循环流化床锅炉旋风分离器气流温度性能研究

孙敬伟　雷蕾

摘 要：本文在对江苏某电厂循环流化床旋风分离器数值研究的基础上，结合生产现场实践，对分离器气流温度的性能特性进行研究分析，研究结果表明：随着入口温度的升高，旋风分离器内部轴向速度升高，切向速度减小，压力损失与分离效率减小，但是幅度均不明显。因而在保证锅炉稳定燃烧基础上的实际运行中，提高入口处温度不能够达到提高旋风分离器分离效率的目的，同时还会出现分离器内壁形成结渣等状况，对旋风分离器的运行安全造成影响。

关键词：循环流化床 旋风分离器 性能研究

中图分类号：TM62 文献标识码：A 文章编号：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.

旋风分离器是循环流化床锅炉的主要部件之一，其性能对循环流化床锅炉的燃烧及效率有着十分重要的影响。而旋风分离器作为一种重要的分离设备，虽其结构简单，但内部三维湍流流场十分复杂，对此，本文选用FLUENT流体分析软件，采用计算流体力学方法，从计算模型入手，同时以电厂75 t/h循环流化床锅炉的旋风分离器实际运行参数为基础，分析研究在额定工况下温度变化对旋风分离器性能的影响，并通过飞灰含碳量的测定数据对其性能影响进行了分析验证。

1 旋风分离器数值模拟

1.1 数值模拟理论基础

本文对江苏徐州大屯某电厂75 t/h循环流化床锅炉锅炉额定负荷的实际数据进行了计算（见表1），为旋风分离器进行数值模拟提供了理论基础。

1.2 湍流模型

本文选取连续性方程、动量方程以及能量方程等对控制流体运动的方程进行描述，并采用SIMPLEC算法求解控制方程。

一般的，对于旋风分离器气相流场多使用标准模型，模型以及RSM模型进行模拟。但标准模型与模型都主要基于各项同性的模型，对此，本文选用了更适合强旋流场模拟的雷诺应力模型（RSM）。

1.3 计算模型与网格划分

1.3.1 几何模型与网格划分

本文选用的是现场实际的直切式旋风分离器为模型，其模型和结构尺寸如图1所示。同时针对其筒体与进气管连接处形状尖锐等结构特点，采用了分块生成网格的办法。

对于分离特性比较明显的区域如旋风分离器内部、圆筒体以及圆锥体，本文选取了Y=3 m和Y=9 m两个曲线对旋风分离器的性能进行研究，并将坐标轴的横坐标定为曲线长度，具体曲线起点至终点的长度如图1所示。

本文选用ICEM-CFD软件完成了物理模型的网格划分，具体的将旋风分离器分成上、下两部，并用interface链接，其网格质量可达0.6以上，网格数量约在170万左右。

1.3.2 边界条件

边界条件：入口处：气流为常温空气，速度取值11.47 m/s；出口处：所有变量在出口截面法向上梯度为零，即按照充分发展管流条件进行处理；壁面处：采用无滑移条件，并用壁面函数对近壁网格点进行近似处理。

2 模拟结果与讨论

本文在额定工况即75 t/h锅炉负荷下，在进口设置温度分别为750 ℃、850 ℃、900 ℃时对旋风分离器进行了数值模拟，以此讨论温度对旋风分离器性能的影响。

2.1 压强分析

（1）圆筒内区域（Y=3 m）。

不同温度下圆筒内区域的静压及动压分别呈“V”型和“M”分布。总的来说，随着温度的升高，静压及动压均呈递减趋势。具体来说，对于静压，在圆筒中心处取到最小值，且随着旋风分离器半径的减小而减小；对于动压，在升气管外部区域随半径的减小而增大，在升气管内部区域随着半径的减小而减小，且有极小值0 Pa。

（2）圆锥体内区域（Y=9 m）。

旋风分离器圆锥体内部区域的静压及动压分布状况与圆筒内区域类似，依然呈“V”型和“M”分布。当温度升高时，静压及动压略微减小，且静压有极小值-5000 Pa，而随着旋风分离器半径的减小，动压先增大后减小，有极大值约为4000 Pa。endprint

2.2 内部流场分析

为分析旋风分离器内部流场的变化情况，可在入口温度变化时，对切向速度与轴向速度变化进行模拟研究。

圆筒内流场特点与圆锥体内类似，其切向速度与轴向速度均分别呈“M”和“W”分布，与计算模型的分布相吻合。总的来说，当温度升高时，旋风分离器的流场的分布形态不变，切向速度略微减小，而轴向速度略微升高。具体来说，切向速度随着旋风分离器半径的减小，先增大后减小，有极大值80 m/s，轴向速度在升气管外部随着旋风分离器半径的减小，先减小后增大，有极小值，在升气管区域，随着半径的减小也减小。

