省煤器灰斗結構對飛灰顆粒捕集性能影響研究

張　千，劉　毅，許文良，楊　新，陳鴻偉

(1. 神華國華電力研究所有限公司， 北京100000；2. 華北電力大學 電站設備狀態監測與控制教育部重點實驗室，河北保定071003)

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省煤器灰斗結構對飛灰顆粒捕集性能影響研究

張千1，劉毅1，許文良2，楊新2，陳鴻偉2

(1. 神華國華電力研究所有限公司， 北京100000；2. 華北電力大學 電站設備狀態監測與控制教育部重點實驗室，河北保定071003)

為探究省煤器灰斗結構對煙氣飛灰顆粒捕集效率的影響，設計搭建冷態物理模型，比較研究2種不同跨度結構灰斗的流場分布和對飛灰顆粒(細灰顆粒和大顆粒)在不同位置下的捕集效率。試驗結果表明，灰斗對細灰顆粒的捕集效率隨流速的增大而增大，擴容灰斗可顯著提高中間位置進料時細灰的捕集率；灰斗對大顆粒灰的捕集效率均隨煙氣流速的降低而有所提高，顆粒分別從左側、中間和右側進料時，灰斗的捕集效率呈現出先上升后下降的趨勢。擴容灰斗由于內部流場相對均勻，流速較低，利于飛灰顆粒的分離，對細灰和大顆粒灰的捕集效率均好于常規灰斗。

省煤器灰斗；飛灰顆粒；捕集性能

0　引言

截至2015年底，我國火電裝機容量為9.9億kW，占發電裝機總量的65.7%。較長的一段時間內，我國的電力供應仍將以燃煤發電為主。燃煤電廠是我國大氣污染的重要污染源之一，67%的NOx來源于燃煤電廠[1]。選擇性催化還原法(Selective Catalytic Reduction，SCR)是目前世界上公認的脫硝效率最高、最成熟的脫硝技術[2]。其中，催化劑作為該技術的核心[3]，在機組運行過程中，其使用壽命對SCR技術的脫硝效率和經濟成本有著巨大的影響。我國SCR脫硝系統通常采用高塵布置，位于省煤器和空氣預熱器之間，該區域內煙氣攜帶大量飛灰[4,5]。鍋爐煙氣飛灰中含有的“爆米花”灰，具有密度小、硬度較大、粒徑多在6 mm以上等特點，在流動過程中不易被破碎成小顆粒，在進入催化劑通道時會對催化劑表面造成嚴重磨損甚至堵塞催化劑通道，造成催化劑使用壽命縮短和脫硝效率降低等問題，同時煙氣中細灰也會粘附在催化劑表面，造成催化劑中毒等問題。因此，在煙氣進入脫硝裝置前將煙氣中的對脫硝催化劑有嚴重影響的飛灰盡可能提前除去，將大大延長催化劑的使用壽命，提高脫硝裝置運行的穩定性[6]。

目前燃煤電站省煤器出口使用的常規除塵灰斗因結構原因存在煙氣轉向范圍較小缺點，不利于飛灰慣性沉降[7]；同時灰斗內部因流場分布不合理，易導致部分本已捕集到的飛灰再次被煙氣攜帶出灰斗，難以保證灰斗的捕集效率[7]。為保證省煤器灰斗對各粒徑區間飛灰的捕集效率，重點提高對“爆米花”灰的捕集效率，本文對不同結構形式的省煤器灰斗從流場、細灰和大顆粒灰3個方面進行相關實驗研究，分析灰斗形式對各粒徑區間飛灰顆粒的影響，以確定較優的灰斗布置形式。

1　試驗裝置及方法

1.1冷態試驗裝置

圖1為本試驗所采用的冷態試驗裝置簡化結構示意圖，主要的試驗平臺部件組成包括模擬省煤器豎直煙道及其出口的水平段煙道、常規/擴容省煤器灰斗、布袋除塵器、引風機等。試驗臺主體部分均選用有機玻璃制作而成。在水平段煙道末端用法蘭與管徑為400 mm的圓形風管連接，并依次經過布袋除塵器、引風機及其排風管道。

1.模擬省煤器豎直煙道；2.模擬省煤器灰斗；3.模擬水平段煙道；4.數字流量計；5.法蘭；6.布袋除塵器；7.引風機圖1　冷態試驗臺系統示意圖

冷態試驗裝置中豎直段模擬煙道總長170 cm，進口截面的尺寸為53.0 cm × 12.3 cm，水平段模擬煙道總長為490 cm，橫截面尺寸為28.2cm × 12.3 cm，模型拐角向內收口與壁面呈120°，灰斗兩側壁與水平方向的夾角均為60°。常規灰斗和擴容灰斗的結構如圖2所示。

