循环流化床(circulating fluidized bed,CFB)锅炉是工业上广泛应用的燃烧设备[1-3]。气固分离器是CFB的关键部件之一,作用是实现气固分离[4-7],收集高温固体物料,并送至炉膛进行循环燃烧,实现热交换与物料平衡,保证炉内燃烧的高效与稳定。下排气旋风分离器是循环流化床锅炉中的气固分离设备[8-14]。下排气旋风分离器的排气管布置在分离器下端[15],与传统的上排气分离器相比,减少了弯头个数[16],利于安装与支撑[17],而且能够较好地适应循环流化床锅炉的π型布置[18]。
虽然下排气旋风分离器的结构内部流动阻力较小,气体流动状况良好,但气固分离效率相对较低,尤其是细颗粒[19]的分离效率较低,导致锅炉飞灰的含碳量较高,锅炉低负荷运行时,容易出现燃烧(流动)不稳定现象[20-21],因此,下排气旋风分离器对于循环流化床锅炉的适应性较差,难以应用于大型工业锅炉,目前仅在中小型锅炉、化工反应器上仍有应用。
下排气旋风分离器在工业锅炉及化工领域还有一定的发展空间,学者们为提升下排气旋风分离器的应用提出了各式各样的改进措施。本文中首先阐述下排气旋风分离器的结构形式及工作原理,并分析循环流化床锅炉运行过程中的有关工业问题,然后叙述了实际生产过程中下排气旋风分离器的应用进展,并对其发展趋势进行了展望,以期为下排气旋风分离器,尤其是与循环流化床配套的类型的设计与优化提供参考。
1 下排气旋风分离器的结构形式及工作原理
循环流化床锅炉内的下排气旋风分离器主要结构包括外筒体、导流体和排气管等,一般采用圆形结构或方形结构[22-28],上部有导流体,下部有排气管(通常为单一的圆筒形),如图1所示。含尘气流由进气管进入旋风分离器时,气流将由直线运动变为圆周运动,旋转气流的绝大部分沿器壁自圆筒体呈螺旋形向下朝锥体流动。此外,颗粒在离心力的作用下被甩向器壁,尘粒一旦与器壁接触,便失去惯性力,而靠器壁附近的向下轴向速度的动量沿壁面下落,进入排灰管。旋转下降的气流在下降过程中不断向分离器的中心部分流入,形成向心的径向气流,最后流入下排气道,最终排出。
图1 下排气旋风分离器的原理示意图
Fig.1 Principle of cyclone separator with downward exhaust gas
图2所示为下排气旋风分离器的结构示意图。对于圆形结构分离器,含尘气流由入口段吹入旋风分离器,在离心力作用下进行旋转运动,颗粒从气流中分离出来,沿器壁下滑进入灰斗,烟气从排气管排出,实现气固分离。该结构的优点在于流动阻力较低、应用广泛、设计成本较低等,缺点是在锅炉内占用空间较大,空间利用率不高。对于方形结构分离器,如图2(b)所示,因结构差异,含尘气流并不作圆周旋转运动,而是沿方形器壁进行多次转折,故离心力较小,且撞击易产生更多细尘导致难以分离。方形结构可以直接依靠水冷壁或气冷壁形成旋风分离器,具有占用空间小、整体结构简洁、安装工时少等优点[19]。
图2 下排气旋风分离器的结构示意图
Fig.2 Structure of cyclone separator with downward exhaust gas
2 循环流化床锅炉运行过程中存在的问题
下排气旋风分离器应用广泛,但是分离效率并不高,影响了循环流化床锅炉的高效运行[29-32],可能会出现下述工业问题[33-36]。
1)锅炉烟气的飞灰含碳量(体积分数)高。因为下排气分离器自身分离效率较低,导致物料循环的利用率不高,部分颗粒因而不能完全燃烧,所以排出的烟气中含碳量较高,最高可达30%[37]。
2)锅炉出现燃烧不稳定现象。当分离效率较低时,返料颗粒的质量减少,循环倍率降低,进而影响炉膛内的燃烧,并影响热交换过程,降低水冷壁的蒸发量,导致锅炉负荷调节困难。尤其是当锅炉处于低工作负荷情况下,返料温度下降明显,难以达到需求温度,可能会出现燃烧不稳定现象[19]。
3)烟气的除尘系统要求高。为了满足日益严格的环保要求,工业上需要对含碳量较高的烟气进行处理,增大了烟气除尘系统[19]的负担,提升了生产成本,并最终影响了企业经济效益。
4)锅炉对煤质的适应性较差。锅炉的燃料主要是劣质煤,发热量较低,灰分较高,故对气固分离装置要求较高[38]。当分离效率较低时,会影响循环系统的热交换与物料平衡,降低锅炉的利用率。
