循環(huán)流化床鍋爐旋風分離器氣流溫度性能研究

孫敬偉　雷蕾

摘 要：本文在對江蘇某電廠循環(huán)流化床旋風分離器數(shù)值研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合生產(chǎn)現(xiàn)場實踐，對分離器氣流溫度的性能特性進行研究分析，研究結(jié)果表明：隨著入口溫度的升高，旋風分離器內(nèi)部軸向速度升高，切向速度減小，壓力損失與分離效率減小，但是幅度均不明顯。因而在保證鍋爐穩(wěn)定燃燒基礎(chǔ)上的實際運行中，提高入口處溫度不能夠達到提高旋風分離器分離效率的目的，同時還會出現(xiàn)分離器內(nèi)壁形成結(jié)渣等狀況，對旋風分離器的運行安全造成影響。

關(guān)鍵詞：循環(huán)流化床 旋風分離器 性能研究

中圖分類號：TM62 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）08（c）-0087-02

Abstract：Based on the numerical analysis on CFB cyclone separator of a power plant in Jiangsu，this paper studied and analyzed the performance characteristics of the temperature of the airflow combining with the production site practice.The results showed that： with the increase of inlet temperature，the axial velocity increased.The tangential velocity in cyclone separator as well as the pressure loss and the separation efficiency decreased too.All of them were not obvious in amplitude.Thus，it will not be able to achieve the goal of increasing the separation efficiency by increasing the inlet temperature in actual operation and appear the conditions such as formed slag-bonding on the inner wall which can affect safety operation of the cyclone separator.

Key Words：Circulating Fluidized Bed Boiler；Cyclone separator；Performance Analysis.

旋風分離器是循環(huán)流化床鍋爐的主要部件之一，其性能對循環(huán)流化床鍋爐的燃燒及效率有著十分重要的影響。而旋風分離器作為一種重要的分離設(shè)備，雖其結(jié)構(gòu)簡單，但內(nèi)部三維湍流流場十分復(fù)雜，對此，本文選用FLUENT流體分析軟件，采用計算流體力學方法，從計算模型入手，同時以電廠75 t/h循環(huán)流化床鍋爐的旋風分離器實際運行參數(shù)為基礎(chǔ)，分析研究在額定工況下溫度變化對旋風分離器性能的影響，并通過飛灰含碳量的測定數(shù)據(jù)對其性能影響進行了分析驗證。

1 旋風分離器數(shù)值模擬

1.1 數(shù)值模擬理論基礎(chǔ)

本文對江蘇徐州大屯某電廠75 t/h循環(huán)流化床鍋爐鍋爐額定負荷的實際數(shù)據(jù)進行了計算（見表1），為旋風分離器進行數(shù)值模擬提供了理論基礎(chǔ)。

1.2 湍流模型

本文選取連續(xù)性方程、動量方程以及能量方程等對控制流體運動的方程進行描述，并采用SIMPLEC算法求解控制方程。

一般的，對于旋風分離器氣相流場多使用標準模型，模型以及RSM模型進行模擬。但標準模型與模型都主要基于各項同性的模型，對此，本文選用了更適合強旋流場模擬的雷諾應(yīng)力模型（RSM）。

1.3 計算模型與網(wǎng)格劃分

1.3.1 幾何模型與網(wǎng)格劃分

本文選用的是現(xiàn)場實際的直切式旋風分離器為模型，其模型和結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示。同時針對其筒體與進氣管連接處形狀尖銳等結(jié)構(gòu)特點，采用了分塊生成網(wǎng)格的辦法。

對于分離特性比較明顯的區(qū)域如旋風分離器內(nèi)部、圓筒體以及圓錐體，本文選取了Y=3 m和Y=9 m兩個曲線對旋風分離器的性能進行研究，并將坐標軸的橫坐標定為曲線長度，具體曲線起點至終點的長度如圖1所示。

