濃相氣力輸灰技術的發展

王震

摘要：濃相氣力輸灰技術是目前較為先進成熟的干灰輸送技術，它對解決火力發電廠的粉塵污染，減少濕灰排放，粉煤灰的綜合利用起到重要作用。為了解決長距離輸灰時，出力小，能耗大，管道設備多，投資大的問題，相繼開發出了串、并聯出灰方式。本文通過計算、試驗和輸灰工程實例闡述該項技術在我司的應用發展和成熟。

關鍵詞：濃相氣力輸灰；長距離； 串、并聯出灰；效益

一、常規濃相氣力輸灰

目前，以煤為燃料的火力發電廠大多采用煤粉鍋爐，煤粉在鍋爐中燃燒后的部分殘出物從爐膛底部落下，這些物質顆粒度較粗，通常稱為爐渣。煤粉在爐膛中燃燒的大部分以灰的形式隨煙氣一起流動，通過尾部受熱面，最后在除塵器中把大部分飛灰分離出來，只有極少量的飛灰隨著煙氣通過煙囪排出。通過除塵器分離出來的干灰即為粉煤灰。

過去大多數電廠采用濕法處理，不僅耗水量大且廢棄的灰漿淤泥堆存要占用大片土地，污水排入江河湖海污染環境。現在利用干法處理，可使粉煤灰變廢為寶，如制造性能優良的建筑材料或鋪設高速公路，帶來很好的社會和經濟效益。1978年上海市粉煤灰的排放總量為54萬噸，利用總量為18萬噸，利用率僅為33.3%；1994年上海市粉煤灰的排放總量為326.9萬噸，利用總量為307.9萬噸，利用率達到94.2%。

為了進行干法處理，上海xxxx有限公司（原上海xxx廠）在對國外技術引進消化吸收過程中，成功研制和開發了濃相氣力輸灰系統設備，于1991年3月在上海南市發電廠的#11爐（220t/h鍋爐）上成功投運。它有如下優點：

1.結構堅固，密封性好，飛灰無泄漏。

2.構造簡單，除壓縮空氣外，不需要其他動力。

3.運動部件少，故障少，維修工作量小，運行可靠，幾乎沒有雜音。

4.輸送濃度高，平均灰氣比達到30：1（kg：kg）以上，流速低，管道磨較小，能耗低。

在水平輸送管道中，一般輸送氣流速越大，物料越接近于均勻分布。但根據不同的情況，當輸送氣流速不大時，流動狀態會有顯著變化。在物料管的起始段是按管底流大致均勻地輸送，越到后段就越接近疏密流，最后終于形成脈動流或停滯流。水平管越長，這現象越明顯。物料在水平輸送管道中輸送，一般分為以下6種狀態：

1. 均勻流：輸送時物料顆粒接近于均勻分布狀態，物料在氣流中呈懸浮狀態。

2. 管底流：輸送時物料接近管底，分布較密，一面作不規則滾動一面輸送。

3. 疏密流：輸送時物料在水平管中呈疏密不均的狀態，部分顆粒在管底滑動。

4. 停滯流：輸送時物料的大部分顆粒失去懸浮能力而停滯在管底，局部區段因物料積聚而使管內斷面變小，氣流速度在該區段增大，將停滯的物料吹走。

5. 部分流：輸送時物料顆粒堆積在管底，并且隨著時間的推移，象沙丘般移動。

6. 柱塞流：輸送時堆積的物料層充滿管道，在管中形成柱塞狀流動。

濃相氣力輸灰系統屬于第6種：柱塞流。它利用壓縮空氣的靜壓和動壓使物料以柱塞狀態在密閉管路中輸送，較之單純利用動壓輸送的稀相系統效率高、流速低，較之單純利用靜壓輸送的脈沖氣力輸送機，具有更高的可靠性和更長的輸送距離。

濃相氣力輸灰系統的組成：

1、輸灰部分包括若干個大小與輸灰量相匹配的輸灰機（倉泵），倉泵是一個壓力容器發送罐包含進料閥、出料閥、流化盤、一次氣裝置、二次氣裝置等。

2、控制部分包括每臺倉泵上的灰位料位器、壓力變送器、電磁閥箱以及帶有模擬屏或CRT的輸灰PLC控制柜。

3、氣源部分包括若干臺0.7MPa的螺桿空壓機和配套的空氣凈化干燥裝置以及儲氣罐組成。

4、輸灰管道包括普通#20無縫鋼管、耐磨彎頭、伸縮節、吹堵裝置等。

氣力輸灰機工作過程由四個階段組成：

⑴進料階段

進料閥處于常開狀態，飛灰靠重力自由落入輸送機殼體內。保證除塵器集灰斗內是空的，杜絕了集灰斗內飛灰“搭橋”現象。

當灰位上升觸到料位發信器后，料位器發出料滿信號，自動關閉進料閥，完成進料階段。當灰量較少時，進料階段時間超過了預先設定的時間，也將自動關閉進料閥，完成進料階段。

⑵流化階段

自動開啟進氣閥，壓縮空氣進入殼體擴散后穿過流化盤，使空氣均勻地包圍在飛灰顆粒四周，同時壓力上升。

圖一、氣力輸灰機（倉泵）結構簡圖

充分流化是本系統能低速不堵塞輸灰的保障是本系統的技術關鍵。

⑶輸送階段

當輸送機殼體內壓力上升到一定值時，壓力傳感器發出信號，自動開啟出料閥。流化盤上的飛灰流化加強，輸送開始，殼體內灰位開始下降。在此階段中，流化盤上的飛灰始終處于邊流化、邊輸送狀態。

