中小型循環(huán)流化床鍋爐分離器改造

林金輝

(福建省東鍋節(jié)能科技有限公司，福建 福州 350000)

0 引言

近年來隨著我國“節(jié)能減排增效”政策的提出，90年代建立的中小型循環(huán)流化床鍋爐由于分離效率偏低、分離器失效、高能耗等面臨淘汰的危機(jī)，但通過對循環(huán)流化床鍋爐的分離器技術(shù)改造后，不僅實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排的目的，而且也大大減少了企業(yè)的負(fù)擔(dān)，因此對中小型循環(huán)流化床鍋爐分離器改造研究成為了企業(yè)重點(diǎn)研究的對象。國內(nèi)外學(xué)者企業(yè)也對此進(jìn)行了相關(guān)的研究:美國黑狗電站2#煤粉鍋爐通過在空氣預(yù)熱器前加裝多管式旋風(fēng)分離器改造成循環(huán)硫化床鍋爐，取得了較好的效果［1］;波蘭Turrow電廠也進(jìn)行了相關(guān)項(xiàng)目改造［2］;此外日本、印度、俄羅斯等都為了滿足節(jié)能環(huán)保增效而進(jìn)行了相關(guān)改造［3－5］。在我國，魏治中對沉降器旋風(fēng)分離器進(jìn)行了直聯(lián)改造［6］;姚世偉等對480t/h循環(huán)流化床鍋爐旋風(fēng)分離器中心筒進(jìn)行了改造［7］;譚松對循環(huán)硫化床鍋爐分離器設(shè)計(jì)與改造提出了一些改造意見［8］;孔凡新等提出了220 t/h循環(huán)流化床鍋爐分離器改造技術(shù)［9］;張慶紅提出了拋煤機(jī)鍋爐改造成循環(huán)流化床鍋爐的設(shè)計(jì)方案［10］;薛立志等人對75 t/h循環(huán)流化床鍋爐進(jìn)行了節(jié)能技術(shù)改造［11］?；谝陨希P者結(jié)合實(shí)際工程改造，著重對幾種典型的分離器技術(shù)改造進(jìn)行了闡述。

1 循環(huán)流化床鍋爐分離器簡介

1.1 循環(huán)流化床鍋爐分離器作用

循環(huán)流化床鍋爐分離機(jī)構(gòu)的主要作用是將大量的高溫固體物料從氣流中分離出來，送回燃燒室，以維持燃燒室的快速流態(tài)狀態(tài)，保證燃料和脫硫劑多次循環(huán)、反復(fù)燃燒和反應(yīng)［12］。這樣方可達(dá)到理想的燃燒效率和脫硫效率。因此，循環(huán)流化床鍋爐分離機(jī)構(gòu)的性能，將直接影響整個循環(huán)流化床鍋爐的出力、效率和運(yùn)行性能。

1.2 分離效率低對循環(huán)流化床鍋爐經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的影響

如果分離器效率偏低，顆粒將不能從煙氣中有效的分離出來，這會使大量顆粒不經(jīng)循環(huán)而一次通過爐膛，由此帶來以下問題:

(1)未燃盡的顆粒無法通過分離器進(jìn)行捕捉后送入爐膛內(nèi)循環(huán)燃燒，直接帶出，未燃盡的顆粒得不到有效燃燒，必然導(dǎo)致飛灰含炭量較高，鍋爐效率低而影響鍋爐的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性;

(2)由于分離效率低，尾部受熱面直接受到濃度較高的含塵氣流的沖蝕，加劇尾部受熱面的磨損，影響設(shè)備使用壽命，以及增加尾氣除灰設(shè)備的能耗;

(3)進(jìn)入循環(huán)回路的循環(huán)灰量減少，循環(huán)量下降，不能有效控制床溫，影響鍋爐的高負(fù)荷運(yùn)行及爐膛傳熱特性，造成鍋爐的出力不足;

