空氣預(yù)熱器硫酸氫銨積灰特性實(shí)驗(yàn)研究

單鑫晨，雷健康，趙伶玲

(東南大學(xué) 能源與環(huán)境學(xué)院，南京 210096)

機(jī)組深度調(diào)峰后，空預(yù)器ABS積灰堵塞問題更加突出，不少機(jī)組空預(yù)器清洗后運(yùn)行不到3個(gè)月，就會出現(xiàn)嚴(yán)重的空預(yù)器阻力上升、引風(fēng)機(jī)搶風(fēng)失速，甚至引發(fā)機(jī)組主燃料跳閘(MFT)。而目前火電機(jī)組的引風(fēng)機(jī)多采用軸流式風(fēng)機(jī)，這類風(fēng)機(jī)在流量小、阻力大的工況下，特別容易超出駝峰曲線的安全區(qū)。深度調(diào)峰低負(fù)荷工況下，由于系統(tǒng)煙氣流量小，空預(yù)器阻力上升會引起風(fēng)機(jī)失速、搶風(fēng)、喘振，嚴(yán)重威脅機(jī)組運(yùn)行的安全性[4-5]。

筆者搭建小型模擬空預(yù)器實(shí)驗(yàn)臺，配制不同ABS-飛灰質(zhì)量比的實(shí)驗(yàn)灰樣，分析ABS黏結(jié)性積灰的沉積特性(簡稱積灰特性)，研究煙氣溫度、煙氣流速、飛灰顆粒粒徑、ABS-飛灰質(zhì)量比等參數(shù)對空預(yù)器蓄熱板表面積灰特性的影響，可為空預(yù)器積灰預(yù)測和現(xiàn)場運(yùn)行提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

為研究ABS在空預(yù)器蓄熱板上的積灰特性，自主設(shè)計(jì)并搭建了小型模擬空預(yù)器實(shí)驗(yàn)臺(見圖1和圖2)。熱風(fēng)槍產(chǎn)生的熱空氣與配制好的實(shí)驗(yàn)灰樣充分混合形成模擬煙氣；模擬煙氣進(jìn)入實(shí)驗(yàn)段，灰分在蓄熱板(見圖3)表面沉積，其中含有ABS的飛灰會黏結(jié)在蓄熱板表面。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，對蓄熱板表面沉積的飛灰顆粒進(jìn)行采集和數(shù)據(jù)處理。

1—熱風(fēng)槍；2—球閥；3—注灰器；4—蓄熱板段；5—測溫計(jì)；6—數(shù)據(jù)采集卡；7—計(jì)算機(jī)；8—灰樣收集裝置。

圖2 小型模擬空預(yù)器實(shí)驗(yàn)臺實(shí)物圖

圖3 蓄熱板

主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備介紹如下：

(1)熱風(fēng)槍。2 800 W大功率數(shù)顯熱風(fēng)槍，溫度和風(fēng)量均可調(diào)，溫度為60～600 ℃，風(fēng)體積流量為300～600 L/min。

(2)注灰器。實(shí)驗(yàn)采用大容量手推式注射器和小型漏斗的組合作為注灰器，最大容量為500 mL，出灰口直徑為5 mm。

考慮到ε≈vt/cp,cp為巖石介質(zhì)中的縱波速度，依據(jù)流體彈塑性內(nèi)摩擦侵徹理論,可以得到不同的巖石粒子速度下，巖石介質(zhì)侵徹的阻抗函數(shù)[3，11]為

