带多分离器的环形炉膛循环流化床锅炉的制作方法

本发明涉及循环流化床锅炉技术领域，特别是循环流化床锅炉的旋风分离器布置。

背景技术：

循环流化床燃烧技术自应用于发电领域以来，便一直朝着大容量、高参数的方向发展。在循环流化床锅炉容量和参数放大的同时，为了保证分离效率，旋风分离器的尺寸无法与炉膛的尺寸同步增加，因此多个旋风分离器并联布置是大型循环流化床锅炉普遍采用的结构形式。但多旋风分离器循环流化床气固两相流动属于并行通道多相流问题，文献报道与实际运行结果(从235MW锅炉2个分离器并联布置到600MW锅炉6个分离器并联布置)均显示，并行旋风分离器之间存在气固流动不均匀现象。该不均匀流动现象将导致各旋风分离器分离效率降低和受热面的热偏差，对于亚临界自然循环的机组，由于水动力的自补偿性质，一般不会引起水冷壁的安全问题，但对于超临界机组，由于水冷壁的安全性依赖于热流密度分布，各回路间的气固流动不均匀性可能严重威胁到锅炉的安全运行。因此，炉膛内各个旋风分离器之间气固流动分布不均匀性问题是超临界循环流化床锅炉必须关注和解决的关键问题。解决这个问题的关键在于各旋风分离器布置方式，包括旋风分离器入口烟道与炉膛之间的相对位置及其与炉膛形状结构的合理匹配。

目前，针对多个旋风分离器并联布置时气固流动分布不均匀性的问题，通常采用的方法是调整旋风分离器入口角度。中国发明专利申请201010162777.X公开了在炉膛两侧采用轴对称或关于炉膛中心点对称的旋风分离器并联布置技术方案，通过优化大型循环流化床锅炉的旋风分离器与炉膛之间的连接，合理设置炉膛烟气出口的位置和旋风分离器入口烟道的形状，以解决多个旋风分离器布置带来的非均匀性问题，不过这种方 案仅适用于炉膛上部截面为矩形的循环流化床锅炉。

自中国发明专利ZL200710151813.0提出一种带水冷柱的循环流化床锅炉炉膛以来，这种炉膛中具有置于炉膛中心线处、从布风板延伸至顶棚的水冷柱，炉膛燃烧空间由炉膛外侧墙、水冷柱、顶棚和布风板四者围合成的大型循环流化床锅炉的开发已日趋走向工程应用，并被通称为环形炉膛循环流化床锅炉。然而由于水冷柱的存在，改变了炉膛内气固流场分布，尤其是对于位于炉膛两侧中间的两个分离器，受水冷柱影响，入口所对应的炉膛截面积变小，且两个分离器之间的气固流通减弱。在炉膛上部截面为矩形的循环流化床锅炉的开发中总结出的多分离器布置方案已无法适用于这种结构的循环流化床锅炉。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种多分离器并联布置的环形炉膛循环流化床锅炉，并联的各分离器之间气固流动分布均匀，分离器分离效率高，炉膛受热面热偏差小，锅炉运行安全性高。

本发明提出了一种带多个旋风分离器的环形炉膛循环流化床锅炉，包括：

炉膛，炉膛内设置有水冷柱，水冷柱的外壁面与炉膛的侧墙之间形成环形炉膛空间，炉膛具有彼此平行的两个第一侧墙和彼此平行的两个第二侧墙，第一侧墙垂直于第二侧墙；

两组旋风分离器，分别设置在两个第一侧墙，每组旋风分离器具有3个旋风分离器，每个旋风分离器均由入口烟道和筒体构成，各个旋风分离器的筒体结构和尺寸均相同，

其中，在横过所有炉膛烟气出口中心点的平面中：

所有旋风分离器对应的炉膛烟气出口中心线彼此平行；

一组旋风分离器的最外侧的两个旋风分离器对应的炉膛烟气出口中心点，与另一组旋风分离器的最外侧的两个旋风分离器对应的炉膛烟气出口中心点，关于两个平面——垂直于两个第一侧墙的炉膛中心面和垂直于两个第二侧墙的炉膛中心面——的相交点中心对称；每组旋风分离器的最 外侧的两个旋风分离器对应的炉膛烟气出口中心点，关于垂直于两个第一侧墙的炉膛中心面与上述平面的相交线形成的炉膛中心线轴对称；且

