第七章 高温气固分离器的性能及选择
CFB锅炉的高温气固分离装置是锅炉的关键部件之一，其主要作用是将大量高温固体物料从气流中分离出来，送回炉膛，以维持炉膛的快速流态化运行。保证燃料和脱硫剂多次循环，为焦炭颗粒和脱硫剂的停留时间的延长提供了条件。
由前面的关于流态的分析可知，循环流化床锅炉的燃烧室虽属高速流态化畴，底部仍然存在着类似于鼓泡床的密相区。颗粒浓度较高的密相区上部是一个颗粒浓度逐渐衰减的稀相区，稀相区下部与密相区之间颗粒浓度衰减得比较快的区域为过渡区。密相区基本上处于鼓泡流化床和湍流床状态，而在二次风口以上才逐步过渡到快速流化床状态。
密相区的气固流动是不均匀的，一般认为密相区由气泡相和乳化相所组成，当气体流速达到临界流化速度后，超过临界流化速度的那部分风量以气泡形式通过床层，而在乳化相中的颗粒维持临界流化状态。在循环流化床锅炉中，床固体颗粒比较细，气体流速远高于临界流化速度，大部分气体以气泡方式通过床层，气泡相和乳化相之间的气体质量交换速率与气体流量相比相对较弱。
上部稀相区是快速床，在一定条件下，稀相区的颗粒发生团聚，细颗粒聚集成大颗粒团后，颗粒团重量增加，体积增大，有较高的自由沉降速度。在一定的气流速度下，大颗粒团不是被吹上去而是逆着气流向下运动。在下降过程中，气固间产生较大的相对速度，然后被上升的气流打散成细颗粒，再被气流带动向上运动，又再聚集成颗粒团，再沉降下来。这种颗粒团不断聚集、下沉、吹散、上升又聚集形成的物理过程，使循环流化床气固两相间发生强烈的热量和质量交换。由于颗粒团的沉降和边壁效应，循环流化床气固流动形成靠近炉壁处很浓的颗粒团以旋转状向下运动，炉膛中心则是相对较稀的气固两相向上运动，产生一个强烈的炉循环运动，见图7-1，大大强化了炉的传热和传质过程，有效地延长了包括焦炭颗粒在的固体物料的停留时间，并保证了整个炉膛纵向及横向都具有十分均匀的温度场。
当循环流化床锅炉采用宽筛分的燃料颗粒时，床物料不是很均匀，就会出现这样的现象：相应于采用的流化速度，对于大尺寸的燃料颗粒，可能刚好超过输送速度，这时炉膛就会出现下部是粗颗粒鼓泡床或湍流床，上部为细颗粒组成的湍流床、快速床两者相叠加的工况。
密相区表面气泡的破裂，导致大量的颗粒被扬析到稀相区。并非所有的颗粒都能进入稀相区，其中的终端速度大于流化速度的大颗粒在上升到一定高度后沉降下来，形成过渡区的物料
图7-1 循环流化床物料内外循环流动
浓度；只有终端速度小于流化速度的小颗粒才可能夹带到稀相区。稀相区固体颗粒处于快速流化状态，颗粒携带率沿床高逐渐衰减。
稀相区气体流动沿截面是不均匀分布的，一方面由于壁面的影响，靠近壁面区域处的气体流速低于床层中心的气体流速；另一方面密相床中气体主要以气泡方式通过床层，然后在密相床表面破裂，气泡破裂的区域气体流速较高，其它区域气体流速较低。由于颗粒团沿着炉墙下沉和边壁效应，使在炉墙四壁所形成的很浓的颗粒团旋转向下运动，而在炉膛中心则是相对较稀的气固相的向上运动。
在上述的流态中，主要特点之一是燃烧室是快速床，发生团聚的现象，是延长物料在燃烧时中的停留时间的手段，是焦炭燃烧效率较高和传热强度较高的物理基础，而团聚时需要的重要条件之一是在炉膛下部有细物料的源，这个源就是分离器分离下来并返送回炉膛的循环物料。因此，分离器的作用是非常重要的。
7.1 高温分离器的型式
7.1.1 耐火材料制成的高温旋风分离器
旋风分离器在化工、冶金等领域具有悠久的使用历史，是比较成熟的气固分离装置，因此在CFB领域应用最多。此类型的分离装置占了已运行的和正在建造的循环流化床分离装置的绝大部分。
