CN104235834B - 循环流化床锅炉用高温分离器 - Google Patents

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Abstract

循环流化床锅炉用高温分离装置，包括分离器(1)，炉壁(2)，支撑板(3)，炉膛(4)和冷却烟道(5)，冷却烟道(5)侧壁，支撑板(3)，炉膛(4)顶部排烟口和炉壁(2)共同围成均压室(6)，均压室(6)均布多个分离器(1)圆柱筒，以分离器(1)轴线为中心环状阵列多个切向进气的烟气导流通道(11)，烟气导流通道(11)均匀相间插入富氧空气管(7)，烟气导流通道(11)宽度不超过1/10倍分离器(1)圆柱筒内径,长度为1/4倍～1/2倍分离器(1)圆柱筒内径。CFB锅炉可使用本发明。锅炉飞灰含碳降低12％～13％，进入冷却烟道(5)烟温提高100℃～150℃，热效率提高21％，可燃用烟煤。

Description

循环流化床锅炉用高温分离器
技术领域 发明涉及一种具有“富氧燃烧、飞灰高温燃烬、均匀旋流、气粒高效分离”等技术特征的循环流化床锅炉用高温分离装置，适用于130t/h及以下新型燃煤循环流化床锅炉建设、老旧低效燃煤循环流化床锅炉节能技改或扩建、洁净煤燃烧领域使用。
背景技术 因具有煤种适应性广、热效率高，NOx排放低、实现炉内脱硫等优势，燃煤循环流化床(CFB)锅炉越来越引起人们的重视。高效气粒分离技术是CFB锅炉节能技改主要途径之一，也是CFB锅炉发展的关键。
CFB锅炉流化速度处在夹带速度和气力输送速度之间。粉尘飞灰在炉膛里短时间停留后，被烟气大量夹带进入高温分离器,粉尘从烟气中分离下来后送回床内循环燃烧。分离器结构形式有方型、圆柱型及其改进型，从炉膛出口到分离器入口的烟道有传统短烟道及改进型长烟道，有单管及多管、上排气高温分离及“炉膛出口上排气高温分离+省煤器之后下排气中低温分离”、绝热及水冷。专利CN102109165 A公开一种内置式水冷(膜式壁)高温分离器，分离器既是锅炉蒸发受热面的一部分，同时又保护分离器免受高温烟气烧坏。专利CN2527860Y公开一种改变速度大小借助颗粒重力惯性力分离粉尘的多管水冷高温U形分离器。专利CN202382231 U公开一种分离器前墙和炉膛后墙合二为一的整体式分离器。专利CN202040807 U公开一种台阶式下排气中低温多管分离器，分离器包括偏心导流锥，台阶式下灰管等高结构做到各个分离器气粒分离作用均匀一致。分离器设计中气粒分离效率一般取99％，但实际运行中分离效率具体数值很少见报道。另外，现有CFB锅炉分离器内绝大多数以常氧空气燃烧为主，温度偏低，甚至不发生飞灰燃烧反应，离开分离器烟气温度低，飞灰含碳量高，有节能潜力。这些分离器只是单烟气导流通道，分离器内旋流驱动力小、沿圆周方向气流切向速度变化明显、分离器内腔温度低、不燃烧或常氧空气燃烧、排烟温度低、排烟飞灰浓度高、飞灰含碳量高。据不完全统计，依据分离器结构不同，传统CFB锅炉布袋飞灰含碳在15％～20％之间，有的甚至高到40％，CFB锅炉综合热效率只有65％左右。
开发结构及加工简单、调控性好、均匀旋流、飞灰高效燃烬、气粒高效分离和飞灰含碳量低的循环流化床锅炉用高效分离技术，具有良好的经济、节能环保和社会效益。
发明内容 为了克服传统CFB锅炉高温分离器单烟气导流通道旋流驱动力小、沿圆周方向气流切向速度变化明显、分离器内腔温度低、不燃烧或常氧空气燃烧、排烟飞灰浓度高、飞灰含碳量高等缺点，发明公布一种具有“均压室并联均匀布置多个多烟气导流通道式富氧旋风分离器”结构特征，“富氧燃烧、飞灰高温燃烬、均匀旋流、气粒高效分离”等技术特征的循环流化床锅炉用高温分离装置。
