省煤器灰斗加撞擊分離裝置預(yù)除塵性能研究

鄧淮銘， 陳鴻偉， 趙 超， 劉嘯東， 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.神華國華電力研究所有限公司，北京 100000)

省煤器灰斗加撞擊分離裝置預(yù)除塵性能研究

鄧淮銘1， 陳鴻偉1， 趙 超1， 劉嘯東1， 張 千2

(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.神華國華電力研究所有限公司，北京 100000)

為提高省煤器灰斗對(duì)飛灰顆粒的捕集效率，減輕選擇性催化還原(SCR)脫硝系統(tǒng)催化劑磨損和堵塞現(xiàn)象的發(fā)生，參照國內(nèi)某600 MW燃煤鍋爐形式，采用有機(jī)玻璃為主體搭建1∶20冷態(tài)實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：原始空灰斗狀態(tài)下，省煤器灰斗對(duì)原灰和粗灰的捕集效率分別為8.07%和17.92%；在灰斗內(nèi)加裝隔倉和撞擊分離裝置后，灰斗對(duì)原灰和粗灰的捕集效率最高可達(dá)22.75%和66.19%，分別比改造前提高了181.91%和269.36%，而此時(shí)灰斗前后壓損僅增加了31 Pa。省煤器灰斗改造對(duì)爐內(nèi)飛灰捕集效率有顯著提高，可對(duì)電廠預(yù)除塵改造提供一定的參考。

煙氣脫硝； 選擇性催化還原； 飛灰顆粒； 省煤器灰斗； 撞擊分離器； 預(yù)除塵

0 引言

選擇性催化還原(Selective Catalytic Reduction，SCR)脫硝技術(shù)，是目前應(yīng)用最廣泛、脫硝效率最高的[1]一種脫硝技術(shù)。它具有運(yùn)行穩(wěn)定、安全可靠等諸多優(yōu)點(diǎn)而成為當(dāng)今電站鍋爐的主要脫銷手段[2]。脫硝催化劑是SCR系統(tǒng)的核心部件，約占SCR系統(tǒng)總投資金額的40%以上[3]，目前普遍運(yùn)用的SCR系統(tǒng)高塵布置方式很容易出現(xiàn)催化劑磨損、堵塞和中毒等現(xiàn)象的發(fā)生[4]，從而導(dǎo)致SCR系統(tǒng)性能降低。

國內(nèi)外對(duì)催化劑性能下降問題的原因進(jìn)行了一系列的研究[5]。通過設(shè)置聲波/蒸汽吹灰器[6-7]、安裝導(dǎo)流板[8-9]、煙道擴(kuò)容改造[10]和安裝大顆粒灰攔截裝置等可在很大程度上增加SCR催化劑的使用壽命。省煤器灰斗能夠?qū)崿F(xiàn)煙氣轉(zhuǎn)向和分離物料的功能，但往往對(duì)灰斗的改造容易被忽視。未經(jīng)改造的灰斗，灰顆粒的捕集效率會(huì)隨著顆粒密度和尺寸的減少以及阻力的增大而降低[11]，還可能因?yàn)榛覞舛冗^高或灰斗的灰量過大等原因而造成已進(jìn)入灰斗的飛灰顆粒被二次攜帶[12]。

對(duì)預(yù)除塵進(jìn)行改造需要同時(shí)滿足飛灰捕集效率和壓力損失兩方面因素[13-14]。目前，對(duì)省煤器灰斗上方減灰擋板和灰斗結(jié)構(gòu)的改造尚無系統(tǒng)研究，而灰斗結(jié)構(gòu)和減灰擋板的形式對(duì)飛灰捕集能力有很大影響。本文通過在省煤器灰斗上方加裝翼型減灰擋板，在灰斗內(nèi)部加裝角型撞擊分離器和隔倉等手段，研究灰斗結(jié)構(gòu)改造對(duì)飛灰捕集性能的影響，從而找出一種較佳的結(jié)構(gòu)形式。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1實(shí)驗(yàn)裝置

