輸煤皮帶導(dǎo)料槽抑塵結(jié)構(gòu)優(yōu)化

周 陽，李少鋒

(1.國(guó)電鞍山熱電廠，遼寧 鞍山 114000；2.華能巢湖發(fā)電廠，安徽 巢湖 238000)

在火電機(jī)組各系統(tǒng)環(huán)保研究中，對(duì)鍋爐設(shè)備，脫硫脫硝等研究較多，對(duì)燃料系統(tǒng)關(guān)注較少，但在實(shí)際運(yùn)行中，多數(shù)電廠的燃料系統(tǒng)棧橋內(nèi)環(huán)境粉塵濃度較大，污染和設(shè)備腐蝕安全問題嚴(yán)重[1]。作為棧橋內(nèi)粉塵的主要來源，輸煤皮帶的導(dǎo)料槽出口在皮帶帶負(fù)荷運(yùn)行時(shí)向外排出大量氣體[2]，同時(shí)，在使用干霧抑塵的情況下，含煤氣體的濕度明顯提高[3]，煤塵顆粒在設(shè)備表面的附著力增加，同時(shí)酸性環(huán)境造成金屬設(shè)備的腐蝕大幅度增加[4]。在導(dǎo)料槽內(nèi)安裝一定數(shù)目的抑塵設(shè)備或者改造導(dǎo)料槽結(jié)構(gòu)，可以減少粉塵外溢。但如何優(yōu)化抑塵結(jié)構(gòu)和流場(chǎng)，使得效果得以提升，目前仍缺少相關(guān)研究。本文提出一種抑塵板布置方式，為相關(guān)企業(yè)在實(shí)際生產(chǎn)中的改造和優(yōu)化工作提供參考。

1 研究對(duì)象

某熱電廠輸煤皮帶導(dǎo)料槽結(jié)構(gòu)如圖1所示，導(dǎo)料槽下部為滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)輸煤皮帶上煤流表面，其截面形狀與上表面較為相似，其上下側(cè)面為平行布置的圓弧狀板半徑為600 mm，寬度為2000 mm，高度為500 mm，長(zhǎng)度為4000 mm，導(dǎo)料槽內(nèi)均勻布置7片抑塵板，分別為d1-d7。

圖1 導(dǎo)料槽結(jié)構(gòu)

兩相流顆粒運(yùn)動(dòng)效率較高，利用fluent軟件中的歐拉兩相流和k-e標(biāo)準(zhǔn)湍流模型[5]，算法為Simple，二階精度，溫度均為300 K。計(jì)算工況為入口速度1 m/s，氣相為空氣，顆粒相為煤粉顆粒，其密度為1051 kg/m3,粒徑設(shè)置為40 μm。為研究抑塵板布置對(duì)粉塵的抑制效果，設(shè)置無抑塵板、均勻布置和遞增布置3個(gè)方案，其抑塵板高度值如表1所示。

網(wǎng)格劃分采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，考慮計(jì)算效率，不同布置方式網(wǎng)格數(shù)目控制在50～60萬個(gè)。

表1 抑塵板高度值 mm

2 計(jì)算與分析

含塵氣流在無抑塵板的導(dǎo)料槽內(nèi)流動(dòng)時(shí)，流動(dòng)簡(jiǎn)單，受重力影響，顆粒逐漸靠底部沉淀。導(dǎo)料槽內(nèi)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)影響氣流中的顆粒運(yùn)動(dòng)方向，在無干擾的情況下，顆粒只依靠重力沉淀，其在流過導(dǎo)料槽之后，出口截面的顆粒體積分?jǐn)?shù)分布上下差異較小。這種情況下，由于顆粒大部分仍處于氣流中，在離開導(dǎo)料槽之后，其擴(kuò)散范圍較大，污染環(huán)境的程度也較高。

各方案出口截面顆粒體積分?jǐn)?shù)分布如圖2所示，在無抑塵板的情況下，截面內(nèi)的顆粒體積分?jǐn)?shù)分布基本均勻，只在底部和頂部發(fā)生改變，且發(fā)生改變的區(qū)域面積較小，主要是靠近頂、底面附近。使用了均勻布置的抑塵板和遞增式抑塵板方案，其出口顆粒主要分布在靠近底部的區(qū)域，上部分的顆粒體積分?jǐn)?shù)較低，而上部區(qū)域的氣流擴(kuò)散能力明顯大于底部區(qū)域，大量顆粒處于底部氣流中，且在實(shí)際運(yùn)行中，底部屬于煤流表面，其大體形狀為圓弧，但多屬于凹凸不平狀，對(duì)氣流的減速能力較強(qiáng)，有利于氣流中顆粒的沉降，導(dǎo)致在均勻布置和遞增式2個(gè)方案下的導(dǎo)料槽出口含塵氣流對(duì)棧橋內(nèi)空氣的污染程度明顯低于無抑塵板方案。

