基于正交实验法提高省煤器灰斗飞灰捕集性能的优化设计

张 千， 许文良， 杨 新

(1. 神华国华(北京)电力研究院有限公司， 北京 100016；2. 华北电力大学 能源动力与机械工程学院， 河北 保定 071003)

基于正交实验法提高省煤器灰斗飞灰捕集性能的优化设计

张 千1， 许文良2， 杨 新2

(1. 神华国华(北京)电力研究院有限公司， 北京 100016；2. 华北电力大学 能源动力与机械工程学院， 河北 保定 071003)

为研究在省煤器灰斗内加装撞击分离器和隔舱对>90 μm飞灰的捕集性能，采用正交试验法和数值模拟相结合的方法，研究不同的参数组合的飞灰捕集效能。实验结果表明：方案7能够有效提升省煤器灰斗的飞灰捕集效率，对原灰的捕集效率约能提高2.29倍，对>90 μm的飞灰颗粒捕集效率约能提高2.45倍；采用正交实验法和数值模拟的分析结果，最优的隔舱和撞击分离器的结构参数组合为A1B3C1D2；角度α是对飞灰捕集效率影响显著的因素，长度L也起到了重要作用，这说明了撞击分离器是提高飞灰捕集效率的关键部件，能够决定气流在灰斗中的流向及流程。

正交试验； 省煤器灰斗； 飞灰捕集

0 引言

随着工业化和城市化进程的推进，我国对于能源消耗量不断增加，随之而来的环境问题也日益严重[1]。选择性催化还原技术(SCR)是目前应用最广泛、技术最成熟的脱硝技术[2-4]。长时间的运行经验和实验研究表明，影响SCR脱硝技术脱硝效果的物理因素主要为飞灰对催化剂的堵塞和磨损[5]。因此，提高省煤器灰斗对烟气中飞灰的捕集效率能够从根本上减轻SCR催化剂的堵塞和磨损。

文献[6]提出了一种省煤器烟道在靠向脱硝反应器一侧向内收口、省煤器烟道底部远离脱硝反应器入口烟道处设置向下收口灰斗的技术方案，同时在水平烟道入口处设置大颗粒灰拦截网，该方案具有较好的除灰效果。文献[7]从拦截爆米花灰的角度分别阐述了省煤器灰斗优化、加装拦截网2种方式的拦截效果，认为灰斗优化和拦截网并行的方案对拦截爆米花灰有较好的效果。正交实验法是目前常用的用于分析了不同因素对实验效果影响主次顺序并优化出最优参数组合的实验方法。文献[8]研究了省煤器灰斗加装导流折挡板对烟气中大颗粒灰和细灰的捕集效果，认为加装挡板对细颗粒灰的分离捕集是有利的，但不能有效地提高灰斗对大颗粒灰的分离捕集能力，反而在一定程度上起到了负面的作用。文献[9]探究了在省煤器处转向室中布置导流挡板对除尘效率的影响，认为合理的导流挡板布置形式可提高除尘效率、减轻烟道某一侧面的磨损。

本文以某电厂省煤器灰斗及前后烟道为模型，搭建几何模型和冷态实验台，模拟锅炉省煤器出口的气体流动特性与灰斗对飞灰的分离捕集性能。重点研究在灰斗内部加装撞击分离器和隔舱对> 90 μm飞灰颗粒的捕集性能，利用数值模拟分析撞击分离器参数不同对飞灰颗粒捕集性能的影响，通过正交实验法筛选影响撞击分离器飞灰捕集性能的显著因素，在大幅减少冷态试验次数的同时获得较优的撞击分离器结构，以期能为工程中省煤器灰斗优化改造提供一定的理论研究基础和参考价值。

1 正交试验方案设计思路

为了提高省煤器灰斗对烟气中粒径较大的飞灰颗粒(>88 μm)的捕集效率，需对现有的灰斗结构进行优化设计。现依据文献[10]所提出的一种在现有灰斗结构的基础上进行改造的优化技术方案——增设隔舱和加装撞击分离片，进一步地分析研究，其结构示意图如图1所示。图1(b)中Lk为省煤器灰斗跨度25 cm。