循环流化床锅炉用高温分离装置，主要包括分离器，炉壁，水平布置的支撑板，炉膛和冷却烟道，分离器为上排气式旋风分离器，支撑板包括底部钢板和上部耐火浇注层，冷却烟道侧壁面，支撑板上表面，炉膛顶部竖直排烟口和炉壁共同围成均压室，均压室呈方体状，支撑板均匀布置多个圆柱孔,每个圆柱孔布置一个分离器，分离器圆柱筒顶面和均压室顶面共面，分离器圆柱筒底面和支撑板下表面共面且满焊联结，分离器的多个烟气导流通道和分离器圆柱筒侧壁面相切联结，烟气导流通道围绕分离器圆柱筒侧壁环状均匀阵列布置，烟气导流通道宽度不超过1/10倍分离器圆柱筒内径,长度为1/4倍～1/2倍分离器圆柱筒内径,高度和均压室内腔高度相等，富氧空气管穿过均压室顶面竖直伸入烟气导流通道内，富氧空气管平行于轴线的管壁上布置一排等间距细小圆孔供富氧空气切向喷入分离器圆柱筒内，富氧空气管管壁圆孔中心和轴线位于通过烟气导流通道宽边中点的烟气导流通道中截面上，环状阵列的烟气导流通道进口端均匀相间插入富氧空气管，排气管进口端沿分离器轴线穿过均压室顶面向下伸至分离器圆锥台筒大底面中心。
130t/h及以下新型燃煤循环流化床锅炉建设，老旧低效燃煤CFB锅炉节能技改或扩建、洁净煤燃烧领域，可以使用本发明。
发明经济、节能环保和社会效益显著。工业应用表明：分离器分离下来的粉尘粒径小于80μm份额大于90％；布袋室飞灰含碳低至3％～7％；进入冷却烟道的烟气温度提高100℃～150℃，锅炉整体装置热效率达到86％以上；燃煤适应性增强，可以低热值烟煤替代原优质无烟煤。
附图说明
图1为循环流化床锅炉用高温分离装置水平剖视图，图2为循环流化床锅炉用高温分离装置竖直剖视图。1为分离器，11为烟气导流通道，12为排气管，13为圆锥台筒，14为下灰管，2为炉壁，3为支撑板，4为炉膛，5为冷却烟道，6为均压室，7为富氧空气管。c为高粉尘烟气，d为富氧空气，e为低飞灰烟气，f为粉尘。
具体实施方式：
下面结合附图对发明作进一步的说明。
如附图1和附图2所示，循环流化床锅炉用高温分离装置，主要包括分离器1，炉壁2，水平布置的支撑板3，炉膛4和冷却烟道5。分离器1为上排气式旋风分离器。支撑板3包括底部钢板和上部耐火浇注层。
冷却烟道5侧壁面，支撑板3上表面，炉膛4顶部竖直排烟口和炉壁2共同围成均压室6，均压室6呈方体状。支撑板3均匀布置多个圆柱孔供分离器1圆柱筒分别穿过，每个圆柱孔布置一个分离器1，每个分离器1圆柱筒顶面和均压室6顶面共面，每个分离器1圆柱筒底面和支撑板3下表面共面且满焊联结，支撑板3支撑分离器1的重量。冷却烟道5侧壁面，支撑板3上表面和炉膛4顶部竖直排烟口组成“U”面，炉壁2壁面组成“П”面，“U”面和“П”面围成方体状均压室6。均压室6一个侧面和炉膛4顶部竖直排烟口共面,其余三个竖直侧面和水平顶面被炉壁2围成,底面被钢板上覆耐火浇注料的支撑板3围成。均压室6内并列竖直均匀布置多个分离器1圆柱筒。
分离器1设置有多个烟气导流通道11，烟气导流通道11和分离器1的圆柱筒侧壁面相切联结，烟气导流通道11围绕分离器1圆柱筒侧壁环状均匀阵列布置。以分离器1轴线为中心环状均匀阵列多个切向进气的烟气导流通道11，烟气导流通道11宽度不超过1/10倍分离器1圆柱筒内径,长度为1/4倍～1/2倍分离器1圆柱筒内径,高度和均压室6内腔高度相等。烟气导流通道11总数为二个及以上的偶数。富氧空气管7穿过均压室6顶面竖直伸入烟气导流通道11内，富氧空气管7平行于轴线的管壁上布置一排等间距细小圆孔供富氧空气d以较高速度切向喷入分离器1内腔。富氧空气管7管壁圆孔中心和轴线位于通过烟气导流通道11宽边中点的烟气导流通道11中截面上，烟气导流通道11进口端均匀相间插入富氧空气管7，一个烟气导流通道11只插入一根富氧空气管7。分离器1排气管12呈“П”形，排气管12进口端沿分离器1轴线穿过均压室6顶面向下伸至圆锥台筒13大底面中心，出口端伸至冷却烟道5内过热器前。分离器1圆柱筒在均压室6内，圆锥台筒13及下灰管14在均压室6之外。
炉膛4和均压室6通过炉膛4顶部竖直排烟口相连通，均压室6和分离器1通过烟气导流通道11相连通，分离器1和冷却烟道5通过排气管12相连通，均压室6和冷却烟道5相隔一道炉墙2，分离器1和炉膛4底部通过下灰管14相连通。
