浓相气力输灰技术的发展

王震

摘要：浓相气力输灰技术是目前较为先进成熟的干灰输送技术，它对解决火力发电厂的粉尘污染，减少湿灰排放，粉煤灰的综合利用起到重要作用。为了解决长距离输灰时，出力小，能耗大，管道设备多，投资大的问题，相继开发出了串、并联出灰方式。本文通过计算、试验和输灰工程实例阐述该项技术在我司的应用发展和成熟。

关键词：浓相气力输灰；长距离； 串、并联出灰；效益

一、常规浓相气力输灰

目前，以煤为燃料的火力发电厂大多采用煤粉锅炉，煤粉在锅炉中燃烧后的部分残出物从炉膛底部落下，这些物质颗粒度较粗，通常称为炉渣。煤粉在炉膛中燃烧的大部分以灰的形式随烟气一起流动，通过尾部受热面，最后在除尘器中把大部分飞灰分离出来，只有极少量的飞灰随着烟气通过烟囱排出。通过除尘器分离出来的干灰即为粉煤灰。

过去大多数电厂采用湿法处理，不仅耗水量大且废弃的灰浆淤泥堆存要占用大片土地，污水排入江河湖海污染环境。现在利用干法处理，可使粉煤灰变废为宝，如制造性能优良的建筑材料或铺设高速公路，带来很好的社会和经济效益。1978年上海市粉煤灰的排放总量为54万吨，利用总量为18万吨，利用率仅为33.3%；1994年上海市粉煤灰的排放总量为326.9万吨，利用总量为307.9万吨，利用率达到94.2%。

为了进行干法处理，上海xxxx有限公司（原上海xxx厂）在对国外技术引进消化吸收过程中，成功研制和开发了浓相气力输灰系统设备，于1991年3月在上海南市发电厂的#11炉（220t/h锅炉）上成功投运。它有如下优点：

1.结构坚固，密封性好，飞灰无泄漏。

2.构造简单，除压缩空气外，不需要其他动力。

3.运动部件少，故障少，维修工作量小，运行可靠，几乎没有杂音。

4.输送浓度高，平均灰气比达到30：1（kg：kg）以上，流速低，管道磨較小，能耗低。

在水平输送管道中，一般输送气流速越大，物料越接近于均匀分布。但根据不同的情况，当输送气流速不大时，流动状态会有显著变化。在物料管的起始段是按管底流大致均匀地输送，越到后段就越接近疏密流，最后终于形成脉动流或停滞流。水平管越长，这现象越明显。物料在水平输送管道中输送，一般分为以下6种状态：

1. 均匀流：输送时物料颗粒接近于均匀分布状态，物料在气流中呈悬浮状态。

2. 管底流：输送时物料接近管底，分布较密，一面作不规则滚动一面输送。

3. 疏密流：输送时物料在水平管中呈疏密不均的状态，部分颗粒在管底滑动。

4. 停滞流：输送时物料的大部分颗粒失去悬浮能力而停滞在管底，局部区段因物料积聚而使管内断面变小，气流速度在该区段增大，将停滞的物料吹走。

5. 部分流：输送时物料颗粒堆积在管底，并且随着时间的推移，象沙丘般移动。

6. 柱塞流：输送时堆积的物料层充满管道，在管中形成柱塞状流动。

浓相气力输灰系统属于第6种：柱塞流。它利用压缩空气的静压和动压使物料以柱塞状态在密闭管路中输送，较之单纯利用动压输送的稀相系统效率高、流速低，较之单纯利用静压输送的脉冲气力输送机，具有更高的可靠性和更长的输送距离。

浓相气力输灰系统的组成：

1、输灰部分包括若干个大小与输灰量相匹配的输灰机（仓泵），仓泵是一个压力容器发送罐包含进料阀、出料阀、流化盘、一次气装置、二次气装置等。

2、控制部分包括每台仓泵上的灰位料位器、压力变送器、电磁阀箱以及带有模拟屏或CRT的输灰PLC控制柜。

3、气源部分包括若干台0.7MPa的螺杆空压机和配套的空气净化干燥装置以及储气罐组成。

4、输灰管道包括普通#20无缝钢管、耐磨弯头、伸缩节、吹堵装置等。

气力输灰机工作过程由四个阶段组成：

⑴进料阶段

进料阀处于常开状态，飞灰靠重力自由落入输送机壳体内。保证除尘器集灰斗内是空的，杜绝了集灰斗内飞灰“搭桥”现象。

当灰位上升触到料位发信器后，料位器发出料满信号，自动关闭进料阀，完成进料阶段。当灰量较少时，进料阶段时间超过了预先设定的时间，也将自动关闭进料阀，完成进料阶段。

⑵流化阶段

自动开启进气阀，压缩空气进入壳体扩散后穿过流化盘，使空气均匀地包围在飞灰颗粒四周，同时压力上升。

图一、气力输灰机（仓泵）结构简图

充分流化是本系统能低速不堵塞输灰的保障是本系统的技术关键。

⑶输送阶段

当输送机壳体内压力上升到一定值时，压力传感器发出信号，自动开启出料阀。流化盘上的飞灰流化加强，输送开始，壳体内灰位开始下降。在此阶段中，流化盘上的飞灰始终处于边流化、边输送状态。