图1 省煤器灰斗优化方案结构简图

在进行隔舱和撞击分离片设计时，影响隔舱和撞击分离片作用的因素很多，过多的考虑次要因素会增加试验次数，因此仅考虑了以下4个主要因素：隔舱分隔板与灰斗后延的距离D，其决定了隔舱所占灰斗体积的大小；撞击分离片的长度L，其决定了撞击分离片大小；撞击分离片之间的间距P和安装角度α，其决定了撞击分离片在灰斗中的位置。

在实际试验过程中，如果对这4个主要影响因素采用控制变量法进行研究，每个因素仅取3个值，就需要进行34次试验，为减少试验次数，采用正交试验法设计方案[11]，利用数值模拟软件Fluent进行模拟，确定最优试验方案并搭建冷态试验台进行研究。

基于上述设计思路的考虑，本试验方案对这4个主要因素进行各3个水平的正交试验设计。隔舱分隔板与灰斗后延距离D取0.15Lk、0.10Lk和0.05Lk；撞击分离片的长度L取0.08Lk、0.10Lk和0.12Lk；间距P取0.10Lk、0.12Lk和0.14Lk；安装角度α取-30°、0°和30°(与分隔板法线方向夹角，取顺时针为正)。需要进行研究的因素和水平如表1所示。

表1 因素及水平

在正交试验设计时需要考虑这4个主要因素间的交互作用，如果将这4个因素的交互作用全部进行考虑的话，试验次数将会增加很多。基于此，现仅考虑长度L与角度α，长度L与间距P和角度α与间距P的交互作用，这样即可将试验次数较少到27次，其余因素间的交互作用由正交结果分析来判断。

本文采用MINITAB软件进行正交试验表(见表2)的设计以及后续的数据处理。

表2 正交实验表及数值模拟结果

2 省煤器灰斗数值模拟

按照设计好的正交实验表，对27种方案进行数值模拟研究。

2.1 几何模型及参数设置

以某600 MW燃煤电站省煤器烟道为依据，缩小比例构建尾部烟道的数值模拟几何模型，研究省煤器灰斗的飞灰捕集性能。以方案7的结构为例，如图2所示为用GAMBIT软件构建的数值模拟几何模型，包含进料口、尾部烟道、优化灰斗和水平烟道，并对所建模型进行网格划分。由于网格质量直接影响模拟结果的合理性，因此，对于灰斗内部、导流格栅以及翼型挡板等区域采用非结构化网格，其余规则的部分采用结构化网格。兼顾考虑网格无关性和计算量，网格数选取约300万作为计算网格数量。

图2 几何模型

本文流场计算采用k-ε标准湍流模型，根据“自模化区”理论，进口风速取5.1 m/s；颗粒相计算采用DPM模型，原灰颗粒项分布见文献[12]，>90 μm飞灰颗粒服从Rosin-Rammler分布，最大粒径300 μm，最小粒径88 μm，平均粒径为117 μm，飞灰浓度为40 g/m3。每个方案无飞灰颗粒相冷态流场迭代约3 000步至收敛，后加入飞灰颗粒相，采用不耦合的方式计算颗粒相的运动轨迹和捕集效率[13]。

2.2 数值模拟结果

图3(a)为省煤器原灰斗的速度云图，图3(b)为方案7优化灰斗速度云图。从图中可以看出，加装翼型挡板后，转角处气流进入水平烟道前速度相对加快，能够有效减少飞灰颗粒被水平烟道的高速气流携带；加装隔舱和撞击分离器后，省煤器灰斗内部低速区有所增大，有利于飞灰颗粒分离。

图3 速度云图

电厂中，省煤器灰斗对于烟气中飞灰的预除尘效率约为5%～10%，首先对电厂原灰的脱除效率进行模拟，原灰颗粒的捕集效率由式(1)计算得：

(1)

加入原灰颗粒后，省煤器灰斗对原灰的捕集效率约为8.55%，与电厂中的实际情况基本相符，能够说明数值模型的合理性。然后对省煤器灰斗对粒径>90 μm飞灰颗粒的捕集效率进行数值模拟，捕集效率计算式见式(2)，结果表明，方案7能够将灰斗对>90 μm飞灰颗粒的捕集效率从原灰斗的38%提高到95%。

(2)