(4)爐內(nèi)脫硫劑一次帶走，未能進(jìn)行多次循環(huán)、反復(fù)燃燒和反應(yīng)，影響脫硫效率。

1.3 旋風(fēng)分離器工作機(jī)理

旋風(fēng)分離器是目前在循環(huán)流化床鍋爐燃燒技術(shù)領(lǐng)域運(yùn)用的最多的氣固分離裝置。該裝置最常見的型式由圓柱形旋流筒體和圓錐形加速段兩部分構(gòu)成。兩相流氣體沿切向引入筒體后主體部分以筒壁為邊界作螺旋向下運(yùn)動，此為外旋氣流。旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力使重度大于氣體的固體顆粒脫離氣體主流匯聚到筒壁，并在進(jìn)口動量和重力的作用下沿筒壁下滑至加速段，由其下口排出后經(jīng)料腿、回灰閥等回送到爐膛。旋轉(zhuǎn)下降的外旋氣流到達(dá)錐體后受圓錐形壁面制約而向分離器中心收縮，由于旋轉(zhuǎn)矩不變，故其切向速度不斷提高。當(dāng)氣流到達(dá)錐形加速段下端某一位置時，開始以同樣的旋轉(zhuǎn)方向反彈上升，繼續(xù)作螺旋形流動，形成內(nèi)旋氣流。失去所攜固體成分的內(nèi)旋氣流經(jīng)排氣芯管離開分離器(如圖1所示)。

圖1 旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)簡圖

2 循環(huán)流化床鍋爐分離器技術(shù)改造典型實(shí)例

2.1 多管旋風(fēng)分離器改為上排氣旋風(fēng)分離器

某實(shí)業(yè)公司15 t/h改造鍋爐在當(dāng)時的技術(shù)條件下采用多管旋風(fēng)分離裝置，現(xiàn)存在燃燒效率低、運(yùn)行煤耗高以及故障率高等缺陷。

2.1.1 原因分析

通過現(xiàn)場考察分析，由該鍋爐運(yùn)行中床溫易控制在較高區(qū)域、爐膛上部溫度低、運(yùn)行中不排灰等現(xiàn)象判斷煤耗高的主要原因是飛灰分離效率低，因?yàn)榉蛛x效率低至少造成:(1)200 μm以下的煤粒子一次通過爐膛，大大減少了細(xì)粒子在爐內(nèi)的停留時間;(2)爐內(nèi)飛灰濃度低，造成爐膛內(nèi)溫度梯度大，不能形成有利于煤粒子燃盡的較高的高溫區(qū)域。該循環(huán)流化床鍋爐分離器選用多管旋風(fēng)分離器，多管旋風(fēng)分離器的分離效率低，運(yùn)行時容易積灰堵塞，旋風(fēng)分離器易于磨損失效，嚴(yán)重時造成分離器失去分離作用。

2.1.2 改造措施

選擇合適的分離裝置以提高分離效率是改善該鍋爐燃燒狀況的關(guān)鍵。循環(huán)流化床的分離裝置種類繁多:旋風(fēng)上排氣分離器、旋風(fēng)下排氣分離器、多管旋風(fēng)分離器、U型分離器、槽型分離器、方型分離器、百葉窗分離器、平面流分離器等。根據(jù)國內(nèi)外普遍的設(shè)計(jì)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)作綜合比較，可以看出旋風(fēng)分離器因在眾多分離裝置中最成熟可靠而備受青睞。這些分離裝置雖然各有優(yōu)缺點(diǎn)，但從實(shí)際運(yùn)行的效果看，旋風(fēng)上排氣分離器最適合用于燃燒福建無煙煤的鍋爐。下面我們列表分析目前投運(yùn)的各種分離器的分離性能，進(jìn)行比較(如表1所示)。

綜合上述分析，我們采取兩個分離效率高、對省煤器影響小的上排氣旋風(fēng)分離器取代原有的多管旋風(fēng)分離器。這樣，不但可以提高燃燒效率，而且鍋爐的帶負(fù)荷能力也可以提升。

表1 各種分離器的分離性能比較

2.1.3 改造效果及經(jīng)濟(jì)性分析

(1)改造后運(yùn)行，鍋爐出力增加，鍋爐熱效率提高，故障率降低;

(2)改造前后的平均煤耗(煤的熱值約為16 747 kJ)由3.125 t/h 降低為2.875 t/h，每小時煤耗減少0.25 t，按年運(yùn)行6 000 h，無煙煤價格650元/t計(jì)，年節(jié)約燃料成本97.5萬元;

