省煤器灰斗加撞击分离装置预除尘性能研究

邓淮铭， 陈鸿伟， 赵 超， 刘啸东， 张 千

(1.华北电力大学 能源动力与机械工程学院，河北 保定 071003；2.神华国华电力研究所有限公司，北京 100000)

省煤器灰斗加撞击分离装置预除尘性能研究

邓淮铭1， 陈鸿伟1， 赵 超1， 刘啸东1， 张 千2

(1.华北电力大学 能源动力与机械工程学院，河北 保定 071003；2.神华国华电力研究所有限公司，北京 100000)

为提高省煤器灰斗对飞灰颗粒的捕集效率，减轻选择性催化还原(SCR)脱硝系统催化剂磨损和堵塞现象的发生，参照国内某600 MW燃煤锅炉形式，采用有机玻璃为主体搭建1∶20冷态实验台进行相关实验研究。实验结果表明：原始空灰斗状态下，省煤器灰斗对原灰和粗灰的捕集效率分别为8.07%和17.92%；在灰斗内加装隔仓和撞击分离装置后，灰斗对原灰和粗灰的捕集效率最高可达22.75%和66.19%，分别比改造前提高了181.91%和269.36%，而此时灰斗前后压损仅增加了31 Pa。省煤器灰斗改造对炉内飞灰捕集效率有显著提高，可对电厂预除尘改造提供一定的参考。

烟气脱硝； 选择性催化还原； 飞灰颗粒； 省煤器灰斗； 撞击分离器； 预除尘

0 引言

选择性催化还原(Selective Catalytic Reduction，SCR)脱硝技术，是目前应用最广泛、脱硝效率最高的[1]一种脱硝技术。它具有运行稳定、安全可靠等诸多优点而成为当今电站锅炉的主要脱销手段[2]。脱硝催化剂是SCR系统的核心部件，约占SCR系统总投资金额的40%以上[3]，目前普遍运用的SCR系统高尘布置方式很容易出现催化剂磨损、堵塞和中毒等现象的发生[4]，从而导致SCR系统性能降低。

国内外对催化剂性能下降问题的原因进行了一系列的研究[5]。通过设置声波/蒸汽吹灰器[6-7]、安装导流板[8-9]、烟道扩容改造[10]和安装大颗粒灰拦截装置等可在很大程度上增加SCR催化剂的使用寿命。省煤器灰斗能够实现烟气转向和分离物料的功能，但往往对灰斗的改造容易被忽视。未经改造的灰斗，灰颗粒的捕集效率会随着颗粒密度和尺寸的减少以及阻力的增大而降低[11]，还可能因为灰浓度过高或灰斗的灰量过大等原因而造成已进入灰斗的飞灰颗粒被二次携带[12]。

对预除尘进行改造需要同时满足飞灰捕集效率和压力损失两方面因素[13-14]。目前，对省煤器灰斗上方减灰挡板和灰斗结构的改造尚无系统研究，而灰斗结构和减灰挡板的形式对飞灰捕集能力有很大影响。本文通过在省煤器灰斗上方加装翼型减灰挡板，在灰斗内部加装角型撞击分离器和隔仓等手段，研究灰斗结构改造对飞灰捕集性能的影响，从而找出一种较佳的结构形式。

1 实验部分

1.1实验装置

灰颗粒捕集实验模型是以国内某电厂600 MW燃煤锅炉为原型，按照1∶20等比例缩放而成。为便于观测实验现象和实验结果，实验台主体部分采用8 mm厚的有机玻璃板材以及部分PVC板制成。实验系统与装置主要包括实验台主体、布袋除尘器、引风机、DP100-111B数字微压计、8411型电动振筛机、电子天平等。其中，实验台主体部分包括竖直烟道模块、省煤器模块、省煤器灰斗模块和SCR脱硝系统模块等，如图1所示。

