石戰(zhàn)勝，孫正睿，段翠佳，曹文廣，李宗慧，馬治安，范曉明

(1.中國華電集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究總院，北京 100016； 2.山東華電濰坊發(fā)電有限公司，山東 濰坊 261000)

0 引言

粗粉分離器是火力發(fā)電廠雙進(jìn)雙出直吹式、中間倉儲(chǔ)式和中速磨直吹式等制粉系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵設(shè)備，主要作用是把合格的細(xì)粉分離出去、不合格的粗粉返回磨煤機(jī)重新研磨[1-2]，其分離能力將影響制粉系統(tǒng)壽命、耗能及燃燒爐性能等。粗粉分離器主要分為徑向、雙軸向、多通道以及動(dòng)靜態(tài)組合等形式[3-7]。目前，我國燃煤發(fā)電廠使用的基本上是國外過時(shí)的分離技術(shù)，易導(dǎo)致制粉系統(tǒng)能耗高、煤粉粗、煤粉均勻性差、一次風(fēng)機(jī)電耗高等問題，嚴(yán)重影響著鍋爐的燃燒效率和污染物排放水平[8-9]。

國內(nèi)電廠一直在發(fā)展摻煤燃燒。隨著煤價(jià)上漲，入爐煤質(zhì)越來越差，當(dāng)煤質(zhì)嚴(yán)重偏離設(shè)計(jì)煤種時(shí)，采用現(xiàn)有粗粉分離器會(huì)使制粉系統(tǒng)處于非正常工況運(yùn)行，導(dǎo)致出力下降、制粉單耗大幅增加、煤粉細(xì)度偏粗、煤粉細(xì)度均勻性下降等問題，進(jìn)而產(chǎn)生諸多鍋爐燃燒問題。這些問題對(duì)分離器和分離技術(shù)提出了更高的要求。

本文通過研究現(xiàn)有靜態(tài)粗粉分離器存在的問題，提出一種高效的粗粉分離器。將其應(yīng)用于某電廠雙進(jìn)雙出制粉系統(tǒng)，電廠考核性能指標(biāo)顯著提升，達(dá)到了節(jié)能減排的目的。

1 傳統(tǒng)粗粉分離器的對(duì)比分析

我國粗粉分離器應(yīng)用主要分為三個(gè)階段：1980年之前使用徑向分離器；1980年起逐步使用軸向分離器；1990年以后開始使用動(dòng)態(tài)分離器和改進(jìn)的新型軸向分離器。判斷其性能好壞的因素主要有分離效率、細(xì)度、循環(huán)倍率、調(diào)節(jié)性能、積粉程度和耐磨性等[10-12]。通過對(duì)比現(xiàn)有的靜態(tài)徑向和雙軸向粗粉分離器，可以找出其存在的缺陷。分析涉及的模擬方法為計(jì)算流體力學(xué)(CFD)和離散顆粒模型(DPM)，其中的湍流參數(shù)由雷諾應(yīng)力模型(RSM)求解，Afolabi先生在論文中[13]已證明此模型的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)吻合較好。

1.1 徑向粗粉分離器

徑向粗粉分離器粗粉的分離主要發(fā)生在內(nèi)錐體內(nèi)，其余發(fā)生在內(nèi)外殼體之間。粗粉流動(dòng)過程如圖1所示：流體從氣固入口進(jìn)入分離器，直接撞擊內(nèi)錐底部，造成了內(nèi)錐底部磨損；流體受錐體下部錐形影響，沖刷邊壁造成了外殼體的磨損；流體經(jīng)徑向葉片90°的轉(zhuǎn)彎后沿切線進(jìn)入產(chǎn)生離心分離，然后途徑中心筒從中心管出口排出分離器，造成了流經(jīng)路線變長、壓降變大，徑向分離器出入口與同樣直徑的雙軸向分離器出入口相比，壓降增加500 Pa左右[3]；內(nèi)錐體下部錐形帽四周設(shè)有回粉開口，內(nèi)錐體里分離出來的顆粒從開口排出，受入口氣流的影響會(huì)造成顆粒二次攜帶，影響分離效率；流體呈旋轉(zhuǎn)式排出，易造成兩個(gè)出口管濃度存在偏差。