2.3 分离效率与压降

旋风分离器的分离效率与压力损失是评价其性能的常规指标。根据不同温度下，旋风分离器各个粒径分级效率的追踪情况，可得出不同温度下的分级效率曲线如图2所示。

同时根据计算流体力学，可得出额定工况下，设置不同温度时旋风分离器的分离效率与压降情况（如表2所示）。

3 飞灰含碳量的测定

飞灰含碳量作为衡量电站锅炉和机组运行经济性的重要指标之一，其测定可以说明循环流化床锅炉燃烧效率的高低，同时也可间接说明旋风分离器分离效率的高低。本文对75 t/h锅炉负荷下，不同温度时的飞灰含碳量进行了测定，具体数值如表3所示。

由表3可知，随着温度的降低，飞灰含碳量减少，分离效率与压降均略增高。而分离效率高时，锅炉排烟损失减小，燃烧效率会提高。

4 结论

通过对额定工况下，三种不同温度下的模拟与计算结果，可以看出。

（1）随着入口温度的升高，旋风分离器内部切向速度减小。

（2）随着入口温度的升高，轴向速度升高。

（3）随着入口温度的升高，压力损失与分离效率减小，但是幅度均不明显。由此可以认为温度对旋风分离器的分离效率及压降影响较小。

因此在循环流化床锅炉低负荷实际运行中，在保证锅炉稳定燃烧的基础上，提高入口处温度不能够达到提高旋风分离器分离效率的目的，同时，还会出现分离器内壁形成结渣等状况，这会对旋风分离器的运行安全造成影响。

参考文献

[1] 金国淼.除尘设备[M].北京：化学工业出版社，2002.

[2] 陈海娥，李康，刘金玉，等.旋风除尘CFD 分析[J].设计计算研究，2003（4）.

[3] 赵兵涛，沈恒根，许文元，等.旋风分离器内气固分离模型的研究进展[J].中国粉体技术，2003（6）.

[4] 刘子红，肖波，杨家宽.旋风除尘器两相流研究综述[J].中国粉体技术，2003，3（6）：41-44.

[5] 魏新利，张海红，王定标.旋风分离器流场的数值计算方法研究明[J].郑州大学学报：工学版，2005，26（l）：58-59.

[6] 宋健斐，魏耀东，时铭显.旋风分离器内颗粒浓度场的数值模拟明[J].中国石油大学学报：自然科学版，2008，32（l）：90-91.

[7] 王广军，陈红.电厂锅炉细粉分离器性能分析数学模型[J].中国电机工程学报，2001，21（9）.

[8] 向晓东.现代除尘理论与技术[M].北京：冶金工业出版社，2002.

[9] 潘小强，袁璟.CFD软件在工程流体数值模拟中的应用[J].南京工程学院学报：自然科学版，2004，2（1）.

[10] 包绍麟，王海刚，吕清刚，等.220 t/h CFB锅炉旋风分离器性能的数值模拟研究[J].工业锅炉，2013（6）.

[11] 何宏舟，黄俊斌.入口下倾旋风分离器分离特性的数值模拟[J].燃烧科学与技术，2010，16（6）.endprint

2.2 内部流场分析

为分析旋风分离器内部流场的变化情况，可在入口温度变化时，对切向速度与轴向速度变化进行模拟研究。

圆筒内流场特点与圆锥体内类似，其切向速度与轴向速度均分别呈“M”和“W”分布，与计算模型的分布相吻合。总的来说，当温度升高时，旋风分离器的流场的分布形态不变，切向速度略微减小，而轴向速度略微升高。具体来说，切向速度随着旋风分离器半径的减小，先增大后减小，有极大值80 m/s，轴向速度在升气管外部随着旋风分离器半径的减小，先减小后增大，有极小值，在升气管区域，随着半径的减小也减小。

2.3 分离效率与压降

旋风分离器的分离效率与压力损失是评价其性能的常规指标。根据不同温度下，旋风分离器各个粒径分级效率的追踪情况，可得出不同温度下的分级效率曲线如图2所示。

同时根据计算流体力学，可得出额定工况下，设置不同温度时旋风分离器的分离效率与压降情况（如表2所示）。

3 飞灰含碳量的测定

飞灰含碳量作为衡量电站锅炉和机组运行经济性的重要指标之一，其测定可以说明循环流化床锅炉燃烧效率的高低，同时也可间接说明旋风分离器分离效率的高低。本文对75 t/h锅炉负荷下，不同温度时的飞灰含碳量进行了测定，具体数值如表3所示。

由表3可知，随着温度的降低，飞灰含碳量减少，分离效率与压降均略增高。而分离效率高时，锅炉排烟损失减小，燃烧效率会提高。

4 结论

通过对额定工况下，三种不同温度下的模拟与计算结果，可以看出。

（1）随着入口温度的升高，旋风分离器内部切向速度减小。

（2）随着入口温度的升高，轴向速度升高。

（3）随着入口温度的升高，压力损失与分离效率减小，但是幅度均不明显。由此可以认为温度对旋风分离器的分离效率及压降影响较小。

因此在循环流化床锅炉低负荷实际运行中，在保证锅炉稳定燃烧的基础上，提高入口处温度不能够达到提高旋风分离器分离效率的目的，同时，还会出现分离器内壁形成结渣等状况，这会对旋风分离器的运行安全造成影响。

参考文献

[1] 金国淼.除尘设备[M].北京：化学工业出版社，2002.

