输灰工程

输灰工程齐立强博士副教授华北电力大学环境科学与工程学院[e-mail]13933270460序言火力发电厂的除灰是指将锅炉尾部烟道除尘器捕捉下来的灰经除灰系统收集、输送并排放至灰库、灰场或者运往厂外灰用户的全部过程。除灰系统不外乎水力、气力和机械三种基本方式。，目前火电厂最常采用的是前两种。基于节水、综合利用以及环境保护的需要，气力除灰技术已被大量采用，水力除灰方式的主导地位正逐渐被气力除灰所取代。气力除灰是一种以空气为载体，并借助于某种压力设备（正压或负压）和封闭管道对粉煤灰实施输送的技术。与传统的水力除灰方式相比，其最大特点是：(1)以取之不尽的空气为输送介质，从而可以节省大量的水资源；(2)灰渣可以得到最大程度、最高品位的综合利用，减少灰场占地，从而可以节省大量的土地资源；(3)灰渣的综合利用大大减轻了粉煤灰外排对电厂及灰场周围大气、水系造成的污染。此外，灰渣在建材、筑路方面的大量应用，有效缓解了工程建设对水泥等原材料的需求，从而大大减轻了水呢烧制过程中对矿产资源的破坏、对环境的污染，以及对煤炭资源的消耗。气力输送技术适用于粉状及颗粒状物料的输送，具有能适应各种复杂的输送路径、性能稳定、设备运动部件少、系统维护量少等优点，因而国外火电厂多用气力输送装置干法除灰。目前，我国电厂发展很快，若改用气力输送干灰，不但可减少环境污染，改善矿区环境，节约矿区有限的水资源，而且可使粉煤灰变废为宝，如铺垫高速公路或制造性能优良的建筑材料，可带来很好的经济效益和社会效益。近可以预料，随着人们环保、节水和对粉煤灰综合利用意识的增强，气力输送技术在电厂将具有良好的应用前景。第一篇粉体气力输送技术•粉煤灰理化特性即气力输送基础•气力除灰系统•气力除灰设备及管道•气力除灰系统控制•高浓度气力除灰技术第一章：粉煤灰物理化学特性一、粉煤灰的矿物特征与化学成份（一）粉煤灰矿物形态表1-1.我国粉煤灰矿物成份大致分布矿物名称莫来石石英一般玻璃体磁性玻璃体碳分布值(％)11.3-30.63.1-15.942.2-72.80-21.01.2-23.6平均值(％)20.76.459.74.58.2（二）粉煤灰的化学组成表1-2.我国粉煤灰的化学成份分布SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgOSO3K2OC33.9～59.716.5～35.41.5～15.40.8～10.40.7～1.80～1.10.7～3.31.0～23.5二、粉煤灰的粒度分布（一）几种粒径类型几何粒径：如：显微镜测量的各种粒径；筛分法测量的粒径；库尔特仪测量的粒径动力粒径：Stokes粒径ds测量方法：巴库（Bacho）粉尘粒径分级仪。（二）粉煤灰粒径分布参数1.质量频率分布（分散度）不同粒径范围内的灰量占总灰量的百分比（％）。2.累计分布率筛上累计分布率：大于某一粒径的灰量占总灰量的百分比，R（％）；筛下累计分布率：小于某一粒径的灰量占总灰量的百分比,D（％）；R＋D＝100%3.中位粒径（简称中位径）d50定义：筛上累计分布率（或筛下累计分布率）等于50％时所对应的粒径。特点：中位径d50的特点是以一个数据（而不是一组数据）简明描述粉料的粗细程度。工程实例：表1-5.某电厂电除尘器入口烟道飞灰粒度分布粒组(m)0-55-1010-2020-3030-4040-5050-6060组频率(％)12.517.524.013.88.65.44.114.1R(％)0510203040506010087.570.746.032.223.618.214.1D(％)60510203040506014.112.529.354.067.876.281.885.9中位径d5018.0m筛分径工程实例：表1-4.