(3)測溫計(jì)。實(shí)驗(yàn)采用了快速測溫計(jì)，搭載高精度熱敏傳感器，測溫精度為0.1 K，測溫范圍為-50～300 ℃。

(4)蓄熱板積灰段。積灰段的外殼為定制的長方體密閉鋼殼，尺寸為1 000 mm(長)×200 mm(寬)×10 mm(高)。

1.2 飛灰特性分析

對采集的飛灰分別進(jìn)行了X射線熒光光譜分析(XRF)和粒徑分布測試，以進(jìn)一步探究所采集飛灰的特性，結(jié)果見表1。從表1可以看出：飛灰中含有大量的氧化物，SiO2和Al2O3分別占到氧化物總量的46.41%和43.23%，其他氧化物含量總占比為10.36%。高溫下ABS液化(ABS的液化溫度為220～493 K，空預(yù)器的運(yùn)行溫度為313～393 K)，會與金屬氧化物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，主要化學(xué)反應(yīng)式為：

表1 飛灰XRF測試結(jié)果

Al2(SO4)3+3(NH4)2SO4+3H2O

(1)

1.3 數(shù)據(jù)處理

1.3.1 ABS黏附率

定義ABS黏附率為沉積在蓄熱板表面的ABS黏結(jié)性積灰質(zhì)量與總積灰質(zhì)量之比，其計(jì)算表達(dá)式為：

(2)

式中：I為ABS黏附率；m1為表面清潔的蓄熱板質(zhì)量；m2為實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，總積灰質(zhì)量和蓄熱板質(zhì)量之和；m3為清理掉松散性積灰后，ABS黏結(jié)性積灰質(zhì)量和蓄熱板質(zhì)量之和。

1.3.2 顆粒粒徑分布

通過飛灰顆粒粒徑分布可以研究ABS與飛灰顆粒的黏附機(jī)制。采用8411電動(dòng)振篩機(jī)進(jìn)行粒徑的篩分，配備的標(biāo)準(zhǔn)套篩尺寸分別為150目(對應(yīng)飛灰顆粒粒徑為100 μm)、200目(對應(yīng)飛灰顆粒粒徑為76 μm)、300目(對應(yīng)飛灰顆粒粒徑為54 μm)、500目(對應(yīng)飛灰顆粒粒徑為30.8 μm)。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)飛灰質(zhì)量小于100 g時(shí)，最佳篩分時(shí)間為10～15 min。由于每次實(shí)驗(yàn)沉積的飛灰質(zhì)量較少，因此將相同實(shí)驗(yàn)條件下A板和B板表面的飛灰均勻混合后進(jìn)行粒徑分布的測量。取80 g待篩分灰樣，進(jìn)行15 min的篩分，以達(dá)到最好的篩分效果。

1.3.3 積灰強(qiáng)度

定義積灰強(qiáng)度為單位面積上的蓄熱板表面沉積的飛灰顆粒的質(zhì)量。通過積灰強(qiáng)度可以表征積灰的嚴(yán)重程度，其計(jì)算表達(dá)式為：

(3)

式中：O為積灰強(qiáng)度；A為蓄熱板面積。

2 積灰特性影響分析

分別對蓄熱板A板和B板表面積灰特性進(jìn)行研究，從煙氣溫度、煙氣流速、ABS-飛灰質(zhì)量比、飛灰顆粒粒徑分布4個(gè)方面開展了實(shí)驗(yàn)研究。

2.1 溫度的影響

在溫度為493 K、流速為8 m/s、ABS-飛灰質(zhì)量比為1/25的條件下，實(shí)驗(yàn)所得A板和B板表面的總積灰圖和ABS積灰圖見圖4。由圖4(a)、圖4(c)可以看出：蓄熱板表面幾乎完全被飛灰顆粒覆蓋，在波紋的“凹谷”處積灰較多，而在波紋的“凸峰”處積灰較少。由圖4(b)、圖4(d)可以看出：ABS積灰主要出現(xiàn)在蓄熱板波紋的“凹谷”處。ABS積灰顆粒粒徑較大，并且能夠黏結(jié)在蓄熱板表面，這是由于液態(tài)的ABS具有強(qiáng)黏性，黏結(jié)周圍的飛灰顆粒，并附著在蓄熱板表面，從而形成了較難清除的ABS黏結(jié)性積灰。