本文選用ICEM-CFD軟件完成了物理模型的網(wǎng)格劃分，具體的將旋風分離器分成上、下兩部，并用interface鏈接，其網(wǎng)格質(zhì)量可達0.6以上，網(wǎng)格數(shù)量約在170萬左右。

1.3.2 邊界條件

邊界條件：入口處：氣流為常溫空氣，速度取值11.47 m/s；出口處：所有變量在出口截面法向上梯度為零，即按照充分發(fā)展管流條件進行處理；壁面處：采用無滑移條件，并用壁面函數(shù)對近壁網(wǎng)格點進行近似處理。

2 模擬結(jié)果與討論

本文在額定工況即75 t/h鍋爐負荷下，在進口設(shè)置溫度分別為750 ℃、850 ℃、900 ℃時對旋風分離器進行了數(shù)值模擬，以此討論溫度對旋風分離器性能的影響。

2.1 壓強分析

（1）圓筒內(nèi)區(qū)域（Y=3 m）。

不同溫度下圓筒內(nèi)區(qū)域的靜壓及動壓分別呈“V”型和“M”分布?？偟膩碚f，隨著溫度的升高，靜壓及動壓均呈遞減趨勢。具體來說，對于靜壓，在圓筒中心處取到最小值，且隨著旋風分離器半徑的減小而減??；對于動壓，在升氣管外部區(qū)域隨半徑的減小而增大，在升氣管內(nèi)部區(qū)域隨著半徑的減小而減小，且有極小值0 Pa。

（2）圓錐體內(nèi)區(qū)域（Y=9 m）。

旋風分離器圓錐體內(nèi)部區(qū)域的靜壓及動壓分布狀況與圓筒內(nèi)區(qū)域類似，依然呈“V”型和“M”分布。當溫度升高時，靜壓及動壓略微減小，且靜壓有極小值-5000 Pa，而隨著旋風分離器半徑的減小，動壓先增大后減小，有極大值約為4000 Pa。endprint

2.2 內(nèi)部流場分析

為分析旋風分離器內(nèi)部流場的變化情況，可在入口溫度變化時，對切向速度與軸向速度變化進行模擬研究。

圓筒內(nèi)流場特點與圓錐體內(nèi)類似，其切向速度與軸向速度均分別呈“M”和“W”分布，與計算模型的分布相吻合?？偟膩碚f，當溫度升高時，旋風分離器的流場的分布形態(tài)不變，切向速度略微減小，而軸向速度略微升高。具體來說，切向速度隨著旋風分離器半徑的減小，先增大后減小，有極大值80 m/s，軸向速度在升氣管外部隨著旋風分離器半徑的減小，先減小后增大，有極小值，在升氣管區(qū)域，隨著半徑的減小也減小。

2.3 分離效率與壓降

旋風分離器的分離效率與壓力損失是評價其性能的常規(guī)指標。根據(jù)不同溫度下，旋風分離器各個粒徑分級效率的追蹤情況，可得出不同溫度下的分級效率曲線如圖2所示。

同時根據(jù)計算流體力學，可得出額定工況下，設(shè)置不同溫度時旋風分離器的分離效率與壓降情況（如表2所示）。

3 飛灰含碳量的測定

飛灰含碳量作為衡量電站鍋爐和機組運行經(jīng)濟性的重要指標之一，其測定可以說明循環(huán)流化床鍋爐燃燒效率的高低，同時也可間接說明旋風分離器分離效率的高低。本文對75 t/h鍋爐負荷下，不同溫度時的飛灰含碳量進行了測定，具體數(shù)值如表3所示。

由表3可知，隨著溫度的降低，飛灰含碳量減少，分離效率與壓降均略增高。而分離效率高時，鍋爐排煙損失減小，燃燒效率會提高。

4 結(jié)論

通過對額定工況下，三種不同溫度下的模擬與計算結(jié)果，可以看出。

（1）隨著入口溫度的升高，旋風分離器內(nèi)部切向速度減小。

（2）隨著入口溫度的升高，軸向速度升高。

（3）隨著入口溫度的升高，壓力損失與分離效率減小，但是幅度均不明顯。由此可以認為溫度對旋風分離器的分離效率及壓降影響較小。

因此在循環(huán)流化床鍋爐低負荷實際運行中，在保證鍋爐穩(wěn)定燃燒的基礎(chǔ)上，提高入口處溫度不能夠達到提高旋風分離器分離效率的目的，同時，還會出現(xiàn)分離器內(nèi)壁形成結(jié)渣等狀況，這會對旋風分離器的運行安全造成影響。

參考文獻

[1] 金國淼.除塵設(shè)備[M].北京：化學工業(yè)出版社，2002.