炉膛4高粉尘烟气c离开炉膛4顶部竖直排烟口后，直接进入均压室6,然后均匀分配到多个烟气导流通道11进入分离器1圆柱筒内，在旋流离心力作用下气粒高效分离，低飞灰烟气e经排气管12送入冷却烟道5，粉尘f经下灰管14送回炉膛4底部进行循环燃烧。
除炉膛4顶部竖直排烟口外的均压室6三个内侧面和顶面，分离器1圆柱筒、圆锥台筒13和下灰管14内壁面之前可以布置膜式水冷壁，可以不布置膜式水冷壁。布置膜式水冷壁时，分离器1既是锅炉蒸发受热面的一部分，同时又保护分离器1免受高温烟气烧坏，使其使用寿命及检修周期大大延长。
在炉膛4压力作用下，850℃～1050℃未燃烬高粉尘烟气c以较高流速从炉膛4顶部竖直排烟口离开炉膛4进入均压室6。在均压室6稳定均匀压力作用下，高粉尘烟气c被均匀分散到多个分离器1的多个烟气导流通道11，经烟气导流通道11切向进入分离器1圆柱筒而产生逆时针方向旋转运动。在离心力作用下，将烟气中的粉尘抛向筒壁，使气粒两相初步分离。分离出来的粉尘通过圆锥台筒13侧壁面导流作用流入下灰管14。低飞灰烟气e在分离器1内逆时钟方向向上流动，进入排气管12中继续旋流流动，在离心力作用下，烟气中微粒被抛向排气管12内壁，继而向下流动掉入排气管12以外下行粉尘中，最终在罗茨风机辅助风作用下，经下灰管14稳定送回炉膛4底部进行循环燃烧。高压辅助风可以避免下灰管14中粉尘f迟滞堵塞而影响锅炉运行的安全可靠性。分离器1圆柱筒内下行的烟气旋流方向和上行的烟气旋流方向相同，同为逆时针方向或同为顺时针方向。高粉尘烟气c在沿分离器1圆柱筒内壁面旋流流动过程中，不断地掺入下一个烟气导流通道11送入的高粉尘烟气c，补充流动过程中因摩擦力而损失的速度动能，最终形成沿圆周方向(周向)切向速度相等的均匀旋风流动，气粒分离离心力周向分布均匀一致，气粒高效分离时间长。到烟气离开排气管12出口端时温度升高至950℃～1200℃，气粒分离效率高达99％以上，布袋飞灰含碳降低至3％～7％。富氧空气管7喷吹富氧空气d，可避免烟气导流通道11内粉尘沉积堵塞问题。分离器1内烟气含氧体积浓度控制在21％～35％范围。下料管14中粉尘f温度提高，粉尘f返回炉膛4后重燃条件变好。同时气粒分离效率高，使进入冷却烟道5烟气飞灰浓度降低，减轻了对过热器的磨损。
飞灰中碳粒燃烬要求同时具备氧分子、碳粒子、高温和氧分子和碳粒表面接触等条件。炉膛4飞灰燃烬过程中，温度不高，氧分子和碳粒子浓度不高，粒子间随机碰撞不能打破包覆在碳粒周围的灰壳，外界氧分子难以穿过灰层扩散至碳粒表面，以致于在炉膛4内难以燃烬。分离器1内组织了高速(20m/s以上)均匀旋流流动，包覆在碳粒外围的灰壳被打破，碳粒能很好的与外界氧分子接触并发生反应。高粉尘烟气c旋流流动使得氧分子和粉尘高度集中到分离器1内壁面附近区域，气粒分离时间延长1倍～3倍及以上。分离器1内粉尘飞灰碳粒子分离过程也是其二次强烈燃烧的过程，所以进入排气管12的飞灰含碳量极低。
通过富氧空气管7细小圆孔喷出的富氧空气d含氧体积浓度21％～40％。富氧空气d可以是利用膜法制氧方法制得且经压缩机升压的富氧空气，可以是利用变压吸附/深冷方法制得的氧气或直接外购工业氧气与常氧空气混合得到且经压缩机升压的富氧空气。
发明结构特征、技术特征及带来的技术效果详细描述如下：
发明具有“均压室6并联均匀布置多个多烟气导流通道式富氧旋风分离器1”的结构特征。发明所指的分离装置包括一个位于炉膛4顶部和冷却烟道5顶部之间的均压室6,均压室6并联均匀布置多个分离器1、每个分离器1环状均匀阵列设置多个切向进风的烟气导流通道11、富氧空气管7均匀相间插入烟气导流通道11。均压室6为设置多个分离器1提供了空间可能，单个分离器1气粒分离负荷减小。分离器1设置多个烟气导流通道11,使得高粉尘烟气c均匀分散进入分离器1圆柱筒内，最终形成均匀旋风流动。均匀喷吹富氧空气d，有利于分离器1内组织周向均匀的富氧空气燃烧，避免了周向温度分布不均匀问题。传统锅炉高温分离装置一般不设置均压室6,多选用单管分离器或多管分离器，没有考虑在分离器内充分利用富氧空气燃烧技术优势。