灰顆粒捕集實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪且試鴥?nèi)某電廠600 MW燃煤鍋爐為原型，按照1∶20等比例縮放而成。為便于觀測(cè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，實(shí)驗(yàn)臺(tái)主體部分采用8 mm厚的有機(jī)玻璃板材以及部分PVC板制成。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與裝置主要包括實(shí)驗(yàn)臺(tái)主體、布袋除塵器、引風(fēng)機(jī)、DP100-111B數(shù)字微壓計(jì)、8411型電動(dòng)振篩機(jī)、電子天平等。其中，實(shí)驗(yàn)臺(tái)主體部分包括豎直煙道模塊、省煤器模塊、省煤器灰斗模塊和SCR脫硝系統(tǒng)模塊等，如圖1所示。

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 1∶20實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.2翼型減灰擋板與灰斗形式

原始模型基礎(chǔ)上，在省煤器灰斗上方折角處新增翼型減灰擋板[15]，使煙氣流場(chǎng)匯聚在灰斗中心，如圖2所示。

圖2 翼型擋板形式與安裝位置

對(duì)灰斗模塊進(jìn)行處理，加裝隔倉與角型撞擊分離器。采用上排5個(gè)，下排4個(gè)錯(cuò)列布置的方式。上排撞擊分離器長(zhǎng)度為h1，下排撞擊分離器長(zhǎng)度為h2，開口大小為l，隔倉上沿寬度取灰斗的1/8長(zhǎng)度3.2 cm，隔倉下方留1 cm寬物料流通口，撞擊分離器仰角為θ，如圖3所示。

圖3 隔倉與撞擊分離器結(jié)構(gòu)形式

1.3實(shí)驗(yàn)條件

根據(jù)對(duì)國內(nèi)某600 MW燃煤電廠調(diào)研發(fā)現(xiàn)，該電廠省煤器模塊處氣流速度約為4.5 m/s，省煤器模塊灰粒密度40 g/m3。根據(jù)文獻(xiàn)[9]第二自模區(qū)判定原則，實(shí)驗(yàn)室條件下，省煤器模塊部位風(fēng)速達(dá)到2.8 m/s時(shí)已經(jīng)進(jìn)入自模化區(qū)，此時(shí)歐拉準(zhǔn)則數(shù)不再與雷諾數(shù)有關(guān)而保持一個(gè)定值。進(jìn)入第二自模區(qū)后，慣性力是決定性因素，粘性力的影響可以忽略不計(jì)，即速度對(duì)流場(chǎng)的影響不大。實(shí)驗(yàn)室條件下取風(fēng)速為3.5 m/s，從實(shí)驗(yàn)臺(tái)左側(cè)下料口均勻下料，下料速度為0.028 kg/s，以保證省煤器模塊灰粒密度與實(shí)際情況一致。實(shí)驗(yàn)所用灰樣是從國內(nèi)某電廠原灰?guī)焖〉玫脑遥胶Y分結(jié)果表明，原灰中粗灰(粒徑>88 μm)比例為20.61%。

1.4實(shí)驗(yàn)方法

1.4.1 原模型流場(chǎng)與灰顆粒捕集實(shí)驗(yàn)

原模型在冷態(tài)試驗(yàn)臺(tái)下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，開啟風(fēng)機(jī)，調(diào)節(jié)風(fēng)量閥門，保證省煤器模塊風(fēng)速穩(wěn)定在3.5 m/s，用數(shù)字微壓計(jì)測(cè)量省煤器灰斗前后2個(gè)測(cè)點(diǎn)的壓力并記錄。從左側(cè)下料口位置放入一定量的示蹤泡沫顆粒，并同時(shí)用高速攝像機(jī)捕捉示蹤泡沫在灰斗與上方折角部位運(yùn)動(dòng)軌跡。由于示蹤泡沫可以很好地隨氣流運(yùn)動(dòng)，由此可客觀反映出模型內(nèi)氣流走向。

用電子天平稱取2 kg原灰，從下料口均勻下料，控制下料時(shí)間為71 s，保證省煤器模塊灰粒密度。下料完畢后關(guān)停引風(fēng)機(jī)，收集灰斗處捕集的灰顆粒，并用電子天平稱取重量。重復(fù)2次實(shí)驗(yàn)以保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的正確性。

1.4.2 原模型加入翼型減灰擋板與改進(jìn)灰斗實(shí)驗(yàn)

