刘 毅， 张 千， 陈鸿伟， 杨 新， 许文良， 罗 敏

(1.神华国华 北京电力研究院有限公司，北京 100016； 2.华北电力大学 能源动力与机械工程学院，河北 保定 071003)

基于冷态模型提高省煤器出口飞灰捕集效率的实验研究

刘 毅1， 张 千1， 陈鸿伟2， 杨 新2， 许文良2， 罗 敏2

(1.神华国华 北京电力研究院有限公司，北京 100016； 2.华北电力大学 能源动力与机械工程学院，河北 保定 071003)

为探究省煤器出口加装导流挡板及不同形式导流折挡板对灰斗捕集飞灰颗粒效率的影响与变化规律，搭建省煤器出口尾部烟道冷态实验模型。以原始、扩容两种灰斗模型为研究对象，对0.075～1.0 mm的细颗粒灰和1.0～3.35 mm、3.35～6.7 mm、> 6.7 mm的大颗粒灰展开捕集实验研究。实验结果表明：加装挡板对细颗粒灰的分离捕集是有利的，随挡板长度的增大和布置角度的减小，灰斗对细颗粒的捕集能力逐渐增强；加装挡板并不能有效地提高灰斗对大颗粒灰的分离捕集能力，反而在一定程度上起到了负面的作用，采用较短长度、较大角度的挡板布置方式能减轻挡板对大颗粒捕集的不利影响。堵塞SCR系统催化剂的积灰以0.075～1.0 mm的细颗粒灰为主，实验条件下选择12.0 cm～15.6 cm、30°的布置方式会较为合适。

灰颗粒； 捕集效率； 实验研究

0 引 言

在我国全面推广施行超低排放和世界一流水平能耗标准的大背景下，当前的诸多电站燃煤机组均面临着亟需对现行污染排放控制技术和减排装置进行相应优化与升级改造的要求。选择性催化还原(Selective Catalytic Reduction，SCR)脱硝技术是目前为止脱硝效率最高(可达90%以上[1])、最为成熟的一种脱硝技术，已经有50多年的研究与工程实践历史[2]。其具有的稳定性以及可靠的脱硝效率受到了国内外的青睐，是当前燃煤锅炉脱硝的主要手段[1，2]。由于目前普遍应用的SCR催化剂反应活性温度较高，一般在280～430 ℃之间[2-4]，所以SCR脱硝系统通常采用高灰段布置(介于省煤器和空预器之间)的方式，其所处的温度水平与反应活性温度相吻合，不需要对烟气进行再热而降低运行的费用。

脱硝催化剂是SCR系统的核心部件，约占SCR系统总投资40%以上[5，6]。催化剂表面活性的大小是影响SCR系统氨逃逸率、脱硝效率、SO2/SO3转化率等性能指标好坏的关键因素[5]。而在我国常采用的高灰布置的SCR脱硝装置长时间置于恶劣的高尘状况下，易造成SCR脱硝系统催化剂反应床层的堵塞、磨损和中毒[7]。

其中，微米、亚微米级的细小飞灰容易引起中毒[7，8]和积灰[9，10]现象的发生，造成催化剂活性组分流失、比表面积下降而降低催化剂活性。除细小飞灰外，因我国燃煤电站燃用煤种的差异，一些燃用劣质煤或含灰量较高煤种的电站容易产生粒径达数毫米大小的大颗粒灰，因其外形呈爆米花状而又被称为“爆米花灰”。该类大颗粒灰极易引起催化剂床层的堵塞和磨损而影响催化剂的机械强度和脱硝性能，虽然在飞灰中所占的比例较小，但因其自身较强的磨损性能和较大的粒度尺寸，大颗粒灰不仅易造成严重的堵塞和磨损，还可能为细灰的沉积创造良好的条件，阻断NOx、NH3、O2与催化剂活性表面间的吸附通路而导致催化剂性能的下降，对SCR系统具有很大的威胁。因此，当前国内外为预防飞灰对SCR系统的危害，通常对进入SCR系统前的尾部烟道区域实施改造或布置除灰装置的方式，以此降低烟气中飞灰的浓度，保证SCR系统的稳定、高效运行。