1.竖直烟道；2.省煤器模块；3.灰斗模块；4.连接通道；5.SCR脱硝系统模块；6.连接弯头；7.布袋除尘器；8.引风机及排风管道；9.压力测点图1 1∶20实验系统

1.2翼型减灰挡板与灰斗形式

原始模型基础上，在省煤器灰斗上方折角处新增翼型减灰挡板[15]，使烟气流场汇聚在灰斗中心，如图2所示。

图2 翼型挡板形式与安装位置

对灰斗模块进行处理，加装隔仓与角型撞击分离器。采用上排5个，下排4个错列布置的方式。上排撞击分离器长度为h1，下排撞击分离器长度为h2，开口大小为l，隔仓上沿宽度取灰斗的1/8长度3.2 cm，隔仓下方留1 cm宽物料流通口，撞击分离器仰角为θ，如图3所示。

图3 隔仓与撞击分离器结构形式

1.3实验条件

根据对国内某600 MW燃煤电厂调研发现，该电厂省煤器模块处气流速度约为4.5 m/s，省煤器模块灰粒密度40 g/m3。根据文献[9]第二自模区判定原则，实验室条件下，省煤器模块部位风速达到2.8 m/s时已经进入自模化区，此时欧拉准则数不再与雷诺数有关而保持一个定值。进入第二自模区后，惯性力是决定性因素，粘性力的影响可以忽略不计，即速度对流场的影响不大。实验室条件下取风速为3.5 m/s，从实验台左侧下料口均匀下料，下料速度为0.028 kg/s，以保证省煤器模块灰粒密度与实际情况一致。实验所用灰样是从国内某电厂原灰库所取得的原灰，粒径筛分结果表明，原灰中粗灰(粒径>88 μm)比例为20.61%。

1.4实验方法

1.4.1 原模型流场与灰颗粒捕集实验

原模型在冷态试验台下进行实验，开启风机，调节风量阀门，保证省煤器模块风速稳定在3.5 m/s，用数字微压计测量省煤器灰斗前后2个测点的压力并记录。从左侧下料口位置放入一定量的示踪泡沫颗粒，并同时用高速摄像机捕捉示踪泡沫在灰斗与上方折角部位运动轨迹。由于示踪泡沫可以很好地随气流运动，由此可客观反映出模型内气流走向。

用电子天平称取2 kg原灰，从下料口均匀下料，控制下料时间为71 s，保证省煤器模块灰粒密度。下料完毕后关停引风机，收集灰斗处捕集的灰颗粒，并用电子天平称取重量。重复2次实验以保证实验结果的正确性。

1.4.2 原模型加入翼型减灰挡板与改进灰斗实验

在省煤器灰斗上方折角处加入翼型减灰挡板，调节风速，记录压力，重复(1)中的灰颗粒捕集实验。

翼型挡板基础上对省煤器灰斗进行改造。按照图3的形式设计加工灰斗，工况1设计为h1=4.5 cm，h2=4 cm，l=4 cm，θ=0°。按照(1)中方法进行灰颗粒捕集实验。调整h1、h2、l、θ的大小，重复上述实验，实验工况如表1所示。

2 实验结果与分析

2.1实验参数

(1)下料速度

实验室条件下，省煤器模块设计速度为u0=3.5 m/s，折合下料口流速：

表1 灰斗改造实验工况

下料速度：

v=u·A·ρ/1 000

式中：A0=0.3 m2和A=0.2 m2分别表示省煤器模块截面积和下料口处截面积；ρ=40 g/m3为物料密度。将上述数值代入得出下料口处下料速度为0.028 kg/s。

