气力输灰堵管_的原因分析及对策

2002年第 4期 广西电力 气力输灰堵管的原因分析及对策 林朝扶 ，容 严2 (1．广西电力试验研究院，广西 南宁 530023；2．桂林虹源发电有限责任公司，广西 桂林 541003) 摘要 ：根据桂林虹源公司气力输灰系统运行过程 中存在的堵管问题 ，进行理论分析 ，提出解决 ，为运行人员判断堵管 原因、采取解决措施提供一些参考。 关键词 ：气力输灰 ；堵管 ；分析 中图分类号：TK223．27 文献标识码 ：B 文章编号：1671—8380(2002)04—0035—05 1 引言 桂林虹源发电有限责任公 司(以下简称虹源公 司)三电场电除尘器配套 的输灰系统是正压浓相气 力输 灰系统 ，其有关设 计参 数为 ：输送 压力 0．18 MPa，输送初速度 7．5 m／s，输送几何距离 574 m，输 送干灰的中位粒径 d50=0．04 tTtlTt，输送时温度 100 ℃，灰气 比 30 kg：1 kg。 气力输灰与水力输灰相 比，具有粉煤灰利用条 件好 ，没有或很少冲灰废水产生 ，因而近年来几乎所 有新建燃煤电厂都设置有气力输灰系统。而浓相正 压输灰系统由于具有用气量少、灰气 比高、投资省等 优点成为 目前应用最为普遍的气力输灰方式。 但是浓相正压气力输灰的固相在气 一固两相流 中浓度相当高 ，且输送过程基本处于紊流状态 ，因而 在管道中气 一固两相流的流动过程相当复杂。迄今 为止国内外在这方面都未见到有成熟 的理论计算 ， 其设计计算大多使用经验或半理论半经验。描 述浓相气力输灰过程基本都是一种定性分析过程 ， 至多是半定量、半定性分析。对气力输灰的堵管问 题，更缺乏理论研究。本文根据桂林虹源公司气力 输灰系统运行过程中存在的堵管问题 ，试用理论方 法进行分析 ，以期对运行人员判断堵管原因、采取解 决措施提供理论指导。 2 浓相正压气力输灰堵管原因理论分析 浓相正压气力输灰在正常情况下，灰被流动的 压缩空气悬浮在管道中且被带走 ，但在灰的重力作 用下 ，一部分会渐渐沉降。因此愈接近管道底部，灰 的浓度就愈高 ，而空气受到的阻力就愈大 ，速度就愈 低。由于速 度 的降 低 ，会 有 部 分 灰 沉 降到 灰 管 收稿 日期 ：2002—07—30 底部 。当沉降的干灰数量在一个输送周期 内不足以 堵塞管道时，输送可正常运行。输送周期结束时 ，通 过吹灰程序将沉降在灰管底部的干灰吹扫干净。相 反 ，当沉降的干灰数量过多时，会造成灰管堵塞(堵 管)，输送就不能进行。由此可见 ，灰管堵管实际就 是在输送过程中，干灰在本身重力作用下过量沉降 的结果。 由气力输灰堵管产生原理可见 ，避免输送过程 中堵塞管道有两个方法 ： ①使输送过程中所有的干灰不沉积在管道底 部 ，即输送速度足以使灰悬浮于管道之中。 ②即使有部分灰沉降，但沉降在灰管底部灰量 不足 以产生堵塞。 2．1 干灰的悬浮速度 干灰于静止空气 中在重力作用下会 自然沉降， 在输灰过程中，当气灰流的流速足以将灰粒悬浮在 管道中时则不沉降。这个使灰粒悬浮于管道中的最 低灰粒 流速就是灰 的悬浮速度 V 。在这 个速度 下，灰粒受到的重力 、浮力及气流对灰粒的作用力达 到平衡。显然 ，这个灰粒的速度就是保证输灰不产 生堵管极限最低流速。 在正压浓相输灰中，通过理论求得 值几乎 是不可能的 ，因而 目前工程上都是使用半理论 一半 经验公式。由于在浓相输灰时管道内的流动均处于 紊流状态 ，因而目前工程一般采用下式⋯计算 ： Vt=d (0．174 4 o) (gP。)。乃 (1) 式中 d ——输送干灰的粒径，一般用中位粒径，rn； p。——干灰的密度 ，kg／m ，对煤灰，一般为 2 100 kg／m ； pf1——输送工况下空气密度 ，kg／m3， Po=0．003 48 P／(273+t)kg／In3； 维普资讯 http://www.cqvip.com 广西 电 力 2002年 第 4期 P——输送压力 ，Pa； t——输送温度 ，℃； — — 输送气体的粘度系数 ，Pa·S。 