笔者以某电厂为模型搭建冷态省煤器出口尾部烟道实验模型，模拟电站燃煤锅炉省煤器出口的气体流动特性与灰斗对飞灰的分离捕集。随后比较研究模型灰斗扩容前后，加装导流挡板前后对细小飞灰和大颗粒灰捕集效率的影响；并在模型灰斗扩容的基础上，进一步探究于省煤器出口加装不同长度、角度的导流挡板对细小飞灰和大颗粒灰捕集效率的影响。旨在掌握在实验条件下，采用扩容及加装不同形式导流挡板的方式对飞灰颗粒捕集效率的变化规律，以期能为工程中预除尘装置的优化及尾部烟道的改造提供一定的理论研究基础和参考价值，为提高燃煤电站SCR脱硝系统整体运行水平的深入研究工作提供新的思路。

1 实验内容与方法

1.1 实验模型

实验模型具体尺寸结构示意图如图1、2所示(mm)。图1为模型原始设计方案，图2为对模型灰斗进行扩容后的设计方案。该实验台主体模型两侧面间的宽度设计为123 mm，原始模型的灰斗跨度为309 mm，高度为150 mm，灰斗下料口的截面大小为136 mm × 30 mm；扩容灰斗模型保持灰斗下料口的截面大小不变，将灰斗的跨度变为480 mm，高度为310 mm。

为探究加装省煤器出口导流挡板对飞灰捕集效率的影响，将在扩容灰斗模型设计方案的基础上，采用1 mm厚的薄铁片制成导流折挡板，以不同的长度L1和角度α1(具体见1.3.2实验方案简介)安装在模型竖直烟道段后壁面拐角处，其结构示意图如图3所示。

图1 原始实验模型结构示意图Fig.1 Schematic diagram of the original experimental model

图2 灰斗扩容实验模型结构示意图Fig.2 Structure diagram of the hopper expansion experimental model

图3 加装导流折挡板的实验模型结构示意图Fig.3 Schematic diagram of experimental model with guide baffle

1.2 实验灰样

收集国内某600 MW燃煤电站SCR催化剂层上方防护格栅的堵塞积灰，进行筛分得到粒度区间在1.0～3.35 mm、3.35～6.7 mm、> 6.7 mm的大颗粒灰和0.075～1.0 mm的细灰颗粒，以此作为实验灰样。

1.3 实验内容

1.3.1 实验流速

实验使实验模型内流体的流动满足进入第二自模区的临界雷诺数(一般取为105)[11，12]，以保证模型内的流体流动与实际流动的动力相似性。故在实验流速下得到的省煤器出口气流雷诺数应达到第二自模区雷诺数，即在省煤器出口实验模型条件下，模型进口雷诺数应满足：

(1)

式中：L为实验模型进口的特征长度，取为模型前后壁面长度0.53 m，流体运动粘度系数取20 ℃空气的粘度系数1.810 7×10-5m2/s。计算得实验过程中所应达到的流速大小：

(2)

根据式(2)计算得到的实验模型进口最小流速，后文将选择4 m/s、5 m/s、6 m/s三种流速进行相关的研究工作。

1.3.2 实验方案简介

本实验主要比较研究模型灰斗扩容以及加装导流挡板前后对不同粒度区间飞灰颗粒捕集效率的影响；同时在模型灰斗扩容的基础上，研究在省煤器出口加装不同长度、角度的导流挡板(如图4所示)对不同粒度区间飞灰颗粒捕集效率的影响。其中，对于> 1.0 mm的大颗粒灰采取放入固定数量颗粒，计算实验捕集数目与总数的比值来估算其捕集效率；而对于0.075～1.0 mm的细灰颗粒则采取以实际工况下较恶劣的灰浓度(40 g/m3)为实验条件，在固定时间放入一定质量的颗粒，计算所捕集的细灰质量与总质量的比值来估算其捕集效率。实验过程当中各设计方案具体如表1所示。