上述结构特征导致的技术特征是分离器1内气粒均匀旋流分离和富氧空气燃烧。等量高粉尘烟气c沿分离器1圆柱筒内壁周向均匀切向喷入，前后气流相互搭接，依次补充因沿程阻力损失而减少的动能，形成周向均匀旋风流动，烟气旋流强度保持不变，大离心力和气粒高效分离效果持续保持到烟气运动到圆锥台筒13小底面。烟气导流通道11宽度不超过1/10倍分离器1圆柱筒内径,在烟气导流通道11内烟气流量减少条件下缩小通道宽度来确保较高的切向喷入速度。烟气导流通道11长度为1/4倍～1/2倍分离器1圆柱筒内径,可以确保烟气导流通道11的切向导流效果。烟气导流通道11高度和均压室6内腔高度相等，可以简化均压室6内分离器1的结构和砌筑工作。富氧空气d从富氧空气管7均匀相间切向喷入分离器1圆柱筒内，然后均匀混入旋风气流中，组织了周向均匀富氧空气燃烧，周向温度分布均匀，整体温度水平提高，碳粒燃烧速度加快、燃烬时间延长、反应更完全，离开分离器1的低飞灰烟气e温度得到提高。传统单管分离器或多管分离器只有一个烟气导流通道，分离器圆柱筒内只是切向进口附近区域烟尘浓度高、速度大，烟尘浓度及速度周向分布极不均匀，离心力周向分布极不均匀，气粒高效分离时间短，温度分布不均匀，整体温度水平低，气粒分离效果欠佳。
上述结构特征和技术特征带来的技术效果是：飞灰高温燃烬、气粒高效分离。分离器1内组织富氧空气燃烧，未燃烬碳粒燃烧反应变得容易，提高了碳粒燃烧速度和反应完全度，提高了进入冷却烟道5的低飞灰烟气e温度。分离器1内均匀旋流，提高了气粒分离效率，延长了气粒高效分离时间，降低了进入排气管12的烟气飞灰浓度。在富氧均匀旋流条件下，进入冷却烟道5的烟气温度升高100℃～150℃、飞灰含碳量降低12％～13％。
130t/h及以下新型燃煤循环流化床锅炉建设，老旧低效燃煤CFB锅炉节能技改或扩建、洁净煤燃烧领域，可以使用本发明。
工业应用表明：下灰管14粉尘f粒径小于80μm的份额大于90％；布袋集灰含碳比传统锅炉降低12％～13％；进入冷却烟道5烟温提高100℃～150℃，锅炉热效率比传统锅炉高出21％以上；对燃煤适应性增强，可以低热值烟煤替代原优质无烟煤。

Claims (1)

1.循环流化床锅炉用高温分离装置，主要包括分离器(1)，炉壁(2)，水平布置的支撑板(3)，炉膛(4)和冷却烟道(5)，分离器(1)为上排气式旋风分离器，支撑板(3)包括底部钢板和上部耐火浇注层，其特征在于：冷却烟道(5)侧壁面，支撑板(3)上表面，炉膛(4)顶部竖直排烟口和炉壁(2)共同围成均压室(6)，均压室(6)呈方体状，支撑板(3)均匀布置多个圆柱孔，每个圆柱孔布置一个分离器(1)，分离器(1)圆柱筒顶面和均压室(6)顶面共面，分离器(1)圆柱筒底面和支撑板(3)下表面共面且满焊联结，分离器(1)的多个烟气导流通道(11)和分离器(1)圆柱筒侧壁面相切联结，烟气导流通道(11)围绕分离器(1)圆柱筒侧壁环状均匀阵列布置，烟气导流通道(11)宽度不超过1/10倍分离器(1)圆柱筒内径,长度为1/4倍～1/2倍分离器(1)圆柱筒内径,高度和均压室(6)内腔高度相等，富氧空气管(7)穿过均压室(6)顶面竖直伸入烟气导流通道(11)内，富氧空气管(7)平行于轴线的管壁上布置一排等间距细小圆孔供富氧空气切向喷入分离器(1)圆柱筒内，富氧空气管(7)管壁圆孔中心和轴线位于通过烟气导流通道(11)宽边中点的烟气导流通道(11)中截面上，环状阵列的烟气导流通道(11)进口端均匀相间插入富氧空气管(7)，排气管(12)进口端沿分离器(1)轴线穿过均压室(6)顶面向下伸至分离器(1)圆锥台筒(13)大底面中心。
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