循环流化床分离器

循环流化床分离装置

摘要：

气固两相流中的气固分离

气固分离器是循环流化床锅炉的关键部件，循环流化床锅炉采用高温气固分离还是中温气固分离是一个复杂的技术经济问题，气固分离器需要满足下述要求才能被循环流化床锅炉采用：(1)能有效地连续工作；(2)适应颗粒浓度变化；(3)具有较低 的运行阻力和较高的分离效率。气固分离器在循环流化床中起着重要作用。它用在循环流化床锅炉中不同位置，则起着不同作用。用于循环流化床锅炉主循环回路的气固分离器主要有旋风分离器、惯性分离器两类。

关键字 ：旋风分离器、高温方形分离器、惯性分离器、组合分离器、分离器的性能指标、分离器的影响因素

引言：在循环流化床锅炉里，通常将分离器布置在锅炉炉膛出口，以便将高温烟气流中的热固体物料分离下来进入回料斗，再通过回料阀进人炉膛继续循环，以便保证炉膛内一定的灰浓度同时也提高了锅炉的燃烧效率。由于旋风筒是装在炉膛出口，烟温较高，锅炉满负荷运行时，炉膛出口温度一般为800～850摄氏度，因此旋风简要求由耐热材料制作这就是常说的高温温旋风分离器。除在炉膛出口安装旋风筒的布置方式外，也可采用过热器、再热器、省煤器之后布置旋风筒的半塔式布置，此处烟温较低，一般400～450左右摄氏度，这就是常说的中温旋风分离器。采用中温旋风分离，可以减少分离器体积和避免分离器在高温下的恶劣条件。旋风分离器的缺点是体积大，造价高。

惯性分离器多采用耐温耐磨的非金属材料作成，组合成特殊烟气通道，安装在循环流化床锅炉出口，烟气流通过分离器各内壁时，固体颗粒被分离下来进入料斗再通过回料阀，将分离下来的固体颗粒返回炉膛进行循环。与旋风分离器相比，这类分离器体积较小，适合于循环流化床锅炉整体化，但通常分离效率不佳，需要串联一个效率更高的分离器作为性能补偿。循环流化床燃烧技术兴起之前，气固分离技术广泛应用于化工、冶金、建材、医药等工业领域，在电力行业则着重于煤粉炉或层燃炉的烟气除尘。与循环流化床锅炉分离器不同的是，前者的目的是净化烟气，尽可能降低粉尘排放，其所处理的流动介质(烟气)一般含尘浓度不高(大多小于0．1kg／m3)，温度较低(小于200。C)，粉尘粒度较细微(多在

15／tm以下)；循环流化床锅炉分离器的目的是分离、收集循环灰，注重物料的顺畅流动与可靠回送，所处理的两相流烟气介质固体成分含量非常高(约为2～5kg／Nm3或更高)，温度比较高(一般约为850。C)，固体颗粒粒度分布也很宽(从几近零微米至几百微米)。所有这些差异使得循环流化床锅炉气固分离技术有自己的独特性。多年来，借鉴烟气除尘器和化工用分离器的设计、运行经验，众多电力设备生产商开发出了多种多样的循环流化床锅炉气固分离器。下面按一般习惯对其作分类介绍

一、气固分离器的分类

用于气固分离的分离器种类非常多，按不同的分离机理、工作环境等有不同的分类方法。如按工作温度不同可分为高温分离、中温分离、常温分离和低温分离；按排灰的情况可以分成干式和湿式。最常见的分类是按作用力的情况分成四大类：机械力分离、静电分离、过滤分离和湿法分离。机械力分离中主要包括重力沉降、惯性力分离、离心分离(主要有旋风分离器、旋转分离器等)。循环流化床锅炉中最常用的是惯性分离器和旋风分离器。

