防堵型高效分離器的設(shè)計

上海電氣上重碾磨特裝設(shè)備有限公司 上海 200245

1 設(shè)計背景

近年來，火電廠在節(jié)能減排領(lǐng)域取得了突破性進(jìn)展，隨著《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃（2014—2020年）》《全面實(shí)施燃煤電廠超低排放和節(jié)能改造工作方案》等文件的逐步落實(shí)，我國火電廠節(jié)能減排標(biāo)準(zhǔn)也在迅速提高，“十三五”期間現(xiàn)役燃煤發(fā)電機(jī)組改造后平均供電煤耗應(yīng)低于310 g/（kWh）。火電廠燃料的燃燒及廢物的產(chǎn)生主要是在鍋爐中發(fā)生的，在提升燃燒煤質(zhì)的同時，采用創(chuàng)新技術(shù)改造火電機(jī)組，優(yōu)化鍋爐燃燒率，改善制粉系統(tǒng)煤粉細(xì)度和煤粉均勻性，在很大程度上都取決于分離器結(jié)構(gòu)。

筆者主要針對燃煤電廠制粉系統(tǒng)中關(guān)鍵設(shè)備磨煤機(jī)分離器進(jìn)行研發(fā)設(shè)計，目的在于提高制粉系統(tǒng)出力和分離器效率，進(jìn)而提高鍋爐效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)。國內(nèi)現(xiàn)已運(yùn)行的雙進(jìn)雙出鋼球磨煤機(jī)有近1 500臺，主要采用徑向型離心式分離器，由于其循環(huán)倍率高、效率低，逐漸被改造。2009年，雙可調(diào)動靜式分離器首次應(yīng)用于2×600 MW超臨界機(jī)組雙進(jìn)雙出鋼球磨煤機(jī)，并順利投產(chǎn)運(yùn)行，目前該技術(shù)應(yīng)用于多個大型發(fā)電機(jī)組中。雙可調(diào)動靜式分離器提高了鍋爐熱效率，降低了飛灰含碳量及氮氧化物排放量，對經(jīng)濟(jì)效益和保護(hù)環(huán)境發(fā)揮了很好的效用。

但近幾年用戶普遍反映，徑向型離心式分離器和雙可調(diào)動靜式分離器都存在堵塞問題，燃煤摻配摻燒或煤質(zhì)變化后，原煤內(nèi)的柔性雜物在分離器的折向擋板、鎖氣器等處極易發(fā)生纏繞堵塞，需要停機(jī)清理，影響鍋爐穩(wěn)定運(yùn)行［1-2］。筆者曾多次到現(xiàn)場指導(dǎo)用戶解決此問題，效果不甚理想，分離器堵塞嚴(yán)重時每周都要停機(jī)清理，因此急需設(shè)計一種具有防堵功能的高效分離器。下面介紹分離器的工作原理、傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)和存在的問題，并詳細(xì)論述新型防堵型高效分離器的創(chuàng)新點(diǎn)。

2 分離器工作原理

風(fēng)粉氣流由磨煤機(jī)進(jìn)入高位布置的分離器腔體時，由于截面積突然增大，流速降低，一部分質(zhì)量大的煤粉顆粒失去動能，受重力作用沿外錐筒內(nèi)壁滑入返粉管中。分離器頂部裝有多個沿圓周均布、有一定角度的折向擋板，當(dāng)風(fēng)粉混合物穿越折向擋板時，因受到阻擋，便會形成風(fēng)粉混合物的渦流。由渦流產(chǎn)生的離心力將改變煤粉顆粒的運(yùn)動方向和速度，從而促使大顆粒煤粉離開風(fēng)粉氣流，落到內(nèi)錐筒中，并沿內(nèi)壁進(jìn)入返粉管和原煤混合，一起送入磨煤機(jī)。進(jìn)入折向擋板和動態(tài)葉籠之間區(qū)域的風(fēng)粉氣流在動態(tài)葉籠高速旋轉(zhuǎn)帶動下，煤粉顆粒被瞬間提速。大顆粒煤粉在離心力及動態(tài)葉片撞擊作用下，脫離風(fēng)粉氣流進(jìn)入內(nèi)錐筒下部，隨后進(jìn)入返粉管。符合要求的煤粉穿過動態(tài)葉籠，由煤粉出口管進(jìn)入鍋爐燃燒。當(dāng)葉籠轉(zhuǎn)速達(dá)到較高時，可以獲得較好的煤粉細(xì)度，因此，可通過降低或提高葉籠轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)煤粉細(xì)度的調(diào)節(jié)。動態(tài)葉籠的旋轉(zhuǎn)促使風(fēng)粉混合物更趨均勻化，從而減少了返粉中的合格煤粉數(shù)量，降低了分離器的循環(huán)倍率，提高了煤粉的均勻性，提高了鍋爐熱效率，降低了飛灰含碳量及氮氧化物排放量，使飛灰變?yōu)橐环N暢銷的副產(chǎn)品，對經(jīng)濟(jì)效益和保護(hù)環(huán)境發(fā)揮了很好的效用［3］。

