省煤器出口流場優化及灰斗預除塵試驗研究

趙 超， 陳鴻偉， 鄧淮銘， 王廣濤， 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(北京)電力研究院有限公司，北京 100025)

目前，煤電用煤炭的消耗占比達到78%[1]。燃煤電廠運行時，所用煤種參差不齊，大部分燃煤電廠會燃燒劣質煤種[2]。由于煤的自身特性，如含灰分、不完全燃燒[3]等，導致煤粉燃燒后產生大量的固體飛灰顆粒，使得電廠必須安裝除塵設備，從而提高了運行成本。由于顆粒物的存在，導致處理煙氣中的SOx、NOx時有很多問題和困難[4]，如煙氣中飛灰顆粒濃度過高會加重選擇性催化還原脫硝催化劑(簡稱SCR催化劑)的磨損和堵塞，從而縮短SCR催化劑的壽命[5-7]。鄧靜杰[8]對電廠除塵器處的飛灰進行了粒徑篩分，利用不同粒徑區間的飛灰顆粒對SCR蜂窩式催化劑進行沖蝕試驗，發現當飛灰顆粒粒徑大于88 μm時才會造成明顯的磨損，且隨著飛灰顆粒粒徑的增大，磨損效果越來越明顯。燃燒后產生的飛灰顆粒也在一定程度上加重了空氣預熱器的磨損，增加了除塵設備的負擔，提升了電廠的運行成本等[9]。因此，為減輕飛灰顆粒對設備的危害，對煙氣進行預除塵顯得非常重要。為了在滿足電廠正常運行的前提下盡可能地減小煙氣中飛灰顆粒的質量濃度，避免壓降的大幅度增大和煙氣溫度的降低，可在省煤器灰斗處進行簡單的設備改造來實現預除塵。

省煤器灰斗是燃煤電廠機組中容易被忽視的部件[10]，其位置處于SCR催化劑反應器前(或空氣預熱器前)。雖然省煤器灰斗結構簡單，但作用非常重要，可實現煙氣的90°轉向以及分配煙氣的功能，對后續SCR催化劑層的工作狀態有很大影響，主要包括煙氣的分配、飛灰的堆積和飛灰對設備的磨損等[11]，并且低溫段的省煤器灰斗可以分擔除塵設備的部分壓力。因此，有必要在燃煤鍋爐中安裝低溫段預除塵設備，且省煤器灰斗正好處在低溫位置，其較大的空間為安裝預除塵裝置提供了條件，所以省煤器灰斗部位成為較為理想的改造空間。

1 試驗臺及試驗參數的確定

1.1 1∶20冷態試驗臺的搭建

如圖1所示，試驗臺主體包括省煤器模塊、除塵器和風機等。

1—豎直煙道(包括空氣進口和飛灰進口)；2—省煤器模塊；3—灰斗模塊；4—噴氨煙道；5—SCR脫硝系統模塊； 6—連接彎頭；7—布袋除塵器；8—引風機及排風管道

圖1 冷態1∶20省煤器

Fig.1 1∶20 cold model test rig of the economizer

1.2 相似準則

由于電廠省煤器模型較大，國內外研究表明可以在冷態等比例縮小的模型上研究其速度和壓力分布[12-14]，其結果與實際熱態情況相似。本試驗根據實際省煤器模型等比例縮小20倍，滿足幾何相似；流動相似依據雷諾準則，當流體雷諾數Re大于某定值(一般為105)后，歐拉數Eu不再與Re相關，而是保持為定值[15]，此時流體進入第二自?；瘏^。黏性力的影響可以忽略不計，慣性力起決定性作用，當Re繼續增大時，模型內的紊流狀態和速度場分布基本不再變化，沿程損失能量系數也不變，此時等比例縮小模型的流動狀態與原模型基本相似[16]。

因此，只要保證模型內部流場進入第二自?；瘏^，即可保證與原模型的運動相似，1∶20模型進入第二自?；瘏^的速度u為：

(1)

式中：Re為試驗模型進入第二自?；瘏^的臨界值105；l為水力半徑，等比例縮小20倍的水力半徑為0.557 m；v為運動黏度，常溫下運動黏度為1.506×10-5m2/s。

根據式(1)求得進入第二自?；瘏^最低的氣流速度u為2.7 m/s。為保證試驗條件下流場的Re大于第二自?；瘏^臨界值，從而保證流動相似，試驗條件下省煤器灰斗正上方的空氣速度設為3.2 m/s，誤差保持在±0.1 m/s，此時Re為1.2×105，表明已進入第二自?；瘏^，可以保證等比例縮小模型與熱態實際模型的流動相似。