(3)技改投資的28萬元，只需運(yùn)行三個半月即可收回。

2.2 旋風(fēng)分離器尺寸結(jié)構(gòu)不合理改造

某化工廠有臺YG－75/3.82－M1的循環(huán)流化床鍋爐。運(yùn)行中經(jīng)常出現(xiàn)以下問題:(1)鍋爐出力不足;(2)尾部受熱面磨損嚴(yán)重，運(yùn)行周期短;(3)鍋爐飛灰含碳量較高，熱效率較低。

2.2.1 原因分析

本臺鍋爐的分離裝置是在爐膛出口處設(shè)有兩個由磷酸鹽耐火磚砌成的旋風(fēng)分離器。含灰煙氣在爐膛出口處分為左右兩股進(jìn)入兩個旋風(fēng)分離器。經(jīng)分離器分離出來的固體顆粒返回爐膛再燃燒，相對干凈的煙氣通過分離器頂部的中心筒排出。煙氣經(jīng)過過熱器、省煤器和空氣預(yù)熱器進(jìn)入尾部煙道。

通過多方面的摸索、分析與試驗(yàn)，確認(rèn)造成以上問題的主因是分離器的結(jié)構(gòu)不合理造成分離效率低，分離器捕捉的回灰量較少，造成爐膛內(nèi)灰濃度偏低，無法建立起正常的物料循環(huán)，從而直接影響鍋爐的出力。由于分離效率低，尾部受熱面直接受到濃度較高的含塵煙氣的沖蝕，導(dǎo)致過熱器和省煤器管磨損嚴(yán)重，泄露造成停車，運(yùn)行周期較短。又由于灰粒不能得到多次循環(huán)燃燒，必然導(dǎo)致飛灰含碳量較高，鍋爐效率低。

2.2.2 改造措施

分離器的效率和阻力是評價其性能的主要指標(biāo)。

影響旋風(fēng)分離器特性的因素主要是結(jié)構(gòu)、粉塵的物理性質(zhì)和分離器的運(yùn)行參數(shù)。運(yùn)行參數(shù)包括進(jìn)口風(fēng)速、煙氣溫度、粉塵濃、粉塵粒徑度、切向進(jìn)口形狀、中心筒直徑、中心筒長度和固體的再夾帶等。由于煙氣旋流在中心筒與分離器壁面之間運(yùn)動，因此中心筒插入深度直接影響分離器性能。

(1)中心筒長度對分離效率的影響如圖2。由圖2可以看出，隨著中心筒長度增加，分離效率提高。當(dāng)中心筒長度大約是入口管高度的0.4～0.5倍時，分離效率最高，隨后效率隨著中心筒長度增加而降低。因此，中心筒過短或過長都不利。中心筒插入過深會縮短其與錐體底部的距離，增加二次夾帶機(jī)會;插入過淺，會造成正常旋流中心的彎曲，甚至破壞，使其處于不穩(wěn)定狀態(tài)，同時也容易造成氣體短路而降低分離效率。

圖2 中心筒長度對分離效率的影響

(2)中心筒長度對壓力損失的影響如圖3。中心筒的壓力損失主要是筒內(nèi)摩擦和氣流耗能。中心筒過長或過短壓力損失都增加，而當(dāng)中心筒長度為入口管高度的0.4～0.5倍時，壓力損失最小，此時分離效率也最高。

圖3 中心筒長度對壓降的影響

(3)中心筒直徑的影響。一定范圍內(nèi)，中心筒直徑越小，中心筒體積越小，使分離器有效分離空間增大，大大減少二次風(fēng)夾帶的細(xì)粉顆粒數(shù)量，使更多的細(xì)粉被分離出來。當(dāng)De/Do=0.3～0.5時，分離效率已較高，壓力損失也較小。再縮小直徑，分離效率提高不大，但壓力損失急劇上升。

通過以上分析，決定針對分離器中心筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行如下改造:

(1)調(diào)整中心筒直徑與長度。把旋風(fēng)分離器中心筒直徑由原來的1 500 mm改成1 200 mm，中心筒長度1 925 mm改成1 835 mm。在保證壓降小于2000 Pa的前提下，縮小中心筒直徑以提高分離效率，且De/Do=0.375(在0.3 ～0.5 范圍內(nèi))，在保證分離效率不降低的條件下，縮短了中心筒長度，使壓力損失減少。

