摘要：烟气拦截滤网对飞灰的耐磨蚀性能和引起的流动压降损失会影响拦截滤网系统稳定安全运行,进而影响选择性催化还原(SCR)烟气脱硝系统催化剂床层的安全运行.
为了解飞灰质量浓度对拦截滤网冲蚀磨损影响及流动阻力特性规律,搭建冷态模拟实验台,对材质为316、316L、2Cr133种不锈钢滤网在不同飞灰质量浓度下的磨损性能进行了实验研究,采用一元线性回归,拟合得到不同材质滤网磨损速率与飞灰质量浓度的经验关联式;
同时测定了2种不同脊角316L滤网在不同飞灰质量浓度及流速下的流动阻力压降.结果表明:拟合关联式中,3种滤网的浓度系数均在1.0067~1.1169;实验条件下,2Cr13滤网的耐磨损性能最佳,316滤网次之,316L滤网最差;滤网流动阻力压降随时间的延长而趋于平衡;流速一定时,随着飞灰质量浓度的增大,平衡所需时间有所缩短;在相同条件下,脊角为90°滤网布置方式的流动性能优于60°的滤网布置方式.研究结果可为工程中SCR脱硝系统拦截滤网的设计、选型提供研究基础和理论参考.
关 键 词：烟气脱硝;SCR;滤网;磨损性能;阻力特性;流动阻力压降;脊角;浓度系数
选择性催化还原(SCR)脱硝技术是迄今为止脱硝效率最高(可达80%以上)、最为成熟的脱硝技术,是当前燃煤锅炉脱硝的主要手段[1-2]。国内外燃煤锅炉SCR主流布置方式为高灰段布置,但该布置方式下,SCR脱硝装置长时间置于恶劣的高尘环境,极易造成SCR脱硝系统催化剂反应床层堵塞、磨损和中毒[3]。
因此,有必要在烟气流经SCR反应器前有效降低其中飞灰质量浓度,分离粒径较大、磨损能力较强的大颗粒灰,以减小飞灰对催化剂床层的影响。
目前,国外发达地区主要通过装设灰斗、布置拦截滤网2种预除尘方式优化流场惯性分离烟气中的灰颗粒,尤其是爆米花灰[4]。
其中,拦截滤网是一种专门用以分离、捕集大颗粒灰的装置。常见的拦截滤网主要有平板型和屋脊型2种型式[5-6]。此外,Mark等人[7]曾提出一种凹凸相间的半椭圆柱面型滤网设计方案,其流动阻力性能要优于上述2种滤网型式.通常还会在滤网表面喷涂耐磨材料[8]以减轻磨损,延长滤网使用寿命.滤网对飞灰的耐磨蚀性能和引起的流动压降损失是影响拦截滤网系统稳定安全运行的重要因素.
本文在不同飞灰质量浓度下对不同材质金属拦截滤网的耐磨蚀性能进行了冷态实验研究,同时考察了屋脊型拦截滤网的相关流动阻力特性,以期得到飞灰质量浓度对拦截滤网冲蚀磨损及流动阻力的影响规律,为工程中拦截滤网的设计、选型提供研究基础和理论参考,指导国内SCR烟气脱硝系统滤网拦截装置的生产实践
1 实验部分
1.1 滤网冲蚀磨损性能实验
1.1.1 实验装置
滤网冲蚀磨损性能在冷态气固两相飞灰冲蚀磨损实验台上进行.实验系统主要由供风、给粉、试件固定、除尘以及流量显示等设备组成,具体系统如图1所示.
实验通道为内径60mm的圆管,滤网试件用法兰固定.实验采用喷射式纵向冲刷磨损,流量大小由主、副管道阀门进行控制,由风机鼓风提供气源,电磁振动给料机提供灰源,经充分混合后模拟实际烟气进行磨蚀实验,并在装置尾部由重力、布袋除尘器收集实验飞灰.
