省煤器灰斗结构对飞灰颗粒捕集性能影响研究

张　千，刘　毅，许文良，杨　新，陈鸿伟

(1. 神华国华电力研究所有限公司， 北京100000；2. 华北电力大学 电站设备状态监测与控制教育部重点实验室，河北保定071003)



省煤器灰斗结构对飞灰颗粒捕集性能影响研究

张千1，刘毅1，许文良2，杨新2，陈鸿伟2

(1. 神华国华电力研究所有限公司， 北京100000；2. 华北电力大学 电站设备状态监测与控制教育部重点实验室，河北保定071003)

为探究省煤器灰斗结构对烟气飞灰颗粒捕集效率的影响，设计搭建冷态物理模型，比较研究2种不同跨度结构灰斗的流场分布和对飞灰颗粒(细灰颗粒和大颗粒)在不同位置下的捕集效率。试验结果表明，灰斗对细灰颗粒的捕集效率随流速的增大而增大，扩容灰斗可显著提高中间位置进料时细灰的捕集率；灰斗对大颗粒灰的捕集效率均随烟气流速的降低而有所提高，颗粒分别从左侧、中间和右侧进料时，灰斗的捕集效率呈现出先上升后下降的趋势。扩容灰斗由于内部流场相对均匀，流速较低，利于飞灰颗粒的分离，对细灰和大颗粒灰的捕集效率均好于常规灰斗。

省煤器灰斗；飞灰颗粒；捕集性能

0　引言

截至2015年底，我国火电装机容量为9.9亿kW，占发电装机总量的65.7%。较长的一段时间内，我国的电力供应仍将以燃煤发电为主。燃煤电厂是我国大气污染的重要污染源之一，67%的NOx来源于燃煤电厂[1]。选择性催化还原法(Selective Catalytic Reduction，SCR)是目前世界上公认的脱硝效率最高、最成熟的脱硝技术[2]。其中，催化剂作为该技术的核心[3]，在机组运行过程中，其使用寿命对SCR技术的脱硝效率和经济成本有着巨大的影响。我国SCR脱硝系统通常采用高尘布置，位于省煤器和空气预热器之间，该区域内烟气携带大量飞灰[4,5]。锅炉烟气飞灰中含有的“爆米花”灰，具有密度小、硬度较大、粒径多在6 mm以上等特点，在流动过程中不易被破碎成小颗粒，在进入催化剂通道时会对催化剂表面造成严重磨损甚至堵塞催化剂通道，造成催化剂使用寿命缩短和脱硝效率降低等问题，同时烟气中细灰也会粘附在催化剂表面，造成催化剂中毒等问题。因此，在烟气进入脱硝装置前将烟气中的对脱硝催化剂有严重影响的飞灰尽可能提前除去，将大大延长催化剂的使用寿命，提高脱硝装置运行的稳定性[6]。

目前燃煤电站省煤器出口使用的常规除尘灰斗因结构原因存在烟气转向范围较小缺点，不利于飞灰惯性沉降[7]；同时灰斗内部因流场分布不合理，易导致部分本已捕集到的飞灰再次被烟气携带出灰斗，难以保证灰斗的捕集效率[7]。为保证省煤器灰斗对各粒径区间飞灰的捕集效率，重点提高对“爆米花”灰的捕集效率，本文对不同结构形式的省煤器灰斗从流场、细灰和大颗粒灰3个方面进行相关实验研究，分析灰斗形式对各粒径区间飞灰颗粒的影响，以确定较优的灰斗布置形式。

1　试验装置及方法

1.1冷态试验装置

图1为本试验所采用的冷态试验装置简化结构示意图，主要的试验平台部件组成包括模拟省煤器竖直烟道及其出口的水平段烟道、常规/扩容省煤器灰斗、布袋除尘器、引风机等。试验台主体部分均选用有机玻璃制作而成。在水平段烟道末端用法兰与管径为400 mm的圆形风管连接，并依次经过布袋除尘器、引风机及其排风管道。

1.模拟省煤器竖直烟道；2.模拟省煤器灰斗；3.模拟水平段烟道；4.数字流量计；5.法兰；6.布袋除尘器；7.引风机图1　冷态试验台系统示意图

冷态试验装置中竖直段模拟烟道总长170 cm，进口截面的尺寸为53.0 cm × 12.3 cm，水平段模拟烟道总长为490 cm，横截面尺寸为28.2cm × 12.3 cm，模型拐角向内收口与壁面呈120°，灰斗两侧壁与水平方向的夹角均为60°。常规灰斗和扩容灰斗的结构如图2所示。

