高效飞灰分离设备冷态实验研究-毕业论文.doc

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XXXX大学毕业（设计）论文

第一章绪论

1.1前言

旋风除尘器是一种利用含尘气流在除尘器内部作高速旋转运动产生的离心力将尘粒与气流分离的装置。

长期以来，凭借其结构简单,造价低廉以及分离效率高的特点，旋风除尘器一直被广泛应用于煤矿、冶金、建筑、石油等各个工业领域。

1.2发展节能环保型工业锅炉的必要性

1.2.1我国煤炭资源水平现状

我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国之一。

长期以来，煤炭在我国能源结构中一直占有主导地位。

据统计，2001年一次能源消费量，煤占67.0％，大大超出了27％的世界平均水平。

《中国能源统计年鉴》的数据显示：

2004年，中国一次能源生产总量18.46亿吨标准煤，比上年增长15.2%；消费总量19.7亿吨标准煤，比上年增长15.2%。

其中原煤产量19.56亿吨，增长17.3%，消费18.7亿吨，增长14.4%；原油产量1.75亿吨，增长2.9%，消费2.9亿吨，增长16.8%。

国家发改委能源局2004年公布，中国能源消费总量已经位居世界第二，约占世界能源消费总量的11%。

从国家煤矿安全监察局了解到，2005年上半年我国煤炭产量达到9.4亿吨，同比增产8292万吨、增长9.7％。

仅上海市2003年一次能源消费就达6698万吨标煤，比2002年增长了9.5%，其中，煤炭消耗占59.2%，石油占34.8%，天然气占1%，水电、核电等其他能源占5%。

据统计，我国煤炭用于锅炉生产蒸汽发电的约占31.5%，用于工业锅炉和窑炉的约占40%，民用煤约占20%，其它占7.5%。

我国有工业锅炉约53万台，平均容量2.5蒸吨/小时，热效率约65％。

年耗煤占我国煤炭产量的35％左右，达3.0-3.5亿吨。

欧、美等国燃煤工业锅炉运行效率在80％以上，与之相比低10到20个百分点[21]。

电站锅炉的热效率比工业锅炉、窑炉和民用炉灶要高得多，但与世界上发达国家相比差距仍很大。

到2003年为止，我国电力总装机容量达3.91亿千瓦，其中燃煤火电机组占2.90亿千瓦，年耗煤约8.4亿吨，全国平均供电煤耗为381克/度，而国外发达国家平均供电煤耗为313克/度，相差68克/度。

按2005年经济发展需要电量2.27万亿度来计算，同发电量我国与国外发达国家相比，一年就多消耗1.32亿吨煤。

这样低的热效率意味着大量煤碳的浪费，并给环境带来了严重污染。

1.2.2煤炭生产和应用对于环境的影响

煤炭对于环境的污染是贯穿于煤炭的采集、运输、燃烧等过程之中的。

在煤炭的开采过程中，大量的粉尘会进入空气之中，直接影响了当地的空气质量。

著名的云岗石窟就是一个典型的例子。

在距离云岗石窟不到一公里的地区就有华宫储煤场和吴官屯矿储煤场这两座煤场。

而这两座煤场出产的原煤直接堆放所造成的黑色扬尘对于云岗石窟内的壁画，雕刻等造成了严重的影响；而由于附近的两座煤矸石山含硫量极高且自燃现象严重，又造成了该地区出现了局部酸雨的现象。

这对于那些具有悠久历史的文化瑰宝是具有毁灭性破坏的。

而根据大同市环境监测站连续两年对云岗石窟总悬浮颗粒物、二氧化硫、降尘、硫酸盐化速率、氮氧化物和一氧化碳的监测，由于石窟周边区域居民取暖、炊事用煤，冬季云岗石窟降尘和硫酸盐化速率比夏季高出一倍左右。

长此以往，云岗石窟将最终成为历史，从我们的视线中永远地消失。

而同样地，开采过程中的废水如果处理不当，也会污染附近的河流、湖泊造成水质的污染；同时，煤矿开采也会造成当地土壤的污染与退化。

而由于开采所造成的地表塌陷，河流断流等地质灾害也是一个重大的问题。

而在煤炭的运输过程中对于铁路沿线地区的污染也是相当严重的。

运输煤炭的列车就像一个“移动污染源”，所经过的地区空气中黑灰含量都很高，对于当地的居民及动植物的健康都有巨大的影响。

煤炭的燃烧对于大气的污染更为严重。

由于化石燃料的燃烧需要排放出各种污染物。

在排放到大气的污染物中，99%的氮氧化物（NOX）、99%的一氧化碳（CO）、91%的二氧化硫（SO2）、78%的二氧化碳（CO2）、60%的粉尘和43%的碳化氢是化石燃料燃烧过程中产生的，其中煤燃烧所产生的污染物又占绝大多数。

