省煤器灰斗上方減灰擋板改造方案試驗研究

鄧淮銘， 陳鴻偉， 趙　超， 張　千

(1. 華北電力大學 能源動力與機械工程學院， 河北保定 071003；2. 神華國華電力研究所有限公司， 北京 100000)

我國是一個以煤炭為主要能源的國家，在目前已探明的化石能源儲量中，煤炭的儲量[1]高達94%，這就決定了我國以煤為主的生產、消費格局，而火電廠鍋爐燃煤占了煤炭消費的大多數[2]。由于煤炭本身含有大量灰分及煤在鍋爐內不完全燃燒等諸多物理因素，使得鍋爐運行過程中產生大量顆粒物[3]，不但會使煙氣中氮氧化物(NOx)、硫氧化物(SOx)處理難度加大[4]，還會導致選擇性催化還原(SCR)煙氣脫硝系統磨損、堵塞問題加重[5-6]。這對脫硝性能影響很大[7-8]，會造成機組NOx排放量增加，加劇污染[9]。

國內外對催化劑磨損、堵塞問題做了一系列研究[10]。據統計，燃煤機組正常運行1 000 h，由于磨損、堵塞的影響，SCR催化劑的脫硝效率會降低0.7%[11]。因此，在煙氣流經催化劑前進行預除塵[12-13]顯得至關重要。

為保證機組運行經濟性指標，預除塵改造需同時滿足除灰能力和壓力損失兩方面因素[14-15]。目前，對于省煤器灰斗上方折角處的加裝擋板問題尚無系統研究，而此處的結構形式對于省煤器灰斗的飛灰捕集能力有很大影響。筆者通過對灰斗上方折角處加裝不同樣式和長度的減灰擋板來對此進行系統研究，確定不同形式減灰擋板對灰斗捕灰能力的影響，從而找出一種較佳的結構形式。

1　試驗裝置及方法

1.1 試驗裝置

圖1為該試驗系統示意圖。為方便對試驗現象觀察和記錄，試驗臺主體部分采用厚度為8 mm的有機玻璃板材和部分PVC板制成。試驗臺是以國內某電廠600 MW鍋爐系統為原型，按照1∶20等比例縮放制成，主要包含豎直煙道模塊、省煤器模塊、灰斗模塊及SCR脫硝系統模塊等。主體部分通過法蘭與圓形風管連接，后續通過布袋除塵器與引風機相接。

1—豎直煙道；2—省煤器模塊；3—灰斗模塊；4—連接通道；5—SCR脫硝系統模塊；6—連接彎頭；7—布袋除塵器；8—引風機及排風管道；9—壓力測點。

圖1試驗臺系統結構圖

試驗研究對象為省煤器灰斗上方折角處減灰擋板，故此對其進行局部放大處理，見圖2、圖3。

圖2　平板形減灰擋板安裝位置圖

圖3　翼形減灰擋板安裝位置圖

1.2 試驗工況

初始狀況下，省煤器灰斗上方折角邊緣(o點)與灰斗右側邊界對齊，灰斗上方煙道高度d為16 cm，折角與水平方向夾角為30°。減灰擋板由厚度為1 mm的薄鐵皮制成，安裝位置起始點為折角邊緣，角度與折角處角度一致。

調節風速穩定在4 m/s時，從試驗臺左側下料口均勻下料。通過不加減灰擋板、加裝不同長度平板形減灰擋板、加裝不同長度翼形擋板等不同條件下研究灰斗捕灰效率，確定出較佳的擋板形式。試驗所用灰樣是從國內某燃煤電廠灰庫中所取得的原灰，通過粒徑篩分試驗得知，原灰中粗灰(>88 μm)比例為20.61%。

平板擋板由o點沿折角方向向下延伸，擋板位置oa、ob、oc長度分別為4 cm(1/4d)、8 cm(2/4d)和12 cm(3/4d)，對應翼形擋板水平方向o′a、o′b、o′c長度也為4 cm、8 cm和12 cm。翼形擋板設計樣式見圖4。

圖4　翼形擋板安裝示意圖

1.3 試驗方法

(1) 無減灰擋板流場與灰捕集試驗。

冷態試驗臺不加減灰擋板，開啟風機，用數字流量計測得省煤器模塊中心風速穩定在4 m/s，固定好風速調節閥門。用數字微壓計測量省煤器模塊部位壓力和省煤器灰斗后方壓力，并計算壓力損失。在下料口位置放入泡沫顆粒，并用高速攝像機捕捉泡沫在灰斗與上方折角處運動軌跡。由于泡沫顆粒很輕可以隨氣流運動，由此可很好地反應模型內部氣流運動狀況。