1.3 飛灰質量濃度的確定

根據發電廠提供的數據，省煤器段飛灰質量濃度ρ約為40 g/m3。根據模型中省煤器模塊的風速(u=3.2 m/s)和省煤器截面積S(0.3 m2)得到單位時間飛灰顆粒體積流量qV，可計算出縮小模型單位時間內所需的下灰質量流量qm，灰：

(2)

由式(2)計算得出試驗所需的下灰質量流量為41.7×10-3kg/s。

1.4 灰樣的粒徑分布

如表1所示，粒徑大于88 μm的飛灰顆粒(記作粗灰)在樣品中質量分數為20.6%，雖然占比較小，但對設備的危害極大，所以粗灰的捕集效率可以作為評估試驗改造捕集性能的重要參考。

表1 飛灰顆粒粒徑的篩分結果

2 試驗部分

2.1 針對省煤器折角導流板流場的優化

2.1.1 試驗目的

省煤器折角主要起導流作用，使煙氣在90°轉向時運動軌跡后置。但在實際情況中折角導流板的導流作用不明顯，大部分飛灰顆粒沒有被導進灰斗，因此對折角導流板進行優化很有必要。

2.1.2 試驗方案

針對折角導流板導流效果不佳的情況，筆者給出了9種試驗方案，其中包括延長折角導流板長度和改變折角導流板形狀(翼型折角導流板)，如圖2所示。原折角導流板的垂直迎風面為16 cm，因此設計的2種折角導流板每次延伸的垂直迎風面長度為原折角導流板的四分之一，每種延伸4次，方案1為改造前的原始模型。試驗方案如表2所示。

圖2 方案4平板折角導流板與方案8翼型折角導流板的示意圖

方案編號平板式翼型式123456789延伸部分的垂直投影長度/cm0481216481216

2.1.3 試驗儀器及材料

試驗儀器和材料包括飛灰樣品、塑料泡沫(用以觀察省煤器流場)、熱線風速儀、數字微壓計和高速攝像機等。

2.1.4 試驗步驟

試驗步驟分別為：

(1)開啟風機，將熱線風速儀探頭插入省煤器中部測點，調整風道閥門，使風速達到試驗要求(3.2 m/s)。

(2)將塑料泡沫均勻地倒入下料口，使塑料泡沫盡可能充滿整個省煤器模塊，利用高速攝像機拍攝泡沫的運動軌跡，并記錄煙道出口泡沫的上揚角度。

(3)打開下料機，按照設定的質量濃度下料，將下料時間設為1 min。

(4)收集省煤器灰斗捕集的飛灰顆粒。

(5)分別將在3個灰斗收集到的灰進行稱重，然后用88 μm的篩網進行篩分，稱取粗灰質量，記錄數據。

(6)每個方案進行3次試驗，求平均值以減小試驗誤差。

2.2 評判折角導流板優劣的因素

2.2.1 壓降

壓降的大小是評判折角導流板性能的重要因素之一，可表示煙氣通過折角導流板前后的能量損失。此處壓降為省煤器正上方測點和水平煙道出口測點的全壓降：

Δp=pi-p0+pH+pv

(3)

其中，

pH=(ρ0-ρg)gH

式中：pi為省煤器中部測點的全壓，Pa；p0為省煤器水平煙道出口測點的全壓，Pa；pv為省煤器中部測點和水平煙道測點的動壓差，前后兩測點的速度沒有明顯變化時可忽略，Pa；H為兩測點的高度差，m；ρ0為常溫下的大氣密度，kg/m3；ρg為模型內氣體的密度，kg/m3。

2.2.2 預除塵率

預除塵率是指當煙氣通過省煤器時，灰斗捕集的固體顆粒占進入省煤器固體顆粒的質量分數。筆者主要研究省煤器灰斗對原灰和原灰中粗灰的捕集效率，其計算公式如下：

(4)

(5)

式中：η0為原灰的捕集效率，%；ηc為粗灰的捕集效率，%；mj為進入省煤器的飛灰顆粒的質量，kg；ms為省煤器灰斗捕集到的飛灰顆粒的質量，kg；mc為省煤器捕集到的飛灰顆粒中粗灰的質量，kg。

