火力發電廠飛灰取樣裝置性能分析與改進

劉景龍，侯凡軍，劉　　科，肖冠華

·發電技術·

火力發電廠飛灰取樣裝置性能分析與改進

劉景龍1，侯凡軍1，劉科1，肖冠華2

（1.國網山東省電力公司電力科學研究院，濟南250003；2.山東中實易通集團有限公司，濟南250003）

對火力發電廠使用的幾種飛灰取樣裝置的取樣原理和使用性能進行分析，其存在的主要問題有：取樣的代表性差、煙氣中水蒸氣結露。提出兩種新型飛灰取樣裝置，有效避免了原有飛灰取樣裝置的不足。取樣可靠性問題解決后，可以采用灼燒法和微波法實現飛灰含碳量的在線測量。

飛灰含碳量；飛灰取樣裝置；等速取樣

0　引言

飛灰含碳量是反映鍋爐燃燒效果的主要指標，對飛灰的綜合利用也有較大影響，因此需要對其進行定期監測，以便監督鍋爐燃燒工況，改進運行操作方式，提高鍋爐效率。

火力發電廠大多為三值運行，對飛灰的監測通常采取一天取一次飛灰樣的方式，所取樣品為每天3個班值班期間機組鍋爐煤粉燃燒后產生飛灰的混合樣。隨著火力發電廠節能減排工作的加強，電廠運行開展了小指標競賽活動，對飛灰含碳量的監測更加嚴格。為了對每班值班期間機組運行的經濟性進行有效監督，每個班值班期間產生的飛灰需要單獨取樣和化驗。另外在進行鍋爐的熱效率試驗、燃燒調整試驗和性能考核時也需要進行飛灰取樣，為鍋爐性能計算提供飛灰含碳量的準確數據。

一般在鍋爐尾部煙道的合適部位安裝專用的取樣裝置，將飛灰從煙氣中分離出來作為飛灰樣。煙道中的飛灰取樣是典型的氣固分離問題，主要結合氣固分離的原理對不同類型的飛灰取樣裝置進行性能分析。

1　撞擊式飛灰取樣裝置

1.1撞擊分離原理

撞擊式飛灰取樣裝置采用撞擊分離原理。當氣固兩相流流經某一特定形狀的物體表面時，固體顆粒與壁面撞擊后向不同方向反彈，而氣體則繞過物體表面流走，從而氣固發生分離。

1.2撞擊分離飛灰取樣裝置性能分析

撞擊分離飛灰取樣裝置結構如圖1所示。一般安裝在鍋爐尾部煙道水平段、主要由坡口、落灰管、存灰罐組成。工作原理為：將一段無縫光管一端打一坡口，將帶坡口端插入燃煤鍋爐空氣預熱器出口水平煙道中，坡口正好位于煙道中央位置并面對氣流方向。當攜帶飛灰顆粒的煙氣流過坡口時，飛灰顆粒撞擊管子坡口內表面，從煙氣流中分離出來，在重力的作用下沿管子下落至下方的存灰罐。

主要特點為：1）結構簡單，只需在煙道中插入一帶坡口鋼管就可以實現飛灰取樣；2）其取樣口為坡口形狀或在圓管壁上開孔，顆粒存在無規律的碰撞，不符合兩相流中顆粒取樣原理，顆粒取樣的重復性差；3）只在煙道內一點取樣，沒有實現全截面取樣，取樣代表性差。

幾十年來，我國大多數火力發電廠一直在用撞擊式飛灰取樣裝置［1］，但隨著對鍋爐節能監測要求的提高和技術的進步，這種方法的不足越來越明顯，已經不能適應火力發電廠對飛灰取樣的要求。

2　旋風分離式氣固分離裝置

2.1旋風分離原理

在抽吸力的作用下，含塵氣流切向進入旋風分離器圓柱內筒時產生強烈旋轉，在離心力的作用下，大部分固體顆粒被甩向內筒四壁并繼續向下運動，在與內壁碰撞的過程中失去動能并在重力的作用下沿筒壁下落，而氣體在筒內收縮并經中心管排出［2］。旋風分離器的結構簡單，尺寸緊湊，在處理含10 μm以上塵粒的氣流時，可以有較高的分離效率。其不足是阻力損失大，分離效率的高低極容易受實際流量的影響，若氣體流量降低，分離效率下降較快。