图2　常规/扩容灰斗结构图

1.2试验工况

本冷态试验装置模拟省煤器出口形状，主要研究两种不同规格的灰斗(即常规灰斗和扩容灰斗)在不同风速下的流场分布，以及在省煤器竖直烟道内不同位置下料的工况下下灰斗对不同粒径区间飞灰的捕集效率。其中风速包括：8 m/s、6 m/s、4 m/s；粒径区间包括：1.0～3.35 mm、3.35～6.7 mm、>6.7 mm(以上称为大颗粒灰)和75 μm～1.0 mm(记为细灰)；进料位置包括省煤器竖直烟道截面左侧、中间、右侧区域和全截面。试验灰样取自某电厂SCR催化剂层堵塞积灰，经粒径筛分后得到不同粒径区间的实验灰样。

1.3灰斗流场试验

在本冷态试验台下部安装常规灰斗后，保证整个试验台的严密性。开启风机，根据数字流量计显示计算所需风速，并由安装在风道上的阀门进行风量调整，使灰斗上方截面风速分别达到100%工况(8 m/s)、75%工况(6 m/s)、50%(4 m/s)工况。在试验台省煤器竖直烟道入口截面均匀向下放入泡沫颗粒，使泡沫颗粒均匀的充满于整个灰斗中。采用CamRecord 450高速摄像机对试验过程进行拍摄，捕捉塑料泡沫颗粒在灰斗中的运动轨迹及分布状况，分析常规灰斗下试验模型的流场。后更换为扩容灰斗，重复上述操作，拍摄扩容灰斗下试验模型的流场分布。

1.4冷态条件下灰斗捕集效率试验

1.4.1细灰灰斗捕集效率试验

在小型试验台下部加装常规灰斗，保证其密封性。

利用筛分机筛取由原煤仓取样称重的原灰，得到200目以上( >75 μm)的试验灰样，共计21.6 kg。

将试验灰样分别从试验进口处选取左、中、右3个位置，以不同颗粒浓度均匀下料，分析浓度对灰斗捕集细灰颗粒效率的影响。

控制试验灰样质量为2.0 kg、浓度为40 g/m3，分别在8 m/s、6 m/s、4 m/s 3种风速下，由风道入口处左侧均匀下料进行实验，实验结束后称取灰斗内捕集灰样的质量。

改变下料位置，选取风道入口处中、右侧位置，重复上述实验操作。

拆除常规灰斗，加装扩容灰斗，重复上述试验方法。

1.4.2大颗粒灰灰斗捕集效率试验

选取3个粒径区间的大颗粒灰(1.0～3.35 mm、3.35 mm～6.7 mm、> 6.7 mm)各50颗。在8 m/s、6 m/s、4 m/s的不同工况下，由风道入口处左侧依次进行单颗粒捕集概率试验，共计50次，实验结束后统计灰斗内大颗粒的数量。

改变下料位置，选取风道入口处中、右侧位置，重复上述实验操作。

拆除常规灰斗加装扩容灰斗，重复上述试验方法。

2　试验结果与分析

2.1灰斗流场试验结果

实验条件下对两种形式灰斗的流场使用高速摄像机进行拍摄，其流场分布图分别见图3和图4。

由图3和图4可看出，示踪泡沫颗粒在两种形式灰斗相同工况下由竖直烟道进入后，在省煤器出口灰斗处均因流场发生转向，导致流场不均，造成低速区的存在，但由于灰斗扩容后，造成流场相对均匀，且流速相对较小，故其低速区相对较大，便于飞灰颗粒的分离。

图3　常规灰斗中低速区位置分布图

图4　扩容灰斗中低速区位置分布图

2.2冷态条件下灰斗捕集效率试验结果

(1)常规灰斗

为分析细灰浓度对灰斗收集效率影响，本实验在8 m/s的风速条件下，在风道入口截面左侧、中间和右侧3个位置分别连续下料2.0 kg的细灰，控制下料时间分别为99.6 s和199 s，对应灰浓度分别为40 g/m3和20 g/m3，实验结果如表1所示。

表1　不同灰浓度对灰斗效率的影响

图5　不同风速不同位置进料常规灰斗细灰捕集效率

从表1中可以看出，在其他条件相同时，灰浓度的改变对灰斗的细灰捕集量并无显著的影响，故认为在本实验台工况下，灰浓度变化不会对灰斗的捕集效率有较明显的影响。据此，实验将均采用40 g/m3作为各试验工况下的灰浓度。

