省煤器灰斗上方減灰擋板改造方案試驗(yàn)研究

鄧淮銘， 陳鴻偉， 趙　超， 張　千

(1. 華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院， 河北保定 071003；2. 神華國(guó)華電力研究所有限公司， 北京 100000)

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

國(guó)內(nèi)外對(duì)催化劑磨損、堵塞問題做了一系列研究[10]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，燃煤機(jī)組正常運(yùn)行1 000 h，由于磨損、堵塞的影響，SCR催化劑的脫硝效率會(huì)降低0.7%[11]。因此，在煙氣流經(jīng)催化劑前進(jìn)行預(yù)除塵[12-13]顯得至關(guān)重要。

為保證機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，預(yù)除塵改造需同時(shí)滿足除灰能力和壓力損失兩方面因素[14-15]。目前，對(duì)于省煤器灰斗上方折角處的加裝擋板問題尚無(wú)系統(tǒng)研究，而此處的結(jié)構(gòu)形式對(duì)于省煤器灰斗的飛灰捕集能力有很大影響。筆者通過對(duì)灰斗上方折角處加裝不同樣式和長(zhǎng)度的減灰擋板來(lái)對(duì)此進(jìn)行系統(tǒng)研究，確定不同形式減灰擋板對(duì)灰斗捕灰能力的影響，從而找出一種較佳的結(jié)構(gòu)形式。

1　試驗(yàn)裝置及方法

1.1 試驗(yàn)裝置

圖1為該試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖。為方便對(duì)試驗(yàn)現(xiàn)象觀察和記錄，試驗(yàn)臺(tái)主體部分采用厚度為8 mm的有機(jī)玻璃板材和部分PVC板制成。試驗(yàn)臺(tái)是以國(guó)內(nèi)某電廠600 MW鍋爐系統(tǒng)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(tǒng)模塊等。主體部分通過法蘭與圓形風(fēng)管連接，后續(xù)通過布袋除塵器與引風(fēng)機(jī)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(tǒng)模塊；6—連接彎頭；7—布袋除塵器；8—引風(fēng)機(jī)及排風(fēng)管道；9—壓力測(cè)點(diǎn)。

圖1試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

試驗(yàn)研究對(duì)象為省煤器灰斗上方折角處減灰擋板，故此對(duì)其進(jìn)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(yàn)工況

初始狀況下，省煤器灰斗上方折角邊緣(o點(diǎn))與灰斗右側(cè)邊界對(duì)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(diǎn)為折角邊緣，角度與折角處角度一致。

調(diào)節(jié)風(fēng)速穩(wěn)定在4 m/s時(shí)，從試驗(yàn)臺(tái)左側(cè)下料口均勻下料。通過不加減灰擋板、加裝不同長(zhǎng)度平板形減灰擋板、加裝不同長(zhǎng)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(yàn)所用灰樣是從國(guó)內(nèi)某燃煤電廠灰?guī)熘兴〉玫脑?，通過粒徑篩分試驗(yàn)得知，原灰中粗灰(>88 μm)比例為20.61%。

平板擋板由o點(diǎn)沿折角方向向下延伸，擋板位置oa、ob、oc長(zhǎng)度分別為4 cm(1/4d)、8 cm(2/4d)和12 cm(3/4d)，對(duì)應(yīng)翼形擋板水平方向o′a、o′b、o′c長(zhǎng)度也為4 cm、8 cm和12 cm。翼形擋板設(shè)計(jì)樣式見圖4。

圖4　翼形擋板安裝示意圖

1.3 試驗(yàn)方法

(1) 無(wú)減灰擋板流場(chǎng)與灰捕集試驗(yàn)。

冷態(tài)試驗(yàn)臺(tái)不加減灰擋板，開啟風(fēng)機(jī)，用數(shù)字流量計(jì)測(cè)得省煤器模塊中心風(fēng)速穩(wěn)定在4 m/s，固定好風(fēng)速調(diào)節(jié)閥門。用數(shù)字微壓計(jì)測(cè)量省煤器模塊部位壓力和省煤器灰斗后方壓力，并計(jì)算壓力損失。在下料口位置放入泡沫顆粒，并用高速攝像機(jī)捕捉泡沫在灰斗與上方折角處運(yùn)動(dòng)軌跡。由于泡沫顆粒很輕可以隨氣流運(yùn)動(dòng)，由此可很好地反應(yīng)模型內(nèi)部氣流運(yùn)動(dòng)狀況。