⑷吹掃階段

飛灰輸送完畢，壓力下降到空管阻力時，壓力傳感器發出信號，延續一定時間吹掃管路，然后關閉進氣閥。待機體內壓力為常壓時關閉出料閥，開啟進料閥，完成一個輸灰循環。

兩臺氣力輸灰機連續運行時，整個工作循環的壓力和時間變化（見下圖）

圖二、氣力輸灰機整個工作循環的壓力和時間變化圖（常規輸灰）

t1：進料時間

t2：流化時間

t3：輸送時間及把倉泵里的灰全部送到灰管的時間。

t4：吹掃時間，把灰管里的灰全部送到灰庫，并把灰管吹干凈所用的時間。

Gm：倉泵系統出力（t/h）

φ：倉泵充滿系數 φ一般取0.8

γh：灰的容重 一般取0.7-0.8t/m3

VP：倉泵的幾何容積（m3）

gm：每倉裝灰量（t/倉）

以2臺1.25m3倉泵共用一根φ108×7輸灰管，輸送距離是300米為例。

gm=φγh VP=0.8×0.8×1.25=0.8t/倉

二、串聯出灰問題的提出

為了對長距離輸灰的計算和設計打好基礎，經上海市電力局批準，上海電力環保設備總廠有限公司（原上海水工機械廠）于1992年到1993年間在上海南市發電廠#11爐進行了1200米距離的輸灰試驗。上海南市發電廠#11爐輸灰設備是國產的第一套濃相氣力輸灰設備，1991年11月通過部級鑒定。在上海南市發電廠#11爐輸灰設備原有幾何長度為256米的輸灰管上增加可切換的輸灰管道：在靠近倉泵處25米，斷開一、二電場的二根灰管，各接一根叉管和二只球閥。二根叉管并接成一根4”灰管。在#11、#12爐倉泵平臺上盤八圈，共長950米，再連接到原有的一根5”報廢的灰管上，直至灰庫。在新增灰管的356米、588米和705米三處接了三根叉管和六只球閥。三根叉管通過球閥直接接在5”灰管上。這樣在#11爐倉泵輸灰設備系統上，可以做幾何長度分別為256米、643米、870米、982米和1200米的五種輸灰試驗。

由上表可以看出，隨著輸送距離的增加，出灰時間也將增加，使輸一泵灰的時間增加，從而使輸灰系統的出力下降，耗氣量增加，灰氣比下降。當此套系統用于長距離、大容量鍋爐時，必定要增加輸灰管的數量，如在上海吳涇熱電廠，1臺410t/h鍋爐上用5根4”灰管才能滿足輸灰出力。增加了灰管的鋪設費用，增加了輸灰的耗氣量，增大了空壓機容量，不僅一次性投資增加而且平時的運行費用也增加了。為了解決這個問題，經過不斷地摸索和試驗，終于研制出優于常規輸灰的方式，稱為串聯輸灰方式。此方式將輸灰機第3階段即輸送階段作了調整，使倉泵中的灰全部輸送到灰管即可，取消了第4階段即吹掃階段，改為用灰管上的二次氣、三次氣來保證灰在灰管中的輸送，來完成吹掃任務，此時倉泵關閉出料閥，開啟排氣閥泄壓，再打開進料閥進灰。同時另一臺倉泵開始進行流化、輸送工作，使灰管始終保持著充滿狀態。原來倉泵的輸送任務由灰管來完成。極大的提高了輸灰系統的出力。

出力是原來常規的出力6.9t/h的2.3倍。此時進料時間t1為0，吹掃時間t4也為0。

從圖二和圖三的比較上可以看出，同樣輸送一泵灰，串聯輸灰方式比常規輸灰方式所用的時間少，效率高，出力大。

串聯輸灰方式的關鍵是如何判別倉泵中的灰已全部出完。最初是通過倉泵的下料位器來測定。在倉泵下錐體部開安裝口，裝置1臺電容式料位器。當倉泵中有灰時，料位器不動作，一旦倉泵中的灰全部送到輸灰管以后，料位器發出信號，輸灰控制柜中的PLC受到信號后，給從控箱發出指令，使電磁閥動作，將出料閥關閉，關閉進氣閥（關一次氣），打開排氣閥將倉泵中剩余的氣排空，同時進行灰管補氣的二次氣、三次氣擔當起一次氣的作用。進料閥打開，接受來自灰斗的飛灰。同時另一個倉泵打開進氣閥，對飛灰進行流化，開始下一個輸灰過程。因為串聯輸灰時，往往有4到8臺倉泵公用一根輸灰管，為了降低設備造價，現在已采用輸灰管上安裝隔膜式壓力變送器，通過測定輸灰管上某點壓力的變化來判別倉泵中的灰是否出完，取消了下料位器。串聯輸灰技術已從1997年開始應用于廣州、上海的數家電廠，取得很好的效果。