2.2旋風分離飛灰取樣裝置性能分析

旋風分離飛灰取樣裝置的抽吸動力可以采取多種方式，根據抽吸方式的不同，旋風分離飛灰取樣裝置又可分為自抽吸式、煙氣負壓泵式、煙道差壓式等。

2.2.1自吸式旋風分離飛灰取樣裝置

自吸式飛灰取樣裝置結構如圖2所示，主要由彎頭式飛灰取樣槍、連接板、旋風分離器、存灰罐、排氣管、調節噴嘴、文丘里引射管等組成［3-4］。其工作原理為：文丘里引射管安裝在煙道內，由于煙道內是負壓，空氣從入口進入文丘里引射管，在引射管的喉部產生了一個比煙道內負壓更大的負壓。調節噴嘴出口位于文丘里引射管的喉部，此處負壓與煙道內負壓存在一個壓差，在壓差的作用下，攜帶飛灰的煙氣進入飛灰取樣槍，在旋風分離器內發生氣固分離，飛灰落入下部的存灰罐，煙氣進入排氣管，在調節噴嘴處與空氣混合后通過引射管重新又回到煙道內。彎頭式飛灰取樣槍采用靜壓平衡取樣原理，通過調節噴嘴調節抽吸量，實現等速取樣，保證煤粉取樣的準確性。

主要特點：1）與撞擊分離式飛灰取樣裝置相比，取樣口為流線型，取樣準確性得到較大提高；2）由于含灰煙氣要通過煙道外的取樣管，當管壁溫度受大氣環境影響低于煙氣中水蒸氣的露點溫度時，煙氣中的水蒸氣在管壁上凝結，因此飛灰顆粒就會附著在壁面上，最終造成取樣管道積灰堵塞，無法取樣；3）由于機組負荷經常發生變化，煙道內煙氣的流速也隨之發生變化。目前大多數旋風分離抽吸式飛灰取樣裝置都只是在鍋爐額定負荷時能實現等速功能，但在鍋爐負荷發生變化后，并沒有自動調節裝置去調節抽吸速度；4）只是在煙道內一點取樣，沒有實現全截面取樣，取樣代表性差。

圖2　自吸式飛灰取樣裝置

2.2.2煙氣負壓泵式旋風分離飛灰取樣裝置

煙氣負壓泵式旋風分離飛灰取樣裝置的系統見圖3，主要由彎頭式飛灰取樣槍、旋風分離器、存灰罐、渦輪抽氣機、調節擋板門、軸承座、電動機、控制器等組成［5］。

工作原理：在渦輪抽氣機的抽吸作用下，煙氣由飛灰取樣槍進入旋風分離器。煙氣中的飛灰顆粒在離心力作用下發生氣固分離，飛灰落入下面的取樣瓶，煙氣則進入渦輪抽氣機最后排入煙道。渦輪抽氣機的抽吸量可以通過調節擋板調節，使取樣速度與煙道內的煙氣速度相等，實現等速取樣。

主要特點：1）抽氣動力采用用電機驅動的渦輪抽氣機，易實現機電一體化和自動控制；2）飛灰取樣槍和回氣管部分位于煙道外，受環境影響易發生煙氣中水蒸汽凝結堵灰現象；3）當渦輪抽氣機發生故障時，沒有備用抽吸動力，飛灰取樣裝置無法使用，影響飛灰的日常監測。抽吸動力，無需外加抽吸力；2）抽吸速度可調，但當空氣預熱器因積灰阻力特性改變后，無法保證等速取樣；3）分離裝置和煙道連接管在煙道外，當煙氣流過時，煙氣中水蒸氣易發生凝結、飛灰沉積堵塞問題。

3　　濾筒分離飛灰取樣裝置

圖3　煙氣負壓泵式旋風分離器飛灰取樣裝置

2.2.3煙道差壓式旋風分離飛灰取樣裝置

煙道差壓式飛灰取樣裝置的結構見圖4，主要由彎頭式飛灰取樣槍、旋風分離器、存灰罐、煙氣流量調節閥、煙道連接管等組成。其工作原理為：當煙氣流經空氣預熱器時，空氣預熱器煙氣側進口和出口會產生壓差，一般在1.5～3.0 kPa。煙道差壓式飛灰取樣裝置取樣槍安裝在空氣預熱器入口，而煙氣連接管出口位于空氣預熱器出口。在空氣預熱器進出口壓差的作用下，攜帶飛灰顆粒的煙氣進入飛灰取樣槍，在旋風分離器處發生氣固分離，飛灰經過離心分離落入下面的飛灰取樣罐、煙氣流經煙氣流量調節閥和煙道連接管排入空氣預熱器出口。可以通過改變煙氣流量調節閥的開度調節煙氣流量實現飛灰的等速取樣。