徑向粗粉分離器具有阻力偏大、分離效率低、循環(huán)倍率大、制粉出力偏小、粉管濃度偏差大等缺點(diǎn)。在分離器有效空間中，入口管、內(nèi)外錐體之間的空間沒有得到合理利用。在雙進(jìn)雙出鋼球磨制粉系統(tǒng)中，原煤中含有木塊、雜草、破布、編織袋等雜物，在運(yùn)行過程中時(shí)常會(huì)掛在分離器徑向擋板上，造成流通面積減小、分離效率降低、壓降增加、出力顯著下降等，也會(huì)造成清理周期縮短和安全隱患增加[14]。

1.2 軸向粗粉分離器

圖1 徑向粗粉分離器流體流動(dòng)過程

軸向粗粉分離器不再利用內(nèi)錐體空間進(jìn)行分離。分離主要發(fā)生在內(nèi)、外殼體之間，摒棄了內(nèi)錐體下部錐形帽，避免了四周流出顆粒造成的二次攜帶。雙軸向粗粉分離器采用上、下兩級(jí)分離。如圖2所示：流體從氣固入口進(jìn)入，直接撞擊內(nèi)錐下部的撞擊錐，經(jīng)過內(nèi)外殼體間的上、下兩層擋板后由出口排出，進(jìn)口煤粉會(huì)高速撞擊內(nèi)錐易造成分離器內(nèi)錐磨損，其中最大速度值在出口處，所以出口要做好防磨工作；煤粉撞擊內(nèi)錐底部會(huì)造成粗細(xì)粉成團(tuán)返到回粉管排出，造成分離效率不高；顆粒經(jīng)壁面處落入到回粉管中，在頂蓋處顆粒速度減小，易造成堆積。

圖2 軸向粗粉分離器流體流動(dòng)過程

軸向粗粉分離器雖然阻力有所降低、分離效率有所提高，但煤粉細(xì)度偏大、粉管濃度偏差等仍然存在。且由于內(nèi)錐體的分離，造成空間浪費(fèi)、分離器尺寸增加、容積強(qiáng)度變低；分離器有效空間中，入口管也同樣沒有得到合理利用。在雙進(jìn)雙出鋼球磨制粉系統(tǒng)中，盡管清理周期略微增長，但軸向擋板也沒有解決原煤中含有木塊、雜草、破布、編織袋等雜物的堵塞，運(yùn)行過程中會(huì)掛在軸向擋板上，造成流通面積減小、阻力增加、出力下降等。

2 新型粗粉分離器

徑向分離器易堵塞、壓降大、出力小，而軸向分離器容積強(qiáng)度低、撞擊分離效果差、空間受限于兩層擋板、頂蓋顆粒易聚集，新型粗粉分離器將合理利用進(jìn)口空間和先進(jìn)的分離理念(如離心分離設(shè)備)，增加消除軟性物質(zhì)堵塞的設(shè)備并改進(jìn)分離器結(jié)構(gòu)以消除積粉等問題。徑向分離器已逐漸被取代，新型粗粉分離器在軸向型基礎(chǔ)上進(jìn)行了改造：進(jìn)口增加離心分離葉片，以便在分離器底部形成一級(jí)分離，且增加的葉片可以起到打碎軟性物質(zhì)的作用，與回粉管內(nèi)防堵構(gòu)件共同起到防止軟性物質(zhì)堵塞的作用；葉片使流體沿切線方向運(yùn)動(dòng)，使流場偏離內(nèi)錐，避免撞擊；取消下?lián)醢寤蛘邔⑵渥優(yōu)橐坏絻蓪有醢?即擋環(huán))，縮小下層分離器空間，同時(shí)將上擋板下移并同時(shí)減小內(nèi)外錐體；上擋板上面圓柱可變?yōu)閳A臺(tái)狀，形成一定傾斜角來消除頂端出現(xiàn)顆粒聚集；兩個(gè)出口下端增加消旋和混合裝置來減小出口濃度偏差等問題如專利CN 201720176274.5[15]。改進(jìn)后的分離器體積縮小、容積強(qiáng)度增加。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 測試數(shù)據(jù)和分析