3 下排气旋风分离器的应用
针对上述工业问题,需更深入研究下排气旋风分离器内部流体流动情况,从结构上优化相应设计,以提高最终的分离性能。目前,国内外众多学者提出了各种各样的改进措施,主要集中于底锥斜面、导流体以及排气管3个方面。
3.1 底锥斜面的应用
气流在底锥斜面的湍动能较大,会搅起大量颗粒,造成颗粒的返混[39-45]。图3所示为传统结构设计和改进结构设计的比较。其中,图3(a)所示为传统的通切结构,此结构会增大流场的非轴对称性,使气固分离效率降低。黄盛珠等[46]的研究结果证明,在同样的总高条件下,减小圆柱段分离空间的高度,即当含尘气流旋进时,过早受了底锥斜面的影响,会对颗粒捕集与分离产生不利影响,降低分离效率。大多数烟气的脱硫过程为快速流化床,要求进灰口分布尽可能保持对称、均匀。若采用通切结构,则只有一个出灰口,灰量分布不均;若设置多个进灰口,则为了分配颗粒流量须要增设裤衩管,进一步提高了设计难度,使结构繁杂,布置困难[46-47]。图3(b)所示为较少使用的侧面排气管结构[41],含尘气流受到筒体内部排气管的干扰和阻碍会增大湍动能,降低分离效率。此外,当排气管口高度不高于圆柱段筒体下沿时,会使过量烟气进入排气管,降低气固分离效率。图3(c)所示为采用两侧内外对切方式的优化结构,底锥斜面高度比通切结构减少了50%,增加了气流在旋风分离器内的旋转流程,并降低了返混程度,提高了气固分离效率。此结构设置了2个对称的出灰口,减轻了分离器内流场的非轴对称性。
图3 传统结构设计和改进结构设计的比较
Fig.3 Comparison between conventional and improved structure design
针对型如图3(c)所示改进结构的旋风分离器,黄盛珠等[46]对其在双循环流化床烟气脱硫装置中的工作情况进行了研究,结果表明,优化后的分离器具有阻力小、效率高的优越性能,适用于半干法双循环流化床烟气脱硫装置。张立强等[48]通过对改进结构进行数值模拟,建模比较,发现下排气旋风分离器的内部流动阻力小于上排气旋风分离器的。
3.2 导流体的应用
导流体是下排气旋风分离器的关键构成部分,主要作用是引导气流与颗粒旋转,维持需要的旋流强度,使更多的颗粒运动到壁面[49]。优秀的导流体设计可以减小气固分离装置内的流动阻力,从而提高总分离效率和分级效率[50]。
3.2.1 导流体形状
为了探究不同导流体形状对下排气旋风分离器的分离效率的影响,奚金祥等[51]分别对端部为圆柱形、倒杯形及锥形的导流体(如图4所示)进行了数值模拟。结果表明,锥形导流体的分离效率最高,圆柱形稍低,倒杯形最低。锥形导流体的截面变小,从而使得局部压力损失减小,气流更加顺畅地从排气管排出,不仅能够削弱环形空间颗粒流的短路现象,而且可以减弱排气管口上方的颗粒夹带,提高了分离效率。
图4 不同导流体形状的下排气旋风分离器
Fig.4 Different guide body shapes of cyclone separators with downward exhaust gas
王磊等[50]对5种导流体形状(圆柱形、圆锥形、倒杯型、圆球形和杯形)进行研究,结果如图5所示。研究结果表明,当颗粒直径小于35 μm时,圆锥形和杯形导流体具有较高的分离效率,倒杯形导流体分离效率最低;在30～50 μm之间,圆锥形导流体分离效果最佳。当颗粒直径大于50 μm时,5种结构的分离效率相差不大,都接近100%。
图5 5种不同形状的导流体
Fig.5 Five guide bodys with different shapes
3.2.2 导流体直径
对于不同导流体直径的分离器,王文等[19]进行数值模拟分析,结果表明,随着导流体直径的增加,分离效率呈现增加趋势,之后会抵达一个最大值,继续增大导流体直径会使分离效率下降。当导流体直径与旋风分离器直径的比值约为0.45时,分离效率最高,约为85%。探究该现象的原因为当导流体直径较小时,气流的旋转运动不够强烈,不能起到导引气流的作用;当导流体直径较大时,部分入口气流会被导流体阻挡,导致产生二次流环绕导流体流动,使流场的湍动程度增加,分离性能降低。
3.2.3 导流体长度