在省煤器灰斗上方折角處加入翼型減灰擋板，調(diào)節(jié)風(fēng)速，記錄壓力，重復(fù)(1)中的灰顆粒捕集實(shí)驗(yàn)。

翼型擋板基礎(chǔ)上對(duì)省煤器灰斗進(jìn)行改造。按照?qǐng)D3的形式設(shè)計(jì)加工灰斗，工況1設(shè)計(jì)為h1=4.5 cm，h2=4 cm，l=4 cm，θ=0°。按照(1)中方法進(jìn)行灰顆粒捕集實(shí)驗(yàn)。調(diào)整h1、h2、l、θ的大小，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)工況如表1所示。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1實(shí)驗(yàn)參數(shù)

(1)下料速度

實(shí)驗(yàn)室條件下，省煤器模塊設(shè)計(jì)速度為u0=3.5 m/s，折合下料口流速：

表1 灰斗改造實(shí)驗(yàn)工況

下料速度：

v=u·A·ρ/1 000

式中：A0=0.3 m2和A=0.2 m2分別表示省煤器模塊截面積和下料口處截面積；ρ=40 g/m3為物料密度。將上述數(shù)值代入得出下料口處下料速度為0.028 kg/s。

(2)除塵效率

除塵效率是撞擊分離器性能的主要參考，它指的是攜帶灰顆粒的氣流在通過灰斗內(nèi)隔倉與撞擊分離器后被灰斗捕集下來的灰顆粒占下料量的百分比，即：

式中：G1為被捕集灰顆粒的質(zhì)量；G0為下料量。

(3)壓力損失

安裝撞擊分離器所造成的阻力損失是評(píng)價(jià)撞擊分離器性能好壞的另一個(gè)重要指標(biāo)，它表示的是含塵氣流流經(jīng)撞擊分離器后所造成的壓損，一般用靜壓差表示，即：

ΔP=P0-P1

式中：P0與P1分別表示省煤器灰斗前后測(cè)點(diǎn)處的全壓，Pa。

2.2原灰斗實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)工況下對(duì)原模型流場(chǎng)進(jìn)行拍照記錄，如圖4所示。

圖4 原模型流場(chǎng)分布圖

通過圖4可清楚看出實(shí)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2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。而從煙道左側(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，只有極少量的泡沫顆粒會(huì)留在灰斗內(nèi)部被捕集。原模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 原模型灰顆粒捕集實(shí)驗(yàn)

由表2可知，原模型灰斗前后靜壓差僅77 Pa，但此時(shí)灰斗對(duì)飛灰捕集能力有限，原灰平均捕集率僅有8.07 %，粗灰捕集率也只達(dá)到了17.92%，這還有很大的上升空間。

2.3加裝翼型減灰擋板實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

翼型擋板結(jié)構(gòu)形式會(huì)令流經(jīng)此處的含塵氣流通過翼型擋板的下方尖角(翼尖)，大量含塵氣流匯聚在一起通過省煤器灰斗，可令更多的灰顆粒被捕集。安裝翼型擋板后靜壓差變?yōu)?9 Pa，比原模型實(shí)驗(yàn)僅提高了12 Pa?；翌w粒捕集實(shí)驗(yàn)與原模型比較結(jié)果如圖5所示。

圖5 翼型擋板與原模型對(duì)比實(shí)驗(yàn)

由圖5可以看出，安裝翼型擋板之后灰斗對(duì)灰顆粒的捕集效果有了一定提高，特別是對(duì)粗灰顆粒的捕集，由原來的17.92%增加到了34.44%，增幅達(dá)到了92.2%。這一方面與翼型擋板特有的對(duì)氣流匯聚效果有關(guān)之外，還和粗灰顆粒質(zhì)量大、慣性大，進(jìn)入灰斗后更容易被捕集有關(guān)。

在流場(chǎng)和灰顆粒捕集實(shí)驗(yàn)過程中還發(fā)現(xiàn)，添加翼型擋板后，大部分的氣流都會(huì)有在擋板處有更大轉(zhuǎn)向而進(jìn)入省煤器灰斗。其中，許多灰顆粒在灰斗內(nèi)轉(zhuǎn)向后再次被氣流攜帶流向尾部煙道，并沒有被捕集。由此，提出一種在灰斗內(nèi)加裝撞擊分離器的方式，使灰顆粒經(jīng)過慣性撞擊減速后，進(jìn)入隔倉而被收集下來。