分離器工作原理如圖1所示。

▲圖1 分離器工作原理

3 分離器傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖2所示，徑向型離心式分離器主要由煤粉出口管、頂蓋、拉桿、折向擋板、內(nèi)錐筒、外錐筒和六棱錐活門式鎖氣器等組成。頂蓋安裝在外錐筒的上部，內(nèi)錐筒和頂蓋由15個拉桿連接，內(nèi)錐筒上端和頂蓋之間沿圓周均布30塊折向擋板，六棱錐活門式鎖氣器通過螺栓與內(nèi)錐筒固定，并帶有六扇鎖氣門。分離出來的大顆粒煤粉落入內(nèi)錐筒的底部，落入內(nèi)錐筒底部的大顆粒煤粉積存到一定量時，在自身重力的作用下壓開六扇鎖氣門，落入返粉管，進(jìn)入磨煤機(jī)重新研磨。

▲圖2 徑向型離心式分離器結(jié)構(gòu)

如圖3所示，在分離器頂蓋上部設(shè)有調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，可對折向擋板的角度進(jìn)行調(diào)整。調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)由緊固螺釘、刻度板、指針、轉(zhuǎn)軸和軸套等組成。折向擋板固定在轉(zhuǎn)軸上，通過轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)折向擋板的開度，大小由刻度板來顯示。 刻度板上標(biāo)有 ON、1、2、3、4、5、OFF 共七擋刻度，共計75°。ON位置最大，指向分離器中心。隨著折向擋板轉(zhuǎn)角的增大，折向擋板的遮蓋度增大，氣流旋轉(zhuǎn)加強(qiáng)，離心分離作用加大，出口煤粉變細(xì)。通常擋板的角度為 45～55°時，出口煤粉細(xì)度為最佳［4］。

▲圖3 調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

4 存在的問題

近幾年隨著煤質(zhì)的下降和煤中雜物的增多，分離器運(yùn)行中經(jīng)常發(fā)生雜物嚴(yán)重堵塞的現(xiàn)象。原煤內(nèi)的鋼絲、膠條、布條和編織袋等柔性雜物無法通過分離器區(qū)域，在分離器折向擋板、六棱錐活門式鎖氣器等處造成纏繞堵塞。分離器逐漸堵塞，使磨煤機(jī)制粉能力下降，煤粉變粗，系統(tǒng)阻力逐漸升高，具體表現(xiàn)為雜物隨著風(fēng)粉氣流上升粘附在折向擋板上，隨著工作時間的增加，折向擋板上的雜物逐漸增加，同時內(nèi)錐筒上斷面對雜物起到支撐作用，使折向擋板上的雜物不易脫落。另外，在兩折向擋板間的拉桿處更容易懸掛雜物，隨著運(yùn)行時間的積累容易堵塞。每個折向擋板的角度通過手動單獨(dú)調(diào)節(jié)，因此存在差異，影響分離效果。各鎖氣器的鎖氣門易被雜物卡塞，無法關(guān)閉。風(fēng)粉氣流上升經(jīng)鎖氣門直接進(jìn)入分離器內(nèi)錐筒，造成分離器積粉堵塞，嚴(yán)重影響分離器的效率。

5 新型防堵型高效分離器結(jié)構(gòu)

針對現(xiàn)場使用中出現(xiàn)的問題，筆者到多家電廠現(xiàn)場調(diào)研，收集運(yùn)行數(shù)據(jù)，分析分離器整體性能、堵塞原因、拆裝和維護(hù)問題，查閱有關(guān)磨煤機(jī)分離器設(shè)計及應(yīng)用方面論文，為新型分離器的創(chuàng)新設(shè)計提供理論依據(jù)。經(jīng)過2年多的反復(fù)推理、論證，設(shè)計研發(fā)出一種全新結(jié)構(gòu)的防堵型高效分離器，滿足現(xiàn)場工況條件。該分離器采用模塊化設(shè)計思路，整體結(jié)構(gòu)簡潔流暢，可靠性高，可以提高效率，并充分考慮運(yùn)輸、安裝、維護(hù)和運(yùn)行各個方面的問題。

防堵型高效分離器主要由變頻機(jī)電一體化減速機(jī)、梅花聯(lián)軸器、軸承箱、煤粉出口管、頂蓋、動態(tài)葉籠、靜態(tài)葉籠和分離器體等組成，如圖4所示。

分離器體采用整體焊接，結(jié)構(gòu)簡潔，由內(nèi)錐筒、雙錐形外筒、鋸齒形連接板、雙錐形返粉鎖氣器和鋸齒形阻擋板等組成，如圖5所示。分離器體上設(shè)有檢修口和觀察口，內(nèi)錐筒與雙錐形外筒之間由三塊均布鋸齒形連接板固定，雙錐形返粉鎖氣器通過六個均布鋸齒形阻擋板與雙錐形外筒連接。雙錐形返粉鎖氣器與內(nèi)錐筒形成環(huán)形縫隙，被分離出來的大顆粒煤粉不會在內(nèi)錐筒底部積存，而直接落入返粉管進(jìn)入磨煤機(jī)重新研磨，既防止煤粉氣流直接進(jìn)入內(nèi)錐筒，又不易堵塞。