每组旋风分离器的最外侧的两个旋风分离器的位置关系满足以下关系式限定：

b≤2m时，b/3≤a＜b-0.3m；

b＞2m时，m/2≤a＜b-0.3m，

其中，a、b、m分别为：

a为：最外侧旋风分离器入口烟道横截面在其所在第一侧墙上的外侧交点到与该交点相邻的第二侧墙的距离；

b为：和该交点相邻的第二侧墙相邻且平行的水冷柱的外壁面到与该交点相邻的第二侧墙的距离；

m为：炉膛烟气出口的宽度。

可选地，每一个旋风分离器为扩口形式。

可选地，炉膛侧墙围合形成的结构的横截面为矩形或带切角的八边形。

可选地，水冷柱的横截面为矩形或带切角的八边形。

可选地，所述第一侧墙为宽侧墙，而所述第二侧墙为窄侧墙。

可选地，两个第一侧墙分别为炉膛的左侧墙和右侧墙。

可选地，在横过所有炉膛烟气出口中心点的平面内，每组旋风分离器中位于中间的旋风分离器对应的炉膛烟气出口中心点的连线与垂直于两个第一侧墙的炉膛中心面与上述平面的相交线形成的炉膛中心线处于同一条直线。可选地，在横过所有炉膛烟气出口中心点的平面内，两组旋风分离器中位于中间的旋风分离器的入口烟道横截面关于垂直于两个第二侧墙的炉膛中心面与上述平面的相交线所形成的炉膛中心线轴对称。可选地，在横过所有炉膛烟气出口中心点的平面内，两组旋风分离器中位于中间的旋风分离器的入口烟道横截面关于两个平面——垂直于两个第一侧墙的炉膛中心面和垂直于两个第二侧墙的炉膛中心面——的相交点中心对称。

可选地，在横过所有炉膛烟气出口中心点的平面内，每组旋风分离器 中位于中间的旋风分离器对应的炉膛烟气出口中心点的连线与关于垂直于两个第一侧墙的炉膛中心面与上述平面的相交线形成的炉膛中心线不处于同一条直线。可选地，在横过所有炉膛烟气出口中心点的平面中，两组旋风分离器中位于中间的旋风分离器的入口烟道横截面关于垂直于两个第二侧墙的炉膛中心面与上述平面的相交线所形成的炉膛中心线轴对称。可选地，在横过所有炉膛烟气出口中心点的平面中，两组旋风分离器中位于中间的旋风分离器的入口烟道横截面关于两个平面——垂直于两个第一侧墙的炉膛中心面和垂直于两个第二侧墙的炉膛中心面——的相交点中心对称。

附图说明

图1为本发明的循环流化床锅炉的环形炉膛示意图。

图2为根据本发明的一个实施例示意图。

图3为根据本发明的另一个实施例示意图。

图4～6为本发明的原理示意图。

图7～10为根据本发明实施例3～6的示意图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。在说明书中，相同或相似的附图标号指示相同或相似的部件。下述参照附图对本发明实施方式的说明旨在对本发明的总体发明构思进行解释，而不应当理解为对本发明的一种限制。

本发明的带多分离器的环形炉膛循环流化床锅炉，包括横截面呈环形的炉膛和多个并联的旋风分离器；每个旋风分离器均由入口烟道和筒体构成；各个旋风分离器的筒体结构和尺寸均相同。