1.1.2 滤网试件
滤网的材质选用了常见的316、316L、2Cr13，3种耐磨不锈钢材料,常温下的机械性能见表1.
表1 3种不锈钢材料常温机械性能
1.1.3 实验灰样
表2 煤灰的粒径筛分结果
1.1.4 实验方法
1)检查调试仪表、阀门、风机、振动给料机等实验设备,称取50.0kg灰样备用;
2)给准备好的316、316L、2Cr13不锈钢滤网试件分别编号N11GN15、N21GN25、N31GN35,在1/10000g精度的电子天平上称重,记录下每个试件实验前重量g1,用法兰固定试件;
3)启动罗茨鼓风机,调节主、副管道阀门,控制主管道的送风流量,使主管道的平均流速保持在50m/s左右;
4)待风机工作稳定、流量积算仪流量示数变化波动小于±20m3/h后,启动电磁振动给料机,加入实验灰样,控制实验时间为1.5h,通过DZKYGⅡ控制仪调整振动机振动频率,控制下料速度,实现飞灰质量浓度平均值μ分别为15、26、36、47、58g/m3;
5)单次实验结束后,全开旁路阀门,闭合主路阀门,取出滤网试件,经清洗干燥后称取到实验后试件的重量g2,同时称取剩余灰样质量,计算得到实际用灰量ma。
1.2 滤网流动阻力特性实验
1.2.1 实验装置及灰样
针对不同流速气流所携带的灰渣颗粒被不锈钢滤网拦截后在不锈钢滤网上的附着分布情况,以及其被灰渣颗粒堵塞后气流流动阻力的变化进行分析.
实验装置系统主要由罗茨鼓风机、电磁振动给料机、拦截滤网、U型压差计以及布袋除尘器等设备组成(图2).
模拟烟风管道为200mm×100mm的矩形有机玻璃管道,总长共为8.0m,电磁振动给料机和滤网落渣口分别布置在距实验通道进风口1.0m和5.0m位置.在滤网前后0.3m处布置压力测点,得到的测点间压降可近似看作由滤网引起的压降损失.
不锈钢滤网选用脊角分别为60°、90°的316L材质、屋脊型设计方孔滤网,孔径为6mm×6mm,开孔率为0.64,布置在落渣口正上方.通常大于4~5mm的大颗粒灰就能造成催化剂孔道堵塞[11],为研究滤网拦截大颗粒灰的流动阻力特性,故使用孔径为3.35mm的筛网筛分得到粒径在3.35mm以上的大颗粒灰作为模拟烟风中的灰颗粒,并通过灰渣收集器和布袋除尘器进行回收。
1.2.2 实验方法
1)检查调试各仪器设备,称取从孔径3.35mm的筛网筛分得到的大颗粒灰15.0kg备用;
2)将脊角为60°(或90°)的滤网固定好,启动风机,控制其平均风速在15m/s(或18m/s)左右,待风机工作稳定、流量示数基本保持恒定后,记录U型压差计的读数差值;
3)启动电磁振动给料机,并加入大颗粒灰,记录实验开始时间,控制实验时间为30min,每分钟记录一次由U型压力计测得的流动阻力压降,通过DZKYGⅡ电振机控制仪,况调控给料机振动频率,改变灰颗粒物料浓度,得到设计实验工况;
4)单次实验结束后,关停给料机和风机,对剩余的备用灰颗粒进行称重,计算灰颗粒物料的实际用量mp,并对除尘、收集装置中的灰颗粒进行回收.
