高效粉煤灰分選系統的設計與應用

邱生祥

（福建龍凈環保股份有限公司，福建 龍巖 364000）

高效粉煤灰分選系統的設計與應用

邱生祥

（福建龍凈環保股份有限公司，福建 龍巖 364000）

粉煤灰分選是一種實用技術，從分選機的原理出發，設計合理的分選機結構，選擇合理的系統布置和參數能夠保證分選的高效率。文中還著重對分選系統的防磨措施、工藝設計、調節方法、分選效率作了詳細的描述。對實際應用項目的設計、安裝調試、運行測試等內容做了介紹，并驗證了本分選系統的調節手段多樣、方便，效率高達85%以上。

粉煤灰;分選機;效率;系統設計;工程應用

概述

燃煤電廠產生的粉煤灰的綜合利用，既有利于環境保護，又能創造良好的經濟和社會效益。隨著除塵干灰綜合利用的發展，市場對灰的品質要求也在不斷提高，從除塵器直接收集的原灰已不能滿足市場要求，而需經過分選等方式進行粗細分離才能生產出高等級、更有利用價值的細灰。

生產細灰的方式目前有保持原灰形態直接進行粉煤灰分選方式，也可采用磨機進行磨細處理的方式。其中直接采用分選進行粗細灰分離的較多，該方式能保持粉煤灰的火山灰的形態性能，對發揮粉煤灰的活性更具優勢。

粉煤灰分選是一種實用技術，從分選機的原理出發，設計合理的分選機結構，選擇合理的系統布置和參數能夠保證分選的高效率。

分選系統在國外發達國家早已被廣泛使用，我國于20世紀90年代中期開始使用，當時主要是引進了幾套美國GE公司的分選設備。為滿足市場需求，國內不少企業自主開發了分選設備，目前已成功應用于我國的粉煤灰綜合利用事業，但普遍存在分選效率低、設備使用壽命短、能耗大的缺陷。因此開發出一種高效分選系統符合當前粉煤灰綜合利用的發展趨勢[1-10]。

1 分選系統簡介

粉煤灰分選系統是以高壓離心風機作為輸送及分選的動力源，即利用離心風機的抽吸作用，在系統管道內形成一定的真空氣流，使燃煤鍋爐產生的飛灰，經輸灰管道隨氣流輸送至分選機將粗灰從氣流中分離而排入粗灰庫，再經高效旋風除塵器和/或布袋除塵器將細灰分離后落入細灰庫，凈化后的空氣則經高壓風機進行循環，系統形成閉環運行，也有采用開環設置的，即凈化達標后的空氣經高壓風機直接排空。

粉煤灰分選系統適用于粉煤灰分選的離心式分選系統，其主要設備組成有高壓離心風機、分選機、旋風分離器、鎖氣取樣閥等。

目前粉煤灰分選系統是以混凝土摻合料用粉煤灰等級劃分標準（GB1596-91）為原則進行設計，并運用到相關領域。

2 分選機的開發

2.1 分選機原理

離心分選機的工作原理類似旋風除塵器的原理，攜帶物料的氣流以一定的速度從分選機一次進風口進入，經急轉彎處的離心力和內部擋板的作用，使之初步分離。二次風由底部入口進入，粗顆粒由重力作用使之沉降在分選機底部，而中等和細顆粒隨渦流螺旋軌跡運動，顆粒主要受到重力Fg、離心力Fc與氣流曳力Fd的作用（如圖1所示）。較細的顆粒由于Fd＞Fc而向內運動，由分選機中部兩側排出，經旋風分離器收集成為細產品；較粗顆粒由于Fc＞Fd而向外運動，在周邊處減速，受重力作用而沉降在分選機底部。

圖1 分選機外形及顆粒受力示意

2.2 分選機與分級粒徑

顆粒在離心力場中主要受到重力Fg、離心力Fc和氣流曳力Fd的同時作用，其中重力可忽略不計。當顆粒所受離心力Fc大于氣流曳力Fd時即被分離，否則就被氣流帶出，由離心力和氣流曳力平衡獲得的分級粒徑dc為：