(2)改造中心筒內(nèi)部結(jié)構(gòu)。原中心筒內(nèi)部用鋼板沿軸向十字交叉支撐以防止中心筒熱變形，但對上升氣流產(chǎn)生一定阻力。改造后，用筒外的加強(qiáng)筋防止中心筒熱變形。這樣，中心筒的通流面積增大，阻力減小。

2.2.3 改造使用效果

改造后，經(jīng)多次檢驗(yàn)測試運(yùn)行效果較好，鍋爐參數(shù)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，而且運(yùn)行周期較長，能在滿負(fù)荷狀態(tài)下穩(wěn)定運(yùn)行。改造前后鍋爐的運(yùn)行參數(shù)對照如表2所示。

表2 改造前后鍋爐的運(yùn)行參數(shù)對照表

由于分離效率的提高，脫硫效率也有很大提高，使二氧化硫排量達(dá)到了國家環(huán)保要求。該鍋爐的改造投資在25萬元左右，鍋爐改造完后，由于出力提高，耗煤減低和風(fēng)機(jī)耗電量降低等，可在很短時間內(nèi)收回投資，其經(jīng)濟(jì)效益非常可觀。

2.3 旋風(fēng)分離器防磨措施改造

某化工廠的1臺35 t/h循環(huán)流化床鍋爐自投運(yùn)兩年多以來，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。但旋風(fēng)分離器磨損嚴(yán)重，先后多次造成停爐檢修，給正常的生產(chǎn)造成極大的影響。

2.3.1 原因分析

該35 t/h循環(huán)流化床鍋爐的兩個旋風(fēng)分離器左右對稱布置在爐膛水平煙道出口。分離器采用下出灰、上排氣方式，分離后的煙氣通過布置在分離器上部的連接煙道引出，進(jìn)入省煤器上部煙道。分離器捕捉下來的返料灰通過J閥回料裝置送入爐膛循環(huán)燃燒。

該臺鍋爐運(yùn)行了兩年多，先后多次發(fā)現(xiàn)分離器中心筒磨穿(如圖4所示)和內(nèi)襯耐磨可塑料多處脫落(如圖5所示)，其他部位也有磨損痕跡，此外分離器入口處、迎流面等局部磨損嚴(yán)重。

圖4 中心筒沖蝕情況

圖5 可塑料脫落情況

從中心筒的磨損情況可以清楚地看出，被磨損部位都是由內(nèi)側(cè)往外壁磨的，同時煙氣流沖蝕軌跡清晰可見(如圖6所示)。

圖6 改造后中心筒磨損情況

業(yè)主單位曾更換中心筒和出口轉(zhuǎn)向室材料，采用12 mm厚的310S(0Cr25Ni20Si2)耐磨耐熱不銹鋼替代12Cr1MoV，并對筒體耐磨可塑料進(jìn)行修補(bǔ)。使用不到一年又被磨穿，情況與上述基本相似。

根據(jù)上述的現(xiàn)象分析造成磨損的主要原因是:

(1)該分離器區(qū)域的煙氣流速設(shè)計(jì)過快，加劇了分離器的磨損。

(2)鍋爐廠在設(shè)計(jì)時，低估了旋風(fēng)分離器惡劣的工作環(huán)境，沒有充分考慮中心筒的磨損問題(其內(nèi)壁沒有襯任何耐磨材料)，使高速的含塵煙氣直接沖刷、撞擊金屬元件而造成嚴(yán)重磨損。

2.3.2 改造措施

公司技術(shù)人員在現(xiàn)場充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，借鑒其他鍋爐的成功經(jīng)驗(yàn)，采用以下兩方面措施對分離器進(jìn)行技術(shù)改造，取得了良好的效果。

(1)主動性防磨措施

結(jié)合循環(huán)流化床鍋爐的燃燒機(jī)理，根據(jù)磨損情況可以判斷，分離器的磨損是受到含塵煙氣的高速撞擊和沖刷而造成的，即是一種沖蝕磨損。對于循環(huán)流化床鍋爐而言，沖蝕磨損的影響因素主要有粒子速度、粒子濃度、粒子顆粒度、環(huán)境溫度、材料性能及沖蝕時間等。根據(jù)有關(guān)試驗(yàn)得出經(jīng)驗(yàn)公式。