新型粗粉分離器在某電廠示范應(yīng)用，經(jīng)測試、考察得到了靜壓、細(xì)度、出力等性能參數(shù)，測量和計(jì)算依據(jù)DL/T 467—2004《電站磨煤機(jī)及制粉系統(tǒng)性能試驗(yàn)》。

改造前，粗粉分離器制粉系統(tǒng)最大出力為56 t/h、平均經(jīng)濟(jì)出力為54 t/h(清理后的分離器)，磨煤機(jī)單位電耗為18.96 kW·h/t，實(shí)驗(yàn)測試計(jì)算數(shù)據(jù)見表1：磨兩側(cè)壓降阻力相差150 Pa，可能因分離器內(nèi)構(gòu)件變形或已形成輕微軟性物質(zhì)堵塞引起，平均阻力為1 375 Pa；磨兩側(cè)分離器出口煤粉細(xì)度R90的偏差為5.62%、平均值為11.75%，R200的平均值為1.32%，煤粉均勻性指數(shù)為0.88；分離器平均效率為52.2%；磨兩側(cè)循環(huán)倍率相差0.58，循環(huán)倍率平均值為2.26。

改造后，制粉系統(tǒng)最大出力高于66 t/h、平均經(jīng)濟(jì)出力為61 t/h，磨煤機(jī)電耗為16.64 kW·h/t，其他實(shí)驗(yàn)計(jì)算結(jié)果見表1：磨兩側(cè)分離器出口煤粉細(xì)度R90偏差為1.68%、平均值為10.36%，R200平均值為0.6%，煤粉均勻性指數(shù)為1.02，分離器效率平均為62.37%；磨分離器兩側(cè)壓降相差70 Pa，阻力平均為675 Pa；磨兩側(cè)分離器循環(huán)倍率相差0.32，循環(huán)倍率平均值為1.90。

對(duì)比改造前后性能指標(biāo)，分析結(jié)果如下。

(1)粗粉分離器改后磨煤機(jī)經(jīng)濟(jì)出力提高了7 t/h，長期運(yùn)行的出力與負(fù)荷響應(yīng)能力明顯提高，磨煤機(jī)磨煤單耗降低了2.3 kW·h/t以上，磨煤機(jī)單耗有所降低，達(dá)到了節(jié)能的目的。

(2)經(jīng)濟(jì)出力下改造后磨煤機(jī)煤粉細(xì)度R90降低了1.39%、煤粉均勻性指數(shù)提高0.14，煤粉細(xì)度明顯降低、均勻性指數(shù)有明顯提高，這些有利于降低鍋爐燃燒的飛灰含碳量。

表1 改造前后實(shí)驗(yàn)計(jì)算結(jié)果

(3)改造后，經(jīng)濟(jì)出力下的磨煤機(jī)兩側(cè)分離器壓降差由150 Pa降低到70 Pa，粉管濃度偏差會(huì)降低；磨兩側(cè)分離器的平均循環(huán)倍率降低了0.36，這對(duì)提高出力和分離效率起到正向作用；分離器的效率平均值提高超過10%。