[2] 陳海娥，李康，劉金玉，等.旋風除塵CFD 分析[J].設(shè)計計算研究，2003（4）.

[3] 趙兵濤，沈恒根，許文元，等.旋風分離器內(nèi)氣固分離模型的研究進展[J].中國粉體技術(shù)，2003（6）.

[4] 劉子紅，肖波，楊家寬.旋風除塵器兩相流研究綜述[J].中國粉體技術(shù)，2003，3（6）：41-44.

[5] 魏新利，張海紅，王定標.旋風分離器流場的數(shù)值計算方法研究明[J].鄭州大學學報：工學版，2005，26（l）：58-59.

[6] 宋健斐，魏耀東，時銘顯.旋風分離器內(nèi)顆粒濃度場的數(shù)值模擬明[J].中國石油大學學報：自然科學版，2008，32（l）：90-91.

[7] 王廣軍，陳紅.電廠鍋爐細粉分離器性能分析數(shù)學模型[J].中國電機工程學報，2001，21（9）.

[8] 向曉東.現(xiàn)代除塵理論與技術(shù)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2002.

[9] 潘小強，袁璟.CFD軟件在工程流體數(shù)值模擬中的應(yīng)用[J].南京工程學院學報：自然科學版，2004，2（1）.

[10] 包紹麟，王海剛，呂清剛，等.220 t/h CFB鍋爐旋風分離器性能的數(shù)值模擬研究[J].工業(yè)鍋爐，2013（6）.

[11] 何宏舟，黃俊斌.入口下傾旋風分離器分離特性的數(shù)值模擬[J].燃燒科學與技術(shù)，2010，16（6）.endprint

2.2 內(nèi)部流場分析

為分析旋風分離器內(nèi)部流場的變化情況，可在入口溫度變化時，對切向速度與軸向速度變化進行模擬研究。

圓筒內(nèi)流場特點與圓錐體內(nèi)類似，其切向速度與軸向速度均分別呈“M”和“W”分布，與計算模型的分布相吻合?？偟膩碚f，當溫度升高時，旋風分離器的流場的分布形態(tài)不變，切向速度略微減小，而軸向速度略微升高。具體來說，切向速度隨著旋風分離器半徑的減小，先增大后減小，有極大值80 m/s，軸向速度在升氣管外部隨著旋風分離器半徑的減小，先減小后增大，有極小值，在升氣管區(qū)域，隨著半徑的減小也減小。

2.3 分離效率與壓降

旋風分離器的分離效率與壓力損失是評價其性能的常規(guī)指標。根據(jù)不同溫度下，旋風分離器各個粒徑分級效率的追蹤情況，可得出不同溫度下的分級效率曲線如圖2所示。

同時根據(jù)計算流體力學，可得出額定工況下，設(shè)置不同溫度時旋風分離器的分離效率與壓降情況（如表2所示）。

3 飛灰含碳量的測定

飛灰含碳量作為衡量電站鍋爐和機組運行經(jīng)濟性的重要指標之一，其測定可以說明循環(huán)流化床鍋爐燃燒效率的高低，同時也可間接說明旋風分離器分離效率的高低。本文對75 t/h鍋爐負荷下，不同溫度時的飛灰含碳量進行了測定，具體數(shù)值如表3所示。