(一)旋风分离器

旋风分离器是目前在循环流化床燃烧技术领域应用最多的气固分离装置。该装置最常见的型式由圆柱形旋流筒体和圆锥形加速段两部分构成。两相流气体沿切向引入简体后主体部分以筒壁为边界作螺旋向下运动，此为外旋气流。旋转产生的离心力使重度大于气体的固体颗粒脱离气体主流汇聚到筒壁，并在进VI动量和重力的作用下沿筒壁下滑至加速段．由其下口排出后经料腿、回灰阀等回送到炉膛。旋转下降的外旋气流到达锥体后受圆锥形壁面制约而向分离器中心收缩，由于旋转矩不变，故其切向速度不断提高。当气流到达锥形加速段下端某一位置时，开始以同样的旋转方向反弹上升，继续作螺旋形流动，形成内旋气流。失去所携固体成分的内旋气流经排气芯管离开分离器，少部分未被捕集的细小颗粒也随之逃逸。

旋风分离器内实现气固分离的气体运动可以分为切向速度和径向速度。通常测量旋风分离器内部特性时还要包括全压和静压分布。

(1)切向速度口切向速度主导着气固分离。排气管以下任一截面切向速度沿着半径方向的变化可分为三个区，靠近器壁的I区内切向速度为常数，称为自由旋流

区。该区中：

式中Ui——进口速度；Fi——旋风分离器进口截面积；D。——排气筒直径；De——分离器直径。在分离器中心到具有最大切向速度处，v／r=常数vt／r=常数,在这两个区之间，vt／rn=常数式中，r指半径，n称为速度分布指数，一般在0．5～0．9之间。

n=1一(1—0．668Doo 14)(T／283)o·3

径向速度理想条件下，平面旋转流可近似看作平面势流与平面点汇组成假设

(2—3)式中q——进人分离器的径向速度分布均匀就有：

气体流量；H—半径为r的理想圆柱高；分离效率和分离器阻力气固分离器效率定义为分离器捕集的颗粒量与进入分离器颗粒量之比。为进一步表明分离器的工作能力，引进分级效率的概念。分级效率是分离器对某一尺寸颗粒的分离效率，两者之间有

循环流化床锅炉有一个特殊定义的参数——循环倍率。在其类型锅炉上，循环倍率是一个工质循环方面的概念，而在循环流化床锅炉上，循环倍率R指的是单位时问经过气固分离器送回炉膛的颗粒量与给煤量的比值。因此，气固分离器的分离效率是一个与循环倍率紧密关联的参数。气固分离器分离效率和循环倍率之间的关系可由下式表述

分离器效率是一个十分重要的运行参数，它发生变化后，会相继影响到主颗粒循环回路中各处的颗粒尺寸分布、颗粒停留时间、燃尽程度、脱硫效果、运行床温，甚至锅炉负荷。当一个分离器无法满足分离效率要求时，可以串联一个分离器，此时的分离效率为：

分离器工作阻力是衡量分离器性能的重要参数，它取决于分离器结构和运行条件。通常用离心分离原理经验公式表达

用于循环流化床锅炉的旋风分离器处于高温状态工作，可以分为绝热型和冷却型两大类。绝热型分离器最外层的壳体由钢板卷制而成，内衬由绝热材料和耐磨耐火材料组成，厚度一般为300mm。分离器本身不吸热。其特点是制造简单、初投资较低，但可靠性差、运行维修费用高和冷态启动时间长。冷却型又称为吸热型，分为水冷和汽冷两种。壳体由蒸汽或水冷却的膜式壁组成，内衬仅为耐磨耐火材料，厚度一般为50mm。绝热型分离器和冷却型分离器的结构如图所示。

采用水冷时，分离器和炉膛的连接不需膨胀节；采用汽冷时，需要补偿热膨胀量较小的膨胀节。其特点是制造复杂、造价较高，但运行可靠，冷态启动时间短、效率高，寿命长。给出了绝热型和冷却型分离器的技术特点比较

有人将绝热型分离器称为第一代，冷却型分离器称为第二代，而将方形分离器称为第三代圆筒形高温旋风气固分离器典型的高温气固分离器包括旋风分离器(绝热式和冷却式)和惯性分离器。

旋风分离器是利用离心原理进行气固分离的装置，主要分为高效分离器和大流量分离器两大类。在结构上主要分为长锥体、圆筒体、扩散式和旁通型。分离器的主要结构尺寸如图2-3和表2-5所示。