圖2　常規/擴容灰斗結構圖

1.2試驗工況

本冷態試驗裝置模擬省煤器出口形狀，主要研究兩種不同規格的灰斗(即常規灰斗和擴容灰斗)在不同風速下的流場分布，以及在省煤器豎直煙道內不同位置下料的工況下下灰斗對不同粒徑區間飛灰的捕集效率。其中風速包括：8 m/s、6 m/s、4 m/s；粒徑區間包括：1.0～3.35 mm、3.35～6.7 mm、>6.7 mm(以上稱為大顆粒灰)和75 μm～1.0 mm(記為細灰)；進料位置包括省煤器豎直煙道截面左側、中間、右側區域和全截面。試驗灰樣取自某電廠SCR催化劑層堵塞積灰，經粒徑篩分后得到不同粒徑區間的實驗灰樣。

1.3灰斗流場試驗

在本冷態試驗臺下部安裝常規灰斗后，保證整個試驗臺的嚴密性。開啟風機，根據數字流量計顯示計算所需風速，并由安裝在風道上的閥門進行風量調整，使灰斗上方截面風速分別達到100%工況(8 m/s)、75%工況(6 m/s)、50%(4 m/s)工況。在試驗臺省煤器豎直煙道入口截面均勻向下放入泡沫顆粒，使泡沫顆粒均勻的充滿于整個灰斗中。采用CamRecord 450高速攝像機對試驗過程進行拍攝，捕捉塑料泡沫顆粒在灰斗中的運動軌跡及分布狀況，分析常規灰斗下試驗模型的流場。后更換為擴容灰斗，重復上述操作，拍攝擴容灰斗下試驗模型的流場分布。

1.4冷態條件下灰斗捕集效率試驗

1.4.1細灰灰斗捕集效率試驗

在小型試驗臺下部加裝常規灰斗，保證其密封性。

利用篩分機篩取由原煤倉取樣稱重的原灰，得到200目以上( >75 μm)的試驗灰樣，共計21.6 kg。

將試驗灰樣分別從試驗進口處選取左、中、右3個位置，以不同顆粒濃度均勻下料，分析濃度對灰斗捕集細灰顆粒效率的影響。

控制試驗灰樣質量為2.0 kg、濃度為40 g/m3，分別在8 m/s、6 m/s、4 m/s 3種風速下，由風道入口處左側均勻下料進行實驗，實驗結束后稱取灰斗內捕集灰樣的質量。

改變下料位置，選取風道入口處中、右側位置，重復上述實驗操作。

拆除常規灰斗，加裝擴容灰斗，重復上述試驗方法。

1.4.2大顆粒灰灰斗捕集效率試驗

選取3個粒徑區間的大顆粒灰(1.0～3.35 mm、3.35 mm～6.7 mm、> 6.7 mm)各50顆。在8 m/s、6 m/s、4 m/s的不同工況下，由風道入口處左側依次進行單顆粒捕集概率試驗，共計50次，實驗結束后統計灰斗內大顆粒的數量。

改變下料位置，選取風道入口處中、右側位置，重復上述實驗操作。

拆除常規灰斗加裝擴容灰斗，重復上述試驗方法。

2　試驗結果與分析

2.1灰斗流場試驗結果

實驗條件下對兩種形式灰斗的流場使用高速攝像機進行拍攝，其流場分布圖分別見圖3和圖4。

由圖3和圖4可看出，示蹤泡沫顆粒在兩種形式灰斗相同工況下由豎直煙道進入后，在省煤器出口灰斗處均因流場發生轉向，導致流場不均，造成低速區的存在，但由于灰斗擴容后，造成流場相對均勻，且流速相對較小，故其低速區相對較大，便于飛灰顆粒的分離。

圖3　常規灰斗中低速區位置分布圖

圖4　擴容灰斗中低速區位置分布圖

2.2冷態條件下灰斗捕集效率試驗結果

(1)常規灰斗

為分析細灰濃度對灰斗收集效率影響，本實驗在8 m/s的風速條件下，在風道入口截面左側、中間和右側3個位置分別連續下料2.0 kg的細灰，控制下料時間分別為99.6 s和199 s，對應灰濃度分別為40 g/m3和20 g/m3，實驗結果如表1所示。

表1　不同灰濃度對灰斗效率的影響

圖5　不同風速不同位置進料常規灰斗細灰捕集效率

從表1中可以看出，在其他條件相同時，灰濃度的改變對灰斗的細灰捕集量并無顯著的影響，故認為在本實驗臺工況下，灰濃度變化不會對灰斗的捕集效率有較明顯的影響。據此，實驗將均采用40 g/m3作為各試驗工況下的灰濃度。