即:磨損率ε與粒子濃度p成正比關(guān)系，與粒子顆粒度d成二次方關(guān)系，與粒子速度υ成三次方關(guān)系。其中，煤的特性和煙氣濃度是與鍋爐給煤密切相關(guān)的，一旦原煤確定后，其特性(硬度、可磨性等)就基本確定。由于循環(huán)流化床鍋爐爐內(nèi)是一個高灰濃度區(qū)域，其運(yùn)行時發(fā)生的磨損主要與煙氣速度有關(guān)。根據(jù)以上分析，在本次改造主要是通過合理設(shè)置其煙氣流速來主動的減小中心筒的磨損。

表3 分離器局部改造前、后參數(shù)對比表

通過以上的改造，降低了分離器區(qū)域的煙氣流速，主動有效的減小了磨損。

(2)被動性防磨措施

鑒于公司在其他項(xiàng)目上的成功經(jīng)驗(yàn)，采用“Y/V型金屬銷釘+純剛玉耐磨耐火可塑料”對分離器進(jìn)行技術(shù)改造:

①在分離器入口處、筒體內(nèi)壁及中心筒內(nèi)側(cè)上焊接Y/V型金屬銷釘，布置間距為100 mm×100 mm;

②在金屬銷釘及分離器內(nèi)側(cè)刷上2～3 mm的瀝青層;

③在分離器入口處、筒體內(nèi)壁及中心筒內(nèi)側(cè)上金屬銷釘敷設(shè)一層厚度為70 mm的純剛玉耐磨耐火可塑料。

施工時需注意以下幾點(diǎn):

①敷設(shè)可塑料前，將筒內(nèi)的焊渣及雜物清除干凈;

②嚴(yán)格按純剛玉耐磨耐火可塑料生產(chǎn)廠家提供的施工工藝，將可塑料、添加劑、磷酸鹽膠水按比例混合后，在攪拌機(jī)內(nèi)充分?jǐn)嚢柚亮仙弧⑹帜蟪蓤F(tuán)且不粘手后方可出料澆搗;

③將拌好的可塑料澆搗在分離器內(nèi)側(cè)后，應(yīng)及時用橡皮錘沿同一方向或呈放射狀方向搗打至實(shí)。敷設(shè)時，注意可塑料的施工厚度以蓋過金屬銷釘5 mm為宜，過薄起不到防磨作用，太厚則容易脫落，必須按照規(guī)定厚度一次性布料，切忌在平行于工作面的方向上出現(xiàn)分層施工現(xiàn)象;

④耐磨澆注料施工時要正確留置膨脹縫，按約1 000 mm×1 000 mm的間距預(yù)留5 mm的膨脹縫，膨脹縫內(nèi)可用石棉板填充。

表4 純剛玉耐磨耐火可塑料性能表［13－14］

2.3.3 改造效果及經(jīng)濟(jì)性分析

改造后運(yùn)行20個月后進(jìn)行檢查，除分離器入口、迎流面和中心筒法蘭等處表層有小面積脫落、磨損外，大部分耐磨耐火可塑料表面仍基本完好，沒有明顯的磨損痕跡(如圖6)。鍋爐平均效率提高1.50%，按年運(yùn)行7 000 h計(jì)算，每年可節(jié)約標(biāo)煤500 t，折合人民幣40萬元。根據(jù)目前的磨損情況，改造后的分離器運(yùn)行周期可以達(dá)到3年。每年可以節(jié)約此項(xiàng)維護(hù)費(fèi)用25萬元以上，大大減低了檢修人員的勞動強(qiáng)度和對正常生產(chǎn)經(jīng)營的影響。技改投資額約26萬元，只需運(yùn)行四個多月左右就可回收。

3 結(jié)論

(1)經(jīng)過技術(shù)改造后，旋風(fēng)分離器和中心筒磨損得以改善，施工工藝合理、可行;

(2)與改造前相比，熱效率和經(jīng)濟(jì)性大大提高，實(shí)現(xiàn)了“節(jié)能減排增效”的目的，也為同類產(chǎn)品改造提供切實(shí)的實(shí)踐指導(dǎo)。

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