(2)除尘效率

除尘效率是撞击分离器性能的主要参考，它指的是携带灰颗粒的气流在通过灰斗内隔仓与撞击分离器后被灰斗捕集下来的灰颗粒占下料量的百分比，即：

式中：G1为被捕集灰颗粒的质量；G0为下料量。

(3)压力损失

安装撞击分离器所造成的阻力损失是评价撞击分离器性能好坏的另一个重要指标，它表示的是含尘气流流经撞击分离器后所造成的压损，一般用静压差表示，即：

ΔP=P0-P1

式中：P0与P1分别表示省煤器灰斗前后测点处的全压，Pa。

2.2原灰斗实验结果与分析

实验工况下对原模型流场进行拍照记录，如图4所示。

图4 原模型流场分布图

通过图4可清楚看出实验模型内部示踪泡沫的流动轨迹。左侧下料口处均匀下料，经竖直烟道2次转向后，大部分示踪泡沫都集中在省煤器模块的右侧壁面。从烟道右侧落下的泡沫颗粒撞击到灰斗上方折角后，大部分泡沫颗粒直接被气流携带至灰斗后方的水平烟道，只有少量的泡沫颗粒会进入灰斗。而从烟道左侧和中间落下的颗粒，大部分会先通过省煤器灰斗，而后又被气流携带离开灰斗，只有极少量的泡沫颗粒会留在灰斗内部被捕集。原模型实验结果如表2所示。

表2 原模型灰颗粒捕集实验

由表2可知，原模型灰斗前后静压差仅77 Pa，但此时灰斗对飞灰捕集能力有限，原灰平均捕集率仅有8.07 %，粗灰捕集率也只达到了17.92%，这还有很大的上升空间。

2.3加装翼型减灰挡板实验结果与分析

翼型挡板结构形式会令流经此处的含尘气流通过翼型挡板的下方尖角(翼尖)，大量含尘气流汇聚在一起通过省煤器灰斗，可令更多的灰颗粒被捕集。安装翼型挡板后静压差变为89 Pa，比原模型实验仅提高了12 Pa。灰颗粒捕集实验与原模型比较结果如图5所示。

图5 翼型挡板与原模型对比实验

由图5可以看出，安装翼型挡板之后灰斗对灰颗粒的捕集效果有了一定提高，特别是对粗灰颗粒的捕集，由原来的17.92%增加到了34.44%，增幅达到了92.2%。这一方面与翼型挡板特有的对气流汇聚效果有关之外，还和粗灰颗粒质量大、惯性大，进入灰斗后更容易被捕集有关。

在流场和灰颗粒捕集实验过程中还发现，添加翼型挡板后，大部分的气流都会有在挡板处有更大转向而进入省煤器灰斗。其中，许多灰颗粒在灰斗内转向后再次被气流携带流向尾部烟道，并没有被捕集。由此，提出一种在灰斗内加装撞击分离器的方式，使灰颗粒经过惯性撞击减速后，进入隔仓而被收集下来。

2.4新型省煤器灰斗改造实验结果与分析

经过翼型挡板汇聚的携灰气流从左侧进入灰斗，在流出灰斗时与安装在灰斗右侧的撞击分离器发生碰撞，一部分气流被导入到半封闭式的隔仓内而被收集下来；另一部分通过下层撞击分离器后，继续与上层撞击分离器相遇，灰颗粒得到进一步减速，被导入隔仓或落入灰斗；较难捕集的细灰颗粒继续被气流携带流入尾部烟道。用fluent模拟出灰斗撞击分离器与隔仓部位流线如图6所示。

图6 撞击分离器局部流线图

图6表明，气流经过第一层撞击分离器后进入隔仓，在隔仓后壁面发生碰撞后与第二层隔仓开口进入的气流汇聚，在上下两层撞击分离器处分别形成了2个回流区。流区速度较低，灰颗粒运动时间较长，这更有利于气固分离。由于隔仓处于半封闭状态，当气流携带灰颗粒进入隔仓后，飞灰移动速度迅速降低，由于重力的作用使大量被减速的飞灰沿灰斗右壁面滑入灰斗底部而被收集。