⑷吹扫阶段

飞灰输送完毕，压力下降到空管阻力时，压力传感器发出信号，延续一定时间吹扫管路，然后关闭进气阀。待机体内压力为常压时关闭出料阀，开启进料阀，完成一个输灰循环。

两台气力输灰机连续运行时，整个工作循环的压力和时间变化（见下图）

图二、气力输灰机整个工作循环的压力和时间变化图（常规输灰）

t1：进料时间

t2：流化时间

t3：输送时间及把仓泵里的灰全部送到灰管的时间。

t4：吹扫时间，把灰管里的灰全部送到灰库，并把灰管吹干净所用的时间。

Gm：仓泵系统出力（t/h）

φ：仓泵充满系数 φ一般取0.8

γh：灰的容重 一般取0.7-0.8t/m3

VP：仓泵的几何容积（m3）

gm：每仓装灰量（t/仓）

以2台1.25m3仓泵共用一根φ108×7输灰管，输送距离是300米为例。

gm=φγh VP=0.8×0.8×1.25=0.8t/仓

二、串联出灰问题的提出

为了对长距离输灰的计算和设计打好基础，经上海市电力局批准，上海电力环保设备总厂有限公司（原上海水工机械厂）于1992年到1993年间在上海南市发电厂#11炉进行了1200米距离的输灰试验。上海南市发电厂#11炉输灰设备是国产的第一套浓相气力输灰设备，1991年11月通过部级鉴定。在上海南市发电厂#11炉输灰设备原有几何长度为256米的输灰管上增加可切换的输灰管道：在靠近仓泵处25米，断开一、二电场的二根灰管，各接一根叉管和二只球阀。二根叉管并接成一根4”灰管。在#11、#12炉仓泵平台上盘八圈，共长950米，再连接到原有的一根5”报废的灰管上，直至灰库。在新增灰管的356米、588米和705米三处接了三根叉管和六只球阀。三根叉管通过球阀直接接在5”灰管上。这样在#11炉仓泵输灰设备系统上，可以做几何长度分别为256米、643米、870米、982米和1200米的五种输灰试验。

由上表可以看出，随着输送距离的增加，出灰时间也将增加，使输一泵灰的时间增加，从而使输灰系统的出力下降，耗气量增加，灰气比下降。当此套系统用于长距离、大容量锅炉时，必定要增加输灰管的数量，如在上海吴泾热电厂，1台410t/h锅炉上用5根4”灰管才能满足输灰出力。增加了灰管的铺设费用，增加了输灰的耗气量，增大了空压机容量，不仅一次性投资增加而且平时的运行费用也增加了。为了解决这个问题，经过不断地摸索和试验，终于研制出优于常规输灰的方式，称为串联输灰方式。此方式将输灰机第3阶段即输送阶段作了调整，使仓泵中的灰全部输送到灰管即可，取消了第4阶段即吹扫阶段，改为用灰管上的二次气、三次气来保证灰在灰管中的输送，来完成吹扫任务，此时仓泵关闭出料阀，开启排气阀泄压，再打开进料阀进灰。同时另一台仓泵开始进行流化、输送工作，使灰管始终保持着充满状态。原来仓泵的输送任务由灰管来完成。极大的提高了输灰系统的出力。

出力是原来常规的出力6.9t/h的2.3倍。此时进料时间t1为0，吹扫时间t4也为0。

从图二和图三的比较上可以看出，同样输送一泵灰，串联输灰方式比常规输灰方式所用的时间少，效率高，出力大。

串联输灰方式的关键是如何判别仓泵中的灰已全部出完。最初是通过仓泵的下料位器来测定。在仓泵下锥体部开安装口，装置1台电容式料位器。当仓泵中有灰时，料位器不动作，一旦仓泵中的灰全部送到输灰管以后，料位器发出信号，输灰控制柜中的PLC受到信号后，给从控箱发出指令，使电磁阀动作，将出料阀关闭，关闭进气阀（关一次气），打开排气阀将仓泵中剩余的气排空，同时进行灰管补气的二次气、三次气担当起一次气的作用。进料阀打开，接受来自灰斗的飞灰。同时另一个仓泵打开进气阀，对飞灰进行流化，开始下一个输灰过程。因为串联输灰时，往往有4到8台仓泵公用一根输灰管，为了降低设备造价，现在已采用输灰管上安装隔膜式压力变送器，通过测定输灰管上某点压力的变化来判别仓泵中的灰是否出完，取消了下料位器。串联输灰技术已从1997年开始应用于广州、上海的数家电厂，取得很好的效果。