德国Lurgi公司较早地开发出了采用保温、耐火及防磨材料砌装成筒身的高温绝热式旋风分离器的CFB锅炉。分离器入口烟温在850℃左右。Lurgi公司、Ahlstrom公司、以及由其技术转移的Stein、ABB-CE、AEE、EVT等设计制造的循环流化床锅炉均采用了此种形式。这种分离器具有相当好的分离性能，使用这种分离器的循环流化床锅炉具有较高的性能。据统计，目前除中国大陆外有78％的CFB全部采用了高温绝热旋风分离器，但这种分离器也存在一些问题，主要是旋风筒体积庞大，因而钢耗较高，锅炉造价高，占地较大，旋风筒衬厚、耐火材料及砌筑要求高、用量大、费用高，见图7-2，而且相对来讲散热损失也较大；启动时间长、运行中易出现故障；密封和膨胀系统复杂；如果燃烧组织不良，还会在旋风分离器产生二次燃烧，尤其是在燃用挥发份较低或活性较差的强后燃性煤种时，旋风筒的燃烧导致分离下的物料温度上升，引起旋风筒或回料腿回料阀的超温结焦。近年来，由于耐火材料的工艺水平不断提高，绝热旋风筒的可靠性得到很大改善。
图7-2 高温绝热旋风分离器筒体结构
Circofluid的中温分离技术在一定程度上缓解了高温旋风筒的问题，炉膛上部布置较多数量的受热面，降低了旋风筒入口烟气温度和体积，旋风筒的体积和重量有所减小，因此相当程度上克服了绝热旋风筒技术的缺陷，使其运行可靠性提高，但炉膛上部布置有过热器和高温省煤器等，需要采用塔式布置，炉膛比较高，钢耗量大，锅炉造价提高。同时，它的CO排放及检修问题在一定程度上限制了该技术的发展。
7.1.2 水冷、汽冷高温旋风分离器
为保持绝热旋风筒循环流化床锅炉的优点，同时有效地克服该炉型的缺陷，Foster Wheeler公司设计出了堪称典的水（汽）冷旋风分离器，其结构见图7-3。整个分离器设置在一个水冷或汽冷腔室，分离器外壳由水冷或汽冷管弯制、焊装而成，取消绝热旋风筒的高温绝热层，代之以受热面制成的曲面及其侧布满销钉涂一层较薄厚度的高温耐磨浇注料,壳外侧覆以一定厚度的保温层，见图7-4。这样可以节省材料、降低热损失和缩短启停时间。水(汽)冷旋风筒可吸收一部分热量，分离器物料温度不会上升，甚至略有下降，较好地解决了旋风筒侧防磨问题。该公司投运的循环流化床锅炉从未发生回料系统结焦的问题，也未发生旋风筒磨损问题，充分显了其优越性。这样，高温绝热型旋风分离循环流化床的优点得以继续发挥，缺点则基本被克服。
当然，任何一种设计都难以尽善尽美，FW式水（汽）冷旋风分离器的问题是制造工艺复杂，生产成本过高，缺乏市场竞争力，这使其商业竞争力下降，通用性和推广价值受到了限制。
7.1.3 水(汽)冷方形分离器
大型旋风分离器不但本身制造、安装困难，还给锅炉的布置带来难题。用方形分离器较好地解决了圆旋风筒生产成本过高的问题。由于采用方形水(汽)冷管壁壳体结构，其加工难度大为降低，与锅炉共用邻侧水冷壁等措施可以减少钢材消耗，膨胀节的免省保证了良好的气密性能，与锅炉本体在结构上的匹配使系统更为紧凑顺畅，占地少，基础框架和安装配合的工作量也显著减轻。其次，方形分离器角度效应随其放大而削弱，放大效应不明显。这些优势在几处示电厂和商业电站的运行效果 图7-3 水(汽)冷旋风分离器筒体结构
图7-4 水(汽)冷旋风分离器耐火材料示意图
得到证明。图7-5是方形分离器与Pyroflow Compact型循环流化床锅炉结构简图。
Pyroflow Compact循环流化床锅炉采用其独特专利技术的方形分离器，分离器的分离机理与圆形旋风筒本质上无差别，壳体仍采用FW式水（汽）冷管壁式，但因筒体为平面结构而别具一格。这就是第三代循环流化床锅炉。它与常规循环流化床锅炉的最大区别是采用了方形的气固分离装置，分离器的壁面作为炉膛壁面水循环系统的一部分，因此与炉膛之间免除热膨胀节。同时方形分离器可紧贴炉膛布置从而使整个循环流化床锅炉的体积大为减少，布置显得十分紧凑。此外，为防止磨损，方形分离器水冷表面敷设了一层薄的耐火层，这使得分离器起到传热表面的作用，并使锅炉启动和冷却速率加快。
水冷或汽冷的方形旋风分离器与不冷却的钢板卷成的旋风筒制造成本基本相当，考虑到前者所节省的大量的保温和耐火材料，最终的实际成本有所下降。此外它还减少了散热损失，提高了锅炉效率。再则由于保温厚度的减少，可以提高启停速度，启停过程中床料的温升速率不再取决于耐火材料，而主要取决于水循环的安全性，使得启停时间大大缩短。