具体的，横截面呈环形的炉膛，为具有一个置于炉膛中心线处、从布风板延伸至顶棚的水冷柱，炉膛燃烧空间由炉膛外侧墙、水冷柱、顶棚和布风板四者围合成。如图1所示，炉膛外侧墙具有横截面EFGH，水冷柱具有横截面I’K’D’B’L’J’A’C’(图中示出的是炉膛外侧墙横截面为矩形、 水冷柱横截面为八边形的情况，炉膛外侧墙横截面也可以为八边形，水冷柱横截面也可为矩形)。

炉膛外侧墙中，具有较宽的两侧墙EG和FH，和较窄的两侧墙EF和GH。在横过所有炉膛烟气出口中心点的平面中，两侧墙EG和FH的中心点连线CD为炉膛的一条中心线；两侧墙EF和GH的中心点连线AB为炉膛的另一条中心线。中心线CD与中心线AB的交点O为中心点。处于上述平面内的水冷柱的横截面也关于炉膛中心线AB和CD轴对称。

两侧墙EG和FH上部分别布置有3个烟气出口，每个烟气出口均与一个旋风分离器的入口烟道相连通，从而构成两组、每组3个旋风分离器。

在横过所有炉膛烟气出口中心点的平面中，两组旋风分离器中一组的最外侧的两个旋风分离器对应的炉膛烟气出口中心点，与另一组的两个旋风分离器对应的炉膛烟气出口中心点，关于中心点O中心对称；同时，每组的最外侧的两个旋风分离器对应的炉膛烟气出口中心点，分别关于炉膛中心线CD轴对称。每组最外侧的旋风分离器，可以为内切布置，也可以为外切布置。内切布置表示旋风分离器入口烟道的切向边IG和斜边KL中，切向边IG更靠近中心线CD(参见图2)；外切布置表示旋风分离器入口烟道的切向边IG和斜边KL中，切向边IG更远离炉膛中心线CD(参见图3)。

所有旋风分离器对应的炉膛烟气出口中心线彼此平行。

所述每组最外侧的旋风分离器的位置关系满足以下关系式限定：

b≤2m时，b/3≤a＜b-0.3m；

b＞2m时，m/2≤a＜b-0.3m。

其中，a、b、m分别为：

内切布置时，a为最外侧旋风分离器入口烟道横截面IGKL的斜边KL在其所在炉膛侧墙上的交点L，与其所相邻的炉膛侧墙EF的距离；外切布置时，a为最外侧旋风分离器入口烟道横截面IGKL的切向边IG在其所在炉膛侧墙上的交点I，与其所相邻的炉膛侧墙EF的距离；

b为：与最外侧旋风分离器相邻的炉膛外侧墙EF与之平行、且与之最接近的水冷柱壁面I’K’之间的距离；

m为：炉膛烟气出口的宽度，即分离器入口烟道横截面IGKL在其所在炉膛侧墙上的开口LI的宽度。

在本发明中，作为一种直观表示，一个炉膛烟气出口中点为附图中例如线段LI的中点。

炉膛外侧墙是矩形还是带切角的八边形、水冷柱横截面是矩形还是带切角的八边形，对上述关系式没有影响。

当旋风分离器入口为扩口形式，即其入口烟道横截面的斜边为折线或弧线时，上述a仍为该斜边与分离器所在的炉膛侧墙上的交点与相邻炉膛侧墙的距离。

在本发明中，在横过所有炉膛烟气出口中心点的平面中，外侧是相对于炉膛中心线CD而言的，图中，靠近炉膛中心线CD的一侧为内侧，而远离炉膛中心线CD的一侧为外侧。

本发明的原理是：

旋风分离器1和3、4和6对应的炉膛烟气出口中点分别关于炉膛的中心线CD轴对称，旋风分离器1和4、3和6对应的炉膛烟气出口中点分别关于中心点O对称，可使四个旋风分离器的气固流动分布基本相同。

炉膛中的水冷柱改变了炉内气固流场分布，炉膛两侧中间的两个分离器入口所对应的炉膛截面积变小，且两个分离器之间的气固流通减弱，因此环形炉膛的旋风分离器布置中，最需要关注的是这两个分离器的均匀性。而对此影响最为显著的，是每组最外侧的旋风分离器的位置：