投人运行的循环流化床锅炉的旋风分离器的主要工作特性包括入口颗粒浓度、入口颗粒尺寸及其分布、d50 d90给出了已经投运的典型循环流化床锅炉使用的旋风分离器的定性尺寸和主要性能。表2-6循环流化床锅炉旋风分离器性能

旋风分离器与循环流化床锅炉炉膛匹配是一个重要的几何和锅炉性能要求。图2—4和表2-7给出了旋风分离器与锅炉炉膛之间的配合。影响分离器工作性能的因素包括：简体直径、进口风速、烟气温度、颗粒尺寸、颗粒浓度、进口通道结构和尺寸

绝热式高温气固分离器存在以下几个问题：一是绝热结构使得未燃可燃物可以在

分离器中继续燃烧，通常不希望分离器受到结焦的威胁；二是保温层厚度较厚，要求锅炉的启动时间较长，且保温材料容易脱落，体积庞大，支架的钢材消耗量较大。为克服这些问题，FosterWheeler公司设计了冷却式旋风分离器(水冷或汽冷)。冷却式旋风分离器结构复杂、制造困难、成本高，除了大型循环流化床锅炉外采用的比较少。

循环流化床锅炉所使用的主要是旋风分离器。除此之外，根据结构特点和整体布置的不同，旋风分离器还有其它的型式，如卧式旋风分离器、下排气旋风分离器等等，这些分离器多为专利。

方形高温气固旋风分离器

方形高温分离器可以是正方形、矩形或多边形结构。由于采用较多的是正方形，故称为方形分离器。采用冷却结构时可以大大降低制造困难和制造成本。方形分离器有一个单独定义的参数——圆形度，其定义为：

方形分离器的结构如图2-5所示，主要结构参数有8个，分别是：人口高度(n)和宽度(b)、特征尺寸(D)、直段高度(h)、总高度(H)、芯筒直径(d)、芯筒插入深度(s)和排灰口宽度(B)。

旋风分离器设计

旋风分离器是典型的气固分离设备，应用最多的是低温气固分离。循环流化

床锅炉的旋风分离器在高温条件下工作，按照低温设计的旋风分离器的性能会发生很大变化。高温工作时，旋风分离器有如下特点：(1)采用较短的涡旋导向管；

(2)螺旋人口优于切向人口；(3)雷诺数太高分离效率会下降；(4)为返料方便，分离器直段通常较短。为满足这些特殊要求，在运行阻力和分离效率适当折中的条件下，可按下述步骤设计循环流化床锅炉的旋风分

(1)入口气体速度：

(2)按下式计算旋风分离器的直径：

N——分离器个数。

(3)按表2-8确定相关尺寸。

(4)计算分离器的下锥角。

(5)校核分离器下部立管直径，保证返料量：返料量=2．29×立管中固体的表观密度×／立管直径

(6)计算沉降速度，检查是否有再夹带。旋风分离器的颗

(7)按图选取旋转圈数Ⅳc，用下式计算颗粒的切割直径d引

(8)按图选取某一粒径颗粒的分离效率，颗粒浓度的影响按图进行修正。总的分离效率都是采用经验公式或实验结果确定。

(二)惯性分离器

惯性分离器是利用某种特殊的通道使介质流动的路线突然改变，固体颗粒依靠自身惯性脱离气体轨迹从而实现气固分离。这种特殊通道可以专门设计成型(如S型分离器、U刑外套装、十b可以诵1叶布谢墙丰元件央空瑚f加槽珏!J分离器、百叶窗分离器)。型分离器)，也可以通过布设撞击元件来实现(如槽型分离器、百叶窗分离器)。

惯性分离器结构简单，布置方便，与锅炉匹配性好，热惯性小，流动阻力一般也不高。缺点主要是分离效果欠佳，特别是对惯性小、跟踪性好的细微颗粒捕集效果差。因此，在循环流化床锅炉中几乎不可能利用单独的惯性分离器来满足工程要求。目前惯性分离器主要作为预分离装置应用于小型循环流化床锅炉，或改进型鼓泡流化床锅炉。 式中q——气体流量；

