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        空氣預(yù)熱器硫酸氫銨積灰特性實(shí)驗(yàn)研究

        2022-11-19 01:48:44單鑫晨雷健康趙伶玲
        發(fā)電設(shè)備 2022年6期
        關(guān)鍵詞:預(yù)器積灰飛灰

        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(wèn)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(huì)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(lèi)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(xiàn)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(huì)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(tái),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(jiǎn)稱(chēng)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(duì)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(cè)和現(xiàn)場(chǎng)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(tái)(見(jiàn)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(jiàn)圖3)表面沉積,其中含有ABS的飛灰會(huì)黏結(jié)在蓄熱板表面。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,對(duì)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?zhuān)?—球閥;3—注灰器;4—蓄熱板段;5—測(cè)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(tái)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?zhuān)瑴囟群惋L(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?xún)?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(cè)溫計(jì)。實(shí)驗(yàn)采用了快速測(cè)溫計(jì),搭載高精度熱敏傳感器,測(cè)溫精度為0.1 K,測(cè)溫范圍為-50~300 ℃。

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

        1.2 飛灰特性分析

        對(duì)采集的飛灰分別進(jìn)行了X射線(xiàn)熒光光譜分析(XRF)和粒徑分布測(cè)試,以進(jìn)一步探究所采集飛灰的特性,結(jié)果見(jiàn)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(huì)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(cè)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(guò)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(duì)應(yīng)飛灰顆粒粒徑為100 μm)、200目(對(duì)應(yīng)飛灰顆粒粒徑為76 μm)、300目(對(duì)應(yīng)飛灰顆粒粒徑為54 μm)、500目(對(duì)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(cè)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(guò)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(duì)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(kāi)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(jiàn)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?chē)娘w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(xiàn)見(jiàn)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(wú)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?chē)娘w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(xiàn)

        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(xiàn)見(jiàn)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(shuō)明流速對(duì)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(xiàn)

        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(zhǎng)率均增大,A板ABS黏附率的增長(zhǎng)率由2.7%增長(zhǎng)到12.2%,B板ABS黏附率的增長(zhǎng)率由7.3%增長(zhǎng)到11.3%,B板ABS黏附率的增長(zhǎng)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(zhǎng)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(wú)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?。划?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(xiàn)見(jiàn)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(huì)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(shuō)明積灰強(qiáng)度會(huì)影響ABS黏附率的變化,積灰強(qiáng)度越大,ABS黏附率也會(huì)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(xiàn)

        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(xiàn)見(jiàn)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(xiàn)

        此外,對(duì)不同溫度下蓄熱板表面飛灰顆粒進(jìn)行了粒徑分布測(cè)試,結(jié)果見(jiàn)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(shuō)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(yǔ)

        通過(guò)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(zhǎng)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。

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