2.4新型省煤器灰斗改造實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

經(jīng)過翼型擋板匯聚的攜灰氣流從左側(cè)進(jìn)入灰斗，在流出灰斗時(shí)與安裝在灰斗右側(cè)的撞擊分離器發(fā)生碰撞，一部分氣流被導(dǎo)入到半封閉式的隔倉內(nèi)而被收集下來；另一部分通過下層撞擊分離器后，繼續(xù)與上層撞擊分離器相遇，灰顆粒得到進(jìn)一步減速，被導(dǎo)入隔倉或落入灰斗；較難捕集的細(xì)灰顆粒繼續(xù)被氣流攜帶流入尾部煙道。用fluent模擬出灰斗撞擊分離器與隔倉部位流線如圖6所示。

圖6 撞擊分離器局部流線圖

圖6表明，氣流經(jīng)過第一層撞擊分離器后進(jìn)入隔倉，在隔倉后壁面發(fā)生碰撞后與第二層隔倉開口進(jìn)入的氣流匯聚，在上下兩層撞擊分離器處分別形成了2個(gè)回流區(qū)。流區(qū)速度較低，灰顆粒運(yùn)動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)，這更有利于氣固分離。由于隔倉處于半封閉狀態(tài)，當(dāng)氣流攜帶灰顆粒進(jìn)入隔倉后，飛灰移動(dòng)速度迅速降低，由于重力的作用使大量被減速的飛灰沿灰斗右壁面滑入灰斗底部而被收集。

對(duì)表1所述27個(gè)工況中每個(gè)工況數(shù)據(jù)的平均值進(jìn)行處理，如圖7所示，其中(a)～(e)分別為靜壓差變化、灰斗對(duì)原灰收集量、灰斗對(duì)粗灰收集量、灰斗對(duì)原灰收集率、灰斗對(duì)粗灰收集率。

圖7 加裝撞擊分離器和隔倉實(shí)驗(yàn)

由圖7(a)可以看出，不同工況下安裝撞擊分離器所造成的壓力變化均呈現(xiàn)出先降低后有一定提升的趨勢(shì)?？梢妼?duì)于h1=4.5 cm、h2=4 cm情況來說，由于撞擊分離器長(zhǎng)度過長(zhǎng)，伸入灰斗距離較遠(yuǎn)，造成壓降相對(duì)較大。將撞擊分離器長(zhǎng)度縮短后，30°和60°的撞擊分離器所引起的壓降均呈現(xiàn)出趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)，且變化幅度在105～120 Pa之間，無明顯差異。可見，安裝撞擊分離器能夠引起的壓降是有限的。

圖7(b)和(d)表明，隨著撞擊分離器長(zhǎng)度逐漸縮短，灰斗對(duì)原灰的捕集效率有逐步提升的趨勢(shì)，尤其是30°的撞擊分離器效率提升更為明顯，且在工況5′和9′處出現(xiàn)極值，工況5′原灰捕集量和捕集效率分別為459.96 g和23.00%，此時(shí)靜壓差為106 Pa，工況9′原灰捕集量和捕集效率分別為454.91 g和22.75%，此時(shí)靜壓差為108 Pa。由圖6看出，當(dāng)撞擊分離器角度為30°時(shí)，其迎風(fēng)面(即有效撞擊面積)是最大的，因此30°時(shí)灰斗對(duì)原灰的捕集效率普遍要高于其他2個(gè)角度。圖7(b)還表明，對(duì)于較長(zhǎng)的撞擊分離器(工況1、2、3)，灰斗對(duì)原灰顆粒的捕集效果并不理想。這是由于此時(shí)撞擊分離器伸入灰斗長(zhǎng)度過長(zhǎng)，甚至已經(jīng)越過了灰斗中心，這對(duì)含塵氣流在灰斗內(nèi)繞流的發(fā)生有一定影響。較短的撞擊分離器不對(duì)氣流入口流場(chǎng)產(chǎn)生影響，而在含塵氣流流出灰斗時(shí)對(duì)其進(jìn)行有效碰撞和分離，因此最短的撞擊分離器分離效果相對(duì)較好。