图4示出了每组最外侧的旋风分离器过于靠近炉膛前后墙的情况。以旋风分离器3为例，向旋风分离器3入口运动的颗粒主要来自p和t两个方向，其中来自炉膛外墙EF方向的颗粒沿p方向进入旋风分离器3，没有与壁面的碰撞及能量损耗，大量的颗粒进入分离器；向旋风分离器2入口运动的颗粒来自于f、g和h三个方向，且f和h方向夹角接近180°，使得旋风分离器2入口处颗粒之间的碰撞比3入口处剧烈，由于颗粒之间的碰撞导致的能量耗散增强，减弱了颗粒随气流切向进入旋风分离器入口的动力，导致部分颗粒没有进入旋风分离器，而是在炉膛内向下运动形成内循环。上述因素综合作用，使得位于中间的旋风分离器2的固体流率明显 小于旋风分离器1和3。

图5示出的是旋风分离器1和3向炉膛中心线方向移动，旋风分离器3入口和旋风分离器1入口与炉膛外侧墙EF、GH间拉开一定距离的情况。此时，来自于炉膛外侧墙EF、GH方向的颗粒增加了与炉膛壁面的碰撞和摩擦，减小了颗粒进入旋风分离器1和3入口的动量，部分颗粒会形成炉内下降流，从而减少了进入1和3旋风分离器的固体颗粒量，进入旋风分离器1、2和3的固体流率趋于平衡。

图6示出了旋风分离器1和3进一步向炉膛中心线方向移动，旋风分离器3入口和旋风分离器1入口与炉膛外侧墙EF、GH之间距离进一步增大的情况。此时，来自炉膛外侧墙EF、GH方向的颗粒与炉膛壁面的碰撞和摩擦加剧，更多颗粒形成炉内下降流，沿p向进入1和3旋风分离器的固体颗粒量进一步减少；同时，旋风分离器3入口和旋风分离器1入口大部分正对炉膛内水冷柱长边壁面，受炉膛水冷柱壁面阻挡，沿t向进入1和3旋风分离器的颗粒量也在减小。因而中间位置旋风分离器2的固体流率将会大于旋风分离器1和3。

综上所述，每组最外侧的旋风分离器的入口烟道位置应在一定范围内，才能使同侧三个旋风分离器的物料流率较为平衡，并使炉膛内实现较好的物料流动均匀性。

以上已结合图2和图3说明了实施例1和2，以下结合附图7～10继续说明实施例3～6。

图7～10为环形炉膛循环流化床锅炉的炉膛和六个旋风分离器在横过所有炉膛烟气出口中心点的平面内的横截面图。图中用单线条表示炉膛和旋风分离器在横截面图上的基本轮廓，是烟气流通的内壁面。这些壁面的具体结构和厚度等参数与本发明的任务无关，图中没有表示。

如图7所示的实施例3，六个旋风分离器分两组布置于炉膛两侧，六个分离器的筒体结构和尺寸均相同。旋风分离器1、3、4和6为内切布置。旋风分离器1和4，旋风分离器3和6的对应的炉膛烟气出口中点，分别关于中心点O中心对称；旋风分离器1和3，旋风分离器4和6的对应的炉膛烟气出口中点，分别关于炉膛中心线CD轴对称。旋风分离器2和旋风分离器5对应的炉膛烟气出口中点与炉膛中心线CD位于同一条直线上， 且旋风分离器2和旋风分离器5入口烟道的横截面关于炉膛中心线AB轴对称。

以旋风分离器3为例，说明炉膛两侧每组最外侧的两个旋风分离器位置：旋风分离器3入口烟道在炉膛外侧墙E’G’上的开口IL宽度为m，入口烟道横截面IGKL的斜边KL与炉膛外侧墙EF的距离为a，炉膛外侧墙EF与水冷柱壁面I′K′之间的距离为b，其中，a＝b/2，且a＝b-0.9m。