粉煤灰质量指标的分级(GBJ146-90)质量指标(%)粉煤灰等级细度（45m方孔筛的筛余累计分布率）烧失量需水量比三氧化硫含量Ⅰ级灰≤12≤5≤95≤3Ⅱ级灰≤20≤8≤105≤3Ⅲ级灰≤45≤15≤115≤3三、粉煤灰的浸润性浸润性：粉料颗粒与液体相互附着的性质。根据被水浸润的难易程度，粉料分为：亲水性粉料（又称可湿性粉料）疏水性粉料粉煤灰属于亲水性粉料，煤粉通称被视为疏水性粉料。影响粉料浸润的因素：粉料自身性质：化学和矿物成分、粒度、表面形状、表面粗糙度等；环境条件：温度、压力、液体性质（尤其液体的表面张力）粉料的浸润机理(a)亲水性颗粒(b)疏水性颗粒1.水2.空气3.固体堆积密度d真密度p气化密度q悬浮密度f四、粉煤灰的密度、孔隙率和密实度密度(1)堆积密度d：又称容重或松密度，是指粉煤灰松散堆积状态下，其质量m与堆积体积Vd之比。d=(G2－G1)/Vd(kg/m3)G1－容器重量,kg；G2－量筒与灰样总重,kg；Vd－量筒的容积，m3。(2)真密度p：指粉煤灰质量m与其固体颗粒净体积Vs之比。即：p=m/Vs(kg/m3)净体积是指颗粒的固体部分所占体积，即排除颗粒之间、颗粒表面孔隙和缝隙空间体积的部分。(3)气化密度q：气化密度是指灰层处于气化状态时的密度。q=0.75d(kg/m3)d：堆积密度，kg/m3(4)悬浮密度f：悬浮密度是指输灰管道中单位容积悬浮颗粒群的质量。smsfAvqqms：输灰管内灰的质量流量，kg/s；A：输灰管断面积，m3；Vs：输灰管内流速m/s。孔隙率粉煤灰处于自然堆积状态时，内部气体的体积占灰的堆积体积之百分比，用ε表示，(%)；密实度粉煤灰处于自然堆积状态时，其颗粒体积与堆积体积之比，用ψ表示，(%)。ε＋ψ=100(%)五、粉煤灰的粘附性根据粘附强度Ep的不同，粉料通常划分为以下四类：•Ⅰ类：无粘附性粉料，60Pa；•Ⅱ类：微附性粉料，60Ep100Pa；•Ⅲ类：中附性粉料，300Ep600Pa；•Ⅳ类：强附性粉料，Ep600Pa；燃煤电厂粉煤灰粘附性的大小与煤种、灰的粒度和亲水性、含碳量等因素有关。其中：省煤器、空气预热器灰斗粗灰基本上属于第Ⅰ类；电除尘器前部电场的粗灰，通常属于第Ⅱ类，后部电场细灰属于第Ⅲ类；某些特殊煤种的飞灰粘附性很强，不排除进入第Ⅳ类行列。粘附机理：分子力（范德瓦尔斯力）毛细粘附力静电力（库仑力）。分子力：与两分子间的距离有关，在几个分子直径的距离之内，这种力的作用很显著；随着分子间距离的增大而迅速下降，当距离大于100Ao（1Ao=10-4m）时，可以忽略不计；静电力：存在于两个带有异性电荷的尘粒之间的引力。当空气介质湿度较大时，静电力作用显著减弱或完全消失；毛细粘附力：当空气介质湿度较大时，颗粒借助其表面液膜的表面张力粘附在一起。与分子力和库仑力相比，输送过程中灰的毛细粘附作用更大。图1-2.粉料的粘附机理1.“固－液”分子力2.“液－液”分子力六、料仓内粉料的架桥和离析灰斗结拱灰斗结拱，又称架桥，俗称蓬灰；颗粒的离析图.料仓结拱类型(a)压缩拱；(b)锲性拱；(c)粘附拱；(d)气压平衡拱颗粒的离析当粉煤灰从高位向地位流动时，较细的颗粒流向中心，而较粗的颗粒沿四周流向仓壁，这一现象称为离析。图1-7料仓中物料的离析第二章：粉煤灰气力输送基础第一节两相流基本参数一、输送灰气比µ灰气比是指单位时间内灰的输送量与空气输送量之比。Kg/kgvaamsmamsqqqqqms－物料质量流量（kg/h）；qma－气体质量流量（kg/h）；qva－气体体积流量(m3/h）：a－气体密度（kg/m3）。二、灰气流浓度实际浓度是指单位长度输料管内的物料质量Ｍsl与气体质量Mal之比:（%）vs－物料平均速度（m/s）；va－气体平均速度（m/s）。samamasmsvvvqvqC//三、粉尘颗粒的沉降速度与悬浮速度1.粉尘颗粒的自由沉降运动尘粒在静止介质中仅以重力为动力作自由下落的一种运动现象。G=P+R图2-1尘粒自由沉降受力分析ORPG2.