对表1所述27个工况中每个工况数据的平均值进行处理，如图7所示，其中(a)～(e)分别为静压差变化、灰斗对原灰收集量、灰斗对粗灰收集量、灰斗对原灰收集率、灰斗对粗灰收集率。

图7 加装撞击分离器和隔仓实验

由图7(a)可以看出，不同工况下安装撞击分离器所造成的压力变化均呈现出先降低后有一定提升的趋势。可见对于h1=4.5 cm、h2=4 cm情况来说，由于撞击分离器长度过长，伸入灰斗距离较远，造成压降相对较大。将撞击分离器长度缩短后，30°和60°的撞击分离器所引起的压降均呈现出趋于稳定的趋势，且变化幅度在105～120 Pa之间，无明显差异。可见，安装撞击分离器能够引起的压降是有限的。

图7(b)和(d)表明，随着撞击分离器长度逐渐缩短，灰斗对原灰的捕集效率有逐步提升的趋势，尤其是30°的撞击分离器效率提升更为明显，且在工况5′和9′处出现极值，工况5′原灰捕集量和捕集效率分别为459.96 g和23.00%，此时静压差为106 Pa，工况9′原灰捕集量和捕集效率分别为454.91 g和22.75%，此时静压差为108 Pa。由图6看出，当撞击分离器角度为30°时，其迎风面(即有效撞击面积)是最大的，因此30°时灰斗对原灰的捕集效率普遍要高于其他2个角度。图7(b)还表明，对于较长的撞击分离器(工况1、2、3)，灰斗对原灰颗粒的捕集效果并不理想。这是由于此时撞击分离器伸入灰斗长度过长，甚至已经越过了灰斗中心，这对含尘气流在灰斗内绕流的发生有一定影响。较短的撞击分离器不对气流入口流场产生影响，而在含尘气流流出灰斗时对其进行有效碰撞和分离，因此最短的撞击分离器分离效果相对较好。

图7(c)和(e)为不同工况下灰斗对粗灰的捕集效率，这与对原灰捕集效率的走势基本一致。对粗灰的捕集效率也是在工况5′和9′处达到极值，工况5′处对粗灰的捕集量和捕集效率分别为274.44 g和66.94%，工况9′处对粗灰的捕集量和捕集效率分别为271.39 g和66.19%。

对比2种较好工况5′和9′的捕集效率和引起的静压差，对于工况5′长度和角度下的撞击分离器，隔仓开口大小l对其有较大影响，呈现出不稳定性。可见，这个长度和角度的撞击分离器并不是十分理想。而工况9′长度和角度下的撞击分离器，引起的压降更小，且从图7中可以看出，此时隔仓的开口大小对灰颗粒的捕集效果影响不大，呈现出很好的稳定性。且此时撞击分离器更短，应用于实际工程会节约大量的成本。

3 结论

(1)原模型灰斗对飞灰捕集效率很低，在省煤器灰斗上方折角处加装翼型减灰挡板可在一定程度上提高灰斗对飞灰的捕集效率，且翼型挡板所引起的压降并不大。

(2)在灰斗部位加装撞击分离器和隔仓后灰斗对飞灰的捕集效率有明显提升，当撞击分离器h1=3.5 cm，h2=3 cm，l=6 cm，θ=30°(工况9′)时达到较理想的捕集性能，此时灰斗引起压降为108 Pa，灰斗对原灰和粗灰的捕集效率分别达到了22.75%和66.19%。

(3)较短的撞击分离器可在不影响灰斗进入气流场的情况下，最大限度地对烟气流场流出灰斗时对其进行阻碍和碰撞分离。在此基础上提出，对灰斗扩容可在一定程度上降低灰斗内烟气流场的速度，可提高对灰颗粒的捕集效率，提升灰斗预除尘效果。

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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。

邓淮铭(1992-)，男，硕士研究生，主要研究方向为燃煤电站大气污染物排放控制技术，省煤器灰斗改造技术。