圖2 各方案出口截面顆粒體積分?jǐn)?shù)分布

抑塵板布置方式不同，導(dǎo)料槽內(nèi)的氣流運(yùn)動(dòng)也受較大影響，抑塵板均勻布置的導(dǎo)料槽內(nèi)顆粒體積分?jǐn)?shù)分布如圖3所示，在氣流運(yùn)動(dòng)軸線方向的截面上可明顯看出，氣流在流過抑塵板后除出口的d7抑塵板，其余均明顯產(chǎn)生渦流現(xiàn)象，由于渦流的存在，使得氣流中的顆粒被包裹，并蓄積在渦流中，隨著含塵氣流沿入口向前運(yùn)動(dòng)，在流入d1-d7抑塵板時(shí)，渦流內(nèi)蓄積的顆粒量逐漸增加，同時(shí)在氣流向前運(yùn)動(dòng)，能量逐漸損失后，d6抑塵板后的渦流尺寸明顯減小，對(duì)顆粒的包裹能力相對(duì)d1抑塵板后部的渦流明顯減弱。該方案下，設(shè)備投入運(yùn)行時(shí)，初始階段對(duì)于氣流中煤塵顆粒具有較好的收集作用和減少出口粉塵污染的能力，但其在運(yùn)行一段時(shí)間后，內(nèi)部渦流蓄積顆粒達(dá)到一定程度，顆粒在導(dǎo)料槽內(nèi)蓄積或沉降會(huì)大幅度減少。

圖3 均勻布置的導(dǎo)料槽中間截面顆粒體積分?jǐn)?shù)分布

采用遞增布置抑塵板的方式，導(dǎo)料槽內(nèi)的氣流運(yùn)動(dòng)區(qū)別于均勻布置，在抑塵板后旋渦明顯減少，其中間截面體積分?jǐn)?shù)分布如圖4所示。當(dāng)含塵氣流流入時(shí)，逐個(gè)流經(jīng)抑塵板區(qū)域，氣流被逐漸阻礙，沿底部運(yùn)動(dòng)，顆粒沉降可能性大幅度提高，同時(shí)在抑塵板高度逐漸增至d4后，才開始形成較明顯的渦流，且隨著渦流逐漸增加，對(duì)顆粒的包裹和蓄積能力沿流動(dòng)方向逐漸增加。但氣流中的顆粒大部分并未被渦流蓄積，而是沿底部向前運(yùn)動(dòng)，相對(duì)于均勻布置、遞增布置的方案下，在設(shè)備運(yùn)行較長(zhǎng)時(shí)間后才能使得導(dǎo)料槽內(nèi)渦流對(duì)于顆粒的包裹和蓄積能力達(dá)到頂點(diǎn)。同時(shí)，由于遞增布置下，大部分顆粒在導(dǎo)料槽內(nèi)逐漸沿底部運(yùn)動(dòng)，且遞增導(dǎo)致壓差變化較緩和，使得氣流在底部因?yàn)橥鹘孛鎸?dǎo)致的加速變小，顆粒在底部被重新包裹向上運(yùn)動(dòng)的可能性減小。

圖4 遞增布置的導(dǎo)料槽中間截面顆粒體積分?jǐn)?shù)分布

在沿導(dǎo)料槽向出口流動(dòng)過程中，以不同截面的平均顆粒體積分?jǐn)?shù)來判斷截面內(nèi)的顆粒總量變化如圖5所示。截取重力方向，在距離入口位置0.55～3.55 m范圍內(nèi)，每0.5 m有一個(gè)截面，其位置在設(shè)有抑塵板的方案中，截面位于抑塵板后方0.05 m處，可以判斷每塊抑塵板的效果。在顆粒向出口運(yùn)動(dòng)過程中，在無抑塵板的導(dǎo)料槽內(nèi)，沉降的速度較為均勻，且沉降緩慢。而在增加抑塵板后，其在d7之前的位置顆粒體積分?jǐn)?shù)未發(fā)生下降趨勢(shì)，其原因?yàn)橐謮m板或渦流對(duì)顆粒本身的富集作用，且遞增式的富集效果大于均勻布置的方案。

圖5 不同距離截面顆粒體積分?jǐn)?shù)變化

在面積相同的情況下，出口截面的顆粒量可以從出口截面的平均顆粒體積分?jǐn)?shù)來判斷，不同方案的出口截面顆粒體積分?jǐn)?shù)如表2所示。

表2 出口截面的平均顆粒體積分?jǐn)?shù) mg/m3

在相同入口條件下，無抑塵板方案的導(dǎo)料槽內(nèi)有33.3%的煤粉顆粒發(fā)生了沉降，增加抑塵板后，沉降的煤粉顆粒升至80%左右，抑塵效果提高了2.4倍，同時(shí)遞增布置的抑塵板其效果雖然低于均勻布置，但差異較小，考慮到長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，其綜合性能最佳。

3 結(jié)論

a.增加抑塵板后，出口顆粒量減少80%，截面大多數(shù)煤粉顆粒分布在底部，有利于顆粒沉降，減少污染。

b.采用均勻布置抑塵板的導(dǎo)料槽，由于渦流可以包裹或蓄積較多的顆粒量，但持續(xù)性較差。

c.采用遞增布置抑塵板的導(dǎo)料槽，內(nèi)部主要依靠氣流逐漸沿底部運(yùn)動(dòng)，使導(dǎo)料槽內(nèi)顆粒沉降，持續(xù)運(yùn)行抑塵效果較好。