自由沉降速度vc自由沉降速度:颗粒在自由沉降过程中达到的最大临界速度。Ｃ0－阻力系数，与颗粒形状、流体运动状态有关，无量纲量；p－尘粒的真密度（kg/m3）；ｍ－气体密度（kg/m3）；mompscCd)(62.33.自由悬浮速度vn能够使颗粒保持在空间一定位置不动（指既不上升，也不下降），此时的临界气流速度即为自由悬浮速度。自由沉降速度与自由悬浮速度的比较：数值相同(表达式相同)；方向相反：沿垂线上相差180°；作用主体不同：前者是颗粒的速度，后者是气流的速度。尘粒自由沉降和悬浮运动示意图第二节：输灰管中粉体的运动特征一、气力输送管中颗粒的运动状态1.均匀流:产生条件：气流流速高、灰气比低；特征：颗粒群沿管道断面均匀分布；2.管底流：特征：颗粒群沿管道断面上疏下密。上部悬浮输送，下部呈半悬浮输送状态；3.疏密流：颗粒群沿管长出现疏密分段，管道压力出现脉动。疏密流是悬浮输送的极限状态。4.集团流：特征：大部分颗粒失去悬浮能力，在管底交替做滑动、堆积运动；5.部分流：特征：部分颗粒群在管底沉积，部分在管道上部流动，并带动沉积层做移动沙丘似的运动。6.栓塞流：特征：料栓、气栓交替出现，整体运动。料栓主要借助前后静压差（而非动压差）推动前进。均匀流管底流疏密流集团流部分流栓塞流图.水平输送管中颗粒群的运动状态第三节：水平输送管中颗粒群的悬浮机理1.紊流的垂直向上分速度vy，产生的气动悬浮力；2.输送管内气流的速度梯度在颗粒上、下表面引起的静压差；3.颗粒旋转产生的升力作用；4.气流的气动力作用于颗粒的迎流角时产生的垂直向上分力；5.颗粒之间碰撞或与管壁碰撞时获得的反弹力在垂直方向产生的分力；1.紊流垂直分速度vy2.颗粒上下速度差引起的静压差3.升力作用4.迎流角影响5.碰撞反弹力第四节：粉体的流态化特性当适量的流体均匀通过颗粒层（床）时，使粉体疏松，颗粒之间的流动摩擦阻力降低，从而使之具有类似于流体流动的性质，这一现象称为粉体的流态化，输灰工程上也常成为气化。粉体的似液体性：具有浮力水平“液面”喷射压力与灰压有关连通器原理静压差等于浮重差几种非正常流化现象：沟流局部沟流气泡腾涌和气节1.沟流2.未流化区3.流化区4.大气泡5.腾涌、气节6.均匀气固混合相(乳化相)第三章气力输灰系统一、气力输灰技术在我国的发展发展背景：1980年后起步并快速发展。条件：1.国家大规模经济建设为粉煤灰的利用提供了巨大的市场；2.水资源的短缺；3.环保压力和环保意识；4.高效、干式的电除尘技术的推广应用；应用现状:输送设备的制造实现了国产化；设计能力和运行维护水平快速提高；高灰气比、长输送距离的新技术得到发展；目前我国火电厂除灰已进入水力和气力并重的发展阶段。发展前景：以气力除灰系统取代水力除灰系统是我国火电厂（尤其北方电厂）除灰技术发展的趋势和必然。二、气力输灰技术方式的优势优势：•节省水资源；•节省灰场用地；•避免灰场对水环境和大气环境的污染；•保持干灰的固有活性，有利于综合利用；•不存在灰管结垢及腐蚀问题；•系统运行和管理的自动化程度高，管线布置灵活。不足：存在管道磨损问题；输送距离和输送出力有一定限制；对输送物料的粘性、粒度和湿度有一定限制；运行稳定性有待提高。三、气力输灰系统的基本方式及特点系统类型供料设备压力（KPa）系统出力（t/h）输送长度（m）灰气比(kg/kg）高正压大仓泵200-80030-100500-20007-15微正压气锁阀20080200-45025-30负压受灰器-505015002-1020-25*小仓泵小仓泵200-40012(1.5m3泵)50-150030-60空气斜槽－气力提升泵斜槽、提升泵0.3-0.640(斜槽)≤6030(提升高度)§3-1高正压气力除灰系统高正压气力输灰系统惯指大仓泵系统，以压缩空气为输送介质，最高输送压力可达800kPa，最大输送长度(当量长度)可达2000m。由于该系统具有输送距离远，输送量大，系统所需供料器少等