稱取2 kg原灰，由左側下料口位置均勻下料，控制下料時間，使省煤器模塊處灰粒密度約為40 g/m3，與實際電站鍋爐內部灰粒密度相同。下料結束后關停風機，收集灰斗處捕集的灰顆粒，記錄并稱重。重復試驗兩次，保證試驗結果的正確性。

(2) 平板形和翼形減灰擋板灰捕集試驗。

將4 cm平板形減灰擋板按照圖2位置固定好，打開風機并調節風速穩定在4 m/s，測量灰斗前后壓差并記錄。稱取2 kg原灰，由下料口位置均勻下料，待下料結束后關停風機，收集并將捕集到的灰顆粒稱重。再重復進行試驗兩次，將平板形擋板調到8 cm和12 cm，重復以上試驗。

拆除平板形減灰擋板，依次將4 cm、8 cm和12 cm翼形擋板安裝在相應位置，重復以上試驗。

收集到的灰顆粒用180目篩網進行篩分，將篩分結束后篩網上方的灰顆粒(>88 μm)定義為粗灰，對各個工況下原灰和粗灰收集率的平均值進行研究。

2　結果與分析

2.1 無減灰擋板流場與灰捕集試驗

試驗工況下對模型內流場進行拍照記錄，圖5為無減灰擋板時的流場拍攝圖。

圖5　原始模型灰斗及折角部位流場分布圖

從圖5可清楚看出試驗模型內部示蹤泡沫的流動軌跡：左側下料口處均勻下料，經豎直煙道兩次轉向后，大部分示蹤泡沫都集中在省煤器模塊的右側壁面；從煙道右側落下的示蹤泡沫顆粒撞擊到灰斗上方折角后，大部分泡沫顆粒直接被氣流攜帶至灰斗后方的水平煙道，只有少量的泡沫顆粒會進入灰斗；從煙道左側和中間落下的顆粒，大部分會先通過省煤器灰斗，而后又被氣流攜帶離開灰斗。雖然示蹤泡沫密度很小，可隨氣流運動，但此時灰斗仍可收集到部分泡沫。由此可見灰斗內存在一個低速區，進入低速區的泡沫由于速度太低而不會被攜帶出去。若將泡沫換成原灰顆粒，由于顆粒密度較大，進入灰斗的灰顆粒可能會更多地被收集。原灰試驗結果見表1。

表1　原始模型飛灰捕集試驗結果

由表1可知：不加減灰擋板情況下，灰斗前后靜壓差僅77 Pa，但此時灰斗對飛灰捕集能力有限，原灰平均捕集率只有8.07%，粗灰捕集率也只達到了17.92%，有很大的提升空間。

2.2 加裝平板形減灰擋板試驗

由于不加擋板情況下大部分灰顆粒沒有經過灰斗，直接被氣流攜帶到灰斗后水平煙道，導致灰斗對飛灰的捕集效果差。加裝平板擋板可使氣流在灰斗上方有更大的轉向，從而使更多的灰顆粒通過灰斗，使捕集效率提升。表2為灰斗上方折角處加裝不同長度平板形減灰擋板時灰斗捕集情況。

表2　加裝不同長度平板形減灰擋板時灰斗捕集情況

通過表2可知：加裝4 cm平板減灰擋板之后，省煤器灰斗對原灰和粗灰的捕集效率均有小幅提升，分別達到了8.44%和18.61%，相比不加減灰擋板情況僅增加了4.58%和3.85%，但此時靜壓差為133 Pa，相比不裝減灰擋板情況壓損增大了72.7%。在捕集效率提升不明顯的情況下，大大增加了能量損失和風機出力，這顯然是不太合理的。繼續加長減灰擋板的長度，以增大氣流轉向，增加進入灰斗飛灰數量。當擋板長度增加到8 cm和12 cm時：原灰收集效率分別達到了8.81%和10.88%，較不裝擋板情況提升9.2%和34.8%；粗灰收集率分別達到了21.06%和25.55%，較不裝擋板情況提升了17.5%和42.6%。可見在加裝12 cm減灰擋板時灰斗對原灰的收集效率有較大幅度的提升，但此時靜壓差達到了222 Pa，同比增加了188.3%。