主要特點：1）利用空氣預熱器進出口壓差作為

圖4　煙道差壓式飛灰取樣裝置

3.1過濾分離原理

濾筒分離裝置基于過濾分離原理。過濾分離是采用纖維編織物制作的袋式過濾元件捕集含塵氣體中固體顆粒的一種氣固分離方式。對于飛灰取樣，袋式過濾元件采用玻璃纖維濾筒。當含塵氣流流過玻璃纖維濾筒時，氣體通過，固體顆粒則在繞過玻璃纖維時因慣性作用與纖維發生碰撞而被攔截。玻璃纖維濾筒是精細的收塵設備，可以用來收集小至1 μm左右的顆粒。其優點是收塵效率高，耐高溫，在正常工作時可達98%以上。玻璃纖維濾筒不能在低于氣體露點的溫度下工作，以免氣體中的水分凝結，塵粒粘結在袋子上，不能正常工作。

3.2濾筒分離飛灰取樣裝置性能分析

濾筒分離自動飛灰取樣裝置的結構見圖5，主要由飛灰取樣槍、玻璃纖維濾筒、靠背管、自動抽吸裝置等組成。其工作原理為：通過靠背管測量煙道取樣點處煙氣流動的速度，自動抽吸裝置調節抽吸量的大小，使取樣口的抽吸速度等于取樣點處的煙氣流速，實現等速取樣。含飛灰的煙氣進入取樣頭和玻璃纖維濾筒。絕大部分飛灰顆粒被玻璃纖維濾筒過濾下來，煙氣則通過玻璃纖維濾筒，進入取樣管，最后被自動抽吸裝置排入大氣。取樣結束后，將飛灰取樣槍取出，將玻璃纖維濾筒里面的飛灰倒出來存好即可［6］。

圖5　濾筒分離自動飛灰取樣裝置

主要特點：1）實現了等速取樣，等速實現的方式為預測流速式，即先測量取樣點處的煙氣流速，然后通過調節抽吸量，使抽吸速度等于煙氣流速；2）由于玻璃纖維濾筒位于煙道內，不存在水蒸氣凝結的問題，因此取樣系統不會發生飛灰積灰堵塞現象；3）取灰量小。玻璃纖維濾筒的容積很小，較短時間內就會取滿，無法滿足鍋爐日常監督的需要，只能用于機組性能試驗；4）結構復雜、價格昂貴，在惡劣天氣條件下容易出現各種故障，并不適合電廠日常監督使用。

4　　新型飛灰取樣裝置研制與應用

針對現在火力發電廠飛灰取樣裝置存在的問題，進行了技術攻關，研制了兩種新型飛灰取樣裝置并在現場進行了應用。

4.1電除塵器自動飛灰取樣裝置

電除塵器是火力發電廠收集飛灰的主要裝置，飛灰在電除塵器中被從煙氣中分離出來，落入下部的灰倉，然后進入灰倉下部的倉泵并通過氣力輸送的方式被送至灰庫。

圖6是電除塵器飛灰取樣裝置示意圖。全自動電除塵器飛灰取樣裝置主要由轉筒、取樣絞龍、手動隔離球閥、取樣法蘭、落灰收集器、主支撐板、轉筒驅動電機、絞龍驅動電機、鏈輪鏈條傳動機構、轉盤、光電開關、飛灰取樣罐A、飛灰取樣罐B、飛灰取樣罐C、轉盤驅動電機、控制器、儀器箱等組成。

圖6　電除塵器飛灰取樣裝置

工作原理：從灰庫下落的飛灰通過轉筒端部的小孔進入轉筒內部，在取樣絞龍的作用下將落入轉筒的飛灰輸運至落灰收集器。落灰收集器下方有三個可以旋轉的飛灰收集罐。飛灰收集罐A的作用是收集00∶00—08∶00從落灰收集器落下的飛灰。飛灰收集罐B的作用是收集08∶00—16∶00從落灰收集器落下的飛灰。飛灰收集罐C的作用是收集16∶00—24∶00從落灰收集器落下的飛灰。

主要特點：1）飛灰取樣代表性好。一般電除塵器分4個電場，第一電場的灰量約占總量的80%左右。從電除塵器第一電場進行飛灰取樣，所得飛灰代表性好；2）電除塵器下落的飛灰不存在氣固分離的問題，避免了煙氣凝結造成的取灰管路堵塞，提高了裝置運行的可靠性；3）飛灰取樣量大。轉筒基本被飛灰淹沒，由于飛灰在堆積狀態下具有一定的流動性，造成飛灰取樣量大。

4.2全自動飛灰取樣裝置

全自動飛灰取樣裝置為新一代固定式飛灰取樣裝置，其結構如圖7所示。主要由取樣槍、旋風分離器、取灰罐、法蘭座、保溫箱、吹掃閥、取樣閥、射氣抽氣器、控制器、控制箱等組成。其工作原理為：控制器發出指令，吹掃閥打開，壓縮空氣進入射氣抽氣器，產生負壓，在負壓作用下，攜帶飛灰的煙氣進入取樣槍，在旋風分離器內發生氣固分離，飛灰落入存灰罐，煙氣進入射氣抽氣器與空氣混合后重新又排入煙道。由于連續取灰，飛灰取樣量過大，因此采用間斷取灰方式。每次取樣結束，控制器發出指令，吹掃閥打開，取樣裝置處于吹掃狀態。取樣時間和吹掃時間可以人為改變。