三、串联出灰的特点和前景

浓相气力输灰技术中的串联出灰方式相对于常规有出灰方式有以下优点：

1. 输灰时间减少，耗气量减少，输灰出力提高。

2. 输灰工艺简洁，输灰管路减少，管路布置方便。

3. 输灰管路的减少和空压机容量的减小，使得固定资产投资减少，

4. 运行可靠，空压机设备容量的减小，降低能耗，减少了维护工作量，降低运行费用。

5. 長距离输送时灰气浓度高，平均灰气比达到30：1（kg：kg）以上，流速低，管道磨较小。

以下以广东黄埔电厂1台410t/h锅炉（125MW机组）一、二电场所做的气力输灰工程为例。该用户要求的输灰出力为23t/h（仅输送一、二电场的灰）。输灰距离为500米。使用串联输灰技术，锅炉除尘器灰斗数量如下：

第一电场灰斗：4个，每只灰斗配1只1.5m3仓泵

第二电场灰斗：4个，每只灰斗配1只0.75m3仓泵

其中：

一电场A侧的2只1.5m3仓泵和二电场A侧的2只0.75m3仓泵合用一根灰管（出口处通径为DN100）。

一电场B侧的2只1.5m3仓泵和二电场B侧的2只0.75m3仓泵合用一根灰管（出口处通径为DN100）。

出灰方式：一电场A侧的2只1.5m3仓泵和二电场A侧的2只0.75m3仓泵合用一根φ107×7灰管，采用串联输灰方式。一电场B侧的2只1.5m3仓泵和二电场B侧的2只0.75m3仓泵合用一根灰管，也采用串联输灰方式。灰管上加装隔膜式压力变送器，通过测定灰管的压力，来判定仓泵中的灰是否出空。

在该系统运行六个月以后，上海电力环保设备总厂有限公司对系统作了测试。系统出力为13.4×2=26.8 t/h大于23 t/h的设计要求，满足用户的要求。

用户认为该系统综合性能处于国内领先水平。系统最大输送能力大于24t/h，灰气比大于30，达到了技术合同规定的技术指标要求。

四、并联出灰的应用

随着全社会对环保要求的越来越高，电厂的除尘器的净化率也需进一步提高，随之而来静电除尘器配置有一电场、二电场、三电场、四电场甚至五电场，相应的输灰系统的仓泵数量也需随之增加，如果对于后续电场仅有百分之几的灰量，采用传统的时间设定，排队轮流出灰的话，设备的配置成倍增加，出灰的效率也大大降低。伴随这些情况，我司又尝试应用了并联出灰方式。一方面按照灰量的减小，缩小仓泵的体积，分别有0.1m3 ～ 1.5m3 各个系列；一方面按照2个仓泵一组，4个仓泵一组，8个仓泵一组或者更多，将每组当做传统的单个仓泵一起工作，共用一个出灰阀，一组进气系统，一组排气系统，从而既提高了效率又减少了设备配置。按照这样的设计理念，通过大量的试验，我们在上海石洞口发电厂#1～#4炉4台300MW机组（进口澳大利亚ABB系统，上海电力环保设备总厂有限公司参与调试）、山东临沂电厂#5、#6炉2台135MW机组等都取得了成功。

五、社会效益和经济效益

当前我国电力体制的改革正在不断深入，主辅分离、厂网分离，各个电厂都面临着竞价上网的压力，减人增效，节能增效是大家的共同任务。对输灰设备的投资建设、运行和维护可使粉煤灰变废为宝，改善环境，提高粉煤灰的综合利用率的干法处理，即采用气力输灰设备系统，在各个电厂将受到广泛的欢迎。以上海石洞口发电厂为例：全厂总装机容量1200MW，4台300MW国产改进型亚临界汽轮发电机组，年发电量70亿Kwh，年需处理灰、渣量90万吨，干灰全部完成气力输送，全年减少向长江排放废水量达700万吨，取得了巨大的环境效益。原来的湿灰利用价值低，改造后的粉煤灰产品的品种多，有调湿灰、炉渣、原灰、高质量的分选灰，因而产值大大提高，原湿灰的管道粗，阀件等设备维修量大，设备运行的能耗大，创造了巨大的经济效益。随着人们环境意识的提高，环保技术的发展越来越受到重视。