圖4 蓄熱板表面積灰局部放大圖

在流速為8 m/s、ABS-飛灰質(zhì)量比為1/25條件下，蓄熱板A板和B板表面ABS黏附率隨溫度變化的曲線見圖5。由圖5可以看出：隨著溫度的升高，蓄熱板A板和B板表面ABS黏附率均先增大后減小。當(dāng)溫度為393 K時(shí)，A板和B板的ABS黏附率均為0；此時(shí)，ABS不具有黏性，無法黏結(jié)飛灰產(chǎn)生ABS積灰。當(dāng)溫度為493 K時(shí)，A板和B板的ABS黏附率均達(dá)到峰值，分別為31.7%和27.9%；此時(shí)ABS完全液化，ABS黏附在蓄熱板表面并吸附周圍的飛灰顆粒從而產(chǎn)生ABS黏結(jié)性積灰，而該溫度也是造成空預(yù)器蓄熱板ABS嚴(yán)重積灰堵塞的溫度點(diǎn)。因此，煙氣中液態(tài)ABS的存在是造成空預(yù)器積灰堵塞的關(guān)鍵原因，運(yùn)行中調(diào)控?zé)煔鉁囟仁菧p輕空預(yù)器ABS積灰堵塞的一種有效方法。

圖5 ABS黏附率隨溫度變化的曲線

2.2 流速的影響

不同流速下蓄熱板A板和B板表面ABS黏附率變化曲線見圖6(溫度為493 K，ABS-飛灰質(zhì)量比為1/25)。由圖6可以看出：隨著流速的減小，蓄熱板A板和B板表面的ABS黏附率均有所增大，分別增大了18.7%和23.4%，這說明流速對ABS黏附率的影響較大。主要原因?yàn)榱魉俚淖兓瘜?dǎo)致ABS液化的可能性發(fā)生變化，流速越低，ABS液化的可能性越大，導(dǎo)致蓄熱板表面ABS黏附率也越大。此外，相同流速下，A板表面ABS黏附率略大于B板。

圖6 ABS黏附率隨流速變化的曲線

分析圖6中不同流速下ABS黏附率的變化率可知：隨著流速的減小，蓄熱板A板和B板ABS黏附率的增長率均增大，A板ABS黏附率的增長率由2.7%增長到12.2%，B板ABS黏附率的增長率由7.3%增長到11.3%，B板ABS黏附率的增長率變化比A板小。這是由于流速減小，總積灰強(qiáng)度大幅增加，沉積在蓄熱板表面的飛灰在ABS液化(主要與溫度相關(guān))的條件下更容易積聚在一起，從而更容易產(chǎn)生ABS積灰，ABS黏附率及其增長率也因此有所增大。

2.3 ABS-飛灰質(zhì)量比的影響

圖7為不同ABS-飛灰質(zhì)量比下蓄熱板A板表面ABS積灰實(shí)驗(yàn)結(jié)果(ABS-飛灰質(zhì)量比為0時(shí)表明無ABS)。由圖7可以看出：隨著ABS-飛灰質(zhì)量比的減小，蓄熱板表面的ABS積灰量明顯減少，ABS積灰區(qū)域也相應(yīng)減小；當(dāng)ABS-飛灰質(zhì)量比為1/150時(shí)，ABS積灰在蓄熱板表面呈現(xiàn)斑狀；當(dāng)ABS-飛灰質(zhì)量比為0時(shí)，蓄熱板表面光滑，不存在ABS積灰。

