鄧淮銘， 陳鴻偉， 趙 超， 劉嘯東， 張 千

(1.華北電力大學 能源動力與機械工程學院，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 能源動力與機械工程學院，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，參照國內某600 MW燃煤鍋爐形式，采用有機玻璃為主體搭建1∶20冷態(tài)實驗臺進行相關實驗研究。實驗結果表明：原始空灰斗狀態(tài)下，省煤器灰斗對原灰和粗灰的捕集效率分別為8.07%和17.92%；在灰斗內加裝隔倉和撞擊分離裝置后，灰斗對原灰和粗灰的捕集效率最高可達22.75%和66.19%，分別比改造前提高了181.91%和269.36%，而此時灰斗前后壓損僅增加了31 Pa。省煤器灰斗改造對爐內飛灰捕集效率有顯著提高，可對電廠預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； 預除塵

0 引言

選擇性催化還原(Selective Catalytic Reduction，SCR)脫硝技術，是目前應用最廣泛、脫硝效率最高的[1]一種脫硝技術。它具有運行穩(wěn)定、安全可靠等諸多優(yōu)點而成為當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]，從而導致SCR系統(tǒng)性能降低。

國內外對催化劑性能下降問題的原因進行了一系列的研究[5]。通過設置聲波/蒸汽吹灰器[6-7]、安裝導流板[8-9]、煙道擴容改造[10]和安裝大顆?；覕r截裝置等可在很大程度上增加SCR催化劑的使用壽命。省煤器灰斗能夠實現(xiàn)煙氣轉向和分離物料的功能，但往往對灰斗的改造容易被忽視。未經改造的灰斗，灰顆粒的捕集效率會隨著顆粒密度和尺寸的減少以及阻力的增大而降低[11]，還可能因為灰濃度過高或灰斗的灰量過大等原因而造成已進入灰斗的飛灰顆粒被二次攜帶[12]。

對預除塵進行改造需要同時滿足飛灰捕集效率和壓力損失兩方面因素[13-14]。目前，對省煤器灰斗上方減灰擋板和灰斗結構的改造尚無系統(tǒng)研究，而灰斗結構和減灰擋板的形式對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，在灰斗內部加裝角型撞擊分離器和隔倉等手段，研究灰斗結構改造對飛灰捕集性能的影響，從而找出一種較佳的結構形式。

1 實驗部分

1.1實驗裝置

灰顆粒捕集實驗模型是以國內某電廠600 MW燃煤鍋爐為原型，按照1∶20等比例縮放而成。為便于觀測實驗現(xiàn)象和實驗結果，實驗臺主體部分采用8 mm厚的有機玻璃板材以及部分PVC板制成。實驗系統(tǒng)與裝置主要包括實驗臺主體、布袋除塵器、引風機、DP100-111B數(shù)字微壓計、8411型電動振篩機、電子天平等。其中，實驗臺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.引風機及排風管道；9.壓力測點圖1 1∶20實驗系統(tǒng)

1.2翼型減灰擋板與灰斗形式

原始模型基礎上，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

對灰斗模塊進行處理，加裝隔倉與角型撞擊分離器。采用上排5個，下排4個錯列布置的方式。上排撞擊分離器長度為h1，下排撞擊分離器長度為h2，開口大小為l，隔倉上沿寬度取灰斗的1/8長度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構形式

1.3實驗條件

根據(jù)對國內某600 MW燃煤電廠調研發(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[9]第二自模區(qū)判定原則，實驗室條件下，省煤器模塊部位風速達到2.8 m/s時已經進入自模化區(qū)，此時歐拉準則數(shù)不再與雷諾數(shù)有關而保持一個定值。進入第二自模區(qū)后，慣性力是決定性因素，粘性力的影響可以忽略不計，即速度對流場的影響不大。實驗室條件下取風速為3.5 m/s，從實驗臺左側下料口均勻下料，下料速度為0.028 kg/s，以保證省煤器模塊灰粒密度與實際情況一致。實驗所用灰樣是從國內某電廠原灰?guī)焖〉玫脑?，粒徑篩分結果表明，原灰中粗灰(粒徑>88 μm)比例為20.61%。

1.4實驗方法

1.4.1 原模型流場與灰顆粒捕集實驗

原模型在冷態(tài)試驗臺下進行實驗，開啟風機，調節(jié)風量閥門，保證省煤器模塊風速穩(wěn)定在3.5 m/s，用數(shù)字微壓計測量省煤器灰斗前后2個測點的壓力并記錄。從左側下料口位置放入一定量的示蹤泡沫顆粒，并同時用高速攝像機捕捉示蹤泡沫在灰斗與上方折角部位運動軌跡。由于示蹤泡沫可以很好地隨氣流運動，由此可客觀反映出模型內氣流走向。

用電子天平稱取2 kg原灰，從下料口均勻下料，控制下料時間為71 s，保證省煤器模塊灰粒密度。下料完畢后關停引風機，收集灰斗處捕集的灰顆粒，并用電子天平稱取重量。重復2次實驗以保證實驗結果的正確性。