圖5所示為不同風速下不同位置進料時常規灰斗對細灰的捕集效率。從圖5中可以看出，常規灰斗對于細灰的捕集效率總體偏低，單一位置進料時捕集效率最大僅為25.7%，截面平均效率如圖6所示，最大僅為9.72%。產生該現象原因是灰斗容積偏小，未能在煙氣流經灰斗時提供足夠的擴容，煙氣流速仍然較高，導致其中細灰不能有效分離。另外，試驗時也觀察到落入灰斗中的細灰在垂直氣流的沖擊下會產生二次揚灰現象，使得已被捕集的細灰再次被氣流攜帶而降低常規灰斗的捕集效率，這與文獻[8]所得出的結論一致。

圖6　常規灰斗細灰截面平均捕集效率

同時，由圖5和圖6可發現隨風速增大，常規灰斗對細灰捕集效率逐漸提高的特點。造成該現象的原因是細灰因質量小，慣性小，在灰斗實現分離速度較小。飛灰在進入省煤器灰斗位置后，因出口位置流場出現轉向從而實現飛灰的慣性分離。隨著風速的增高，該流場的離心慣性增強，較多的細灰因慣性分離作用而被灰斗收集下來，故常規灰斗截面平均捕集效率隨風速的增加而增加。

從圖5還可看出，豎直煙道左側進料時的灰斗捕集效率遠遠高于從中間進料和從右側進料的效率，中間和右側進料時常規灰斗的捕集效率較低。原因是細灰從豎直煙道左側下落過程中撞擊灰斗左側斜板后速度降低，動能減小。從圖3常規灰斗下的流場分布圖亦可看出斜板上端屬于低速區，容易產生積灰，部分積灰在自身重力的作用下沿灰斗左側斜面下落，最終落入灰斗。從豎直煙道右側位置進料的細灰雖然也會撞擊在右側斜板上并減速，但是在離開斜面時又被高速氣流攜帶，同時緊靠常規灰斗的后部有一股上升氣流，對細灰顆粒產生拖拽，使其不易從氣流中分離出來，因此從右側進料時常規灰斗的捕集效率較差。同理，從中間進料時，雖然捕集效率不高，但由于細灰顆粒沒有經歷從右側進料時的減速過程，會有部分顆粒從氣流中分離出來，落入灰斗中，因此捕集效率略高于從右側進料時的捕集效率。

常規灰斗對于大顆粒灰的捕集效率呈現出與細灰不同的特點，如圖7所示。

圖7　不同風速下不同位置進料時常規灰斗對大顆粒灰的捕集效率

從圖7(a)中可以看出，在8 m/s的風速下，常規灰斗在分別從左側、中間和右側進料時對同一粒徑區間的灰顆粒捕集效率呈現出先上升后下降的趨勢。從豎直煙道左側位置進料時捕集效率偏低，僅為10%左右；從豎直煙道中間位置進料時捕集效率最高；從豎直煙道右側位置進料時捕集效率高于左側進料，但低于中間進料。原因是從煙道左側位置放入的大顆粒灰在重力和氣流攜帶雙重作用下，撞擊到灰斗左側斜板上產生反彈，而常規灰斗偏小，導致大顆粒灰反彈后容易進入水平煙道，被煙氣氣流攜帶走，因而其捕集效率偏低。從中間位置進料時，飛灰顆粒不存在反彈過程，直接在慣性作用下從氣流中分離出來，因此常規灰斗捕集效率最高；而從右側位置進料時，由于右側也存在斜板，灰顆粒可能因多次反彈折向，使得動能耗散嚴重而無法從灰斗中脫離，故灰斗捕集效率較高，但仍存在部分顆粒動能較大或停滯于氣流高速區而直接隨風攜帶的情況，因而灰斗捕集效率低于從中間位置進料。另外，粒徑越大的灰顆粒所對應的灰斗捕集效率越高，這與實際工作情況相符。風速為6 m/s和4 m/s的情況與8 m/s時類似，見圖7(b)～(c)。

比較圖7(a)～(c)可以發現，風速減小時，常規灰斗對大顆粒灰的捕集效率有所提高。原因是大顆粒因其質量和慣性較大，其脫離流場速度大，當風速降低時，可較早進入脫離速度區域，故較多大顆粒被分離出來，收集效率提高。