一 般在压力低于 1 MPa时，压力对空气 的 影 响可不考虑 ， 主要是与温度有关。100℃时空气 的 =21．77×10一 Pa·s。 在实际输灰时，选用的空气在管道内最低速度 都是在 基础上再加以考虑安全系数，即 Vo= kV (2) 式中 ——输送空气的最低流速 ，m／s； k——安 全 系数，一般根 据输送 物料性质 (如粒径、密度)等进行试验确定。 显然，所选择的 值愈大，堵管可能性就愈 低 。但是气力输送干灰对管道的磨损是与流速的 3 次方成正比的，输送速度的提高 ，会加剧磨损 ，同时 其能耗也较高。因此工程上在保证不堵管情况下 ， 尽可能选择低的输送速度。 在气力输灰系统 中，一旦通过 (1)，(2)式求得 ，且在仓泵、管道 、空压机等选定后 ，则通过改变 输送压力来确保管道 内空气流速不低于 ，输送 压力愈高 ，其输送速度就愈大。 由(1)式可见，任何影响 因素都是影响灰管 堵管的因素。根据该式 ，可将影响灰管堵管因素分 为外因和内因。外因就是人为因素 ，如空压机空气 流量压力不足，输送管道、阀门漏气 、灰库背压过高 等。这些因素可 以通过加强系统维护消除，并且这 些因素通过技术改造后基本上很少发生 。因此本文 对外因不予讨论 。 (1)式右边的干灰堆积密度、干灰粒度及压缩空 气性质即是影响灰管堵 管的内因。干灰的密度、粒 度与煤种、制粉系统运行、锅炉尾部设备运行等情况 有关 ，压缩空气密度则主要与设计的输送压力、干灰 温度有关 。 2．2 干灰在灰管中的沉降 关于气力输送中的干灰沉降过程，可将灰管看 作一个重力沉降装置。为方便起见 ，进行以下假设 ： ①输送管道为直管道 ，干灰仅沉降到灰管底部， 即干灰沉降最大距离为灰管直径 D ； ②在临近灰管底部有一层层流层 ，处于层流层 的所有干灰都能沉降到灰管底部 ； ③ 由于紊流作用 ，在整个灰管截面内各种粒径 干灰分布均匀； ④干灰粒径分布符合对数正态分布规律。 根据上述假设 ，可 以推导得一个输送周期内沉 降在灰管底部灰量 计算式如下l2j： = qvp t[1一exp(一VtL／VoD)] (3) 式中 q ——管道输送流量 ，m3／h； o ，— — 管道进 口处干灰浓度，kg／m ； t——输灰周期 ，h； L——管道长度 ，m； D——管道直径，m。 假设灰管不堵管最多能沉降灰量为 “ ，那么 当 ≤ ，灰管不堵管 ； 当 ≥ ，灰管将堵塞 ，即堵管。 显然， 是不能用理论计算得到 的，只能通 过试验确定。 3 火电厂中影响干灰粒径和密度的因素 对火电厂 ，影响干灰粒径及密度因素非常多，如 煤种 、燃烧方式、锅炉负荷 、电除尘器运行情况等，这 些因素不是固定不变 ，因而很难用一种干灰的粒径 和密度代表该厂干灰的粒径和密度，特别对煤种来 源复杂的桂林虹源公司。 3．1 干灰粒径 在火电厂中影响干灰粒径因素主要有： ①电除尘器故障停运。电除尘器一电场不能运 行是造成干灰粒径增大常见的原 因之一 。由于一电 场的停运 ，此时一电场沉降 的干灰实际是依靠干灰 本身重力沉降的干灰 ，其粒径相当大。表 1是虹源 公司 1号炉电除尘器一电场停运时干灰粒径的分析 结果 。由表可见 ，当一 电场停运时其干灰中位粒径 达0．128 nlln，相应其 为设计值的 3．2倍。 表 1 虹源公司 1号炉 电除尘器一电 场停运时干灰粒径分析结果 注：中位径 d50筛余量为 128％ ②即使一电场正常运行 ，一电场干灰粒径也较 其它电场大。表 2是虹源公司电除尘器正常运行时 三个电场干灰粒径分析结果。 维普资讯 http://www.cqvip.com 2002年 第 4期 广西电 力 37 表 2 虹源公司不同电场干灰 的中位径 一 电场 二电场 三电场 0．065 0．052 0．04l ③煤种变化。煤种的变化也是引起干灰粒径的 变化原因。 