稱取2 kg原灰，由左側(cè)下料口位置均勻下料，控制下料時(shí)間，使省煤器模塊處灰粒密度約為40 g/m3，與實(shí)際電站鍋爐內(nèi)部灰粒密度相同。下料結(jié)束后關(guān)停風(fēng)機(jī)，收集灰斗處捕集的灰顆粒，記錄并稱重。重復(fù)試驗(yàn)兩次，保證試驗(yàn)結(jié)果的正確性。

(2) 平板形和翼形減灰擋板灰捕集試驗(yàn)。

將4 cm平板形減灰擋板按照?qǐng)D2位置固定好，打開風(fēng)機(jī)并調(diào)節(jié)風(fēng)速穩(wěn)定在4 m/s，測(cè)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(jié)束后關(guān)停風(fēng)機(jī)，收集并將捕集到的灰顆粒稱重。再重復(fù)進(jìn)行試驗(yàn)兩次，將平板形擋板調(diào)到8 cm和12 cm，重復(fù)以上試驗(yàn)。

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(yīng)位置，重復(fù)以上試驗(yàn)。

收集到的灰顆粒用180目篩網(wǎng)進(jìn)行篩分，將篩分結(jié)束后篩網(wǎng)上方的灰顆粒(>88 μm)定義為粗灰，對(duì)各個(gè)工況下原灰和粗灰收集率的平均值進(jìn)行研究。

2　結(jié)果與分析

2.1 無(wú)減灰擋板流場(chǎng)與灰捕集試驗(yàn)

試驗(yàn)工況下對(duì)模型內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行拍照記錄，圖5為無(wú)減灰擋板時(shí)的流場(chǎng)拍攝圖。

圖5　原始模型灰斗及折角部位流場(chǎng)分布圖

從圖5可清楚看出試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛢?nèi)部示蹤泡沫的流動(dòng)軌跡：左側(cè)下料口處均勻下料，經(jīng)豎直煙道兩次轉(zhuǎn)向后，大部分示蹤泡沫都集中在省煤器模塊的右側(cè)壁面；從煙道右側(cè)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(huì)進(jìn)入灰斗；從煙道左側(cè)和中間落下的顆粒，大部分會(huì)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(yùn)動(dòng)，但此時(shí)灰斗仍可收集到部分泡沫。由此可見灰斗內(nèi)存在一個(gè)低速區(qū)，進(jìn)入低速區(qū)的泡沫由于速度太低而不會(huì)被攜帶出去。若將泡沫換成原灰顆粒，由于顆粒密度較大，進(jìn)入灰斗的灰顆?？赡軙?huì)更多地被收集。原灰試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1　原始模型飛灰捕集試驗(yàn)結(jié)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(shí)灰斗對(duì)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(dá)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(yàn)

由于不加擋板情況下大部分灰顆粒沒有經(jīng)過灰斗，直接被氣流攜帶到灰斗后水平煙道，導(dǎo)致灰斗對(duì)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(zhuǎn)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(zhǎng)度平板形減灰擋板時(shí)灰斗捕集情況。

表2　加裝不同長(zhǎng)度平板形減灰擋板時(shí)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(duì)原灰和粗灰的捕集效率均有小幅提升，分別達(dá)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(shí)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(fēng)機(jī)出力，這顯然是不太合理的。繼續(xù)加長(zhǎng)減灰擋板的長(zhǎng)度，以增大氣流轉(zhuǎn)向，增加進(jìn)入灰斗飛灰數(shù)量。當(dāng)擋板長(zhǎng)度增加到8 cm和12 cm時(shí)：原灰收集效率分別達(dá)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(dá)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(shí)灰斗對(duì)原灰的收集效率有較大幅度的提升，但此時(shí)靜壓差達(dá)到了222 Pa，同比增加了188.3%。