7.1.4 惯性分离器
结构简单，维修方便，运行费用低，但分离效率低，可采用多级分离组合的方案。近年来，采用惯性分离器的循环流化床锅炉设计越来越少。
7.2 旋风分离器的结构尺寸与性能
典型的旋风分离器结构尺寸如表7-1所示，符号意义见图7-6，该图为普通切向进口旋风分离器。
表7-1给出的是在除尘技术中常用的几种典型旋风除尘器以及循环流化床锅炉中几种典型旋风分离器的结构尺寸。从图7-6中可见，确定这类旋风分离器的结构，共需8个几何尺寸，一般以筒体直径表示其相对大小。循环流化床锅炉旋风分离器主要特性参数如表7-2。表7-3给出了几台循环流化床锅炉旋风分离器的主要结构与特性参数。
D-筒体直径 a-进口高度 b-进口宽度
De-排气管直径 hc-排气管插入深度
h-筒体高度 H-总高度 d-排料口直径
图7-6 旋风分离器结构尺寸
图7-5 矩形旋风分离器及紧凑型CFB锅炉原理
表7-1 几种典型旋风分离器的结构此尺寸
除尘技术中旋风分离器 Da
Db
DDe
Dhc
Dh
DH
Dd 推荐者
1.高流量 0.75 0.375 0.75 0.875 1.5 4.0 0.375
Stairmand (1951)
2.高流量 0.8 0.35 0.75 0.85 1.7 3.7 0.4 Swift (1969)
3.通用型 0.5 0.25 0.5 0.6 1.75 3.75 0.4 Swift (1969)
4.通用型 0.5 0.25 0.5 0.625 2.0 4.0 0.25 Lapple (1951)
5.高效率 0.44 0.21 0.4 0.5 1.4 3.9 0.4 Swift (1969)
6.高效率 0.5 0.22 0.5 0.5 1.5 4.0 0.75 Stairmand (1951)
循环流化床
旋风分离器 Da
Db
DDe
Dhc
Dh
DH
Dd 标称尺寸D(m)
装置A 0.75 0.725 0.47 - 1.75 3.9 0.146 5.46
装置B 0.83 0.33 0.45 - 1.08 1.8 0.52 7.7
装置C 0.81 - - - - 2.79 - 4.3
装置D 1.84 - - - 1.01 2.37 - 5.9
表7-2 循环流化床锅炉旋风分离器主要的特性参数
入口浓度 0.5~20 kg/m3气体
粒径围 <1~1000 m
气体流量 <300000(标准)m3/h
d50(50%效率) ≈10~30 m
压 降 980~1960 Pa
表7-3 一些典型的电站锅炉旋风分离器结构参数
电 厂 名 称 B电厂
465t/h炉 A电厂
440t/h炉 C电厂
410t/h炉 D电厂
220t/h炉
名 称 符号 单位 设计值 设计值 设计值 设计值
分离器型式，个数 -，Gfl -，个 绝热式，2个 绝热式，2个 汽冷，2个 方形水冷，2个
入口烟气速度 wwl′ m/s 22.9 25 26 23.5
入口烟气温度 θwl′ ℃ 875 883 882 889
分离器径 rn m 7.9 7.36 6 5.04×5.04
分离器外径 D m 8.5 8.084 6.39 -
分离器入口高×宽 a2×b2 m 6.4×2.00 5.45×2.85 7.218×1.259 3.04×5.04
分离器旋风筒高度 h m 7.8 7.73 9.32 1.7
分离器锥体高度 hzt m 7.9 9.3 10.58 10.85
中心筒径及插入深度 De，S m 4.2，1.8 2.82，1.96 2.93,- φ2.3，2.0
出口物料烟温 θwl″ ℃ 875 883 866 855
阻力 △Pfl Pa 1700 1700 1400 700
分离器入口浓度 Cn kg/m3 1.32 0.92 1.78 0.93