基于正交實驗法提高省煤器灰斗飛灰捕集性能的優化設計

張 千， 許文良， 楊 新

(1. 神華國華(北京)電力研究院有限公司， 北京 100016；2. 華北電力大學 能源動力與機械工程學院， 河北 保定 071003)

基于正交實驗法提高省煤器灰斗飛灰捕集性能的優化設計

張 千1， 許文良2， 楊 新2

(1. 神華國華(北京)電力研究院有限公司， 北京 100016；2. 華北電力大學 能源動力與機械工程學院， 河北 保定 071003)

為研究在省煤器灰斗內加裝撞擊分離器和隔艙對>90 μm飛灰的捕集性能，采用正交試驗法和數值模擬相結合的方法，研究不同的參數組合的飛灰捕集效能。實驗結果表明：方案7能夠有效提升省煤器灰斗的飛灰捕集效率，對原灰的捕集效率約能提高2.29倍，對>90 μm的飛灰顆粒捕集效率約能提高2.45倍；采用正交實驗法和數值模擬的分析結果，最優的隔艙和撞擊分離器的結構參數組合為A1B3C1D2；角度α是對飛灰捕集效率影響顯著的因素，長度L也起到了重要作用，這說明了撞擊分離器是提高飛灰捕集效率的關鍵部件，能夠決定氣流在灰斗中的流向及流程。

正交試驗； 省煤器灰斗； 飛灰捕集

0 引言

隨著工業化和城市化進程的推進，我國對于能源消耗量不斷增加，隨之而來的環境問題也日益嚴重[1]。選擇性催化還原技術(SCR)是目前應用最廣泛、技術最成熟的脫硝技術[2-4]。長時間的運行經驗和實驗研究表明，影響SCR脫硝技術脫硝效果的物理因素主要為飛灰對催化劑的堵塞和磨損[5]。因此，提高省煤器灰斗對煙氣中飛灰的捕集效率能夠從根本上減輕SCR催化劑的堵塞和磨損。

文獻[6]提出了一種省煤器煙道在靠向脫硝反應器一側向內收口、省煤器煙道底部遠離脫硝反應器入口煙道處設置向下收口灰斗的技術方案，同時在水平煙道入口處設置大顆粒灰攔截網，該方案具有較好的除灰效果。文獻[7]從攔截爆米花灰的角度分別闡述了省煤器灰斗優化、加裝攔截網2種方式的攔截效果，認為灰斗優化和攔截網并行的方案對攔截爆米花灰有較好的效果。正交實驗法是目前常用的用于分析了不同因素對實驗效果影響主次順序并優化出最優參數組合的實驗方法。文獻[8]研究了省煤器灰斗加裝導流折擋板對煙氣中大顆粒灰和細灰的捕集效果，認為加裝擋板對細顆粒灰的分離捕集是有利的，但不能有效地提高灰斗對大顆粒灰的分離捕集能力，反而在一定程度上起到了負面的作用。文獻[9]探究了在省煤器處轉向室中布置導流擋板對除塵效率的影響，認為合理的導流擋板布置形式可提高除塵效率、減輕煙道某一側面的磨損。

本文以某電廠省煤器灰斗及前后煙道為模型，搭建幾何模型和冷態實驗臺，模擬鍋爐省煤器出口的氣體流動特性與灰斗對飛灰的分離捕集性能。重點研究在灰斗內部加裝撞擊分離器和隔艙對> 90 μm飛灰顆粒的捕集性能，利用數值模擬分析撞擊分離器參數不同對飛灰顆粒捕集性能的影響，通過正交實驗法篩選影響撞擊分離器飛灰捕集性能的顯著因素，在大幅減少冷態試驗次數的同時獲得較優的撞擊分離器結構，以期能為工程中省煤器灰斗優化改造提供一定的理論研究基礎和參考價值。

1 正交試驗方案設計思路

為了提高省煤器灰斗對煙氣中粒徑較大的飛灰顆粒(>88 μm)的捕集效率，需對現有的灰斗結構進行優化設計。現依據文獻[10]所提出的一種在現有灰斗結構的基礎上進行改造的優化技術方案——增設隔艙和加裝撞擊分離片，進一步地分析研究，其結構示意圖如圖1所示。圖1(b)中Lk為省煤器灰斗跨度25 cm。

圖1 省煤器灰斗優化方案結構簡圖

在進行隔艙和撞擊分離片設計時，影響隔艙和撞擊分離片作用的因素很多，過多的考慮次要因素會增加試驗次數，因此僅考慮了以下4個主要因素：隔艙分隔板與灰斗后延的距離D，其決定了隔艙所占灰斗體積的大小；撞擊分離片的長度L，其決定了撞擊分離片大小；撞擊分離片之間的間距P和安裝角度α，其決定了撞擊分離片在灰斗中的位置。

在實際試驗過程中，如果對這4個主要影響因素采用控制變量法進行研究，每個因素僅取3個值，就需要進行34次試驗，為減少試驗次數，采用正交試驗法設計方案[11]，利用數值模擬軟件Fluent進行模擬，確定最優試驗方案并搭建冷態試驗臺進行研究。