2.2.3 煙氣對省煤器煙道出口的沖擊角度

煙氣中的飛灰顆粒在省煤器灰斗中實現90°轉向后，一部分飛灰顆粒被捕集，另一部分逃離灰斗，進入省煤器出口的水平煙道。逃離的飛灰顆粒對水平煙道上壁面有一定的沖擊角度，并對后續流場有一定擾動，所以煙氣流線與水平夾角的大小是評判流場優劣的重要標準。在省煤器模塊中加入水平坐標可標記煙氣的上揚角度，如圖3所示。試驗以塑料泡沫作為標記，模擬出飛灰顆粒的流動軌跡，根據高速攝像機拍攝的視頻結合坐標軸可計算出飛灰顆粒的上揚角度。

圖3 標記煙氣上揚角度坐標

2.3 折角導流板的試驗結果與分析

2.3.1 折角導流板造成的壓降對比

由圖4可以看出，隨著延伸長度的增加，壓降隨之增大；僅延長平板折角導流板長度時壓降較大，其值約為在相同延伸長度下翼型折角導流板造成的壓降的2倍；翼型折角導流板具有壓降小的優點，其壓降與改造前的壓降較為接近。

圖4 折角導流板的壓降對比

2.3.2 折角導流板對灰斗捕集效率的影響

圖5給出了在9種方案下左、中、右單個灰斗原灰的捕集效率，發現左側捕集效率最高、中間次之、右側最小。

形成“左高右低”的原因是省煤器煙氣出口水平煙道段向右側擴張，如圖2所示，右側灰斗對應的水平煙氣出口右側空間加大，與左側和中間灰斗相比，其阻力較小，所以流經右側灰斗的飛灰顆粒速度較大，動能較大，即使進入灰斗低速區，仍可以逃離出來。

圖5 單個灰斗原灰捕集效率

圖6給出了在9種方案下原灰和粗灰的總捕集效率。由圖6可以看出，隨著延伸長度的增加，灰斗的捕集效率提高，但增加到一定長度后，捕集效率小幅度降低，從而發現2種方式的折角導流板存在一個最優延伸長度。由圖6還可以看出，方案8為最優改造方案，其對于原灰的捕集效率提高了8.62%，對于粗灰的捕集效率提高了23.42%。延伸長度過長，捕集效率反而降低，這是由于延伸長度達到一定值后煙氣流通面積減小過大，壓降急劇增大，飛灰顆粒的速度明顯增大，即使更多的飛灰顆粒被導入灰斗，也還能逃離出來。

圖6 原灰與粗灰的捕集效率

對比2種折角導流板可以看出，折角導流板的延伸長度相同時，翼型折角導流板更有助于提高捕集效率(尤其是對于粗灰)。這是因為翼型折角導流板的垂直投影面積是相同延伸長度的平板折角導流板的一半。一方面，相對于平板折角導流板，翼型折角導流板減小了阻力；另一方面，翼型折角導流板每個凹角對應一個灰斗，從凹角正上方垂直落下的飛灰顆粒利用慣性可直接落入灰斗，延伸的翼型可以使煙氣中的飛灰顆粒轉角后置，經過灰斗實現90°轉向的飛灰顆粒增多，從而提高了灰斗對飛灰顆粒的捕集效率。翼型折角導流板具有平板折角導流板的導流作用，且造成的壓降更小，所以翼型折角導流板是較為理想的折角導流板改造方式。

2.3.3 飛灰進入省煤器后的水平仰角

由圖7可以看出，改造后的上揚角度隨折角導流板延伸長度的增加而增大。對比2種形式的折角導流板，在相同延伸長度下翼型折角導流板造成的上揚角度較小。

圖7 折角導流板的上揚角度

優化折角導流板后，煙氣中的飛灰顆粒轉向后置，從而提高了灰斗的捕集效率，而經過灰斗但沒有被捕集的飛灰顆粒轉角后進入水平煙道，上揚角度明顯增大，對后續流場的影響較大。造成上揚角度增大的主要原因是阻力增大，顆粒軌跡繞延伸出來的折角導流板呈“U”形。相對于平板折角導流板，相同長度的翼型折角導流板造成的壓降較小，這是因為大部分沒有經過灰斗轉向的飛灰顆粒在翼型折角導流板凹角內直接轉向并水平飛走，水平流動的飛灰顆粒沖擊經過灰斗實現轉向的上揚顆粒，有抑制上揚角度的效果，但不能完全消除，并且隨著延伸長度的增加，這種抑制效果明顯減弱。