输送过程中，在输送速度 固定情况下 ，所输 送干灰的最大允许输送粒径是设计上所关心的数据 之一。显然 ，基于(1)式 ，当干灰粒径增大到导致 大于输送流速 后就会因不能被输送而沉积在管 道内产生堵管 ，由此可以推导得沉降在灰管 中干灰 最小粒径 ； 即最大允许输送粒径的计算公式 d n1i = V／(O．1744／~po) 乃(gp ) 乃 (4) 将桂林虹源公司有关数据代人上式可得 d =9．168×10 V (5) 其计算结果见表 3。 表 3 最大允许输送粒径 v ／m ·S d 一 ／／an l83 275 367 458 550 642 733 3．2 干灰密度 在火电厂中影响干灰密度因素较少 ，主要是煤 种对干灰密度有一定的影响，并且其波动范围都不 大。火电厂干灰密度一般在 2 100 kg／m 左右。 4 干灰粒径对气力输灰及堵管影响的理论 分析 4．1 干灰粒径对气力输灰及堵管影响的理论分析 根据虹源公司气力输灰系统设计参数 ，由(1)式 可求得 ： V =10 913．9 d (6) 由(6)式可见 ，悬浮速度与干灰 的粒径成正 比， 当干灰粒径增加 1倍 ，输送速度就需要增加 1倍 ，否 则将产生堵管。 将虹源公司干灰设计 的中位径 d =0．04 ITtiql 代入上式可得 V =0．44 m／s。这个结果与设计的 输送速度7．5 m／s相比相差了 l7倍之多，那么按上 述结果计算 ，如果虹源公 司气力输灰系统不存在外 因所造成的堵管(实际上经过多次改造 ，这些外部影 响因素基本上得 以消除)，其堵管几乎是不可能的。 这也可从表 3可以看出，在设计的输送速度条件下 ， 其允许输送干灰的最大粒径达 690 m。但实际上 ， 虹源公司气力输灰系统在安装助吹装置以前灰管出 现堵管次数是比较多的。特别是电除尘器一电场因 故停运时 ，几乎达到每送必堵 的程度。这说 明造成 堵管原因是由于输送干灰粒径的增大。产生这种结 果原因主要是以下偏差造成的： ①粒径的偏差。在(1)，(2)式中，干灰的粒径是 取中位粒径计算 ，但这仅代表灰 的粒径平均值。实 际上干灰中由于锅炉燃烧、煤种等原因可能存在部 分粒径较大的干灰 ，特别是一电场停运时 的沉降干 灰 ，大粒径 的干灰 占相当大 的比例 ，这可从 表 1看 出。 由表 1和表 3可见 ，即使在输送速度 7．5 m／s 下 ，仍有大约 占输灰量 2％的干灰因粒径大 于最大 允许输送粒径而不能输送。由此可 以计算 ，一个输 送周期内大约有 30 kg干灰(仓泵有效容积为 2 m3 计)沉积在灰管内。如果这些干灰不是集 中沉积在 某一管段 ，那么则不产生堵管 ，并可在输送结束时通 过吹扫程序将其吹扫干净。反之，如果这些干灰集 中沉积在某一管段 ，则产生堵管。实际上 ，由于输送 管道直径都较小，即使少量的干灰不能被输送，都很 容易产生堵管。 ②干灰实际输送速度偏差。对气力输灰系统 ， 设计的输送初速度是指空气在管道内的流速 ，该值 根据仓泵容积、输送管道内径及输送压力等来确定。 在低浓度输送情况下 ，干灰与空气的流速基本是一 致的。当输送干灰浓度较大时 ，由于干灰与空气之 间的阻力作用 ，以及干灰本身的重力作用 ，干灰的速 度与空气的流速是不 同的。对水平输灰管道 ，这两 者的差异可用下式计算⋯ ： ／ = 1+Vt( ／2) ／( ) (7) 式中 。——管道内空气流速 ，m／s； — — 管道内干灰的流速 ，m／s； — — 管道内干灰与空气两相流对管道 的 磨擦 阻力 系数 ，对无 缝 钢管 ， = 0．018 6。 当设计气流初速为 7．5 m／s时 ，将虹源公 司有 关参数代人上式，其结果见图 1。 由图 1可见 ，管道内灰粒的流速与气流流速相 差相 当大 ，且随粒径增大，这种差异随之增大。当干 维普资讯 http://www.cqvip.com 广西电力 2002年第 4期 灰粒径大于 0．