由表3可知，隨著溫度的降低，飛灰含碳量減少，分離效率與壓降均略增高。而分離效率高時，鍋爐排煙損失減小，燃燒效率會提高。

4 結(jié)論

通過對額定工況下，三種不同溫度下的模擬與計算結(jié)果，可以看出。

（1）隨著入口溫度的升高，旋風分離器內(nèi)部切向速度減小。

（2）隨著入口溫度的升高，軸向速度升高。

（3）隨著入口溫度的升高，壓力損失與分離效率減小，但是幅度均不明顯。由此可以認為溫度對旋風分離器的分離效率及壓降影響較小。

因此在循環(huán)流化床鍋爐低負荷實際運行中，在保證鍋爐穩(wěn)定燃燒的基礎(chǔ)上，提高入口處溫度不能夠達到提高旋風分離器分離效率的目的，同時，還會出現(xiàn)分離器內(nèi)壁形成結(jié)渣等狀況，這會對旋風分離器的運行安全造成影響。

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[11] 何宏舟，黃俊斌.入口下傾旋風分離器分離特性的數(shù)值模擬[J].燃燒科學與技術(shù)，2010，16（6）.endprint

2.2 內(nèi)部流場分析

為分析旋風分離器內(nèi)部流場的變化情況，可在入口溫度變化時，對切向速度與軸向速度變化進行模擬研究。

圓筒內(nèi)流場特點與圓錐體內(nèi)類似，其切向速度與軸向速度均分別呈“M”和“W”分布，與計算模型的分布相吻合?？偟膩碚f，當溫度升高時，旋風分離器的流場的分布形態(tài)不變，切向速度略微減小，而軸向速度略微升高。具體來說，切向速度隨著旋風分離器半徑的減小，先增大后減小，有極大值80 m/s，軸向速度在升氣管外部隨著旋風分離器半徑的減小，先減小后增大，有極小值，在升氣管區(qū)域，隨著半徑的減小也減小。

2.3 分離效率與壓降

旋風分離器的分離效率與壓力損失是評價其性能的常規(guī)指標。根據(jù)不同溫度下，旋風分離器各個粒徑分級效率的追蹤情況，可得出不同溫度下的分級效率曲線如圖2所示。

同時根據(jù)計算流體力學，可得出額定工況下，設(shè)置不同溫度時旋風分離器的分離效率與壓降情況（如表2所示）。

3 飛灰含碳量的測定

飛灰含碳量作為衡量電站鍋爐和機組運行經(jīng)濟性的重要指標之一，其測定可以說明循環(huán)流化床鍋爐燃燒效率的高低，同時也可間接說明旋風分離器分離效率的高低。本文對75 t/h鍋爐負荷下，不同溫度時的飛灰含碳量進行了測定，具體數(shù)值如表3所示。

由表3可知，隨著溫度的降低，飛灰含碳量減少，分離效率與壓降均略增高。而分離效率高時，鍋爐排煙損失減小，燃燒效率會提高。

4 結(jié)論

通過對額定工況下，三種不同溫度下的模擬與計算結(jié)果，可以看出。

（1）隨著入口溫度的升高，旋風分離器內(nèi)部切向速度減小。

（2）隨著入口溫度的升高，軸向速度升高。

（3）隨著入口溫度的升高，壓力損失與分離效率減小，但是幅度均不明顯。由此可以認為溫度對旋風分離器的分離效率及壓降影響較小。

因此在循環(huán)流化床鍋爐低負荷實際運行中，在保證鍋爐穩(wěn)定燃燒的基礎(chǔ)上，提高入口處溫度不能夠達到提高旋風分離器分離效率的目的，同時，還會出現(xiàn)分離器內(nèi)壁形成結(jié)渣等狀況，這會對旋風分離器的運行安全造成影響。

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[10] 包紹麟，王海剛，呂清剛，等.220 t/h CFB鍋爐旋風分離器性能的數(shù)值模擬研究[J].工業(yè)鍋爐，2013（6）.

[11] 何宏舟，黃俊斌.入口下傾旋風分離器分離特性的數(shù)值模擬[J].燃燒科學與技術(shù)，2010，16（6）.endprint