輸煤皮帶導料槽抑塵結構優化

周 陽，李少鋒

(1.國電鞍山熱電廠，遼寧 鞍山 114000；2.華能巢湖發電廠，安徽 巢湖 238000)

在火電機組各系統環保研究中，對鍋爐設備，脫硫脫硝等研究較多，對燃料系統關注較少，但在實際運行中，多數電廠的燃料系統棧橋內環境粉塵濃度較大，污染和設備腐蝕安全問題嚴重[1]。作為棧橋內粉塵的主要來源，輸煤皮帶的導料槽出口在皮帶帶負荷運行時向外排出大量氣體[2]，同時，在使用干霧抑塵的情況下，含煤氣體的濕度明顯提高[3]，煤塵顆粒在設備表面的附著力增加，同時酸性環境造成金屬設備的腐蝕大幅度增加[4]。在導料槽內安裝一定數目的抑塵設備或者改造導料槽結構，可以減少粉塵外溢。但如何優化抑塵結構和流場，使得效果得以提升，目前仍缺少相關研究。本文提出一種抑塵板布置方式，為相關企業在實際生產中的改造和優化工作提供參考。

1 研究對象

某熱電廠輸煤皮帶導料槽結構如圖1所示，導料槽下部為滿負荷運行時輸煤皮帶上煤流表面，其截面形狀與上表面較為相似，其上下側面為平行布置的圓弧狀板半徑為600 mm，寬度為2000 mm，高度為500 mm，長度為4000 mm，導料槽內均勻布置7片抑塵板，分別為d1-d7。

圖1 導料槽結構

兩相流顆粒運動效率較高，利用fluent軟件中的歐拉兩相流和k-e標準湍流模型[5]，算法為Simple，二階精度，溫度均為300 K。計算工況為入口速度1 m/s，氣相為空氣，顆粒相為煤粉顆粒，其密度為1051 kg/m3,粒徑設置為40 μm。為研究抑塵板布置對粉塵的抑制效果，設置無抑塵板、均勻布置和遞增布置3個方案，其抑塵板高度值如表1所示。

網格劃分采用結構化網格，考慮計算效率，不同布置方式網格數目控制在50～60萬個。

表1 抑塵板高度值 mm

2 計算與分析

含塵氣流在無抑塵板的導料槽內流動時，流動簡單，受重力影響，顆粒逐漸靠底部沉淀。導料槽內流場結構影響氣流中的顆粒運動方向，在無干擾的情況下，顆粒只依靠重力沉淀，其在流過導料槽之后，出口截面的顆粒體積分數分布上下差異較小。這種情況下，由于顆粒大部分仍處于氣流中，在離開導料槽之后，其擴散范圍較大，污染環境的程度也較高。

各方案出口截面顆粒體積分數分布如圖2所示，在無抑塵板的情況下，截面內的顆粒體積分數分布基本均勻，只在底部和頂部發生改變，且發生改變的區域面積較小，主要是靠近頂、底面附近。使用了均勻布置的抑塵板和遞增式抑塵板方案，其出口顆粒主要分布在靠近底部的區域，上部分的顆粒體積分數較低，而上部區域的氣流擴散能力明顯大于底部區域，大量顆粒處于底部氣流中，且在實際運行中，底部屬于煤流表面，其大體形狀為圓弧，但多屬于凹凸不平狀，對氣流的減速能力較強，有利于氣流中顆粒的沉降，導致在均勻布置和遞增式2個方案下的導料槽出口含塵氣流對棧橋內空氣的污染程度明顯低于無抑塵板方案。

圖2 各方案出口截面顆粒體積分數分布

抑塵板布置方式不同，導料槽內的氣流運動也受較大影響，抑塵板均勻布置的導料槽內顆粒體積分數分布如圖3所示，在氣流運動軸線方向的截面上可明顯看出，氣流在流過抑塵板后除出口的d7抑塵板，其余均明顯產生渦流現象，由于渦流的存在，使得氣流中的顆粒被包裹，并蓄積在渦流中，隨著含塵氣流沿入口向前運動，在流入d1-d7抑塵板時，渦流內蓄積的顆粒量逐漸增加，同時在氣流向前運動，能量逐漸損失后，d6抑塵板后的渦流尺寸明顯減小，對顆粒的包裹能力相對d1抑塵板后部的渦流明顯減弱。該方案下，設備投入運行時，初始階段對于氣流中煤塵顆粒具有較好的收集作用和減少出口粉塵污染的能力，但其在運行一段時間后，內部渦流蓄積顆粒達到一定程度，顆粒在導料槽內蓄積或沉降會大幅度減少。

圖3 均勻布置的導料槽中間截面顆粒體積分數分布

采用遞增布置抑塵板的方式，導料槽內的氣流運動區別于均勻布置，在抑塵板后旋渦明顯減少，其中間截面體積分數分布如圖4所示。當含塵氣流流入時，逐個流經抑塵板區域，氣流被逐漸阻礙，沿底部運動，顆粒沉降可能性大幅度提高，同時在抑塵板高度逐漸增至d4后，才開始形成較明顯的渦流，且隨著渦流逐漸增加，對顆粒的包裹和蓄積能力沿流動方向逐漸增加。但氣流中的顆粒大部分并未被渦流蓄積，而是沿底部向前運動，相對于均勻布置、遞增布置的方案下，在設備運行較長時間后才能使得導料槽內渦流對于顆粒的包裹和蓄積能力達到頂點。同時，由于遞增布置下，大部分顆粒在導料槽內逐漸沿底部運動，且遞增導致壓差變化較緩和，使得氣流在底部因為通流截面導致的加速變小，顆粒在底部被重新包裹向上運動的可能性減小。

圖4 遞增布置的導料槽中間截面顆粒體積分數分布

在沿導料槽向出口流動過程中，以不同截面的平均顆粒體積分數來判斷截面內的顆粒總量變化如圖5所示。截取重力方向，在距離入口位置0.55～3.55 m范圍內，每0.5 m有一個截面，其位置在設有抑塵板的方案中，截面位于抑塵板后方0.05 m處，可以判斷每塊抑塵板的效果。在顆粒向出口運動過程中，在無抑塵板的導料槽內，沉降的速度較為均勻，且沉降緩慢。而在增加抑塵板后，其在d7之前的位置顆粒體積分數未發生下降趨勢，其原因為抑塵板或渦流對顆粒本身的富集作用，且遞增式的富集效果大于均勻布置的方案。

圖5 不同距離截面顆粒體積分數變化

在面積相同的情況下，出口截面的顆粒量可以從出口截面的平均顆粒體積分數來判斷，不同方案的出口截面顆粒體積分數如表2所示。

表2 出口截面的平均顆粒體積分數 mg/m3

在相同入口條件下，無抑塵板方案的導料槽內有33.3%的煤粉顆粒發生了沉降，增加抑塵板后，沉降的煤粉顆粒升至80%左右，抑塵效果提高了2.4倍，同時遞增布置的抑塵板其效果雖然低于均勻布置，但差異較小，考慮到長時間運行，其綜合性能最佳。

3 結論

a.增加抑塵板后，出口顆粒量減少80%，截面大多數煤粉顆粒分布在底部，有利于顆粒沉降，減少污染。

b.采用均勻布置抑塵板的導料槽，由于渦流可以包裹或蓄積較多的顆粒量，但持續性較差。

c.采用遞增布置抑塵板的導料槽，內部主要依靠氣流逐漸沿底部運動，使導料槽內顆粒沉降，持續運行抑塵效果較好。