我们能源以煤为主，燃煤产生的大气污染物占污染物排放总量的比例较大。

例如，二氧化硫占87%，氮氧化物占67%，一氧化碳71%，烟尘占60%。

而据统计资料显示，1995年度，全国废气排放量为12.3亿立方标米，废气中烟尘排放量为1478万吨，二氧化硫（SO2）排放量1891万吨，工业排放废气量为10.7亿立方标米，工业烟尘排放量837.9万吨，工业二氧化硫排放量1405万吨。

1995年SO2排放量较1990年增加了26.4%，烟尘排放量增加了70%[5]。

SO2是形成酸雨的原凶，而近几年来，我国的酸雨受害地区呈不断扩大的趋势。

NOx主要来源于煤炭的高温燃烧，它有加剧温室效应和臭氧层破坏的作用。

CO2则是最主要的温室气体。

1.2.3我国能源发展的政策

根据最新的《中国的能源状况与政策》白皮书的介绍,中国能源发展坚持节约发展、清洁发展和安全发展。

坚持发展是硬道理，用发展和改革的办法解决前进中的问题。

落实科学发展观，坚持以人为本，转变发展观念，创新发展模式，提高发展质量。

坚持走科技含量高、资源消耗低、环境污染少、经济效益好、安全有保障的能源发展道路，最大程度地实现能源的全面、协调和可持续发展。

而作为节能减排重点对象之一的工业领域，应该坚持走科技含量高、经济效益好、资源消耗低、环境污染少、人力资源得到充分发挥的新型工业化道路[3]。

所以像火力发电这样的燃煤大户，为了实现上述目标，应该注意提高煤炭资源的利用率及降低其环保影响。

煤炭是我国主要能源，80%以上的煤炭以直接燃烧方式被利用。

燃煤工业锅炉广泛用于工业生产和社会生活等领域。

工业锅炉是我国第二大燃煤用户，每年燃煤4～5亿吨。

但是目前，燃煤工业锅炉普遍技术落后，热效率低，污染严重，污染物排放总量接近电站锅炉。

因此我国迫切需要发展工业锅炉高效燃烧和烟气除尘一体化技术，彻底解决工业锅炉的燃烧与污染问题。

目前各城市都在急于寻求适用的燃煤工业锅炉技术，半悬浮回燃式抛煤机工业锅炉将使锅炉效率提高10％以上，并大大减少烟尘的排放，能有效解决工业锅炉能耗高、污染重的技术难题，可作为工业锅炉的新型炉型大范围进行推广和应用。

1.3抛煤机锅炉简介

抛煤机锅炉是我国50年代末开始生产的，主要容量有35t/h、20t/h、10t/h。

其产品大部分用于孤立电网的发电站或大型工厂的自备电站。

抛煤机锅炉的特点是火床燃烧和悬浮燃烧的结合，其燃烧过程的强烈使运行的安全性、可靠性、煤种的适应性、燃烧效率等性能指标都优于链条炉，对燃料结焦特性的限制较为宽松，负荷变化迅速[1]。

而相对于循环流化床锅炉，它在造价与维护成本上也有着很大的经济优势。

以下是抛煤机锅炉火场床燃烧的过程[22]：

图1-1抛煤机锅炉火场床燃烧示意图

图1-1表示了风力机械抛煤机锅炉的火床燃烧过程。

炉排面起端部分上面的燃料，除了在播撒时飞行过程中已经在炉膛中吸收了少量热量以外，其燃烧情况大致与链条炉相似：

主要依靠来自炉膛的辐射热来加热和引燃，燃烧自上而下发展，随着炉排的移动，沿炉排长度形成燃料加热干燥、析出挥发分和焦碳燃烧几个阶段（见图中的区域a）。

区域b中的燃烧则具有抛煤机炉子的各项特点：

在这个区域内连续落下的煤粒总是盖在正在燃烧或将燃尽的焦碳层上，下部引燃作用十分强烈，着火条件优越；而且煤粒经过炉内分选，落在炉排每个断面上的煤的粒度组成比较一致，因此炉排强度可以提高，能适应的煤种范围也比较广。

其次，由于燃烧的燃料层较薄，而且比较均匀地分布在炉排面上，因此沿炉排长度方向上各断面上的燃烧情况是相似的，火床上面的气体成分也比较均匀，化学不完全燃烧损失一般很小。