图4 导流折挡板布置示意图Fig.4 Schematic diagram of guide baffle’s arrangement

其中导流挡板的长度L1取值为8.4 cm、12 cm、15.6 cm和19.2 cm；导流挡板的布置角度α1取值为30°、45°、60°和75°。

2 实验结果与讨论

2.1 加装导流折挡板对细颗粒灰捕集率的影响

本节主要比较研究模型原始与扩容两种灰斗型式下，加装导流折挡板对0.075～1.0 mm的细颗粒灰捕集效率的影响。如图5所示为两种灰斗型式增加长度为12.0 cm、与水平呈30°布置的导流折挡板前后，在不同实验风速下对细颗粒灰的捕集效率结果。可以从图中看出，加装导流板前后扩容灰斗与原始灰斗的细颗粒灰捕集效率差别随风速增加呈现不同变化趋势：加装挡板后的扩容灰斗为例在4 m/s风速下，捕集效率为59.33%，6 m/s风速下，捕集效率减小至57.25%，减小趋势较平缓，而加装减灰挡板的原始灰斗在4 m/s风速下，捕集效率为43.5%，6 m/s风速下，捕集效率减小至22.67%，减小趋势显著。相比原始灰斗的布置方式，扩容灰斗对细颗粒捕集效率的高低受实验风速变化的影响要小，稳定性较好。可见在实验条件下，相较于原始灰斗型式，无论是否增加导流折挡板，对灰斗进行扩容均要更有利于细颗粒灰的分离捕集。对比两种灰斗型式在加装挡板前后细颗粒的捕集效率，可发现导流折挡板能有效地提高灰斗对细颗粒的捕集能力，原始灰斗模型增加挡板后捕集效率提高的幅度较小；而挡板的作用随灰斗容积的增大趋于明显，扩容灰斗模型增加挡板后的捕集效率有了较为显著的提高，可近似达到60%。

图5 加装导流折挡板前后细颗粒捕集率对比Fig.5 Comparison of the trapping efficiency of fine particle collection before and after installation of the baffle

基于扩容灰斗实验模型，选择6 m/s的实验风速，进一步探究不同布置形式的导流折挡板对灰颗粒捕集效率的影响。分别布置8.4 cm、12.0 cm、15.6 cm、19.2 cm 4种长度和30°、45°、60°、75°四种角度的挡板形式，其对细颗粒灰的捕集效率结果如图6所示。从整体趋势上可以看出，相同地实验条件与布置角度下，随着挡板长度L1的增加，灰斗对细颗粒的捕集能力逐渐提高，当挡板长度达15.6 cm后，捕集效率增大的趋势开始放缓，挡板长度达到19.2 cm时的细颗粒捕集效率相比15.6 cm时仅有略微地提高。挡板的布置角度α1对灰斗细颗粒捕集能力也有显著的影响。相同的长度布置，挡板角度的增大使得灰斗对细颗粒的捕集效率总体呈下降趋势。75°的布置角度下细颗粒捕集效率仅为31%～37%，与不加挡板时的捕集效率32.8%相近，挡板已起不到应有的作用；30°的布置角度下，挡板所起的作用最为明显，灰斗有着较高的细颗粒捕集效率，在实验各工况下，捕集效率最高可达65%左右。

图6 不同布置形式导流折挡板对细颗粒的捕集率Fig.6 Trapping efficiency of fine particles in different arrangement forms of guide baffle

2.2 加装导流折挡板对大颗粒灰捕集率的影响

本节将采用相同的实验条件，比较模型灰斗扩容前后、加装导流折挡板前后对1 mm以上各粒度区间大颗粒灰捕集效率的影响。图7所示为原始灰斗和扩容灰斗加装导流折挡板前后对1.0～3.35 mm、3.35～6.7 mm、> 6.7 mm三个粒度区间大颗粒的捕集效率及总捕集效率随风速的变化关系。从图7 (a)、(b)和(d)中可以较直观地发现，扩容灰斗对大颗粒整体的捕集能力受实验风速变化的影响要小；而原始灰斗的布置方式，随风速的变化对大颗粒的捕集能力波动较大，风速的增大导致其捕集能力较大幅度地下降，这一点在图7(a)对1.0～3.35 mm大颗粒的捕集效率中表现显著。如图7(d)对大颗粒的总捕集效率(将>1 mm以上粒径大颗粒灰捕集效率进行平均)所示，从捕集能力来看，灰斗扩容后呈现出增强的趋势，未加装挡板时扩容型式灰斗不同实验风速下大颗粒的平均捕集效率相较原始型式灰斗要提高约4.2%；加装挡板后，前者不同实验风速下对细颗粒的平均捕集效率要比后者提高约3.4%。且扩容前后的差距随风速的增大而逐渐变大，灰斗扩容对稳定大颗粒灰捕集能力所起的作用愈发明显。可见相较于原始灰斗，扩容灰斗不仅有着较高的捕集效率，其稳定性也要好于原始灰斗的布置方式。