2.3.4 折角導流板的選擇

通過對比壓降、原灰捕集效率、粗灰捕集效率和上揚角度，發現方案8最理想。方案8造成的壓降較小，僅比原灰斗增大18 Pa，相比于平板折角導流板的壓降，幾乎可以忽略。方案8對原灰和粗灰的捕集效率比原模型提高2倍多。相對于平板折角導流板，翼型折角導流板的上揚角度也較小，所以選擇方案8的翼型折角導流板改造方案。

2.4 整流板的試驗與結果分析

通過試驗得出，方案8的折角導流板可實現較優的導流效果，但煙氣轉向后存在一定的上揚角度，針對這一現象，筆者提出在水平煙道前加裝整流板，使煙氣進入水平煙道后上揚角度減小，且水平煙道流場不均的現象也可減少。

2.4.1 試驗安排及試驗步驟

整流板的安裝試驗安排如圖8所示，對3個位置的整流效果進行對比，整流板位置的3個角度分別為30°、45°和60°。通過9組試驗選擇出最佳的安裝位置和安裝角度。

圖8 整流板位置選擇

2.4.2 整流板試驗結果與分析

整流板的試驗結果如表3所示。由表3可以看出，不同位置的整流板角度越小，壓降越小。這是因為角度越小，整流板水平投影面積占水平煙道截面積的比例越小，煙氣流通的阻力越小，能量的損耗也越少。由此可知，整流板30°為最優角度。試驗最優方案如圖9所示。

表3 整流板的試驗結果

對比3個位置處角度為30°的原灰和粗灰捕集效率可知，當選擇位置1時，原灰與粗灰的捕集效率最優，與相同情況下不加整流板的方案8相比，原灰的捕集效率提高了2.09%，粗灰的捕集效率提高了10.23%。這說明整流板加裝到位置1(水平煙道進口)，雖然有一定的壓降，但可以提高灰斗捕集效率。這是因為當煙氣中的飛灰顆粒進入灰斗，一部分飛灰顆粒到達灰斗的低速區并停留下來，但大部分飛灰顆粒不經過灰斗低速區，或由于飛灰顆粒的速度大、動能大，即使經過灰斗低速區，仍可逃離灰斗。當在位置1加裝整流板后，灰斗出口有一定的阻力，即將逃離灰斗的飛灰顆粒會再次減速，提高灰斗的捕集效率。

圖9 試驗最優改造方案

3個位置的整流板整流效果不同，位置2和位置3的整流板在灰斗正上方，原本煙氣軌跡是繞折角導流板呈“U”形，當整流板安裝到位置2或位置3時，煙氣軌跡開始繞整流板呈現“U”形。這是因為位置1和位置2在灰斗正上方，整流板前后空間變化不大，加裝整流板位置處的阻力變大，煙氣不通過整流板間的通道流動，而是繞過整流板流動，反而使煙氣中飛灰顆粒的上揚角度增大。

位置1整流板為30°時整流效果較優，煙氣進入水平煙道基本呈水平運動。這是由于位置1在水平煙道進口，整流板前后空間發生變化，整流板后的空間減小，阻力增大，迫使煙氣經過整流板間的通道流動，使得經過整流板間流動的煙氣得到整流，煙氣進入水平煙道后上揚角度明顯減小，基本呈水平流動。

綜上所述，位置1整流板30°時整流效果最優，造成的壓降最小，并且能進一步提高灰斗的捕集效率。

3 結 論

(1)翼型折角導流板可以有效地使煙氣轉向置后，且壓降較小，可明顯提高灰斗的捕集效率，尤其對粗灰顆粒的捕集效率有明顯提高，從而有效地降低了對后續設備的磨損。

(2)煙氣轉向后存在明顯上揚，對后續流場造成擾動。在省煤器出口水平煙道前加裝30°的平行整流板，可明顯減小煙氣的上揚角度，從而達到均流的效果，并且可以提高灰斗的捕集效率。

(3)方案8的翼型折角導流板和位置1整流板30°為最佳組合方式，飛灰捕集效率最高，其中原灰的捕集效率達到19.26%，粗灰的捕集效率達到54.09%，與原模型相比，捕集效率提高了2倍多，且壓降的增大幅度較小，也有效地避免了水平煙道內顆粒運動軌跡上揚的現象，進而有效減少了流場的擾動。

(4)預除塵的效果明顯，但減少飛灰可能導致煙氣溫度降低。因此，較高的飛灰捕集效率方案未必是最經濟的結果，應進一步考慮預除塵帶來煙氣溫度下降的問題。

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