三、串聯出灰的特點和前景

濃相氣力輸灰技術中的串聯出灰方式相對于常規有出灰方式有以下優點：

1. 輸灰時間減少，耗氣量減少，輸灰出力提高。

2. 輸灰工藝簡潔，輸灰管路減少，管路布置方便。

3. 輸灰管路的減少和空壓機容量的減小，使得固定資產投資減少，

4. 運行可靠，空壓機設備容量的減小，降低能耗，減少了維護工作量，降低運行費用。

5. 長距離輸送時灰氣濃度高，平均灰氣比達到30：1（kg：kg）以上，流速低，管道磨較小。

以下以廣東黃埔電廠1臺410t/h鍋爐（125MW機組）一、二電場所做的氣力輸灰工程為例。該用戶要求的輸灰出力為23t/h（僅輸送一、二電場的灰）。輸灰距離為500米。使用串聯輸灰技術，鍋爐除塵器灰斗數量如下：

第一電場灰斗：4個，每只灰斗配1只1.5m3倉泵

第二電場灰斗：4個，每只灰斗配1只0.75m3倉泵

其中：

一電場A側的2只1.5m3倉泵和二電場A側的2只0.75m3倉泵合用一根灰管（出口處通徑為DN100）。

一電場B側的2只1.5m3倉泵和二電場B側的2只0.75m3倉泵合用一根灰管（出口處通徑為DN100）。

出灰方式：一電場A側的2只1.5m3倉泵和二電場A側的2只0.75m3倉泵合用一根φ107×7灰管，采用串聯輸灰方式。一電場B側的2只1.5m3倉泵和二電場B側的2只0.75m3倉泵合用一根灰管，也采用串聯輸灰方式。灰管上加裝隔膜式壓力變送器，通過測定灰管的壓力，來判定倉泵中的灰是否出空。

在該系統運行六個月以后，上海電力環保設備總廠有限公司對系統作了測試。系統出力為13.4×2=26.8 t/h大于23 t/h的設計要求，滿足用戶的要求。

用戶認為該系統綜合性能處于國內領先水平。系統最大輸送能力大于24t/h，灰氣比大于30，達到了技術合同規定的技術指標要求。

四、并聯出灰的應用

隨著全社會對環保要求的越來越高，電廠的除塵器的凈化率也需進一步提高，隨之而來靜電除塵器配置有一電場、二電場、三電場、四電場甚至五電場，相應的輸灰系統的倉泵數量也需隨之增加，如果對于后續電場僅有百分之幾的灰量，采用傳統的時間設定，排隊輪流出灰的話，設備的配置成倍增加，出灰的效率也大大降低。伴隨這些情況，我司又嘗試應用了并聯出灰方式。一方面按照灰量的減小，縮小倉泵的體積，分別有0.1m3 ～ 1.5m3 各個系列；一方面按照2個倉泵一組，4個倉泵一組，8個倉泵一組或者更多，將每組當做傳統的單個倉泵一起工作，共用一個出灰閥，一組進氣系統，一組排氣系統，從而既提高了效率又減少了設備配置。按照這樣的設計理念，通過大量的試驗，我們在上海石洞口發電廠#1～#4爐4臺300MW機組（進口澳大利亞ABB系統，上海電力環保設備總廠有限公司參與調試）、山東臨沂電廠#5、#6爐2臺135MW機組等都取得了成功。

五、社會效益和經濟效益

當前我國電力體制的改革正在不斷深入，主輔分離、廠網分離，各個電廠都面臨著競價上網的壓力，減人增效，節能增效是大家的共同任務。對輸灰設備的投資建設、運行和維護可使粉煤灰變廢為寶，改善環境，提高粉煤灰的綜合利用率的干法處理，即采用氣力輸灰設備系統，在各個電廠將受到廣泛的歡迎。以上海石洞口發電廠為例：全廠總裝機容量1200MW，4臺300MW國產改進型亞臨界汽輪發電機組，年發電量70億Kwh，年需處理灰、渣量90萬噸，干灰全部完成氣力輸送，全年減少向長江排放廢水量達700萬噸，取得了巨大的環境效益。原來的濕灰利用價值低，改造后的粉煤灰產品的品種多，有調濕灰、爐渣、原灰、高質量的分選灰，因而產值大大提高，原濕灰的管道粗，閥件等設備維修量大，設備運行的能耗大，創造了巨大的經濟效益。隨著人們環境意識的提高，環保技術的發展越來越受到重視。