2.3 加裝翼形減灰擋板試驗

平板形減灰擋板雖然對灰斗捕灰能力有一定提升，但灰斗前后壓損過大，使得風機出力大大增加，經濟性有待提高，采用一種新型的翼形擋板可解決這一問題。加裝翼形擋板后灰斗捕集灰顆粒情況見表3。

表3　加裝不同長度翼形減灰擋板時灰斗捕集情況

由表3可看出：當加裝4 cm翼形減灰擋板時，灰斗對原灰和粗灰的平均捕集效率分別達到了8.62%和22.19%。此時與不裝減灰擋板進行對比發現，灰斗對原灰和粗灰的捕集效率均有不同程度的提升。而灰斗前后靜壓差由原來的77 Pa增大到了79 Pa，可見加裝4 cm翼形減灰擋板在提升灰斗除灰效率的同時，對壓損的影響并不大。在此基礎上繼續加長翼形擋板長度為8 cm和12 cm，灰斗前后靜壓差分別增大到83 Pa和89 Pa，相對原始模型僅僅增加了7.8%和15.6%。除灰效率變化更為明顯：原灰捕集率分別達到了12.70%和14.80%，同比增長57.4%和83.4%；粗灰捕集率分別達到了32.22%和43.62%，同比增長79.8%和143.4%。當翼形擋板長度為12 cm時，壓損只比不裝減灰擋板情況增加12 Pa，這對風機出力影響很小，而此時灰斗對灰顆粒(特別是粗灰顆粒)的捕集能力有了大幅度提升。

2.4 兩種形式減灰擋板對比

為更清楚了解平板形減灰擋板與翼形減灰擋板優劣性，采用確定變量法進行對比分析。圖6為兩種減灰擋板靜壓差對比分析圖。

圖6　不同減灰擋板壓損變化圖

圖6很直觀地反映了隨著長度變化，兩種形式減灰擋板靜壓差變化趨勢。隨著減灰擋板長度的增加，翼形擋板所造成的壓力損失變化并不大，僅有小幅度提升；而同等長度的平板形減灰擋板壓力損失卻有著跳躍式增加，這大大影響了鍋爐系統整體的經濟性。

圖7為兩種減灰擋板對飛灰捕集效率對比分析圖。

圖7　不同減灰擋板捕灰性能圖

圖7直觀地反映出了長度變化對兩種形式減灰擋板作用下灰斗的捕集效率。無論是原灰還是粗灰，相同長度下的翼形擋板總比平板形減灰擋板效果要好，特別是對粗灰的捕集效率，隨著擋板長度的增加，翼形擋板作用下灰斗的捕集效率呈現出直線上升的趨勢。這與靜壓差的變化趨勢剛好相反，由此得出翼形減灰擋板要比平板形減灰擋板效果要好。

翼形擋板本身有使氣流匯聚的效果，更多的含灰氣流匯聚后由翼形擋板下尖點流入到灰斗內，使更多的灰顆粒在灰斗內被分離出來；翼形擋板本身形式是兩端長中間短，與平板擋板同樣長度的翼形擋板的中間部位遠沒有平板擋板那么長，且翼形擋板結構更加平緩，流線更加柔和，所以壓損要比平板形擋板小得多。對于相同長度的翼形擋板和平板形擋板來說，翼形擋板伸入模型中心的位置長，12 cm翼形擋板的翼尖部位已經越過了灰斗的中線位置，這使流經翼形減灰擋板的氣流更多，從而匯聚的氣流更多，灰斗收集效率更高。

3　結語

(1) 原始模型灰斗對飛灰捕集效率很低，大量飛灰進入尾部煙道會造成磨損、堵塞等問題。

(2) 在省煤器灰斗上方折角處加裝平板形減灰擋板雖然會在一定程度上提高灰斗對飛灰的捕集能力，但會造成很大的壓力損失，采用翼形擋板替換平板形擋板會解決這一問題。將翼形擋板應用于實際電站鍋爐中可有效提高灰斗預除塵效果。

(3) 一部分進入省煤器灰斗的飛灰顆粒會再次被氣流攜帶而不能被灰斗收集，考慮在灰斗內部加裝撞擊分離裝置，使進入灰斗的飛灰顆粒經過撞擊減速后被灰斗有效收集，從而大大提升灰斗預除塵效果，對減輕SCR催化劑磨損、堵塞問題的研究具有重要意義。

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