图5所示为不同风速下不同位置进料时常规灰斗对细灰的捕集效率。从图5中可以看出，常规灰斗对于细灰的捕集效率总体偏低，单一位置进料时捕集效率最大仅为25.7%，截面平均效率如图6所示，最大仅为9.72%。产生该现象原因是灰斗容积偏小，未能在烟气流经灰斗时提供足够的扩容，烟气流速仍然较高，导致其中细灰不能有效分离。另外，试验时也观察到落入灰斗中的细灰在垂直气流的冲击下会产生二次扬灰现象，使得已被捕集的细灰再次被气流携带而降低常规灰斗的捕集效率，这与文献[8]所得出的结论一致。

图6　常规灰斗细灰截面平均捕集效率

同时，由图5和图6可发现随风速增大，常规灰斗对细灰捕集效率逐渐提高的特点。造成该现象的原因是细灰因质量小，惯性小，在灰斗实现分离速度较小。飞灰在进入省煤器灰斗位置后，因出口位置流场出现转向从而实现飞灰的惯性分离。随着风速的增高，该流场的离心惯性增强，较多的细灰因惯性分离作用而被灰斗收集下来，故常规灰斗截面平均捕集效率随风速的增加而增加。

从图5还可看出，竖直烟道左侧进料时的灰斗捕集效率远远高于从中间进料和从右侧进料的效率，中间和右侧进料时常规灰斗的捕集效率较低。原因是细灰从竖直烟道左侧下落过程中撞击灰斗左侧斜板后速度降低，动能减小。从图3常规灰斗下的流场分布图亦可看出斜板上端属于低速区，容易产生积灰，部分积灰在自身重力的作用下沿灰斗左侧斜面下落，最终落入灰斗。从竖直烟道右侧位置进料的细灰虽然也会撞击在右侧斜板上并减速，但是在离开斜面时又被高速气流携带，同时紧靠常规灰斗的后部有一股上升气流，对细灰颗粒产生拖拽，使其不易从气流中分离出来，因此从右侧进料时常规灰斗的捕集效率较差。同理，从中间进料时，虽然捕集效率不高，但由于细灰颗粒没有经历从右侧进料时的减速过程，会有部分颗粒从气流中分离出来，落入灰斗中，因此捕集效率略高于从右侧进料时的捕集效率。

常规灰斗对于大颗粒灰的捕集效率呈现出与细灰不同的特点，如图7所示。

图7　不同风速下不同位置进料时常规灰斗对大颗粒灰的捕集效率

从图7(a)中可以看出，在8 m/s的风速下，常规灰斗在分别从左侧、中间和右侧进料时对同一粒径区间的灰颗粒捕集效率呈现出先上升后下降的趋势。从竖直烟道左侧位置进料时捕集效率偏低，仅为10%左右；从竖直烟道中间位置进料时捕集效率最高；从竖直烟道右侧位置进料时捕集效率高于左侧进料，但低于中间进料。原因是从烟道左侧位置放入的大颗粒灰在重力和气流携带双重作用下，撞击到灰斗左侧斜板上产生反弹，而常规灰斗偏小，导致大颗粒灰反弹后容易进入水平烟道，被烟气气流携带走，因而其捕集效率偏低。从中间位置进料时，飞灰颗粒不存在反弹过程，直接在惯性作用下从气流中分离出来，因此常规灰斗捕集效率最高；而从右侧位置进料时，由于右侧也存在斜板，灰颗粒可能因多次反弹折向，使得动能耗散严重而无法从灰斗中脱离，故灰斗捕集效率较高，但仍存在部分颗粒动能较大或停滞于气流高速区而直接随风携带的情况，因而灰斗捕集效率低于从中间位置进料。另外，粒径越大的灰颗粒所对应的灰斗捕集效率越高，这与实际工作情况相符。风速为6 m/s和4 m/s的情况与8 m/s时类似，见图7(b)～(c)。

比较图7(a)～(c)可以发现，风速减小时，常规灰斗对大颗粒灰的捕集效率有所提高。原因是大颗粒因其质量和惯性较大，其脱离流场速度大，当风速降低时，可较早进入脱离速度区域，故较多大颗粒被分离出来，收集效率提高。