(三)组合分离器

组合式分离器不是一个单独的分离装置，它常由二级甚至三级分离器串联(有时还有并联)布置而成。用以构成组合式分离器的基本元件一般仍是前面介绍的两种装置，布置方式可以采用两级旋风分离器串联、或两级惯性分离器串联，也可以安排先惯性分离器、再旋风分离器的组合方式，等等。精心设计的组合式分离器能达到令人满意的分离效率，B&W公司在大型循环流化床锅炉中有采用两级槽型分离器加尾部多管旋风分离器的设计。不过，组合式分离器提高分离效率的代价是系统复杂、成本增加、可靠性降低、适用性变差，所以难以推广。从现有经济、技术条件与国家环保要求来看，循环流化床燃烧技术是我国电力及其它相关行业最切合实际的选择。当前循环流化床燃烧技术发展的焦点是大型化，而大型化的主要难点则在于大型分离器的研制。根据国内外普遍的设计和运行经验作综合比较，可以看出旋风分离器因在众多分离装置中最成熟可靠而备受青睐，世界各国的动力设备生产商所进行的改进和创新也大都以此为基础。Fw公司(及其合并的Ahlstrom公司)在循环流化床燃烧技术领域、特别是在气固分离器制造方面现占据着国际领先地位，Ahlstrom开发的Pyroflow Compact紧凑型分离器给旋风分离器的设计注入了新思想。

二、分离器性能的评价指标

评价分离设备的主要性能有：表示分离效果的分离效率叩以及分级分离效率r／i；表示能耗指标的压降△p；表示生产能力的处理气量Q。；表示经济指标的单位处理量的造价、运行维护费用以及寿命等。其中分离效率和分级分离效率是最主要的评价指标。

(一)分离效率

对每台分离设备而言，分离效率的定义为

有时因分离效率很高，不便比较，而且主要目标是要控制出口浓度C。(gANm3)，所以也可以采用另外一些指标来表示分离效果，如有

(二)分级分离效率

设进入分离器的物料中，某一粒径咖i的颗粒在全部物料内所占的重量比例为fi，出口净化气中的物料中该粒径颗粒所占的重量比例为厂fe，捕集下来的物料中该种颗粒所占的重量比例率为fc，则该颗粒的分离效率称为“分级分离效率”

，定义为由上可知，分离效率是对进入分离器的整个物料群而言的，所以它不仅随分离器的不同而变化，而且对于同一分离器，还随人口物料的粗细而变化。为此，分离效率不宜用来比较分离器本身性能的高低，除非所用的人El物料完全一样。分级分离效率则是对某个粒径而言的，这样就与入口物料的粗细无关，只取决于分离级分离效率则是对某个粒径而言的，这样就与入口物料的粗细无关，只取决于分离器本身性能及单个颗粒的本身性质，所以用它来衡量分离器的性能比较适宜。

(三)两种效率的关系 ．

分离器的总分离效率和分级分离效率之间存在下面的关系式，即

三、分离器的影响因素

影响气固分离器性能的主要因素包括：分离器进口结构、中心管尺寸、筒体直径等结构因素和进口速度、运行温度和颗粒浓度等操作因素。从运行角度看，运行温度的影响是通过烟气物性(密度和黏度)改变显示的。烟气的黏度是温度的单值

函数，烟温升高时，烟气的黏度随之升高，对颗粒的裹挟作用加强，致使分离效率下降。有数据显示，某旋风分离器20℃下工作时，对lOla,m颗粒的分离效率为84％，而在5000C下工作时，对lOl山m颗粒的分离效率降为78％。烟气的密度也是温度的单值函数，但由于烟气密度与飞灰颗粒密度相比太小，其变化对分离效率影响很小。但烟气密度变化对分离器运行阻力影响较大，烟气密度变化与温度变化成反比，分离器阻力与气体密度成正比。因此，烟温升高时分离器阻力下降。