[2] 陈海娥，李康，刘金玉，等.旋风除尘CFD 分析[J].设计计算研究，2003（4）.

[3] 赵兵涛，沈恒根，许文元，等.旋风分离器内气固分离模型的研究进展[J].中国粉体技术，2003（6）.

[4] 刘子红，肖波，杨家宽.旋风除尘器两相流研究综述[J].中国粉体技术，2003，3（6）：41-44.

[5] 魏新利，张海红，王定标.旋风分离器流场的数值计算方法研究明[J].郑州大学学报：工学版，2005，26（l）：58-59.

[6] 宋健斐，魏耀东，时铭显.旋风分离器内颗粒浓度场的数值模拟明[J].中国石油大学学报：自然科学版，2008，32（l）：90-91.

[7] 王广军，陈红.电厂锅炉细粉分离器性能分析数学模型[J].中国电机工程学报，2001，21（9）.

[8] 向晓东.现代除尘理论与技术[M].北京：冶金工业出版社，2002.

[9] 潘小强，袁璟.CFD软件在工程流体数值模拟中的应用[J].南京工程学院学报：自然科学版，2004，2（1）.

[10] 包绍麟，王海刚，吕清刚，等.220 t/h CFB锅炉旋风分离器性能的数值模拟研究[J].工业锅炉，2013（6）.

[11] 何宏舟，黄俊斌.入口下倾旋风分离器分离特性的数值模拟[J].燃烧科学与技术，2010，16（6）.endprint

2.2 内部流场分析

为分析旋风分离器内部流场的变化情况，可在入口温度变化时，对切向速度与轴向速度变化进行模拟研究。

圆筒内流场特点与圆锥体内类似，其切向速度与轴向速度均分别呈“M”和“W”分布，与计算模型的分布相吻合。总的来说，当温度升高时，旋风分离器的流场的分布形态不变，切向速度略微减小，而轴向速度略微升高。具体来说，切向速度随着旋风分离器半径的减小，先增大后减小，有极大值80 m/s，轴向速度在升气管外部随着旋风分离器半径的减小，先减小后增大，有极小值，在升气管区域，随着半径的减小也减小。

2.3 分离效率与压降

旋风分离器的分离效率与压力损失是评价其性能的常规指标。根据不同温度下，旋风分离器各个粒径分级效率的追踪情况，可得出不同温度下的分级效率曲线如图2所示。

同时根据计算流体力学，可得出额定工况下，设置不同温度时旋风分离器的分离效率与压降情况（如表2所示）。

3 飞灰含碳量的测定

飞灰含碳量作为衡量电站锅炉和机组运行经济性的重要指标之一，其测定可以说明循环流化床锅炉燃烧效率的高低，同时也可间接说明旋风分离器分离效率的高低。本文对75 t/h锅炉负荷下，不同温度时的飞灰含碳量进行了测定，具体数值如表3所示。

由表3可知，随着温度的降低，飞灰含碳量减少，分离效率与压降均略增高。而分离效率高时，锅炉排烟损失减小，燃烧效率会提高。

4 结论

通过对额定工况下，三种不同温度下的模拟与计算结果，可以看出。

（1）随着入口温度的升高，旋风分离器内部切向速度减小。

（2）随着入口温度的升高，轴向速度升高。

（3）随着入口温度的升高，压力损失与分离效率减小，但是幅度均不明显。由此可以认为温度对旋风分离器的分离效率及压降影响较小。

因此在循环流化床锅炉低负荷实际运行中，在保证锅炉稳定燃烧的基础上，提高入口处温度不能够达到提高旋风分离器分离效率的目的，同时，还会出现分离器内壁形成结渣等状况，这会对旋风分离器的运行安全造成影响。

参考文献

[1] 金国淼.除尘设备[M].北京：化学工业出版社，2002.

[2] 陈海娥，李康，刘金玉，等.旋风除尘CFD 分析[J].设计计算研究，2003（4）.

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[4] 刘子红，肖波，杨家宽.旋风除尘器两相流研究综述[J].中国粉体技术，2003，3（6）：41-44.

[5] 魏新利，张海红，王定标.旋风分离器流场的数值计算方法研究明[J].郑州大学学报：工学版，2005，26（l）：58-59.

[6] 宋健斐，魏耀东，时铭显.旋风分离器内颗粒浓度场的数值模拟明[J].中国石油大学学报：自然科学版，2008，32（l）：90-91.

[7] 王广军，陈红.电厂锅炉细粉分离器性能分析数学模型[J].中国电机工程学报，2001，21（9）.

[8] 向晓东.现代除尘理论与技术[M].北京：冶金工业出版社，2002.

[9] 潘小强，袁璟.CFD软件在工程流体数值模拟中的应用[J].南京工程学院学报：自然科学版，2004，2（1）.

[10] 包绍麟，王海刚，吕清刚，等.220 t/h CFB锅炉旋风分离器性能的数值模拟研究[J].工业锅炉，2013（6）.

[11] 何宏舟，黄俊斌.入口下倾旋风分离器分离特性的数值模拟[J].燃烧科学与技术，2010，16（6）.endprint