(4)改造后，經(jīng)濟(jì)出力下磨煤機(jī)平均分離器的阻力降低了700 Pa，阻力明顯降低，這為提高出力提供了有利條件，現(xiàn)場顯示最大出力超過65 t/h，有時(shí)甚至超過70 t/h，滿負(fù)荷可節(jié)省1臺(tái)磨；一次風(fēng)機(jī)表盤顯示電流降低約15 A。

(5)運(yùn)行數(shù)據(jù)顯示選擇性催化還原(SCR)入口NOx質(zhì)量濃度降低60 mg/m3；分離器清理周期顯著增長，運(yùn)行平均阻力值通常降低超1 000 Pa以上。

3.2 效益分析

通過制粉系統(tǒng)分離器優(yōu)化改造，顯著提高制粉系統(tǒng)出力和分離器效率，煤粉細(xì)度、循環(huán)倍率、制粉系統(tǒng)阻力明顯降低，制粉系統(tǒng)的總體性能指標(biāo)顯著提升；優(yōu)化了分離器下部擋板和分離器出口結(jié)構(gòu)及風(fēng)粉管道。改造投運(yùn)后，分離器沒有發(fā)生積粉，分離器內(nèi)部積粉隱患得到消除，制粉系統(tǒng)安全可靠性全面提高。

改造后，磨煤機(jī)的經(jīng)濟(jì)出力顯著提高，5套制粉系統(tǒng)可達(dá)到額定負(fù)荷，現(xiàn)場運(yùn)行可節(jié)省1臺(tái)磨煤機(jī)耗電量，即每年約節(jié)省電費(fèi)160萬元(上網(wǎng)電價(jià)0.33元/(kW·h))；制粉系統(tǒng)運(yùn)行阻力降低超過0.8 kPa(包含分離器堵塞情況)，每年約節(jié)省電費(fèi)26萬元；按照設(shè)計(jì)煤種，鍋爐飛灰可降低0.5%，降低煤耗0.65 g/(kW·h)，每年節(jié)省131萬元；SCR入口NOx質(zhì)量濃度降低60 mg/m3，節(jié)省液氨費(fèi)用為48萬元；另外節(jié)省了部分人工清理費(fèi)用。

通過改造，每年不僅可節(jié)省燃煤，也減少了燃煤產(chǎn)生的污染物排放，節(jié)能減排效果顯著，社會(huì)效益可觀。

4 結(jié)論

通過對(duì)現(xiàn)有靜態(tài)徑向和軸向粗粉分離器結(jié)構(gòu)特征分析，透析其優(yōu)缺點(diǎn)，提出新型粗粉分離器并示范應(yīng)用，結(jié)論如下。

(1)徑向粗粉分離器阻力大、分離效率低、循環(huán)倍率大、制粉出力偏小、粉管濃度偏差大且易被軟性物質(zhì)堵塞等；分離器有效空間中入口管、內(nèi)外錐體之間空間沒有得到充分利用。

(2)軸向粗粉分離器盡管阻力有所減低、分離效率有所提高等，但煤粉細(xì)度偏大、粉管濃度偏差等仍然存在，且由于內(nèi)錐體的分離空間浪費(fèi)造成分離器尺寸增加；粗粉分離器有效空間中，入口管也同樣沒有得到合理利用；軟性物質(zhì)堵塞現(xiàn)象仍然存在。

(3)新型粗粉分離器基于軸向分離器特征，引入了離心分離模塊、改進(jìn)了擋板結(jié)構(gòu)和出口、增加了防堵裝置等，示范應(yīng)用后，制粉系統(tǒng)出力、分離效率、煤粉均勻性等顯著提高，煤粉細(xì)度、循環(huán)倍率顯著降低，運(yùn)行阻力大幅下降，安全隱患基本消除，具有良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

下一步工作將進(jìn)一步優(yōu)化新型粗粉分離器，充分利用其有效分離空間，增強(qiáng)容積強(qiáng)度，徹底解決粉管內(nèi)濃度偏差，使設(shè)備更節(jié)能更環(huán)保。