随着颗粒浓度提高，分离效率随之提高，但达到一定浓度后，排出的粉尘量也随之升高。同一旋风分离器分离效率田随颗粒浓度C的变化

旋风分离器存在一个临界颗粒浓度。在低于某一浓度前，随着颗粒浓度上升，分离效率随之升高。超过临界浓度后，分离效率下降。该临界值与分离器类型和操作条件有关。进口烟气速度说到底是一个分离器结构问题。由于锅炉容量一定，产生的烟气量是固定的。分离器是锅炉炉膛后的第一个装置，烟气量没有机会降低，烟气进口速度就是分离器进口面积的单值函数。烟气进口速度对分离效率和运行阻力都有重大影响。实验表明，运行阻力与烟气进口速度的1．5—2次方成正比。进口速度越高分离效率越高，但运行阻力也越大。但达到一定速度后，分离效率开始下降，显示气固分离器有一个临界进口速度。为获得分离器的最佳分离效率和最低运行阻力，即获得可以接受的分离器阻力和分离效率的折中，需要研究分离器的主要结构尺寸。通常认为旋风分离器的主要结构包括筒体直径、进口结构、中心筒尺寸、分离器高度等。

(1)简体直径的影响。筒体直径是旋风分离器的核心尺寸。一些重要的设计参数都被整理成与筒体直径的比值。随着筒体直径增大，气固分离的离心力减弱，分离效率下降。决定筒体直径的首要因素是处理的烟气量多少。当处理的烟气量达到一定量后，分离效率和运行阻力都不允许进一步增大筒体直径，解决的办法就是采用多个并联的旋风分离器。

(2)进口结构的影响。旋风分离器进口结构包含两个方面的因素：—个是进口结构，一个是进口尺寸。进口结构分为切向式和蜗壳式。前者简单后者复杂，但后者可以使进口气流平滑，降低运行阻力，提高分离效率，采用的比较多。进口尺寸指的是烟气进口的高宽比。通常取进口宽度为口=(筒体直径一排气筒直径)／

2，高宽比为2—3。

(3)中心筒的影响。一定范围内，中心筒直径越小，分离效率越高而运行阻力越高。通常取中心筒直径为简体直径的30％～50％。中心筒长度的关键在于中心筒在分离器上的插入深度。插入深度过大或过小对分离效率和运行阻力都有明显影响。随着插入深度增加，分离效率提高而运行阻力下降。当中心筒插人深度达到进口管高度的40％～50％时，分离效率达到最高值而运行阻力达到最低值然后分别下降和升高。研究表明中心筒插入深度的最佳值为进口管高度的近一半处。

(4)分离器高度的影响。分离器高度指的是分离器筒体高度和锥体高度之和。但分离器高度不是一个孤立的参数，它受制于循环系统高度，即返料器高度、立管高度和分离器高度。这三个高度的总和要与锅炉炉膛相配合。 以循环流化床锅炉为目标的旋风分离器研究，目前还没有公认的优秀方法。但相似模化理论是成熟的，旋风分离器曾进行过大量理论和实验研究。在高温实炉上进行旋风分离器详细研究几乎没有可能性，但在实验室中，特别是冷态下的研究可以达到所有的研究目的。

旋风分离器的实验研究需要满足以下几个准则：斯托克斯准则s¨雷诺准则＆、进出口直径比准则Dj／D。、进口尺寸与筒体直径比Di／D。准则等。 樊旭等(2007)模拟120t／h循环流化床锅炉的旋风分离器，研究了不同内筒插入深度和不同风量对分离器效率的影响。实验台的主要尺寸包括炉膛尺寸200mm×160ram×1000mm，旋风分离器内筒直径为80ram，外筒直径为170mm，长244mm。其实验系统和部分实验效果如图2-6和图2-7所示。

王玉召等(2007)在一个特征尺寸300mm的实验台上研究了方形分离器主要结构并给出了优化数值。实验条件下的优化数值为中心筒直径d=0．4D(D为特征尺寸)、中心筒插入深度s=0．6D、进口高宽比a／b=8和分离器直段高度h=1．8D，此时对应的分离器阻力为1．22kPa。其试验装置和部分实验结果如

图2—8和图2-9所示。

实验结果显示，人口高宽比、直段高度影响很大，芯简直径、芯筒插入深度影响较小，分离器阻力随着人口高宽比的增大而增大，随着直段高度的增大而减小。

参考文献：

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中盐皓龙盐化有限责任公司，河南平顶山 467000