胡 斌 周 磊 孫宗康 梁 財(cái) 楊林軍

(東南大學(xué)能源熱轉(zhuǎn)換及其過程測控教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南京 210096)

煙氣溫濕度對電除塵脫除細(xì)顆粒的影響

胡 斌 周 磊 孫宗康 梁 財(cái) 楊林軍

(東南大學(xué)能源熱轉(zhuǎn)換及其過程測控教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南京 210096)

采用搭建的350 m3/h燃煤熱態(tài)實(shí)驗(yàn)平臺,測量電除塵出口不同粒徑細(xì)顆物脫除效率,考察噴霧降溫對電除塵放電特性、煙氣酸露點(diǎn)、粉塵比電阻及除塵效率的影響．結(jié)果表明:當(dāng)煙氣溫度由130 ℃降低到90 ℃,相對濕度由6%提高到12%時,電除塵擊穿電壓升高,粉塵比電阻降低;同時煙氣酸露點(diǎn)溫度隨著相對濕度增加而提高;電除塵質(zhì)量脫除效率變化不明顯,但在0.1～1.0 μm區(qū)間的顆粒數(shù)量脫除效率可提高10%;根據(jù)低低溫電除塵運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)可知,噴水降溫到煙氣酸露點(diǎn)以下,合理控制煙氣灰硫比可避免產(chǎn)生煙道腐蝕．

電除塵;噴霧調(diào)質(zhì);脫除效率;PM2.5

隨著我國環(huán)保要求的提高,火電廠排放的污染物的治理工作將更加深入．我國80%火電廠以煤炭為燃料,煤燃燒過程中會產(chǎn)生各種氣態(tài)污染物和顆粒物,這些污染物是我國大氣污染的重要來源,細(xì)顆粒物是導(dǎo)致我國各大城市霧霾天氣的重要原因[1]．因此,控制燃煤電站細(xì)顆粒物排放十分必要．我國目前實(shí)施最新的《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB13223—2011)要求燃煤電站煙塵排放濃度限值為30 mg/m3,重點(diǎn)區(qū)域降低至20 mg/m3[2];另外,2014年9月國家正式頒布《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計(jì)劃(2014—2020)》，明確提出了現(xiàn)役和新建燃煤機(jī)組煙塵排放均要達(dá)到燃?xì)鈽?biāo)準(zhǔn),即煙塵排放濃度小于5 mg/m3[3]．

靜電除塵器(electrostatic precipitator,ESP)以其耗能少、除塵效率高、處理煙氣量大、適用范圍廣、自動化程度高以及運(yùn)行穩(wěn)定可靠等諸多優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于火力發(fā)電站,其對燃煤煙氣中粗顆粒的收集效率可達(dá)99.9%以上,但其對PM2.5以下的細(xì)顆粒的捕集效率卻不高,已經(jīng)成為制約燃煤鍋爐達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)的重要因素[4-5]．在靜電除塵器領(lǐng)域,煙氣調(diào)質(zhì)因技術(shù)投資小,占地面積小,運(yùn)行費(fèi)用低,成為提高電除塵器性能經(jīng)濟(jì)有效的方法之一．目前常用煙氣調(diào)質(zhì)物質(zhì)有水、SO3、氨、三乙胺和其他一些具有特殊性質(zhì)的化合物．應(yīng)用比較廣泛的SO3調(diào)質(zhì)會產(chǎn)生排放和設(shè)備腐蝕等問題;氨調(diào)質(zhì)只對堿性飛灰有效,對其他飛灰效果較差．在電除塵前煙道進(jìn)行噴水調(diào)質(zhì),可以降低煙氣溫度并且提高煙氣濕度,在煙氣酸露點(diǎn)高于110 ℃時,能實(shí)現(xiàn)低低溫電除塵的作用[6-8]．