(2)擴容灰斗

為研究不同形式的省煤器灰斗對飛灰顆粒捕集效率的影響，特提出擴容灰斗的設計方案并進行實驗研究。

細灰捕集試驗的試驗結果如圖8所示。

圖8　不同風速不同位置進料擴容灰斗細灰捕集效率

擴容灰斗對細灰的捕集效率與常規灰斗類似均隨風速增加逐步增大。但在各個位置的捕集效率較常規灰斗均有所提高，因為灰斗跨度變大實現擴容后，灰斗內流場速度較常規灰斗速度減小，飛灰顆粒便于分離，因此灰斗捕集效率增大。但與常規灰斗捕集效率呈現出的特點有所不同的是從中間位置進料時擴容灰斗的捕集效率最高，左側次之，右側最小，這是由于在灰斗擴容的同時，水平入口的流場分布均勻，且流場速度相對減小，由中間位置放入的飛灰顆粒由于重力作用，灰斗直接捕集的概率增加，故出現中間位置比左側稍微偏高的現象。

圖9　某一風速下常規/擴容灰斗對不同粒徑區間灰顆粒的捕集效率

擴容灰斗對大顆粒灰的捕集效率較常規灰斗有所提高，這點從圖9中可以看出。

另外，擴容灰斗對大顆粒灰的捕集效率所表現出來的特點與常規灰斗相似(如圖5、10所示)，呈現出中間位置進料捕集效率最高，右邊次之，左邊較差的特點。

圖10　6 m/s風速下不同位置進料時擴容灰斗對大顆粒灰的捕集效率

2.3兩種灰斗的比較

擴容灰斗對飛灰顆粒的捕集作用明顯強于常規灰斗，尤其是小粒徑區間的效果更加明顯。原因是灰斗擴容后，流場分布得到優化，相較常規灰斗，流速減小，系統壓降減小，水平煙道入口拐角處的渦流作用減弱，這都增加灰斗對飛灰顆粒的捕集作用，且該作用對小粒徑區間顆粒的捕集效果更加明顯。

3　結論

本文通過搭建省煤器出口到SCR系統入口的冷態試驗臺，并在此試驗臺上加裝常規灰斗和擴容灰斗，分別進行流場、細灰捕集和大顆粒捕集試驗，比較分析試驗數據得到如下結論：

(1)兩種形式灰斗在相同工況時，在省煤器出口灰斗處均因流場發生轉向，導致流場不均，存在低速區，但灰斗擴容會使得流場相對均勻，且流速相對較小，故其低速區相對較大，便于飛灰顆粒的分離。

(2)常規灰斗和擴容灰斗對細灰的捕集效率均隨流速增大而有所提高，原因是細灰質量小，慣性小，分離時需要具備更大的離心力，隨著風速的增高，流場的離心慣性越強，利于飛灰的分離；常規灰斗和擴容灰斗對大顆粒灰的捕集效率均隨煙氣流速的降低而升高，其原因是大顆粒因其質量和慣性較大，其脫離流場速度大，因此當風速降低時，較早進入脫離速度區域。

(3)由于擴容灰斗具有較均勻的內部流場，流速有所降低，這是形成這些現象的主要原因。由于風速降低，內部流場更加均勻，擴容灰斗對細灰和大顆粒灰的捕集效率均好于常規灰斗；常規灰斗在從左側進料的情況下細灰捕集效率最高，而擴容灰斗則是從中間位置進料最高。

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The Study on Effect of the Economizer Ash Hopper Structure on Fly Ash Particle Capture Performance

ZHANG Qian1，LIU Yi1，XU Wenliang2，YANG Xin2，CHEN Hongwei2

(1. Shenhua Guohua Electric Power Research Institute Co., Ltd., Beijing 100000，China;2. School of Energy and Power Enineering，North China Electric Power University, Baoding 071003，China)

To explore the influence of the economizer hoppers’ structures on the trapping efficiency of fly ash and flue gas particles, the cold state physical model is designed and built to make a comparative research on the flow field distribution of the two economizer hoppers with different span structures. Meanwhile, the trapping efficiency of fly ash particles (fine ash particles and large particles) under different positions is also analyzed. The experimental result shows that hoppers’ trapping efficiency of fine particles increases with the increasing of the flow rate, and the dialated hopper can significantly improve the efficiency when the fine ash particles are fed in the middle position; while the trapping efficiency of large particles increases as the flow rate decreases. The trapping efficiency arises first and then drops after the large ash particles are released from the left, middle and right sides. The dilated hopper performs better than the regular one in the fine and large ash particles collection, for its inner flow field is relatively uniform and the flow rate is relatively low, which is good for the separation of fly ash particles.

economizer hopper;ash particle;capture performance

2016-07-08。

張千(1975-)，男，工程師，主要研究方向為高效、清潔燃燒及環境污染控制，E-mail:zqamus@qq.com。

X701

ADOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2016.10.011