圖7(c)和(e)為不同工況下灰斗對(duì)粗灰的捕集效率，這與對(duì)原灰捕集效率的走勢(shì)基本一致。對(duì)粗灰的捕集效率也是在工況5′和9′處達(dá)到極值，工況5′處對(duì)粗灰的捕集量和捕集效率分別為274.44 g和66.94%，工況9′處對(duì)粗灰的捕集量和捕集效率分別為271.39 g和66.19%。

對(duì)比2種較好工況5′和9′的捕集效率和引起的靜壓差，對(duì)于工況5′長(zhǎng)度和角度下的撞擊分離器，隔倉開口大小l對(duì)其有較大影響，呈現(xiàn)出不穩(wěn)定性?？梢?，這個(gè)長(zhǎng)度和角度的撞擊分離器并不是十分理想。而工況9′長(zhǎng)度和角度下的撞擊分離器，引起的壓降更小，且從圖7中可以看出，此時(shí)隔倉的開口大小對(duì)灰顆粒的捕集效果影響不大，呈現(xiàn)出很好的穩(wěn)定性。且此時(shí)撞擊分離器更短，應(yīng)用于實(shí)際工程會(huì)節(jié)約大量的成本。

3 結(jié)論

(1)原模型灰斗對(duì)飛灰捕集效率很低，在省煤器灰斗上方折角處加裝翼型減灰擋板可在一定程度上提高灰斗對(duì)飛灰的捕集效率，且翼型擋板所引起的壓降并不大。

(2)在灰斗部位加裝撞擊分離器和隔倉后灰斗對(duì)飛灰的捕集效率有明顯提升，當(dāng)撞擊分離器h1=3.5 cm，h2=3 cm，l=6 cm，θ=30°(工況9′)時(shí)達(dá)到較理想的捕集性能，此時(shí)灰斗引起壓降為108 Pa，灰斗對(duì)原灰和粗灰的捕集效率分別達(dá)到了22.75%和66.19%。

(3)較短的撞擊分離器可在不影響灰斗進(jìn)入氣流場(chǎng)的情況下，最大限度地對(duì)煙氣流場(chǎng)流出灰斗時(shí)對(duì)其進(jìn)行阻礙和碰撞分離。在此基礎(chǔ)上提出，對(duì)灰斗擴(kuò)容可在一定程度上降低灰斗內(nèi)煙氣流場(chǎng)的速度，可提高對(duì)灰顆粒的捕集效率，提升灰斗預(yù)除塵效果。

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The Study of Pre-dust Performance of Economizer Hopper Withimpactor Separation Device

DENG Huaiming1， CHEN Hongwei1， ZHAO Chao1， LIU Xiaodong1， ZHANG Qian2

(1.School of Energy Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University,Baoding 071003,China；2.Shenhua Guohua Electric Power Research Institute Co.Ltd.，Beijing 100000，China)

In order to improve the capture efficiency of the economizer hopper on the fly particles and reduce the catalyst wear and clogging of the selective catalytic reduction (SCR) denitrification system, a 600 MW coal-fired boiler is taken as a reference. And then organic glass is used to build the cold experimental table with the proportion of 1∶20 to conduct the related research. The experimental results show that under the original empty bucket state, the original ash and crude ash collection efficiency of the economizer hopper were 8.07% and 17.92% respectively; after the isolation and impact separation device being arranged on the ash bucket, ash bucket of ash and coarse dust collecting efficiency raised up to 22.75% and 66.19%, respectively. It is 181.91% and 269.36% that of the previous data, while the ash before and after the pressure loss increased by only 31 Pa. The efficiency of economizer of furnace ash collection after transformation is improved, which can provide some reference for pre plant dust transformation.

flue gas denitrification；selective catalytic reduction；fly ash particles；economizer hopper；impingement separator；pre-dusting

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2017.10.009

X773

A

1672-0792(2017)10-0050-06

2017-06-11。

鄧淮銘(1992-)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)槿济弘娬敬髿馕廴疚锱欧趴刂萍夹g(shù)，省煤器灰斗改造技術(shù)。