12 l"nlTl时，其干灰流速低于其悬浮速 度 ，所以粒径大于 0．12 mm的这部分干灰不能被输 送 ，当这部分干灰所占比例达到一定数量时 ，则产生 堵管。 图 1 水平管道和垂直管道 中干 灰实际流速与输送速度差异结果 ①干灰实际速度(水平管道)；②干灰实际速度(垂直管道)； ③悬浮速度 ；④气流流速。 4．2 垂直管道对气力输灰的影响 对前面所阐述的均是针对水平管道 ，但在火电 厂气力输灰系统中 ，由于管道布置原因，总有相当部 分输灰管道是垂直布置的。对垂直管道 ，有输灰速 度 、气流速度与干灰流速这 3点与水平管道是不同 的。 4．2．1 输灰速度 对垂直管道 ，所有输送速度低于悬浮速度的干 灰将全部集中沉积在垂直管道底部 ，即使是少量的 沉积，都容易造成堵管。为避免这一情况 ，一方面要 求所有干灰的实际输送速度大于其悬浮速度，另一 方面，尽可能避免设置垂直管道。若因现场条件必 须设置垂直管道，也应将垂直部分设置在输送 的末 端或设置有一定角度的倾斜管道 ，因为在输送管道 的末端，其气流速度较前端大得多。 4．2．2 气流速度与干灰流速 对垂直输送 管道 ，这两者 的差异 可用下式计 算[ ] ， 1一{1一[1一 ／(2gd )](1一gt2／ )} ～ 1一 ／(2 ) (8) 其计算结果见图 1。 5 温度对气力输送的影响 对火电厂 ，当锅炉正常运行时 ，气力输送温度通 常 比较恒定 ，一般在 100℃左右，变化一般较小。温 度对气力输送影响主要是对压缩空气 的粘性 和 密度 p的影响。与液体相反，温度升高 ，空气粘性是 增加的，而其密度则降低。根据(1)式可以计算得温 度对 ，值没有影响。 实际上温度对输灰有较大影响。由于烟气 中含 有水蒸汽，当温度 降低时 ，这部分水蒸汽将凝结成 水 ，而水一方面将分散的灰粒凝聚成大的灰团，使灰 的直径增大 ；另一方面干灰 由于水份的增加而造成 密度的增加。还有 当温度降低到酸露点以下时 ，烟 气中的 so3也会冷凝与水作用并与灰中的 CaO生 成 c~so3，而 CaS03的密度较干灰大。由于干灰愈 细，其 比表面愈大 ，吸潮能力愈强，因此，输送温度的 降低对细灰输送较粗灰影响更大。 6 减少气力输灰堵管措施 由(1)式和(3)式可以推导出减少气力输灰堵管 措施主要有以下 4个方面。 6．1 提高输送速度 提高输送速度是有效防止因灰径增大而产生堵 管的措施之一。当电除尘器一电场因故障停运时， 应提高一电场输送压力，以增大其输送速度。另外 ， 由于电除尘器不同电场干灰粒径是不同的，因而其 输送速度也应有所不同，但 目前几乎所有气力输灰 设备对所有电场干灰的输送速度都设计相 同，且一 般是根据一电场干灰粒径设计 ，这对二 、三电场的干 灰输送是偏高的，不必要的，也是不利的。一是增加 了对灰管磨损，二是能耗增加。 6．2 减少输送灰气比 从(3)式可见 ，当灰径增大时 ，如果输送速度不 变(相应输送周期不变)，降低管道进 口处干灰浓度 即灰气比是防止堵管的最有效措施。减少灰气 比， 相应减少了沉降的干灰量，从而使 优 ≤ 优mi 。在 火电厂中实际上是经常应用该措施 防止输 灰堵 管 的。如在虹源公司，当电除尘器一电场因故 障停运 时，运行人员一般将一电场仓泵 自动运行方式改为 手动操作。因为 自动运行时仓泵要装满灰才输送 ， 而手动操作时仓泵装一半仓灰就进行输送。此时相 应的输送灰气比降低了一半 ，从而避免了堵管。 6．3 增设助吹装置 目前在气力输灰系统中，对一些输送距离较远 系统，通常都增设助吹系统。助吹系统就是在输送 管道上每隔一定距离设置一个吹扫装置 ，其 吹扫的 压缩空气直接 自空压机 ，吹扫装置的启动与压力变 送器联动。当输送管道内压力升高(即是有堵管倾 向)到一定值时，吹扫装置 自动开启 ，通入压缩空气 以增加输送动力 ，避免堵塞。实 际上这种助吹装置 就是气力输灰过程中维持灰粒 以一 定速度输送装 维普资讯 http://www.cqvip.com 2002年 第 4期 广西 电力 置。