1.4.2 原模型加入翼型減灰擋板與改進灰斗實驗

在省煤器灰斗上方折角處加入翼型減灰擋板，調節(jié)風速，記錄壓力，重復(1)中的灰顆粒捕集實驗。

翼型擋板基礎上對省煤器灰斗進行改造。按照圖3的形式設計加工灰斗，工況1設計為h1=4.5 cm，h2=4 cm，l=4 cm，θ=0°。按照(1)中方法進行灰顆粒捕集實驗。調整h1、h2、l、θ的大小，重復上述實驗，實驗工況如表1所示。

2 實驗結果與分析

2.1實驗參數(shù)

(1)下料速度

實驗室條件下，省煤器模塊設計速度為u0=3.5 m/s，折合下料口流速：

表1 灰斗改造實驗工況

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價撞擊分離器性能好壞的另一個重要指標，它表示的是含塵氣流流經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點處的全壓，Pa。

2.2原灰斗實驗結果與分析

實驗工況下對原模型流場進行拍照記錄，如圖4所示。

圖4 原模型流場分布圖

通過圖4可清楚看出實驗模型內部示蹤泡沫的流動軌跡。左側下料口處均勻下料，經豎直煙道2次轉向后，大部分示蹤泡沫都集中在省煤器模塊的右側壁面。從煙道右側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進入灰斗。而從煙道左側和中間落下的顆粒，大部分會先通過省煤器灰斗，而后又被氣流攜帶離開灰斗，只有極少量的泡沫顆粒會留在灰斗內部被捕集。原模型實驗結果如表2所示。

表2 原模型灰顆粒捕集實驗

由表2可知，原模型灰斗前后靜壓差僅77 Pa，但此時灰斗對飛灰捕集能力有限，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驗結果與分析

翼型擋板結構形式會令流經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，比原模型實驗僅提高了12 Pa。灰顆粒捕集實驗與原模型比較結果如圖5所示。

圖5 翼型擋板與原模型對比實驗

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

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

2.4新型省煤器灰斗改造實驗結果與分析

經過翼型擋板匯聚的攜灰氣流從左側進入灰斗，在流出灰斗時與安裝在灰斗右側的撞擊分離器發(fā)生碰撞，一部分氣流被導入到半封閉式的隔倉內而被收集下來；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，灰顆粒得到進一步減速，被導入隔倉或落入灰斗；較難捕集的細灰顆粒繼續(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，氣流經過第一層撞擊分離器后進入隔倉，在隔倉后壁面發(fā)生碰撞后與第二層隔倉開口進入的氣流匯聚，在上下兩層撞擊分離器處分別形成了2個回流區(qū)。流區(qū)速度較低，灰顆粒運動時間較長，這更有利于氣固分離。由于隔倉處于半封閉狀態(tài)，當氣流攜帶灰顆粒進入隔倉后，飛灰移動速度迅速降低，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。

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

圖7 加裝撞擊分離器和隔倉實驗

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。可見對于h1=4.5 cm、h2=4 cm情況來說，由于撞擊分離器長度過長，伸入灰斗距離較遠，造成壓降相對較大。將撞擊分離器長度縮短后，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，且變化幅度在105～120 Pa之間，無明顯差異?？梢姡惭b撞擊分離器能夠引起的壓降是有限的。

圖7(b)和(d)表明，隨著撞擊分離器長度逐漸縮短，灰斗對原灰的捕集效率有逐步提升的趨勢，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%，此時靜壓差為108 Pa。由圖6看出，當撞擊分離器角度為30°時，其迎風面(即有效撞擊面積)是最大的，因此30°時灰斗對原灰的捕集效率普遍要高于其他2個角度。圖7(b)還表明，對于較長的撞擊分離器(工況1、2、3)，灰斗對原灰顆粒的捕集效果并不理想。這是由于此時撞擊分離器伸入灰斗長度過長，甚至已經越過了灰斗中心，這對含塵氣流在灰斗內繞流的發(fā)生有一定影響。較短的撞擊分離器不對氣流入口流場產生影響，而在含塵氣流流出灰斗時對其進行有效碰撞和分離，因此最短的撞擊分離器分離效果相對較好。

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

對比2種較好工況5′和9′的捕集效率和引起的靜壓差，對于工況5′長度和角度下的撞擊分離器，隔倉開口大小l對其有較大影響，呈現(xiàn)出不穩(wěn)定性?？梢?，這個長度和角度的撞擊分離器并不是十分理想。而工況9′長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，此時隔倉的開口大小對灰顆粒的捕集效果影響不大，呈現(xiàn)出很好的穩(wěn)定性。且此時撞擊分離器更短，應用于實際工程會節(jié)約大量的成本。

3 結論

(1)原模型灰斗對飛灰捕集效率很低，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飛灰的捕集效率有明顯提升，當撞擊分離器h1=3.5 cm，h2=3 cm，l=6 cm，θ=30°(工況9′)時達到較理想的捕集性能，此時灰斗引起壓降為108 Pa，灰斗對原灰和粗灰的捕集效率分別達到了22.75%和66.19%。

(3)較短的撞擊分離器可在不影響灰斗進入氣流場的情況下，最大限度地對煙氣流場流出灰斗時對其進行阻礙和碰撞分離。在此基礎上提出，對灰斗擴容可在一定程度上降低灰斗內煙氣流場的速度，可提高對灰顆粒的捕集效率，提升灰斗預除塵效果。

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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，主要研究方向為燃煤電站大氣污染物排放控制技術，省煤器灰斗改造技術。