式中：R — 旋轉渦流的半徑；

Vr、Vt— 分別為旋轉渦流的徑向和切向速度；

ρs、ρ— 分別為粉煤灰和氣體的密度。

代入分選機的蝸殼結構參數和系統運行參數后，則分級粒徑dc的關系式如下式：

dc∝k·Q·Dk

式中：Q — 系統風量；

Dk— 渦流孔板直徑；

k — 結構常數。

由上式可知：

（1）分級粒徑的大小與分選機渦殼的結構、渦流孔板直徑、系統風量有關。

（2）對指定的分選機而言，結構常數基本為定值，僅僅可調節擋板位置以改變渦流的大小及強度。

（3）系統風量Q是可變量，對分級粒徑的調節起主要作用，而風量調節非常簡單方便，只需調節系統管道的閥門開度即能達到調節風量的目的。

（4）渦流孔板直徑對分級粒徑的影響較大，只需更換不同的孔板直徑就能調整分級粒徑。但渦流孔板不能在線更換調整，必須停止生產后才能進行更換調整，因此開發分選機時必須重點把握孔板的設計。

2.3 結構設計

按以上原理，建立數學模型，通過計算機模擬仿真，并吸取國內外同行的優點，研發了分選機的渦殼結構，通過反復試驗，最終確定了渦殼尺寸，并通過結構設計，開發了5～50t/h全系列的分選機。該分選機的分級粒徑可在30～45μm之間調節。

2.4 防磨措施

粉煤灰的主要成分SiO2的硬度高，對設備的磨損強，因此含塵氣流對分選機的入口、內部擋板等部位的磨損是非常嚴重的，分選機必須采取防磨處理。由于磨損與氣流速度的三次方成正比，因此降低分選速度是有效減少磨損的手段，分選機的進口設計風速控制在18～25m/s之間，在保證分選細度及效率的前提下，盡量降低風速。另外，還對設備內易磨損部分采用熱噴涂或內襯剛玉，保證了設備的使用壽命。

3 分選系統設計

分選系統的布置相對靈活多樣，主要有閉路系統和開路系統。由于閉路循環系統具有減少含塵氣體排放對環境的污染、避免含濕氣體進入管道循環系統從而提高分選效率及降低等級灰的含水率等優點，因此主要開發系統采用閉路系統。閉路系統亦有在原灰庫側集中布置及在原灰庫頂布置兩種方式，并根據場地情況可決定是否布置二次除塵器等設備。這些典型系統工藝可根據各項目現場的情況和成品灰庫需求的大小靈活布置。

3.1 開路系統布置

原灰與系統管道中的氣體均勻混合進入分選機進行分選，分選的粗灰直接排入粗灰庫儲存；分選的細灰進入旋風分離器進行灰氣分離，收集的細灰直接排入細灰庫儲存；少量細灰和氣體則進入二次除塵器除塵，收集的細灰經氣力輸送泵送至細灰庫。經二次除塵的氣體通過高壓風機抽出排空，一、二次風則直接從大氣引入（如圖2所示）。其特點如下：

（1）分選機和旋風分離器相對灰庫呈高位布置，分選后灰往低位排出。

（2）整個系統布置簡單，設備占用面積少。

（3）分選機和旋風除塵器直接布置在灰庫頂部，大大降低了系統工程的制作及安裝費用。

（4）是否進行灰份分選可由用戶自行選擇，方式靈活。

（5）空氣濕度將影響分選的效率。

圖2 開路系統布置示意

3.2 閉路庫頂布置

為了系統設備布置方便及節省一次投資，在高位布置時可不配除塵器，直接采用閉路系統收集細灰，讓含塵氣體在系統內循環，這樣可節省投資且在庫頂布置方便，但對風機的耐磨要求更高（如圖3所示）。其特點如下：

（1）分選機和旋風除塵器直接布置在灰庫頂部，大大降低了系統工程的制作及安裝費用。

（2）采用旋風分離器一級分離，省去了二級除塵設備，可降低工程造價且系統布置簡單。

（3）高壓離心風機采用地面低位布置，方便操作維護。

（4）采用閉路系統，分選效率不受外部氣候環境的影響，空氣濕度不會引起分選效率的降低。

圖3 閉路系統布置示意

3.3 系統分級粒徑的調節

分選系統的開發設計考慮了調節的方便性，主要的調節手段有以下方法，且只需選用其中的1～2種方法，即可確保成品灰細度達到GB1596-91粒級的要求。

（1）系統風量可通過高壓離心風機進口調節風門進行調節。

（2）通過分選機的二次風門進行調節。

（3）調節分選機導流板位置。

（4）調換分選機渦流孔板。

（5）通過系統設置的調節門進行調節。

3.4 分選效率

粉煤灰分選效率指原灰中的細灰被分選出來的程度，通過對系統運行風量的優化和分選機自身結構的科學設計，本分選系統的分選效率可達85%以上。

粉煤灰分選效率的高低，以往很難用公式計算，只能按粗、細灰的裝車數來粗略估算或請試驗所采用儀器進行測定，加上生產的粉煤灰畢竟不是貴重產品，因此對分選效率很少認真追究。