圖7 不同ABS-飛灰質(zhì)量比下A板表面ABS積灰放大圖

不同ABS-飛灰質(zhì)量比下，蓄熱板A板和B板表面ABS黏附率變化的曲線見圖8。由圖8可以看出：隨著ABS-飛灰質(zhì)量比的減小，蓄熱板A板和B板表面ABS黏附率均逐漸減小。當(dāng)ABS-飛灰質(zhì)量比為0時(shí)，A板和B板表面ABS黏附率均減小至0，其中A板ABS黏附率從31.7%減小為0，B板ABS黏附率從27.9%減小至0。這是由于隨著ABS-飛灰質(zhì)量比的減小，飛灰中ABS含量減少，因此其黏附率也會降低。此外，相同ABS-飛灰質(zhì)量比下，A板表面的總積灰強(qiáng)度和ABS積灰強(qiáng)度均比B板大，而A板的ABS黏附率也都大于B板。這說明積灰強(qiáng)度會影響ABS黏附率的變化，積灰強(qiáng)度越大，ABS黏附率也會相應(yīng)增大。綜上可知，飛灰中液態(tài)ABS的含量直接關(guān)系到ABS黏附率和ABS積灰強(qiáng)度。因此，可以從源頭減少ABS的生成量，以預(yù)防或減輕空預(yù)器ABS積灰堵塞。

圖8 ABS黏附率隨ABS-飛灰質(zhì)量比變化的曲線

2.4 飛灰顆粒粒徑的影響

不同顆粒粒徑下蓄熱板A板和B板表面ABS黏附率變化的曲線見圖9。由圖9可以看出：隨著飛灰顆粒粒徑的增大，蓄熱板A板和B板表面ABS黏附率均逐漸降低，并且B板表面ABS黏附率比A板降低得更快。當(dāng)飛灰顆粒粒徑<30.8 μm時(shí)，ABS黏附率接近60%；而當(dāng)飛灰顆粒粒徑≥100 μm時(shí)，A板和B板ABS飛灰顆粒黏附率分別降低了約43.9百分點(diǎn)和49.6百分點(diǎn)。主要原因?yàn)轱w灰顆粒粒徑較小時(shí)，其相互作用力較大，并且顆粒之間接觸面積大，團(tuán)聚效果更強(qiáng)，在ABS的黏性作用下更容易黏附在蓄熱板表面。小粒徑的飛灰顆粒ABS黏附率更高；飛灰顆粒較大時(shí)，顆粒之間距離大，分子間作用力小，導(dǎo)致其積灰層松散，難以黏附在蓄熱板表面。因此，相比于小粒徑的飛灰顆粒，大粒徑的飛灰顆粒ABS黏附率低很多。

圖9 ABS黏附率隨顆粒粒徑變化的曲線

此外，對不同溫度下蓄熱板表面飛灰顆粒進(jìn)行了粒徑分布測試，結(jié)果見圖10。由圖10可以看出：當(dāng)溫度小于418 K或大于493 K時(shí)，30.8～<54 μm的飛灰顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大；當(dāng)溫度為418～493 K時(shí)，54～<76 μm的飛灰顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大；溫度為493 K時(shí)，54～<76 μm的飛灰顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到43.8%。這說明隨著ABS的逐漸液化，其黏附飛灰顆粒的能力逐漸增強(qiáng)，造成飛灰顆粒的粒徑逐漸增大；當(dāng)溫度達(dá)到493 K時(shí)，ABS黏附率最大，此時(shí)飛灰顆粒的粒徑也隨之增大。

圖10 不同溫度下蓄熱板表面飛灰顆粒粒徑分布

3 結(jié)語

通過研究，可得出以下結(jié)論：

(1)煙氣溫度是引起空預(yù)器蓄熱板ABS積灰堵塞的重要原因，在本實(shí)驗(yàn)條件下，隨著煙氣溫度的升高，蓄熱板表面ABS黏附率先增大后減小，在493 K時(shí)黏附率達(dá)到峰值。

(2)隨著煙氣流速的減小，空預(yù)器蓄熱板A板和B板ABS黏附率的增長率均增大，總積灰強(qiáng)度大幅增加，沉積在蓄熱板表面的飛灰在ABS液化的條件下更容易積聚在一起，更易產(chǎn)生ABS積灰。

(3)飛灰中液態(tài)ABS的含量直接關(guān)系到ABS黏附率，大粒徑飛灰顆粒的ABS黏附率比小粒徑飛灰顆粒的ABS黏附率低。