3 正交实验结果分析

按照正交实验思路设计的正交实验表，然后按正交表建立模型，得到不同优化方案下省煤器灰斗对>90 μm飞灰颗粒的捕集效率的模拟结果见表2。

3.1 一般计算分析

对表2中的数据进行位级和极差计算，位级ki为同一因素下第i水平实验结果的平均值，R为同一因素下k1、k2、k3中的最大值减去最小值。位级和极差的计算结果见表3。

表3 位级ki及极差R计算

由于极差的大小表征的对应因素对评价指标的影响大小，极差大，通常可以认为该因素水平的变化对评价指标影响较大，为影响评价指标的主要因素，而从表3中可以看出，RD

B→A×B、B×C、C→A→A×C→D

由于B，AB、BC和C是影响最后实验结果的重要因素，所以这是选取水平组合的主要参考依据。

对于单个因素，根据表3的计算结果，作出同一因素某一位级ki下模拟结果与各因素的关系见图4。从位级的角度看，在同一因素下，ki越大，说明在该i水平下，评价指标相对越好。从图4可以看出，因素B下的k3为位级的最大值，所以因素B选取水平三。

图4 数值模拟结果与各因素关系图

对于A×B，主要考虑的是因素A和B不同的搭配方式对实验结果的影响。因素A和B的9种搭配方式及实验结果的平均位级见表4。从表中可以看出，选取A1B3的搭配时的实验效果最好。同理，可以得出B，C的最佳组合为B3C1。另外，因素D应选取水平二，此时，所得到的较好的实验组合为A1B3C1D2，而这个组合并未进行数值模拟，因此需要将其与表2中的第7组实验进行比较实验，该组合的模拟结果为95.3%，与第7组的结果相差不大，也证明了因素D对实验结果影响很小。

表4 交互作用下平均位级计算

同时需要指出的是，用极差作为划分因素重要程度的依据是相对的。极差受位级量的影响是很大的，对于不同的位级取值范围，极差值也是不同的。

3.2 方差分析

在一般计算分析中，由于存在交互作用的因素占到位级计算表中的两列，无法直观分辨出交互作用的影响大小，故需采用方差分析对正交实验结果进行研究。根据表2的实验结果和方差公式计算所得的各因子的F值，见表5。

查F分布表分别得：

F0.9(2，6)=3.46，F0.95(2，6)=5.14

F0.975(2，6)=7.26，F0.99(2，6)=10.93

将各个因素的F值与F分布表查得的值进行比较后发现，只有B因素的F值大于F0.99(2，6)，即有99%以上的置信度可以认为B因素对实验结果有非常显著的影响。同理，A×B的F值大于F0.95(2，6)，B×C和C因素的F值大于F0.9(2，6)，而其余几个因素的F值均小于F0.9(2，6)，为显著影响因素，这与一般计算分析得出的结果相同。表征因素显著性的指标P值也同样反映了这一点。

根据方差分析的结果，可以确定得出以下结论：撞击分离片的安装角度α对实验结果有很显著的影响，从安装角度α的位级值可以看出，安装角度α选取水平三即30°较好；长度L和安装角度α之间以及安装角度α和间距P之间确实存在交互作用，且交互作用对飞灰捕集效果的影响要比单个因素间距P和长度L明显；根据上述分析结果，认为最佳的组合安排为A1B3C1D2，与一般计算分析得出的结果相同。

3.3 实验验证

根据上述研究，按照某600 MW燃煤电站省煤器烟道的结构，缩小比例搭建了冷态实验台，采用电厂原灰作为实验物料，按照“自模化区”理论设计实验，对以上正交实验方案进行物理实验，得到结果为：按照方案7加装隔舱和撞击分离器后，省煤器灰斗对原灰的捕集率从8.55%提高到了19.55%，对>90 μm的飞灰捕集率从32.87%提高到了80.59%。

4 结论

本文采用正交实验法和数值模拟相结合的研究方法，对在省煤器灰斗内部加装隔舱和撞击分离器来提高灰斗对>90 μm的飞灰颗粒捕集效率的方案进行研究，得到结论如下：

(1)采用加装隔舱和撞击分离器的方案能够有效提升省煤器灰斗的飞灰捕集效率，对原灰的捕集效率约能提高2.29倍，对>90 μm的飞灰颗粒捕集效率约能提高2.45倍。