為解決分選效率的計算問題，必須作兩個假設：其一分選過程中沒有破碎，即分選前后，純粗灰重量不會變化；其二假設各點取灰為同步。

效率=原灰中被分選出來的細灰重量÷原灰中細灰的含量×100%

設原灰細度（篩余量）α%（細度概念以GB1596-91為標準）；分選后，粗灰細度為β%；細灰細度為γ%。

經推斷，效率計算的公式為：

4 系統的調試及運行

4.1 系統開車運行

（1）將高壓離心風機進風蝶閥關閉，啟動風機，待達到正常轉速時方可開啟進風蝶閥和手動給料閘閥。

（2）啟動電動給料機，進入投料運行。

（3）開啟細灰取樣閥，取樣檢測分級細度是否符合要求。否則調節一、二次風流量或導流板，直至達到要求為止。

4.2 系統停車

（1）首先關閉電動給料機，停止給分選系統加料。

（2）繼續運行直至灰管的粉煤灰排盡，一般管道需通風運行5min以上。

（3）停運高壓離心風機，關閉進風蝶閥和調風門。

4.3 注意事項

（1）停車前應排凈輸灰管內灰分，以免結團堵塞。

（2）臨時停運或停運時間不長時可不停運高壓離心風機。

（3）當原狀灰顆粒級配變化時，分選機的導流板和二次風閥門開度應重新調整，直至分級細度達到要求為止。

（4）當系統阻力急劇增大時，可判斷為管道堵塞，必須馬上停止給料運行，并對管道進行疏通。

5 工程應用

5.1 工程概況

信陽電廠2×300MW機組，配套雙室三電場電除塵器，建有原灰庫、粗灰庫和細灰庫，粉煤灰采用正壓濃相氣力輸送系統輸送至原灰庫儲存。要求新上處理原灰能力達到40t/h的分選系統，采用庫頂布置的閉路系統。

5.2 系統設計

（1）系統主要設計參數（見表1）。

表1 設計參數匯總

（2）系統工藝流程

原灰庫的粉煤灰通過變頻給料機均勻給料，經輸灰管道隨氣流輸送至頂灰庫，通過分選機將粗灰從氣流中分離排入粗灰庫，再經高效旋風除塵器將細灰分離后落入細灰庫內集中儲存加以綜合利用，少量細灰和空氣流則由風機排入管道進行循環，部分乏氣排入灰庫經庫頂布袋過濾排空。系統工藝流程如圖4所示。

5.3 系統運行情況

該系統于2007年12月安裝完畢并投入試運行， 2008年5月對系統進行了性能測試，分選細度達到粉煤灰Ⅰ級灰的標準，平均分選效率達到86.3%，其它有關性能測試數據詳見表2。該系統穩定運行至今，一直保持高分選效率，電廠運行時段每隔2小時的細度監控測試表明：該系統的分選細度偏差值一直保持小于10%，完全滿足了Ⅰ級灰的生產要求。

表2 測試數據匯總

6 結語

粉煤灰是燃煤電廠產生的固體廢物，棄之為害，用之為寶。本文闡述的分選系統效率高達85%以上，對分級粒徑有多種調節手段，能方便地分選出Ⅰ、Ⅱ級灰，且系統布置靈活，能適應不同的應用場合，是處理粉煤灰的首選途徑之一，具有顯著的社會和經濟效益。

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Design and Application on Coke Breeze Classification System with High Efficiency

QIU Sheng-xiang
(Fujian Longking Co., Ltd, Longyan Fujian 364000, China)

The coke breeze classification is one of practical technology, with the suitable structure and system design,the high efficiency can be achieved. The paper not only focuses on the anti-wearing, process design, adjusting technology and efficiency of classification system, but also describes the application on project design, erection, pre-commissioning and commissioning. The variable and convenient adjusting method for classification system is proved and the efficiency can be achieved at 85%.

coke breeze; selector; efficiency; design of system; application of engineering

TM621

A

1006-5377（2012）03-0011-05