刘振斌等[52]采用冷态对比实验,研究导流体长度对下排气旋风分离器性能存在的影响,发现导流体长度为筒体直径的60%左右时,分离效率最高,约为83%;长度过短,起不到导流作用,过长则会导致底部颗粒返混。
3.3 排气结构的应用
3.3.1 排气管结构
杨群峰等[53]在排气管的后侧开槽,并加装颗粒收集装置,对排气管内的颗粒进行二次分离,处理后的排气管开槽结构如图6所示。因进入排气管内的颗粒仍处于旋转运动状态,排气管后侧开槽巧妙地利用了气流的离心力作用,对颗粒进行二次分离,大量颗粒从开孔处分离出来,经颗粒收集装置进行二次收集,极为有效地提高了分离器自身的气固分离性能。
图6 排气管开槽的结构
Fig.6 Structure of slotted exhaust pipe
吴灵辉等[54]对正、倒圆台形式的排气管进行分析,发现倒圆台形式的分离效率要高于正圆台形式和圆筒形式,如图7所示。杨仲卿等[55]发现排气管采用圆台入口时,合理设计的圆台结构和尺寸,能够改善灰斗内颗粒返混情况,使分离器的分离效率从84.4%提高到86.5%。
3.3.2 排气管直径与插入深度
图7所示为6种提高排气结构性能的措施。郝晓文等[49]研究了下排气旋风分离器内的流动特性,发现气流极易在灰斗内形成涡流,且涡流尺度较大,而增加排气管直径(如图7(b)所示),能够减少灰斗内涡流,减小分离器的压力损失,但会降低分离效率。王文等[19]发现排气管直径减小,气流进入排气管的旋转运动强度增大,压力损失增加,但分离效率提高。王孝全等[56]对旋风分离器的排气管进行了深入研究,最终发现随着排气管插入分离器内的深度增加,分离效率有先增后减的趋势,且存在最大值。
图7 几种提高排气结构性能的措施
Fig.7 Several methods to improve separation performance of vortex finder
3.3.3 排气管插入高度
排气管插入高度靠近底锥斜面,会增大底锥斜面附近的湍动能,造成颗粒返混,且排气管口高度不应低于圆柱段筒体下沿,否则会导致高湍动能、高含灰量的气流大量进入排气管,最终降低分离效率。杨仲卿等[55]认为,在一定区间内,提高排气管的插入高度,虽然会增加压力损失,但分离效率能够得到有效提高。根据数值模拟的结果在排气管口以下部分,外侧气流向下,内侧气流向上,当上升到管口附近时有一部分随向下气流而下行,即存在着大尺度涡。插入高度增大会导致烟气在分离器内旋转圈数增加且行程增长,阻力损失增大,有利于分离粉尘颗粒。
3.3.4 排气管偏移及偏置
排气管的偏移会导致排出气出现偏心现象,然而偏心距离较小时,流场影响不明显。马全等[57]研究表明当排气管偏移较小时,对上排气旋风分离器的流场影响不大。李双权等[58]、陈娟等[59]对上排气管进行偏置,发现偏置角为255°时,旋风分离器分离效率最高。对于下排气型旋风分离器内部排气管的偏置,尚未见报道。
4 下排气旋风分离器的优化改进
为了解决工业应用中下排气旋风分离器存在的分离效率不高、流场不稳定等问题,笔者认为对下排气旋风分离器进行优化改进应从以下几个方面入手,以改善下排气型旋风分离器的内部流动特性,增强工业应用效果,提高设备生产效率。
4.1 结构改进的组合应用
在工业应用中,结构改进有时不是单一应用,而是可以诸多方式并行。杨仲卿等[55]对处理量为75 t/h的循环流化床锅炉进行分析,发现当下排气旋风分离器的入口结构改为渐缩型、排气管位置下移,并采用圆台形进气口,可以大大提升旋风分离器对细颗粒的分离效率,但压降也有所增加。邱冰冰等[60]提出了一种新型高效换热分离器,换热部分增设了翅片热管进行换热,除尘部分则采用“旋风子”,提高了热交换效率。Sibanda等[61]在旋风分离器内安装了错流过滤原件,改善了分离器内细颗粒的捕集情况,提高了分离效率。可见,综合应用结构改进技术,多管齐下,可以高效利用旋风分离器内部流动空间,使分离器的分离效率在单一结构改进的基础上得到进一步提升,这应是今后旋风分离器工业应用的研究方向之一。
4.2 内构件的安装与使用