(2)采用正交实验法和数值模拟的分析结果，最优的隔舱和撞击分离器的结构参数如下：长度L选0.08Lk，角度α选30°，间距P选0.10Lk，距离D选0.15Lk。

(3)根据正交实验法的一般计算和方差分析可知，在4个因素中：角度α是对飞灰捕集效率影响显著的因素，长度L也起到了重要作用，这说明了撞击分离器是提高飞灰捕集效率的关键部件，能够决定气流在灰斗中的流向及流程。

[1]王立平,陈俊.中国雾霾污染的社会经济影响因素——基于空间面板数据EBA模型实证研究 [J].环境科学学报, 2016, 36(10): 3833-3839.

[2]姜烨,张涌新,吴卫红,等.用于选择性催化还原烟气脱硝的V2O5/TiO2催化剂钾中毒动力学研究 [J]. 中国电机工程学报, 2014, 34(23): 3899-3906.

[3]程永新.600 MW燃煤电厂超低排放技改方案及应用[J]. 电力科学与工程, 2016, 32(7): 73-78.

[4]张烨,徐晓亮,缪明烽,等. SCR脱硝催化剂失活机理研究进展[J].能源环境保护, 2011, 25(4): 14-18.

[5]张舰.选择性催化还原脱硝催化剂失活研究综述[J].现代工业经济和信息化, 2015, 102(18): 53-54.

[6]周屈兰,窦文宇,徐通模,等.大容量锅炉灰斗分离特性的实验研究[J].动力工程, 1999, 19(1):6-8.

[7]汪洋,胡永锋.燃煤电站 SCR 脱硝系统预防大颗粒灰堵塞方法[J].电力科技与环保, 2012, 28(2):17-19.

[8]刘毅,张千,陈鸿伟，等. 基于冷态模型提高省煤器出口飞灰捕集效率的实验研究[J].华北电力大学学报(自然科学版), 2017, 44(4):92-99.

[9]张国瑞.省煤器灰斗结构对电站煤粉锅炉烟气的预除尘性能研究[D].北京:北京交通大学,2011.

[10]王远鑫.一种新型省煤器灰斗捕灰过程试验研究与数值模拟[D].北京:华北电力大学,2016.

[11]张里千.正交法与应用数学[M].北京:科学出版社,2009.

[12]罗敏.电站燃煤锅炉省煤器出口飞灰捕集装置的实验研究与数值模拟[D].北京:华北电力大学,2016.

[13]孙建朝. 大中型火力发电厂省煤器输灰系统设计与应用[J].华电技术, 2015, 37(10):5-6.

The Optimization Design of Economizer Hopper to Improve the Fly Ash Particle Capture Performance Based on Orthogonal Experiment

ZHANG Qian1， XU Wenliang2， YANG Xin2

(1.Shenhua Guohua(Beijing) Electric Power Research Institute Co. Ltd., Beijing 100016，China；2.School of Energy Power and Mechanical Engineering，North China Electric Power University，Baoding 071003，China)

In order to study the trapping efficiency against the fly ash with its ash diameter bigger than 90 μm in the impact separator and compartment in the economizer hopper, the orthogonal test combined numerical simulation method was adapted to study the effects of different parameters combination. The experimental results show that scheme 7 can effectively improve the trapping efficiency against the fly ash of economizer hopper. The trapping efficiency of fly ash particle collection is improved by about 2.29 times, while the trapping efficiency of fly ash particle collection with its diameter bigger than 90 μm is increased by about 2.45 times. By means of orthogonal experiment and numerical simulation, the optimal combination of the structural parameters of the impact separator and compartment is A1B3C1D2. The angleαis a significant factor affecting the fly ash trapping efficiency, and the lengthLalso plays an important role. The findings above show that the key component to improve the trapping efficiency against fly ash is the impact separator, which can determine the flow direction and process in the hopper.

orthogonal experiment;economizer hopper; capture of fly ash

2017-08-29。

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2017.12.008

X701

A

1672-0792(2017)12-0044-06

张千(1975 -)，男，工程师，研究方向为电站污染物控制。