如图7(a～c)所示，比较实验条件下原始和扩容两种灰斗型式加装导流折挡板对各粒度区间大颗粒捕集能力的影响，可以发现加装挡板后灰斗对大颗粒灰的捕集效率有升有降，原始灰斗下大颗粒的总捕集效率可达约70%以上，扩容灰斗下的大颗粒总捕集效率能达到约75%以上。表1所示为原始、扩容两种灰斗加装挡板后对不同粒度区间大颗粒灰在三种实验风速下捕集效率大小的变化(正值即代表提高，负值代表降低)。结合图7可见增加导流挡板后，灰斗对大颗粒的捕集能力并没有较明显的变化，而从大颗粒的整体捕集效率看则略有降低。其中在所有实验工况下，捕集效率降低最大值约为7.33%，提高的最大值达5.4%；原始灰斗和扩容灰斗在变风速下对大颗粒总捕集效率的变化分别为-2.0%～-0.68%和-6.17%～-2.26%，且从图7中亦可发现实验条件下，众多工况在达到5 m/s的较大实验风速后，挡板对大颗粒的分离捕集起到不同程度地反作用。

图7 加装导流折挡板前后大颗粒灰捕集效率对比Fig.2 Comparison of the trapping efficiency of large particle collection before and after installation of the baffle

灰斗型式/mm不同粒度区间大颗粒捕集效率变化1 0～3 353 35～6 7>6 7总捕集效率变化/%原始/%-6～-2 67-0 67～1 33-0 67～3 37-2 0～-0 68扩容/%-6 6～-2 0-7 33～-0 63-4 6～5 4-6 17～-2 26

对1.0～3.35 mm、3.35～6.7 mm、>6.7 mm三个粒度区间大颗粒在安装不同挡板形式的灰斗中的捕集效率进行实验，如图8所示为不同布置形式导流折挡板对大颗粒的捕集效率结果。从图8(d)中可以发现，在挡板布置角度一定，其他实验条件也一致的情况下，挡板长度L1的增大会引起大颗粒总捕集效率的降低。具体地，除了图8(a)和(c)中部分实验结果由于实验颗粒无法做到完全一致等原因而导致的误差，与上述结论有所出入外，灰斗对不同粒度区间大颗粒捕集效率随长度的增大，均表现出不同程度地降低。这与挡板长度增大能大幅地提高细颗粒灰捕集效率的结果正好相反，加装较短长度的挡板将更有利于大颗粒的分离捕集，挡板在恰当的布置角度下能有效减轻挡板所带来的副作用，其捕集效率与仅扩容不加挡板时相近，可达80%左右。

图8 不同布置形式导流折挡板对大颗粒的捕集效率Fig.8 Trapping efficiency of large particles in different arrangement forms of guide baffle

挡板的布置角度α1也是影响大颗粒捕集效率的重要因素，图8较直观地反映了角度的变化对大颗粒分离捕集的影响，从图中可以看出，与30°的布置方式要更加有利于对细颗粒的分离捕集不同，在不同挡板长度下，随着角度的增大，大颗粒的捕集效率均逐渐有所提高，75°的较大角度布置方式反而要更有利于大颗粒的分离捕集，这与颗粒的球度、密度等自身性质有着较大的关系。如图8(d)所示，随着角度的不断增大，加装挡板对颗粒捕集所起的负面影响也逐渐变小，挡板长度小于12.0 cm时，60°、75°的布置角度可基本消除加装挡板对灰斗大颗粒分离捕集能力的负面效应，大颗粒总捕集效率与不加挡板时的总捕集效率相差在5%以内，甚至略有所提高。

