下排气旋风分离器的结构改造及效果分析

王 磊，杨群峰

（1.华东理工大学机械与动力工程学院，上海，200237；

2.山东省特种设备检验研究院济宁分院，山东 济宁，272300）

下排气旋风分离器的结构改造及效果分析

王 磊1，杨群峰2

（1.华东理工大学机械与动力工程学院，上海，200237；

2.山东省特种设备检验研究院济宁分院，山东 济宁，272300）

某煤矿自备电厂一台型号为UG-35/3.82-M35的循环流化床煤泥锅炉，其使用的下排气旋风分离器实际运行时分离效率偏低，飞灰可燃物较多，造成较大的锅炉热效率损失，为解决这一问题对锅炉的下排气旋风分离器设计了改造方案，对方案的可行性进行了数值模拟，并对锅炉的下排气旋风分离器进行了工程改造。改造后的下排气旋风分离器实际运行中分离效率大幅度提高，捕集的固体微粒粒度变细，提高了循环流化床的物料循环倍率，降低了飞灰含炭量，也提高了锅炉运行效率。

下排气旋风分离器；改造；数值模拟；分离效率

循环流化床锅炉在炉膛内或炉膛出口处安装了旋风分离器，以分离和收集烟气中高浓度的细灰，再使用返料器把细灰送入流化床循环燃烧，使烟气中的细灰在循环燃烧过程中实现完全燃烧。与其他气固分离技术相比，旋风分离器具有结构简单、无运动部件、分离效率高和压降适中等优点，尤其适合于在高温、高压和含尘浓度较高的工况下使用。

某煤矿自备电厂一台型号为UG-35/3.82-M35的循环流化床煤泥锅炉，运行时飞灰可燃物高达9%，其下排气旋风分离器实际运行分离效率仅为75%左右，造成返料量较少，锅炉实际运行效率偏低。

1 改造方案

利用旋风分离装置中的烟气进入下排气管后，其旋流依然很强烈的特点，通过对下排气管的改进，实现对灰颗粒的二次分离，然后经改进后的返料系统最终送入炉膛，从而增加锅炉的返料量。通过改造可解决目前循环流化床锅炉下排气旋风分离装置及其返料系统效率较低、返料量较少的问题。改造示意图如下：

图1 改造示意图

2 改造前后数值模拟结果对比分析

对改造前后的下排气旋风分离器建立模型，运用CFD商业软件FLUENT对改造前后的气固两相流场进行了数值模拟计算，对颗粒的轨迹进行计算，进而计算分级效率。固体壁面的边界条件设置如下：进出口为逃逸边界条件；灰斗最下端的落灰口、排气管开口处截面为颗粒捕获边界，只要颗粒到达该处即表示其被捕获而分离；其他壁面为反弹边界条件。

数值模拟中每种结构下的运行参数都相同，入口气相和颗粒相流速均为30m/s，颗粒入口浓度为28.9g/m3，颗粒粒径符合Rosin-Ramm ler分布。通过数值模拟发现，改造后不同粒径的分离效率均有所提高，如图2所示，尤其是5至45微米之间的微粒分离效率要明显优于改造前，另外改造后的总效率也相比改造前也有所提高了2%，从而验证了对下排气旋风分离器下排气管的改造的可行性。

3 实际改造情况

根据UG-35/3.82-M35循环流化床煤泥锅炉的下排气旋风分离器的现场情况，按照设计改造方案的要求对排气管进行了改造，其内外部改造情况如图3所示，在排气管的侧面开槽采用304的不锈钢板进行加工，形成排气管的灰粒收集装置，灰粒收集装置根据现场情况，其底部为约40°的倾角，排气管的内部改造后，浇注料进行摸角，使排气管的灰粒收集装置的入口处能平滑过渡。在收集装置的下部通过辅助返料管以40°的倾斜角引出，在引至原分离器返料管立管处附近时，连接辅助返料管的立管，从返料器上部区域的原分离器返料管立管的侧面开孔接入。导流板、排气管的灰粒收集装置、辅助返料管构成了排气管分离装置。考虑到利用返料颗粒的量在返料管中形成一定的高度来进行密封，以避免烟气短路回流，同时也能正常返料，因此辅助返料管在靠近U型阀处的主返料立管处开孔引入。

图3 排气管分离装置内、外部改造情况

4 实际改造效果分析

为分析改造的实际效果，分别对改造前后部分位置的取样样品进行了粒度分析测试和含碳量检测。通过激光粒度分析测试发现改造后在返料器所采集的粉煤灰样品中位径（D50=168.2μm）比改造前同一位置所采集的样品中位径（D50=180.9μm）要小12.7μm，后续分离设备电除尘所捕获的粉煤灰颗粒粒径改造后（D50=92.23μm）比改造前同一位置所采集的样品中位径（D50=113.9μm）要小12.7μm，由此可见改造后旋风分离器的分离能力得到了进一步加强，能够分离出粒径更小的颗粒，可提高循环流化床锅炉的返料量。对改造前后所取样品的含碳量检测发现，旋风分离器改造后返料器中所取样品的含碳量显著降低，电除尘装置中所取样品的含碳量也明显降低，下排气管改造处、料腿中所取样品的含碳量也低于改造前在返料器中所取样品的含碳量，从而说明通过对循环流化床锅炉下排气旋风分离器排气筒的改造，有效提高了燃料的利用率。

综合粒度分布测试和含碳量的检测的结果，分析得出通过对循环流化床锅炉下排气旋风分离器排气管的改造，能够使下排气旋风分离器的分离性能大幅度提高，捕集的飞灰粒度变细，提高了循环流化床的物料循环倍率，有利于颗粒的燃尽，因而降低了飞灰含炭量，提高了燃料的利用率，也提高了锅炉效率，改造后效果显著。

［1]刘德吕，陈汉平，武正舜等.下排气旋风分离器循环流化床锅炉的研究与开发.煤炭加工与综合利用，2000，3：47-49

［2]封跃鹏，姜大志.旋风分离器在结构上的改进［J].燃料与化工2009，2（40）：9-10

［3]郝晓文，王磊，赵强.下排气旋风分离器的流场分析与结构优化.电站系统工程，2011，（27）3：15-19

［4]李昌剑.分级式合成气初步净化系统中旋风分离器的结构优化.上海：华东理工学，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]刘亚倩，李雪斌，李忆冬.基于Fluent的旋风分离器结构改进数值模拟.矿山机械，2012，7（40）：86-90

［7]黄盛珠，朱琳，马春元等.新型下排气旋风分离器的流场和性能数值模拟.热能动力工程，2006，（21）1：70-74