在雙錐形外筒的下端設(shè)置鋸齒形阻擋板，主要作用是阻擋上升的風(fēng)粉氣流中的雜物，可將鋼絲、膠條、布條和編織袋等雜物收集，使雜物在重力下脫離，防止雜物進(jìn)入分離器發(fā)生堵塞，影響分離效果。

如圖6所示，軸承箱由傳動軸、軸承、軸承座等組成，留有潤滑點(diǎn)和測溫點(diǎn)，一側(cè)通過梅花聯(lián)軸器與減速機(jī)直接相連，另一側(cè)通過螺栓與動態(tài)葉籠的空心接軸法蘭連接。軸承箱安裝于分離器外部，通過軸承座與頂蓋固定。軸承座上設(shè)有拆裝檢修口，拆裝非常方便。

▲圖4 防堵型高效分離器結(jié)構(gòu)

▲圖5 分離器體結(jié)構(gòu)

▲圖6 軸承箱結(jié)構(gòu)

如圖7所示，靜態(tài)葉籠結(jié)構(gòu)由一定數(shù)量的豎直葉片組成，按一定角度均勻分布焊接在圓法蘭上，通過螺栓與頂蓋固定。豎直葉片采取懸掛固定式，結(jié)構(gòu)簡單，能夠有效防止積粉和懸掛雜物。離心式分離器擋板的位置，即擋板與分離器的徑向夾角很大程度上決定了分離器出口的煤粉細(xì)度，結(jié)構(gòu)設(shè)計時充分考慮葉片角度和葉片數(shù)量對系統(tǒng)的影響，葉片角度確定為 45°。

▲圖7 靜態(tài)葉籠

如圖8所示，動態(tài)葉籠由葉籠體和空心接軸組成。葉籠體與空心接軸采用螺栓連接，安裝于分離器內(nèi)部?？招慕虞S與傳動軸在分離器外部通過螺栓連接。考慮到動態(tài)葉籠是焊接件，體積大，焊后不加工，動態(tài)葉籠和空心接軸采用分體式結(jié)構(gòu)布置?？招慕虞S與傳動軸需要配合連接，空心接軸加工好后與葉籠體通過螺栓連接［9-13］。動態(tài)葉籠外形如圖9所示。

▲圖8 動態(tài)葉籠結(jié)構(gòu)

▲圖9 動態(tài)葉籠

6 創(chuàng)新點(diǎn)

防堵型高效分離器設(shè)計的目的在于提供一種高效分離器，滿足鍋爐燃燒要求，充分考慮分離器清堵功能，使磨煤機(jī)分離器長期處于高效狀態(tài)，避免頻繁清理雜物造成停機(jī)，并充分考慮分離器安裝、運(yùn)行和維護(hù)，使整個分離器結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高。

防堵型高效分離器的創(chuàng)新點(diǎn)如下。

（1）軸承箱模塊化設(shè)計，提高了軸承的壽命；安裝在分離器外部，拆裝方便；獨(dú)立發(fā)運(yùn)，解決分離器運(yùn)輸超高的問題。

（2）采用雙錐形外筒，減小頂蓋外徑，提高強(qiáng)度，減輕質(zhì)量。

（3）內(nèi)錐筒返粉采用縫隙式，全周均勻連續(xù)流粉，避免雜物堵塞。底部采用環(huán)形階梯撞擊板對內(nèi)錐落粉二次吹揚(yáng)分離，提高分離效率。

（4）多個鋸齒形阻擋板組成環(huán)形網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，阻擋上升煤粉氣流中的雜物。

（5）靜態(tài)葉籠的豎直葉片采取固定懸掛式，與內(nèi)錐筒形成環(huán)形間隙，防止雜物在靜葉片上懸掛。

（6）靜態(tài)葉籠和動態(tài)葉籠組成雙鼠籠式結(jié)構(gòu)。靜態(tài)葉籠對風(fēng)粉初級分離，葉片采用固定結(jié)構(gòu)，均化風(fēng)粉流場，通過動態(tài)葉籠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)使煤粉細(xì)度達(dá)到要求。

（7）動態(tài)葉籠采用分體結(jié)構(gòu)，解決加工難題。

7 結(jié)束語

在燃煤發(fā)電過程中，分離器是制粉系統(tǒng)中的關(guān)鍵選粉設(shè)備，它將磨煤機(jī)研磨出的合格煤粉分離出來送入爐膛燃燒，將不合格的粗顆粒煤粉返送至磨煤機(jī)進(jìn)一步研磨。分離器的性能直接影響鍋爐的燃燒效率和氮氧化物排放量。分離器故障造成的停磨事故時有發(fā)生，給電站煤粉鍋爐的安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行帶來一定影響。新型防堵型高效分離器設(shè)計新穎，結(jié)構(gòu)簡單、易于實(shí)施、可靠性高，能有效提高制粉系統(tǒng)出力和分離器效率，進(jìn)而提高鍋爐效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目的。通過對結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計，進(jìn)一步完善了磨煤機(jī)技術(shù)，促進(jìn)制粉系統(tǒng)的改造升級，同時給用戶帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。