基于上述設計思路的考慮，本試驗方案對這4個主要因素進行各3個水平的正交試驗設計。隔艙分隔板與灰斗后延距離D取0.15Lk、0.10Lk和0.05Lk；撞擊分離片的長度L取0.08Lk、0.10Lk和0.12Lk；間距P取0.10Lk、0.12Lk和0.14Lk；安裝角度α取-30°、0°和30°(與分隔板法線方向夾角，取順時針為正)。需要進行研究的因素和水平如表1所示。

表1 因素及水平

在正交試驗設計時需要考慮這4個主要因素間的交互作用，如果將這4個因素的交互作用全部進行考慮的話，試驗次數將會增加很多。基于此，現僅考慮長度L與角度α，長度L與間距P和角度α與間距P的交互作用，這樣即可將試驗次數較少到27次，其余因素間的交互作用由正交結果分析來判斷。

本文采用MINITAB軟件進行正交試驗表(見表2)的設計以及后續的數據處理。

表2 正交實驗表及數值模擬結果

2 省煤器灰斗數值模擬

按照設計好的正交實驗表，對27種方案進行數值模擬研究。

2.1 幾何模型及參數設置

以某600 MW燃煤電站省煤器煙道為依據，縮小比例構建尾部煙道的數值模擬幾何模型，研究省煤器灰斗的飛灰捕集性能。以方案7的結構為例，如圖2所示為用GAMBIT軟件構建的數值模擬幾何模型，包含進料口、尾部煙道、優化灰斗和水平煙道，并對所建模型進行網格劃分。由于網格質量直接影響模擬結果的合理性，因此，對于灰斗內部、導流格柵以及翼型擋板等區域采用非結構化網格，其余規則的部分采用結構化網格。兼顧考慮網格無關性和計算量，網格數選取約300萬作為計算網格數量。

圖2 幾何模型

本文流場計算采用k-ε標準湍流模型，根據“自模化區”理論，進口風速取5.1 m/s；顆粒相計算采用DPM模型，原灰顆粒項分布見文獻[12]，>90 μm飛灰顆粒服從Rosin-Rammler分布，最大粒徑300 μm，最小粒徑88 μm，平均粒徑為117 μm，飛灰濃度為40 g/m3。每個方案無飛灰顆粒相冷態流場迭代約3 000步至收斂，后加入飛灰顆粒相，采用不耦合的方式計算顆粒相的運動軌跡和捕集效率[13]。

2.2 數值模擬結果

圖3(a)為省煤器原灰斗的速度云圖，圖3(b)為方案7優化灰斗速度云圖。從圖中可以看出，加裝翼型擋板后，轉角處氣流進入水平煙道前速度相對加快，能夠有效減少飛灰顆粒被水平煙道的高速氣流攜帶；加裝隔艙和撞擊分離器后，省煤器灰斗內部低速區有所增大，有利于飛灰顆粒分離。

圖3 速度云圖

電廠中，省煤器灰斗對于煙氣中飛灰的預除塵效率約為5%～10%，首先對電廠原灰的脫除效率進行模擬，原灰顆粒的捕集效率由式(1)計算得：

(1)

加入原灰顆粒后，省煤器灰斗對原灰的捕集效率約為8.55%，與電廠中的實際情況基本相符，能夠說明數值模型的合理性。然后對省煤器灰斗對粒徑>90 μm飛灰顆粒的捕集效率進行數值模擬，捕集效率計算式見式(2)，結果表明，方案7能夠將灰斗對>90 μm飛灰顆粒的捕集效率從原灰斗的38%提高到95%。

(2)

3 正交實驗結果分析

按照正交實驗思路設計的正交實驗表，然后按正交表建立模型，得到不同優化方案下省煤器灰斗對>90 μm飛灰顆粒的捕集效率的模擬結果見表2。

3.1 一般計算分析

對表2中的數據進行位級和極差計算，位級ki為同一因素下第i水平實驗結果的平均值，R為同一因素下k1、k2、k3中的最大值減去最小值。位級和極差的計算結果見表3。

表3 位級ki及極差R計算

由于極差的大小表征的對應因素對評價指標的影響大小，極差大，通常可以認為該因素水平的變化對評價指標影響較大，為影響評價指標的主要因素，而從表3中可以看出，RD

B→A×B、B×C、C→A→A×C→D

由于B，AB、BC和C是影響最后實驗結果的重要因素，所以這是選取水平組合的主要參考依據。

對于單個因素，根據表3的計算結果，作出同一因素某一位級ki下模擬結果與各因素的關系見圖4。從位級的角度看，在同一因素下，ki越大，說明在該i水平下，評價指標相對越好。從圖4可以看出，因素B下的k3為位級的最大值，所以因素B選取水平三。