(2)扩容灰斗

为研究不同形式的省煤器灰斗对飞灰颗粒捕集效率的影响，特提出扩容灰斗的设计方案并进行实验研究。

细灰捕集试验的试验结果如图8所示。

图8　不同风速不同位置进料扩容灰斗细灰捕集效率

扩容灰斗对细灰的捕集效率与常规灰斗类似均随风速增加逐步增大。但在各个位置的捕集效率较常规灰斗均有所提高，因为灰斗跨度变大实现扩容后，灰斗内流场速度较常规灰斗速度减小，飞灰颗粒便于分离，因此灰斗捕集效率增大。但与常规灰斗捕集效率呈现出的特点有所不同的是从中间位置进料时扩容灰斗的捕集效率最高，左侧次之，右侧最小，这是由于在灰斗扩容的同时，水平入口的流场分布均匀，且流场速度相对减小，由中间位置放入的飞灰颗粒由于重力作用，灰斗直接捕集的概率增加，故出现中间位置比左侧稍微偏高的现象。

图9　某一风速下常规/扩容灰斗对不同粒径区间灰颗粒的捕集效率

扩容灰斗对大颗粒灰的捕集效率较常规灰斗有所提高，这点从图9中可以看出。

另外，扩容灰斗对大颗粒灰的捕集效率所表现出来的特点与常规灰斗相似(如图5、10所示)，呈现出中间位置进料捕集效率最高，右边次之，左边较差的特点。

图10　6 m/s风速下不同位置进料时扩容灰斗对大颗粒灰的捕集效率

2.3两种灰斗的比较

扩容灰斗对飞灰颗粒的捕集作用明显强于常规灰斗，尤其是小粒径区间的效果更加明显。原因是灰斗扩容后，流场分布得到优化，相较常规灰斗，流速减小，系统压降减小，水平烟道入口拐角处的涡流作用减弱，这都增加灰斗对飞灰颗粒的捕集作用，且该作用对小粒径区间颗粒的捕集效果更加明显。

3　结论

本文通过搭建省煤器出口到SCR系统入口的冷态试验台，并在此试验台上加装常规灰斗和扩容灰斗，分别进行流场、细灰捕集和大颗粒捕集试验，比较分析试验数据得到如下结论：

(1)两种形式灰斗在相同工况时，在省煤器出口灰斗处均因流场发生转向，导致流场不均，存在低速区，但灰斗扩容会使得流场相对均匀，且流速相对较小，故其低速区相对较大，便于飞灰颗粒的分离。

(2)常规灰斗和扩容灰斗对细灰的捕集效率均随流速增大而有所提高，原因是细灰质量小，惯性小，分离时需要具备更大的离心力，随着风速的增高，流场的离心惯性越强，利于飞灰的分离；常规灰斗和扩容灰斗对大颗粒灰的捕集效率均随烟气流速的降低而升高，其原因是大颗粒因其质量和惯性较大，其脱离流场速度大，因此当风速降低时，较早进入脱离速度区域。

(3)由于扩容灰斗具有较均匀的内部流场，流速有所降低，这是形成这些现象的主要原因。由于风速降低，内部流场更加均匀，扩容灰斗对细灰和大颗粒灰的捕集效率均好于常规灰斗；常规灰斗在从左侧进料的情况下细灰捕集效率最高，而扩容灰斗则是从中间位置进料最高。

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[3]姜烨，张涌新，吴卫红，等. 用于选择性催化还原烟气脱硝的V2O5/TiO2催化剂钾中毒动力学研究[J]. 中国电机工程学报，2014，34(23)：3899-3906.

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[5]邓均慈，李德波. 某电厂SCR脱硝催化剂严重磨损原因分析[J]. 热能动力工程，2014，29(5)：580-585,602.

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The Study on Effect of the Economizer Ash Hopper Structure on Fly Ash Particle Capture Performance

ZHANG Qian1，LIU Yi1，XU Wenliang2，YANG Xin2，CHEN Hongwei2

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

To explore the influence of the economizer hoppers’ structures on the trapping efficiency of fly ash and flue gas particles, the cold state physical model is designed and built to make a comparative research on the flow field distribution of the two economizer hoppers with different span structures. Meanwhile, the trapping efficiency of fly ash particles (fine ash particles and large particles) under different positions is also analyzed. The experimental result shows that hoppers’ trapping efficiency of fine particles increases with the increasing of the flow rate, and the dialated hopper can significantly improve the efficiency when the fine ash particles are fed in the middle position; while the trapping efficiency of large particles increases as the flow rate decreases. The trapping efficiency arises first and then drops after the large ash particles are released from the left, middle and right sides. The dilated hopper performs better than the regular one in the fine and large ash particles collection, for its inner flow field is relatively uniform and the flow rate is relatively low, which is good for the separation of fly ash particles.

economizer hopper;ash particle;capture performance

2016-07-08。

张千(1975-)，男，工程师，主要研究方向为高效、清洁燃烧及环境污染控制，E-mail:zqamus@qq.com。

X701

ADOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2016.10.011