如图8所示的实施例4，六个旋风分离器分两组布置于炉膛两侧，六个分离器的筒体结构和尺寸均相同。旋风分离器1、3、4和6为外切布置。旋风分离器1和4，旋风分离器3和6的对应的炉膛烟气出口中点，分别关于中心点O中心对称；旋风分离器1和3，旋风分离器4和6的对应的炉膛烟气出口中点，分别关于炉膛中心线CD轴对称。旋风分离器2和旋风分离器5对应的炉膛烟气出口中点与炉膛中心线CD不处于一条直线上，旋风分离器2和旋风分离器5入口烟道的横截面关于中心点O中心对称。

以旋风分离器3为例，说明炉膛两侧每组最外侧的两个旋风分离器位置：旋风分离器3入口烟道在炉膛外侧墙EG上的开口IL宽度为m，入口烟道横截面IGKL的切向边IG与炉膛外侧墙EF的距离为a，炉膛外侧墙EF与水冷柱壁面I′K′之间的距离为b，其中a＝b/2，且a＝b-0.9m。

图9是本发明实施例5的示意图。六个旋风分离器分两组布置于炉膛两侧，六个分离器的筒体结构和尺寸均相同。旋风分离器1、3、4和6为内切布置。旋风分离器1和4，旋风分离器3和6的对应的炉膛烟气出口中点，分别关于中心点O中心对称；旋风分离器1和3，旋风分离器4和6的对应的炉膛烟气出口中点，分别关于炉膛中心线CD轴对称。旋风分离器2和旋风分离器5对应的炉膛烟气出口中点与炉膛中心线CD位于同一条直线上，且旋风分离器2和旋风分离器5入口烟道的横截面关于中心点O中心对称。

旋风分离器1～6的入口烟道在炉膛上的开口为扩口形式，其横截面的斜边为两条直线段构成的折线段。以旋风分离器3为例，旋风分离器3的入口烟道横截面为IGKLL′，切向边为IG，斜边为折线段KLL′，IL′为旋风分离器3入口烟道在炉膛外侧墙EG上的开口。

以旋风分离器3为例，说明对炉膛每侧位于两端位置的旋风分离器位 置的限定：旋风分离器3入口烟道在炉膛外侧墙EG上的开口IL′宽度为m，入口烟道横截面IGKLL′的斜边与炉膛外侧墙EF的距离为a，炉膛外侧墙EF与水冷柱壁面I′K′之间的距离为b，其中：a＝b/2，且a＝b-0.9m。

图10是本发明实施例6的大型循环流化床锅炉炉膛和六个旋风分离器的俯视图。六个旋风分离器分两组布置于炉膛两侧，六个分离器的筒体结构和尺寸均相同。旋风分离器1为外切布置，旋风分离器3、4和6为内切布置。旋风分离器1和4，旋风分离器3和6的对应的炉膛烟气出口中点，分别关于中心点O中心对称；旋风分离器1和3，旋风分离器4和6的对应的炉膛烟气出口中点，分别关于炉膛中心线CD轴对称。旋风分离器2和旋风分离器5对应的炉膛烟气出口中点与炉膛中心线CD位于同一条直线上，且旋风分离器2和旋风分离器5入口烟道的横截面关于炉膛中心线AB轴对称。

以旋风分离器1和旋风分离器3为例，说明对炉膛每侧位于两端位置的旋风分离器位置的限定。

旋风分离器3为内切布置，入口烟道开口IL宽度为m，其入口烟道横截面IGKL的斜边KL与炉膛外侧墙EF的距离为a，旋风分离器1为外切布置，其入口烟道横截面的切向边与炉膛外侧墙GH的距离为a，炉膛外侧墙EF与水冷柱壁面I′K′之间的距离为b，其中，a＝b/2，且a＝b-0.9m。

上述长度关系可在一定范围内适当调整，具体的：

b≤2m时，b/3≤a＜b-0.3m；

b＞2m时，m/2≤a＜b-0.3m。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行变化，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。