圖4 數值模擬結果與各因素關系圖

對于A×B，主要考慮的是因素A和B不同的搭配方式對實驗結果的影響。因素A和B的9種搭配方式及實驗結果的平均位級見表4。從表中可以看出，選取A1B3的搭配時的實驗效果最好。同理，可以得出B，C的最佳組合為B3C1。另外，因素D應選取水平二，此時，所得到的較好的實驗組合為A1B3C1D2，而這個組合并未進行數值模擬，因此需要將其與表2中的第7組實驗進行比較實驗，該組合的模擬結果為95.3%，與第7組的結果相差不大，也證明了因素D對實驗結果影響很小。

表4 交互作用下平均位級計算

同時需要指出的是，用極差作為劃分因素重要程度的依據是相對的。極差受位級量的影響是很大的，對于不同的位級取值范圍，極差值也是不同的。

3.2 方差分析

在一般計算分析中，由于存在交互作用的因素占到位級計算表中的兩列，無法直觀分辨出交互作用的影響大小，故需采用方差分析對正交實驗結果進行研究。根據表2的實驗結果和方差公式計算所得的各因子的F值，見表5。

查F分布表分別得：

F0.9(2，6)=3.46，F0.95(2，6)=5.14

F0.975(2，6)=7.26，F0.99(2，6)=10.93

將各個因素的F值與F分布表查得的值進行比較后發現，只有B因素的F值大于F0.99(2，6)，即有99%以上的置信度可以認為B因素對實驗結果有非常顯著的影響。同理，A×B的F值大于F0.95(2，6)，B×C和C因素的F值大于F0.9(2，6)，而其余幾個因素的F值均小于F0.9(2，6)，為顯著影響因素，這與一般計算分析得出的結果相同。表征因素顯著性的指標P值也同樣反映了這一點。

根據方差分析的結果，可以確定得出以下結論：撞擊分離片的安裝角度α對實驗結果有很顯著的影響，從安裝角度α的位級值可以看出，安裝角度α選取水平三即30°較好；長度L和安裝角度α之間以及安裝角度α和間距P之間確實存在交互作用，且交互作用對飛灰捕集效果的影響要比單個因素間距P和長度L明顯；根據上述分析結果，認為最佳的組合安排為A1B3C1D2，與一般計算分析得出的結果相同。

3.3 實驗驗證

根據上述研究，按照某600 MW燃煤電站省煤器煙道的結構，縮小比例搭建了冷態實驗臺，采用電廠原灰作為實驗物料，按照“自模化區”理論設計實驗，對以上正交實驗方案進行物理實驗，得到結果為：按照方案7加裝隔艙和撞擊分離器后，省煤器灰斗對原灰的捕集率從8.55%提高到了19.55%，對>90 μm的飛灰捕集率從32.87%提高到了80.59%。

4 結論

本文采用正交實驗法和數值模擬相結合的研究方法，對在省煤器灰斗內部加裝隔艙和撞擊分離器來提高灰斗對>90 μm的飛灰顆粒捕集效率的方案進行研究，得到結論如下：

(1)采用加裝隔艙和撞擊分離器的方案能夠有效提升省煤器灰斗的飛灰捕集效率，對原灰的捕集效率約能提高2.29倍，對>90 μm的飛灰顆粒捕集效率約能提高2.45倍。

(2)采用正交實驗法和數值模擬的分析結果，最優的隔艙和撞擊分離器的結構參數如下：長度L選0.08Lk，角度α選30°，間距P選0.10Lk，距離D選0.15Lk。

(3)根據正交實驗法的一般計算和方差分析可知，在4個因素中：角度α是對飛灰捕集效率影響顯著的因素，長度L也起到了重要作用，這說明了撞擊分離器是提高飛灰捕集效率的關鍵部件，能夠決定氣流在灰斗中的流向及流程。

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The Optimization Design of Economizer Hopper to Improve the Fly Ash Particle Capture Performance Based on Orthogonal Experiment

ZHANG Qian1， XU Wenliang2， YANG Xin2

(1.Shenhua Guohua(Beijing) Electric Power Research Institute Co. Ltd., Beijing 100016，China；2.School of Energy Power and Mechanical Engineering，North China Electric Power University，Baoding 071003，China)

In order to study the trapping efficiency against the fly ash with its ash diameter bigger than 90 μm in the impact separator and compartment in the economizer hopper, the orthogonal test combined numerical simulation method was adapted to study the effects of different parameters combination. The experimental results show that scheme 7 can effectively improve the trapping efficiency against the fly ash of economizer hopper. The trapping efficiency of fly ash particle collection is improved by about 2.29 times, while the trapping efficiency of fly ash particle collection with its diameter bigger than 90 μm is increased by about 2.45 times. By means of orthogonal experiment and numerical simulation, the optimal combination of the structural parameters of the impact separator and compartment is A1B3C1D2. The angleαis a significant factor affecting the fly ash trapping efficiency, and the lengthLalso plays an important role. The findings above show that the key component to improve the trapping efficiency against fly ash is the impact separator, which can determine the flow direction and process in the hopper.

orthogonal experiment;economizer hopper; capture of fly ash

2017-08-29。

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2017.12.008

X701

A

1672-0792(2017)12-0044-06

張千(1975 -)，男，工程師，研究方向為電站污染物控制。