2.3 实验方案比较与讨论

综上所述，采取灰斗扩容的方式无论是对微米级的细颗粒灰还是对毫米级的大颗粒灰，都能有效地提高其捕集能力；与此同时，扩容对变风速工况下灰斗捕集颗粒稳定性的提高亦起到了一定的作用。从图9中可以发现，实验条件下无论是否加装导流折挡板，相较于原始灰斗，灰斗扩容后的省煤器出口段阻力大小均略有所降低。故在空间和成本等条件允许的情况下，对灰斗进行扩容改造是提高飞灰颗粒捕集效率的一种有效手段。且在4～6 m/s的实验风速下，原始灰斗和扩容灰斗加装挡板(12.0 cm，30°)后引起的阻力压降均增大了约30～70 Pa。

图9 灰斗扩容前、后阻力压降对比Fig.9 Comparison of pressure drop before and after expansion of hopper bucket

加装导流折挡板对灰斗捕集不同粒度大小飞灰颗粒的影响各异。在实验条件下，增加挡板装置能有效地提高灰斗对微米级细颗粒的分离捕集效率，同时长度的增加和小角度的布置方式将更有利于细颗粒的捕集；相反地，挡板装置对于毫米级大颗粒的分离捕集却起到了一定的负面作用，较短的长度以及较大的角度布置方式能减轻挡板对大颗粒捕集的不利影响。无论是挡板角度还是长度的变化，飞灰颗粒捕集效率的大小与加装挡板后气流场的改变、颗粒的碰撞特性、气流携带颗粒在运动过程中的跟随性与扩散作用的大小有着密切的关系。如图10所示，挡板长度的增加势必会导致系统阻力明显的升高，比较图9和10可知，6 m/s的实验风速下，8.4 cm、12.0 cm、15.6 cm和19.2 cm挡板引起的压降分别约为21～27 Pa、58～73 Pa、147～166 Pa、241～315 Pa。而除了19.2 cm长的挡板布置方式系统阻力随布置角度的变化波动略大以外，角度的变化对系统阻力的影响很小。

图10 扩容灰斗加装不同形式挡板后阻力压降对比Fig.10 Comparison of pressure drop after installation of different types of baffles in expansion hopper

根据某电厂现场催化剂层积灰粒度分布结果分析，由于> 1.0 mm的颗粒自身在飞灰颗粒中的占比较小，积灰中绝大部分是0.075～1.0 mm的细颗粒灰。故以提高0.075～1.0 mm的细颗粒灰捕集效率为主要考虑因素，综合各实验方案对不同粒度飞灰颗粒的捕集效率及相应的系统阻力压降，分别选择12.0～15.6 mm和30°的挡板布置长度与角度是较为合适的。当然，挡板布置方案的选择需要示具体情况而定，若燃用煤种质量、燃烧条件等较好，烟气的飞灰含量浓度较低，或SCR系统催化剂易遭受大颗粒的严重堵塞时，可考虑不布置挡板或采用较短、较大角度的挡板布置方式，甚至可考虑加装角度活动可调的挡板以适应炉内燃烧条件的变化。

3 结 论

(1)对灰斗进行扩容能有效地提高其捕集微米级细颗粒灰和毫米级大颗粒灰的能力，且相较原始灰斗布置方式，其省煤器出口段系统阻力压降略有降低，变风速工况下的颗粒捕集能力的稳定性也得到了一定的提高。

(2)加装导流折挡板对气流所携带细颗粒灰的分离捕集是有利的，挡板长度和角度的变化对细颗粒捕集效率的影响明显。实验条件下，随挡板长度的增大和布置角度的减小，灰斗对细颗粒的捕集能力逐渐增强。

(3)加装导流折挡板并不能有效地提高灰斗对气流所携带大颗粒灰的分离捕集能力，反而在一定程度上起到了负面的作用。与挡板长度和角度对细颗粒捕集的影响相反，采用较短长度、较大角度的挡板布置方式能较好地减轻挡板对大颗粒捕集的不利影响，提高其对大颗粒的捕集效率。

(4)引起SCR系统催化剂堵塞的积灰以0.075～1.0 mm的细颗粒灰为主，在实验条件下，从捕集效率和相应的系统阻力压降考虑，选择12.0～15.6 mm的长度、30°的角度布置方式会是较为合适的挡板布置方案。对于实际燃煤锅炉省煤器出口挡板布置方案的选择，需要结合燃烧煤种性质及炉内燃烧条件等因素进行考虑。