在工业生产应用过程中,假如采用结构优化的方式,需要用新的分离器更换旧的分离器,这会增加生产成本、加大工程量。邱坤赞等[62]在下排气方形分离器进口管正对壁面的上、下两角加导流板,削弱了角涡流动,降低了压力损失,但分离效率也略有降低;王连泽等[63]、龚安龙等[64-65]通过在分离器内添加减阻杆,降低了湍流脉动,大幅降低了旋风分离器内的阻力;Silvac等[66]在入口处添加导流板,减轻了入口处的压缩现象,进一步提高了分离效率;毛羽等[67]开发的分流型芯管,可以避免粗颗粒因在分离器内弹跳而被带出,同时能够提高细颗粒的捕集效率;Browne等[68]设计了较为适用且高效的消旋器,导直了排气管内气流;Arkadiusz等[69]对防涡器进行了深入发掘,发现防涡器虽然可以减弱管道内颗粒旋转,但同时也会导致发生绕流。吴小林等[70]在灰斗上部安设防返混锥,降低了旋进涡核的强度;Wasilewski等[71]对15个不同角度的防返混锥体进行实验分析,实验结果表明,当角度为85°时能最大限度地减弱颗粒返混;宋承明等[72]在旋风分离器内,增设涡核破碎翼,在保证分离效率的情况下,显著减小了压力损失。由此可见,在不修改原旋风分离器构型的情况下,通过增设内构件来进一步提高分离效率,会是未来旋风分离器工业生产应用领域的发展热点。
4.3 新型分离器的开发
随着科技的进步,化工生产领域新工艺、新设备的不断涌现,在实际生产中,还会出现各具特色的新型分离器。陈汉平等[73-74]最早提出并研制了下排气旋风分离器,适应了锅炉的π型布置。岑可法等[75]提出了方形分离器的设计理念,利用膜式壁构成方形腔体,节约了生产成本。浙江大学热能工程研究所创新性的研发了一种方形下排气热交换分离器,提高了锅炉的热交换效率[76]。Basu等[77]研发出下排气双管分离器,对于直径大于100 μm的固体颗粒,该分离器的分离效率大于90%。程乐鸣等[78]研发了一种新型卧式热交换方形分离器,结构与立式结构有较大区别,不仅具有体积小、重量轻、竖直高度小等特点,而且筒体可由水冷或气冷膜式壁组成,高效利用了锅炉内部的有限空间,提升了生产的经济效益。Haake等[79]将旋风分离器的底部替换为方腔,同时在内部放置限流板,使整个结构反转,结果表明,压降较原旋风分离器有所减小。张蕾蕾等[80]对一种斜向出口的新型下排气旋风分离器进行了数值模拟,发现与传统下排气旋风分离装置相比,新型分离器对细颗粒的分离效率更高,但受气流速度影响较大,风速过大时极易形成湍流导致分离效率下降。可见,随着新型分离器的开发,下排气旋风分离器的分离效率将会进一步提高,可以以更低的生产成本满足日益严格的环保及工艺要求,创造更多经济价值。
4.4 新材料的开发与设备的使用寿命
循环流化床锅炉下排气旋风分离器内部设置有防磨层和绝热层,以避免散热损失过大、外表面温度过高等情况,同时降低壁面磨损程度。对分离器使用新材料,提升耐磨抗损绝热性能,能够有效提高设备的使用寿命,从另一方面保证了旋风分离器的高效运转。李洪杰等[81]在旋风分离器的旋风筒上运用组合陶瓷片,发现组合陶瓷片能够改善设备的耐用性,提高使用寿命,降低维护次数与维护工时。何祥义等[82]对循环流化床锅炉内部旋风分离器进行研究,发现含二氧化硅材质的耐火砖抗压强度高,在高温下具有一定的韧性,且具有良好的耐磨性。庞赞松[83]采用不锈钢材料构成旋风分离器的圆筒上部与气体切入口,采用耐火材料构成分离器内部,在保持了良好的高温性能的同时也有一定的对水汽等的抗腐蚀能力。可见,通过研发与应用新材料以提高分离器的使用寿命,降低生产成本也是未来旋风分离器工业应用的发展方向之一。
5 结论
为了适应循环流化床锅炉的π型布置下对气固分离的需要而发展起来的下排气旋风分离器存在分离效率低、流场不稳定等诸多问题,为了提高分离器的分离性能,学者们提出了各种各样的改进措施,主要集中于底锥斜面、导流体和排气管3个方面。下排气旋风分离器技术的发展应该从结构改进的组合应用、内构件的安装与使用、新型分离器的开发和新材料的开发等4个方面入手,改善下排气旋风分离器的内部流动特性,增强工业应用效果,提高设备利用效率。
目前,部分改进措施虽然改善了下排气旋风分离器的内部流动,但并没有进行大面积普及。工业应用不仅要考虑分离效率与压降,也要考虑流动特性、安装难易程度、磨损状况等诸多因素。随着科技的发展和社会的进步,下排气旋风分离器仍有较为广阔的工业应用空间,能够为国民生产生活做出贡献。
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