由于增加了输送空气量 ，一方面使灰粒输送速 度得以提高，另一方面减少了其输送的灰气 比。虹 源公司气力输灰系统在 2001年设置了助吹系统后 ， 灰管堵管现象基本没有再出现。这说明助吹系统也 是有效防止堵管措施之一。但增设助吹系统后 ，耗 气量以及对管道的磨损将相应增加。 6．4 减少输灰量 减少输灰量就是减少一个输送周期的输灰量 ， 一 般通过将仓泵容积(或发送器)减少而实现。一个 输送周期输灰量的减少 ，减少 了一个周期内沉积在 管道内的干灰量，从而避免因沉积干灰量过多而造 成的堵管。国内镇江锅炉辅机厂及部分国外公 司设 计的仓泵(或称发送器)只有 0．5 m3(目前应用的仓 泵容积多数为 2 m0以上 )，一个输送周期输送量只 有 300 kg左右，即使 有部分沉积也不致 于产生堵 管。但这样的输送方式进料阀、出料阀及进气阀等 启停非常频繁，其磨损比较严重，如果这些阀门质量 不高 ，反而影响系统的运行可靠性。 7 结论与建议 综上所述，通过对堵管原因的理论分析 ，可得出 下列结论 ： ①气力输灰堵管根本原因就是输送速度低 ，而 影响输送速度的因素包括外因和内因。外因就是一 些人为的影响因素 ，如空压机流量不足、输送管道和 阀门漏气(造成流量 、压力不足)、灰库背压过高等。 内因则是输送物料 的粒径、密度。其中物料粒径增 加是产生堵管主要的内因之一。 ②通过加强对气力输送设备 的管理和维护 ，以 保证输送在设计的输送速度下运行是避免输送管道 堵管最为有效措施之一。 ③避免因干灰粒径增大而造成堵管的方法 ，一 是增大输送速度 ，二是减少输送灰气比。其中减少 灰气比是 目前最为常用的防堵方法。 ④在输送管道上设置助吹系统也是有效防止堵 管方法之一 。 ⑤进行火 电厂干灰气力输送设计时，应充分考 虑干灰粒径分布和大粒径干灰所 占比例。对不同电 场的干灰应采用不同的输送速度。这一方面可减少 能耗 ，另一方面也可减少干灰对管道的磨损 。 ⑥在浓相气力输灰管道中 ，干灰的流动速度总 是低于空气气流速度(即设计输送速度)，并且干灰 粒径愈大 ，这种差别就愈大。 参考文献 [1] 黄标 ．气 力输 送 [M]．上海 ：上 海 科 学 技术 出版社 ， 1984． [2] 谭天祜 ，梁凤珍 ．工业通风除尘技术 [M]．北京 ：中国建 筑工业出版社 ，1984． (上接第 31页) 设计流量富裕 系数和压头 富裕系数分别为 1．12和 1．31，满足了设计流量富裕系数和压头富裕 系数分 别为 1．1和 1．2的要求。并根据我厂实际情况 ，我 们保留了原风机电机、传动组，只更换叶轮、集流器 和机壳。 改造后的 M5—36型排粉风机具有以下特点 ： ①叶轮采用单板后弯式叶片，流道比较宽 ，叶片 长并具有 良好 的导向作用。叶轮磨损 比较均匀，也 较轻微 ，叶轮使用寿命较长 。 ②风机的风壳 内设计有活动的防磨衬甲，便于 检修，防磨衬甲的设计使用寿命在 20 000 h以上。 ~MS一36型风机属于高效风机，高效区域较 宽，设计效率在 80％左右。 4 改造效果 1996年 9月对 1号炉 的两台排粉风机进行改 造 ，经过初步测试 ，改造后的风机不但提高制粉系统 出力 ，风机电机电流比改造前下降 14～18 A。叶轮 的平均使用寿命在 8 000 h以上。1997年 7月根据 1号炉成功的经验，对 2号炉的两台排粉风机进行 了改造 ，运行至今 ，状况良好。 综上所述，通过对排粉风机的改造 ，提高了制粉 系统可靠性，不但减少了检修工作量和备品配件消 耗，而且还大大地降低制粉 电耗。排粉风机经过改 造，仅在节电方面的效果就十分显著，每年节约制粉 用 电 1．78～3．87 GW ·h。 参考文献 [1]郭立君 ．泵与风机 [M]。北京 ：水利 电力出版社 ，1992． 维普资讯 http://www.cqvip.com