2.3 加裝翼形減灰擋板試驗(yàn)

平板形減灰擋板雖然對(duì)灰斗捕灰能力有一定提升，但灰斗前后壓損過大，使得風(fēng)機(jī)出力大大增加，經(jīng)濟(jì)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(zhǎng)度翼形減灰擋板時(shí)灰斗捕集情況

由表3可看出：當(dāng)加裝4 cm翼形減灰擋板時(shí)，灰斗對(duì)原灰和粗灰的平均捕集效率分別達(dá)到了8.62%和22.19%。此時(shí)與不裝減灰擋板進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，灰斗對(duì)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(lái)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(shí)，對(duì)壓損的影響并不大。在此基礎(chǔ)上繼續(xù)加長(zhǎng)翼形擋板長(zhǎng)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(duì)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(dá)到了12.70%和14.80%，同比增長(zhǎng)57.4%和83.4%；粗灰捕集率分別達(dá)到了32.22%和43.62%，同比增長(zhǎng)79.8%和143.4%。當(dāng)翼形擋板長(zhǎng)度為12 cm時(shí)，壓損只比不裝減灰擋板情況增加12 Pa，這對(duì)風(fēng)機(jī)出力影響很小，而此時(shí)灰斗對(duì)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(duì)比

為更清楚了解平板形減灰擋板與翼形減灰擋板優(yōu)劣性，采用確定變量法進(jìn)行對(duì)比分析。圖6為兩種減灰擋板靜壓差對(duì)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(zhǎng)度變化，兩種形式減灰擋板靜壓差變化趨勢(shì)。隨著減灰擋板長(zhǎng)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(zhǎng)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(tǒng)整體的經(jīng)濟(jì)性。

圖7為兩種減灰擋板對(duì)飛灰捕集效率對(duì)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(zhǎng)度變化對(duì)兩種形式減灰擋板作用下灰斗的捕集效率。無(wú)論是原灰還是粗灰，相同長(zhǎng)度下的翼形擋板總比平板形減灰擋板效果要好，特別是對(duì)粗灰的捕集效率，隨著擋板長(zhǎng)度的增加，翼形擋板作用下灰斗的捕集效率呈現(xiàn)出直線上升的趨勢(shì)。這與靜壓差的變化趨勢(shì)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(diǎn)流入到灰斗內(nèi)，使更多的灰顆粒在灰斗內(nèi)被分離出來(lái)；翼形擋板本身形式是兩端長(zhǎng)中間短，與平板擋板同樣長(zhǎng)度的翼形擋板的中間部位遠(yuǎn)沒有平板擋板那么長(zhǎng)，且翼形擋板結(jié)構(gòu)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(duì)于相同長(zhǎng)度的翼形擋板和平板形擋板來(lái)說(shuō)，翼形擋板伸入模型中心的位置長(zhǎng)，12 cm翼形擋板的翼尖部位已經(jīng)越過了灰斗的中線位置，這使流經(jīng)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(jié)語(yǔ)

(1) 原始模型灰斗對(duì)飛灰捕集效率很低，大量飛灰進(jìn)入尾部煙道會(huì)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(huì)在一定程度上提高灰斗對(duì)飛灰的捕集能力，但會(huì)造成很大的壓力損失，采用翼形擋板替換平板形擋板會(huì)解決這一問題。將翼形擋板應(yīng)用于實(shí)際電站鍋爐中可有效提高灰斗預(yù)除塵效果。

(3) 一部分進(jìn)入省煤器灰斗的飛灰顆粒會(huì)再次被氣流攜帶而不能被灰斗收集，考慮在灰斗內(nèi)部加裝撞擊分離裝置，使進(jìn)入灰斗的飛灰顆粒經(jīng)過撞擊減速后被灰斗有效收集，從而大大提升灰斗預(yù)除塵效果，對(duì)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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