[1] 李春雨．我国火电厂SCR烟气脱硝技术研究及应用现状分析[C]．第十五届中国科协年会，贵阳：中国科学技术协会，2013：1-4．

[2] 赵宗让．电厂锅炉SCR烟气脱硝系统设计优化[J]．中国电力，2005，38(11)：69-74．

[3] 张强，张西涛．燃煤电站实施SCR脱硝技术的关键工艺选择[J]．热力发电，2007，36(4)：1-4．

[4] 冯加星．烟气中飞灰对选择性催化还原法(SCR)烟气脱硝催化剂的影响[J]．广东化工，2014，41(10)：189-190．

[5] 王春兰，宋浩，韩冬琴．SCR脱硝催化剂再生技术的发展及应用[J]．中国环保产业，2014，(4)：22-25．

[6] 刘清雅，刘振宇，李成岳．NH3在选择性催化还原NO过程中的吸附与活化[J]．催化学报，2006，27(7)：636-646．

[7] 姜烨，高翔，吴卫红，等．选择性催化还原脱硝催化剂失活研究综述[J]．中国电机工程学报，2013， 33(14)：18-31．

[8] 贾双燕，路涛，李晓芸．选择性催化还原烟气脱硝技术及其在我国的应用研究[J]．电力科技与环保，2004，20(1)：19-21．

[9] LIN C P，HANBY D C，HOFACRE J L，et al．Large Particle Ash Mitigation System：US，8425850B1[P]．2013-04-23．

[10] 孙叶柱，王义兵，梁学东，等．火电厂SCR烟气脱硝反应器前设置灰斗及增加烟道截面的探讨[J]．电力建设，2011，32(12)：64-68．

[11] 陈山．大型电站锅炉烟气脱硝选择性催化还原系统优化研究[D]．杭州：浙江大学，2007．

[12] 张国瑞．省煤器灰斗结构对电站煤粉锅炉烟气的预除尘性能研究[D]．北京：北京交通大学，2011．

Experiment Research on Improving Economizer Efficiency of Trapping Fly Ash Around Outlet Based on Cold Model

LIU Yi1, ZHANG Qian1, CHEN Hongwei2, YANG Xin2, XU Wenliang2, LUO Min2
(1.Shenhua Guohua(Beijing) Electric Power Research Institute Co.，Ltd.，Beijing 100069，China；2.School of Energy Power and Mechanical Engineering，North China Electric Power University，Baoding 071003， China)

To explore the influence that installation of baffles and different forms of baffles at the economizer hoppers’ outlet have on the trapping efficiency of fly ash and the relevant change laws, the cold state physical model about flue pipes at the end of economizer hoppers’ outlet is designed. With the original and expansion hopper models as objects of research, carry out the capture experimental researches of 0.075～1.0 mm fine particles of ash and 1.0～3.35 mm, 3.35～6.7 mm,> 6.7 mm of large particles of ash. The experimental result shows that hoppers’ efficiency of trapping fine particles will increase when the baffles are installed, and with the increase of the length and decrease of the baffle arrangement angle, the efficiency of trapping fine particles is gradually increased. As for hoppers’ efficiency of trapping large particle, installation of baffles is possibly ineffective and even has adverse effect to some extent. The baffle arrangement of shorter length and larger angle can reduce the adverse effects of the efficiency of trapping large particles. The SCR catalyst system is mainly clogged with fine particles of 0.075～1.0 mm, and it is appropriate to select the arrangement of the length with 12.0cm～15.6cm and the angle with 30° in the experimental conditions.

ash particles; trapping efficiency; experiment research

10.3969/j.ISSN.1007-2691.2017.04.14

2016-11-15.

TK223.3

A

1007-2691(2017)04-0092-08

刘毅(1970-)，男，高级工程师，研究方向为电站污染物控制方向； 张千(1975 -)，男，工程师，研究方向为电站污染物控制方向；陈鸿伟(1960 -) 男，教授，研究方向为高效清洁燃烧；杨新(1987-)，男，博士研究生，研究方向为高效清洁燃烧； 许文良(1992-)，男，硕士研究生，研究方向为高效清洁燃烧。