主要特點：1）自動化程度高，操作簡單，使用方便。本取樣裝置采用PLC控制，實現自動定時取樣；2）飛灰取樣量可控，有兩種工作模式，正常模式和試驗模式。正常模式下每天取3次樣，每次8 h取樣約200 g左右。試驗模式在鍋爐性能試驗時使用，1 h內可取樣50 g左右，滿足化學分析的需要；3）具有防堵功能。采用了特殊的工藝設計，確保煙氣中水蒸氣不會結露，徹底解決了飛灰取樣器積灰堵塞的隱患，極大提高了裝置運行的可靠性；4）取樣代表性好。取樣位置和取樣槍的長度都事先經過飛灰標定試驗得到，保證了飛灰取樣的代表性；5）采用壓縮空氣作為抽吸動力，抽吸量可調，運行可靠性大大增強。

圖7　全自動飛灰取樣裝置

5　　結語

火力發電廠現場使用的飛灰取樣裝置有很多不同方式，各種方式取樣來的飛灰的化驗結果并不相同。由于飛灰取樣裝置安裝煙道界面面積大、流速分布和飛灰濃度分布不均勻，因此需要對各種飛灰取樣裝置取樣位置和取樣結果進行標定，因此研制飛灰取樣標定裝置變得非常重要，實現飛灰的全截面、等速、同時取樣。

飛灰含碳量在線測量裝置能夠實時監測飛灰含碳量的變化趨勢，操作人員就能隨時調整運行方式，將飛灰含碳量控制在最佳范圍，使鍋爐經常保持最佳工況運行［7-8］。但是現在電廠使用的飛灰含碳量在線測量裝置存在各種問題，其中一個問題就是取樣可靠性差。現場應用效果表明，全自動飛灰取樣裝置取樣準確可靠，和灼燒法或者微波法飛灰含碳量在線測量技術相結合，可以制作滿足現場要求的飛灰含碳量在線測量裝置。

［1]西安熱工研究所，東北電力局技術改進局.燃煤鍋爐燃燒調整試驗方法［M］.北京：水利電力出版社，1974.

［2]白志鵬，耿春梅，杜世勇，等.空氣顆粒物測量技術［M］.北京：化學工業出版社，2014.

［3］DL/T 926—2005自抽式飛灰取樣方法［S］.

［4]李洪濤，閻維平，葉學民，等.自吸式飛灰等速取樣槍的氣體動力學分析［J］.熱力發電，2006（3）：19-22.

［5]劉治，馬更生，張瑾，等.新型抽氣式飛灰取樣裝置在火電廠的應用［J］.內蒙古電力技術，2012，30（2）：73-76.

［6]岑可法.鍋爐燃燒試驗研究方法及測量技術［M］.北京：水利電力出版社，1995.

［7]張揚，馬道臨，陸明.微波在線飛灰含碳量測定技術及分析［J］.發電設備，2006（3）：180-183.

［8]趙世杰，周鈺哲，王海濱.灼燒法飛灰含碳量在線檢測與應用的研究［J］.華北電力技術，2011（10）：10-13.

Performance Analysis and Improvement of the Fly Ash Sampling Device in Thermal Power Plants

LIU Jinglong1，HOU Fanjun1，LIU Ke1，XIAO Guanhua2
（1.Shandong Electric Power Research Institute，Jinan 250003，China；2.Shandong Zhongshi Yitong Group Co.，Ltd.，Jinan 250003，China）

The principle and performance of the fly ash sampling device that used in thermal power plants are analyzed.For those devices，main problems are low representation of sampling and dewing of vapor in the flue gas.Two new fly ash sampling devices that effectively avoid disadvantages of the original device are proposed.Combustion method and microwave method can be used to realize online measuring of carbon content of the fly ash after problems of sampling reliability is solved.

carbon content of the fly ash；fly ash sampling device；isokinetic sampling

TK229.6

A

1007－9904（2016）06－0051－05

2016-03-10

劉景龍（1987），男，工程師，主要從事電廠鍋爐性能試驗及煤粉燃燒技術的研究；侯凡軍（1971），男，高級工程師，主要從事電廠鍋爐性能試驗及煤粉燃燒技術的研究；劉科（1986），男，工程師，主要從事電廠鍋爐性能試驗及煤粉燃燒技術的研究；肖冠華（1987），男，主要從事電廠鍋爐性能試驗及煤粉燃燒技術的研究。