2 结果与分析
2.1 实验参数计算公式
2.1.1 实验流量
2.1.3 滤网磨损速率
气固两相流中固相颗粒的磨损过程较为复杂,根据已有的研究可知,磨损量的大小与所处温度、冲刷角度、颗粒速度、粒度以及浓度等密切相关关.对布置于燃煤锅炉尾部高尘段烟道的拦截滤网,颗粒浓度的大小是影响磨损的一重要因素,在其它条件不变的工况下,笔者提出可由如下数学模型表征滤网磨损速率与颗粒浓度关系:
2.2 滤网冲蚀磨损性能实验结果与分析
3种不锈钢滤网在5种不同质量浓度下的冲蚀磨损性能实验结果见表3.由表3可见,每种工况下滤网绝对磨损量的3次测量结果相对于测量平均值的偏差均在3.1%~7.8%,能够满足实验要求.
表3 滤网磨损性能实验结果
采用一元线性回归方式拟合了3种材质滤网在温度、速度等其他条件一致的情况下磨损速率与飞灰质量浓度的经验关联式,其结果见表4.由到表4可见,判定系数R2均在0.99以上,公式拟合程度较好.
根据拟合关联式得到磨损速率随飞灰质量浓度的变化关系曲线如图3所示,由图3可见:不同材质滤网的磨损速率Δv随飞灰质量浓度μ的增大而不断增大,基本呈线性关系,且在相同的飞灰质量浓度下,2Cr13滤网的磨损速率最小,耐磨损性能最佳;316滤其次之,316L滤网耐磨损性能则差.
表4 滤网磨损速率拟合经验关联式
灰颗粒浓度对不同材质不锈钢拦截滤网磨损性能的影响,主要表现为颗粒浓度系数p的不同,浓度系数可能在一定程度上反应了材料耐磨性能的好坏.实验条件下得到的浓度系数值在1.0067~1.1169之间.
2.3 滤网流动阻力特性实验结果与分析
从滤网流动阻力特性实验过程中可以发现,滤网所捕集的灰颗粒集中分布在脊角上侧贴近风道处,且随高度的下降灰颗粒附着堵塞滤网的面积逐渐减少.已附着于滤网上的颗粒受到后续气流携带颗粒的碰撞扰动影响,可能穿过滤网或从灰渣口中掉落,引起流动阻力压降的波动.60°、90°脊角的316L滤网在不同流速、不同飞灰质量浓度下的流动阻力特性实验结果如图4所示.
图4 不同流速下,不同脊角滤网阻力压降与时间关系
由图4可以看出:在滤网脊角、流速相同的工况下,经一定时间后阻力压降不再上升,达到动态平衡;不同颗粒浓度对平衡时的阻力压降变化影响较小;灰颗粒浓度不同,阻力压降达到平衡的时间也不同,浓度增大时,流动阻力压降达到平衡所需的时间有所缩短.
不同脊角的不锈钢滤网在近似相同的飞灰质量浓度工况下流动阻力特性如图5所示
由图5可以看出:随着气流平均流速的增大,达到平衡时的流动阻力压降也显著增大;在相同的平均流速下,在流动稳定达到平衡时,90°滤网造成的阻力压降比60°滤网造成的阻力压降小20~35Pa,可见在实验工况下90°滤网的流动性能优于60°滤网.故从风机电耗、系统维护的经济性角度考虑,更宜安装布置90°的滤网.
3 结 论
1)不锈钢滤网的磨损速率基本与飞灰质量浓度呈线性正相关;在飞灰质量浓度相近的条件下,2Cr13材质的滤网耐磨损性能最优,316滤网次之,316L滤网最差.
2)浓度系数p与滤网的材质有关,其大小可在一定程度上反映不同材质滤网耐磨损性能的好坏.实验条件下,得出了316、316L、2Cr133种材质滤网的浓度系数均在1.0067~1.1169.
3)滤网的流动阻力压降随着运行时间的增加而增加,最终趋于稳定,达到动态平衡.灰颗粒浓度的变化会影响流动阻力压降稳定平衡的时间,浓度增大,达到稳定平衡所需的时间减少.
4)相同流速下,达到稳定平衡后90°脊角滤网造成的流动阻力压降小于60°滤网.故采用90°的滤网布置方式更加合理.
