粒径的模化计算

物料在旋风分离器内的运动属于两相流动过程，进行冷态模化时要考虑几何相似、物理条件相似、边界条件相似．考虑到实际情况的复杂性，笔者进行以下简化［19］：

（1）若流动是稳定过程，则不考虑均时性准则．

图1 旋风分离器冷态试验台系统图Fig．1 Cold－state test rig for the cyclone separator

表1 试验台主要结构尺寸Tab．1 Structural sizes of the cold－state test setup

（2）若满足几何相似，气流流动达到自模化且阻力处于同一区域，则忽略气流脉动的影响．

（3）若满足进口条件相似，则意味着准则ωp／ωg＝idem、ce＝idem、n1＝idem能得到遵守．

（4）用冷态模拟热态时，暂不考虑准则ρp／ρg＝idem对于大颗粒流动的影响．

经上述简化后，模化过程需遵循以下相似准则相等：

式中：Fr为弗劳德数；Re为雷诺数；St为斯托克斯数；l为定型尺寸，m；ω为气流速度，m／s；ν为流体运动黏度，m2／s；ρp为固体颗粒密度，kg／m3；dp为固体颗粒直径，m；ρg为气体密度，kg／m3；μ为气流动力黏度，Pa·s；c0为阻力系数．

经模化计算，冷态条件下旋风分离器入口风速为7．31m／s，物料平均粒径为112μm，原型旋风分离器和模型旋风分离器准则数见表2．

表2 原型和模型旋风分离器准则数的比较Tab．2 Comparison of criterion number between actual and experimental cyclone separator

1．3 试验内容及方法

试验内容主要包括2个方面：（1）入口烟道形式（折角过渡结构和平滑过渡结构）对旋风分离器分离效率的影响，见图2；（2）分离器入口下倾角α（15°、30°和45°）对旋风分离器分离效率的影响，见图3．根据2种入口烟道结构和3种不同入口下倾角，共安排6个工况进行试验研究，如表3所示．

图2 2种不同结构入口烟道的布置Fig．2 Structural diagram of two different inlet ducts

试验前，采用法国KIMO AMI300风速风量仪对旋风分离器入口风速进行测量，保证入口风速为模化计算值．把水平烟道截面平均分为4个区域，取每个区域的中心为测点，取4个测点处风速的平均值得到旋风分离器入口风速．测点分布见图4．

炉膛中加入一定质量的物料后，封闭给料口和返料口，保证物料进行一次循环，以方便分离效率的计算．每次试验加入炉膛的物料量、旋风分离器入口风速和风机运行时间均相同，保证不同工况旋风分离器入口条件一致．

图3 分离器入口下倾角示意图Fig．3 Schematic diagram of entrance inclination angle

表3 试验工况Tab．3 Experimental conditions

图4 入口烟道风速测点分布Fig．4 Distribution of wind speed measurement points at inlet of flue duct

利用称重法计算旋风分离器的分离效率η，η可表示为

式中：M0为试验前加入炉膛物料的质量，kg；M1为试验后炉膛残余物料的质量，kg；m为返料斗收集物料的质量，kg．

旋风分离器对粒径为δ颗粒的分级效率为：

式中：fo（δ）表示粒径为δ的颗粒在逃逸物料中的分布频率；fi（δ）表示粒径为δ的颗粒在旋风分离器入口物料中的分布频率．

利用马尔文激光粒度仪对布袋除尘器补集的物料进行粒径分析，得到逃逸物料中的粒径分布频率fo（δ）；对试验前后炉膛中的物料分别进行粒径分析，根据质量守恒，计算得到分离器入口物料的粒径分布频率fi（δ）．在循环流化床流化过程中，磨损造成的床料颗粒粒径退档对大颗粒影响较小，可以忽略不计，但对小颗粒影响相对较大［20］，因此，笔者只对颗粒粒径大于5μm的物料进行分级效率的分析计算．

1．4 试验物料

采用循环流化床锅炉排放的炉渣作为床料，其真密度为3 165kg／m3，粒度分布见图5，其中最大粒径为631μm，中位粒径为102．5μm，与模化计算结果近似．

图5 试验用炉渣粒度分布Fig．5 Particle size distribution of slag samples tested

2 试验结果及分析

2．1 入口烟道结构对旋风分离器分离效率的影响

在炉膛加入物料量和风机开启时间相同的情况下，6个工况的试验数据见表4．从表4可以看出，试验风速和模拟值的误差为0．96%～2．3%，两组数据间的最大相对误差为1．4%，在试验误差允许范围之内．

6个工况下旋风分离器总分离效率曲线如图6所示．从图6可以看出，入口烟道为平滑过渡结构时旋风分离器的分离效率曲线比折角过渡结构下整体下移，即相同分离器入口下倾角条件下，入口烟道折角过渡结构旋风分离器的分离效率明显大于平滑过渡结构旋风分离器的分离效率．在入口下倾角相同时，两种结构入口烟道对应的旋风分离器的分离效率最大相差2．90%，最小相差2．38%．这个差别对旋风分离器的分离效率而言相当大．

表4 试验结果Tab．4 Summary of experimental results

图6 不同入口结构下分离效率随入口下倾角的变化Fig．6 Variation of separation efficiency with entrance inclination angle at different inlet structure

在相同入口下倾角的条件下，2种入口烟道结构对应旋风分离器的分级效率曲线如图7所示．从图7可以看出，在入口下倾角相同的情况下，入口烟道折角过渡结构旋风分离器分级效率曲线比入口烟道平滑过渡结构旋风分离器分级效率曲线整体上移，与总分离效率曲线随旋风分离器入口下倾角的变化趋势一致．折角过渡烟道旋风分离器分级效率达到100%时对应的颗粒粒径小于平滑过渡烟道旋风分离器．

2．2 入口下倾角对旋风分离器分级效率的影响

从图6可以看出，当入口烟道结构相同时，旋风分离器的分离效率随下倾角的增大先降低后升高．6个工况中，入口烟道折角过渡、分离器下倾角为15°时，旋风分离器的分离效率最高，为92．93%；入口烟道平滑过渡、分离器下倾角为30°时，旋风分离器的分离效率最低，为87．47%．

在相同入口烟道结构的情况下，不同入口下倾角对应旋风分离器的分级效率曲线如图8所示．从图8（a）可以看出，当入口烟道为折角过渡结构时，入口下倾角为15°的旋风分离器的分级效率曲线总体要高于入口下倾角为30°和45°的旋风分离器分级效率曲线，分级效率达到100%时对应的颗粒粒径也显著小于另外2种入口下倾角的旋风分离器．当入口烟道为平滑过渡结构时，不同入口下倾角旋风分离器分级效率有类似的规律，如图8（b）所示．

图7 不同入口下倾角时分级效率随入口烟道结构的变化Fig．7 Change of classification efficiency with inlet duct structure at different entrance inclination angles

图8 不同入口烟道结构下分级效率随入口下倾角的变化Fig．8 Change of classification efficiency with entrance inclination angle under different inlet duct structures

3 结 论

（1）在入口下倾角相同的情况下，折角过渡入口烟道旋风分离器的分离效率高于平滑过渡入口烟道旋风分离器的分离效率．所以，在循环流化床锅炉的设计过程中，入口烟道宜采用折角过渡结构．

（2）在入口烟道结构相同的情况下，旋风分离器的分离效率随入口下倾角的增大先降低后升高．

（3）旋风分离器的分级效率随入口烟道结构和分离器入口下倾角的变化规律与总分离效率随二者的变化规律趋势一致．

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