同时由于煤层薄，燃烧又很猛烈，因此炉子的热惯性较小，调节灵敏。

此外，煤粒在炉膛中穿过高温烟气时，一部分表明已经焦化，加之火床中煤粒的粒度又比较一致，因此无论燃煤性质是否属于粘结，火床中一般都不会出现结大块渣的现象。

但是抛煤机锅炉同样存在有很严重的问题：

a.由于炉膛温度较低，致使许多煤粉尚未燃烧就被排出去了，造成飞灰中碳含量非常高，造成严重的效率降低及环境污染。

b.由于炉膛体积有限，导致煤粉内的碳未能完全燃烧，同样会导致燃燃料损失和燃烧效率的降低。

因此，改善抛煤机锅炉的燃烬率、提高燃烧效率；减少粉尘和有害气体的排放，是开发高效洁净半悬浮式抛煤机锅炉的关键技术。

随着我国对于合理、节约利用资源和大力发展环境保护的要求不断提高，在燃煤领域进行相关的技术改造是不可避免的。

而要解决抛煤机锅炉中存在的这些问题，方法主要分为两大类：

一是从炉内燃烧的燃料和空气的角度入手，如改变燃料种类或者是改变空气组分；二是改变抛煤机锅炉系统结构，如加入飞灰回燃技术。

本文的研究背景就是建立在回燃式抛煤机锅炉飞灰分离系统之上的。

下图是回燃式抛煤机锅炉示意图（图1-2）[20]：

图1-2回燃式抛煤机锅炉示意图

1.4旋风除尘器在抛煤机锅炉中的运用

在抛煤机锅炉系统中加入烟气飞灰分离收集环节，使未燃尽的煤炭被捕集回收，可以提高燃料的使用率，降低环境污染。

在抛煤机锅炉系统中使用的旋风除尘器做为一种气固分离设备，它与传统煤粉炉使用的气固分离设备（如静电除尘器和布袋除尘器）有着不同的作用。

静电除尘器和布袋除尘器的作用主要是捕集锅炉燃烧产生的灰尘，达到减小环境污染的目的，它们的安装位置通常是在整个锅炉系统尾部温度较低的地方。

而本实验研究的旋风除尘器则是安装在温度较高的位置，主要是用来分离炉膛内排出的燃烧烟气中尚未燃烬的煤碳，使之能够再次被送回燃烧室进行燃烧，从而提高煤碳的使用效率同时降低对于环境的负担。

本课题实验所使用的研究模型正是基于用于抛煤机锅炉飞灰回燃系统的旋风除尘器而设计的。

1.5本课题的研究内容

I.课题的立题依据

旋风除尘器作为锅炉烟气飞灰分离系统的一个关键部分，长久以来，关于其结构的优化研究已经有许多人研究过了。

但是，到至今为止，对于旋风除尘器排气管段的位置问题，并没有太多人注意过。

目前，几乎所有的旋风除尘器采取的都是中置的方案。

然而，由于改变排气管的位置将改变旋风除尘器内部流场的特性，所以，旋风除尘器排气管的偏置有可能增加其分离效率和降低压力损耗。

由于现有的关于这方面的文献资料比较有限，所以本课题的目的就是通过冷态模化实验和数值模拟对旋风除尘器排气管偏置所产生的分离效率及压力损失上的影响做一个详细的研究，并为旋风除尘器的优化设计提供一个新的思路。

II.课题研究内容

a.通过冷态模化实验研究旋风除尘器排气管插入深度对于分离效率和压力损失的影响，并确定一个最佳的插入深度。

b.通过冷态模化实验研究旋风除尘器排气管偏置对分离效率和除尘器压力损失的影响。

结合实验数据，分析排气管偏置对除尘器内部流场产生的作用并研究流场变化引起对应分离效率与压力损失变化的原因。

综合评估排气管偏置对提高旋风除尘器性能的作用，并确定最佳方案。

第二章旋风除尘器理论基础

2.1旋风除尘器的发展历史及研究进展

从1886年Morse的第一台圆锥形旋风分离器使用至今，已有一百多年的时间了。

旋风分离器早期用于食品工业，主要用于气力输送谷物的收集。

随着近现代工业的发展，旋风分离器在众多需要气固分离的领域使用范围越来越广。

这主要与旋风分离器的结构和运行特点有关。

旋风分离器有以下几个特点:

a.本身无运动部件，结构简单，不需特殊的附属辅助设备，占地面积小，制造、安装费用较少。

b.操作、维护简便，压力损失中等，阻力损失不大，运行、维护费用较低。

c.操作弹性较大，性能稳定，不受含尘气体的浓度、温度限制。

对于粉尘的物理性质无特殊要求，同时可根据工作条件的不同要求，选用不同材料制作或内衬各种不同的耐磨、耐热材料，以