目前關(guān)于電除塵噴水調(diào)質(zhì)的研究大多以工程實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)為主,噴水調(diào)質(zhì)對顆粒脫除效率的增強(qiáng)機(jī)理目前還不完全清晰,而且水蒸氣在電場中作用復(fù)雜,其在電場中受到濃度及電場場強(qiáng)的影響,在低溫高濕條件下水蒸氣冷凝在飛灰表面,液滴對電荷的吸收可以阻礙電場對顆粒物的場致荷電．同時水分子易受電場作用自身分解成帶電自由基(5 eV),因此隨著濕度的增大電場中電荷密度增大,使0.1～1.0 μm 細(xì)顆粒擴(kuò)散荷電效果增加．此外,兩極板間充滿的水分子改變了空氣介質(zhì)的電阻,對擊穿電壓造成影響.本文結(jié)合目前廣泛應(yīng)用脫硫廢水煙道蒸發(fā)技術(shù)的工程背景[9],把脫硫廢水噴入電除塵前煙道,利用煙道余熱實(shí)現(xiàn)脫硫廢水零排放,進(jìn)一步研究通過脫硫廢水蒸發(fā)過程對電除塵性能的影響規(guī)律．

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)及材料

試驗(yàn)裝置主要由全自動燃煤鍋爐、緩沖罐、蒸發(fā)室、換熱器、電除塵器、濕法煙氣脫硫塔等組成(見圖1),額定煙氣量為350 m3/h,燃煤鍋爐產(chǎn)生的煙氣依次經(jīng)緩沖罐、蒸發(fā)室、換熱器、靜電除塵器,進(jìn)入脫硫塔后經(jīng)引風(fēng)機(jī)排出．根據(jù)試驗(yàn)要求添加細(xì)顆粒、SO3到緩沖罐內(nèi),緩沖罐溫度保持在350 ℃;蒸發(fā)室內(nèi)布置雙流體霧化噴嘴,霧滴與煙氣逆流接觸;電除塵入口布置換熱器用于調(diào)節(jié)電除塵入口煙氣溫度;試驗(yàn)電除塵為極板式電除塵,極間距為300 mm, 工作電壓為-40 kV;采用石灰石石膏法脫硫,脫硫塔為噴淋塔,設(shè)置3級噴淋,脫硫塔內(nèi)設(shè)有螺旋噴嘴,其出口處安裝絲網(wǎng)除霧器．

試驗(yàn)用煤為無煙煤, 其工業(yè)分析和元素分析見表1．

圖1 試驗(yàn)示意圖

1.2 試驗(yàn)過程

改變蒸發(fā)室內(nèi)噴入的水量,控制入口氣體相對濕度范圍為6%～12%,通過氣溶膠發(fā)生器及SO3發(fā)生裝置調(diào)節(jié)煙氣中粉塵和SO3濃度,通過換熱器調(diào)節(jié)煙氣溫度為90～130 ℃.根據(jù)相關(guān)研究表明,電除塵負(fù)電暈放電特性優(yōu)于正電暈,故電除塵運(yùn)行電壓設(shè)定為-40 kV,煙氣在其中停留時間為1 s．實(shí)驗(yàn)連續(xù)進(jìn)行8 h,所有數(shù)據(jù)均為同一時段內(nèi)多次試驗(yàn)結(jié)果的平均值．

1.3 測試儀器及方法

煙氣總塵濃度利用WJ-60B型皮托管平行全自動煙塵采樣器等速采樣得到;煙氣溫濕度采用芬蘭Vaisala公司生產(chǎn)的HMT337型溫濕度變送器測量．采用芬蘭Dekati公司生產(chǎn)的電稱低壓沖擊器(electrical low pressure impactor,ELPI)在線測量細(xì)顆粒物濃度、粒徑分布和電除塵出口細(xì)顆粒荷電量．

由ELPI 測量的各級電流量可計(jì)算得到每一級顆粒的數(shù)濃度,即

(1)

式中,Q為采樣流量(9.89 L/min);e為元電荷電量(1.6×10-19C);n為顆粒平均荷電數(shù)目(個元電荷);I為顆粒在荷電器中的穿透率;P為系數(shù),與顆粒粒徑有關(guān)．當(dāng)?shù)玫礁骷壛椒秶鷥?nèi)顆粒的數(shù)濃度后,可以關(guān)閉ELPI自帶的荷電器,此時各級靜電計(jì)測量的微電流即為顆?？偤呻娏?由下式可得出各級粉塵顆粒的實(shí)際荷電量:

(2)

式中,Ii為第i級電流;Ni為第i級顆粒數(shù)濃度．對比ELPI每一級測量前后的數(shù)值變化,可確定每一級的脫除效率ηi為

(3)

式中,na，i,nb，i分別為第i級電除塵入口、出口數(shù)量濃度．

2 結(jié)果與討論

2.1 溫濕度對電除塵放電特性的影響

不同溫度和濕度會影響除塵器的電暈放電,進(jìn)而影響顆粒在電除塵器中的荷電特性和脫除效率．圖2為不同煙氣溫度和濕度電除塵的放電特性,結(jié)果表明，煙氣溫度和濕度對電除塵的放電特性均有影響. 由RH=6%,T=90, 110, 130 ℃時的放電曲線可見,相同濕度下,溫度越低,電暈電流越大,擊穿電壓越大;由RH=6%,12%,T=90 ℃的放電曲線可見,相同溫度下,濕度增加,電暈電流增加,擊穿電壓相應(yīng)增加．而,煙氣含水率、兩極板間增加的水分子降低了極板間空氣介質(zhì)的絕緣特性,導(dǎo)致相同電壓下電流隨含水率的增加而增加,有利于顆粒的荷電和除塵效率的提高,同時黏附在粉塵表面的水蒸氣分子薄膜又改善了粉塵的導(dǎo)電性能,使粉塵比電阻降低,從而提高了電除塵器的除塵效率[10]．下列經(jīng)驗(yàn)公式提供了不同溫度下?lián)舸╇妷旱挠?jì)算方法:

(4)

式中,Ub為擊穿電壓;U0為273 K下的擊穿電壓;Tt為煙氣溫度,℃;T0=273 K.

圖3為根據(jù)式(4)計(jì)算得到的擊穿電壓和溫度的關(guān)系圖．由圖可知,電除塵的擊穿電壓與溫度成反比,溫度每降低10 ℃,電場擊穿電壓將上升3%．主要原因是煙氣溫度的提高,煙氣密度減小,帶電粒子與中性氣體分子碰撞率減小,使離子有效遷移率增大,電暈電流增大，擊穿電壓減小.電壓一定時，電暈極附近的空間電荷密度減小,更容易達(dá)到火花放電,使擊穿電壓降低,對電除塵器的運(yùn)行不利．目前電除塵入口煙氣溫度一般在130～150 ℃之間,通過在電除塵前噴水,使煙氣溫度降低,提高電除塵的擊穿電壓,有利于顆粒的荷電,提高電除塵的效率．

圖2 不同溫濕度下電除塵放電特性

圖3 擊穿電壓和溫度的關(guān)系

2.2 溫濕度對煙氣酸露點(diǎn)的影響

酸露點(diǎn)是影響鍋爐運(yùn)行的重要參數(shù),噴水降溫過程中會引起煙氣酸露點(diǎn)的變化.國內(nèi)外對煙氣酸露點(diǎn)的研究很多,穆勒曲線、Halstead曲線、Okkes公式等都根據(jù)煙氣中H2SO4蒸汽含量給出了酸露點(diǎn).其中，Okkes公式同時考慮了水蒸氣和H2SO4蒸汽的含量,準(zhǔn)確性和應(yīng)用性均較好[11]．本文根據(jù)Okkes公式計(jì)算酸露點(diǎn)與煙氣中水蒸氣、硫酸蒸汽含量的關(guān)系,結(jié)果如圖4所示．由圖可知,在H2SO4蒸汽濃度為20 mg/m3,煙氣RH為6%時,煙氣酸露點(diǎn)約為122 ℃,并且煙氣的酸露點(diǎn)隨著煙氣中水蒸氣、H2SO4蒸汽濃度的增加而提高．噴水降溫提高了煙氣的相對濕度，也提高了煙氣酸露點(diǎn),從而有產(chǎn)生腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)．三菱重工的試驗(yàn)研究表明[12-13]:當(dāng)煙氣中灰硫比大于10時,霧狀SO3會完全吸附或附著在煙氣中的粉塵上,并不會造成設(shè)備的腐蝕．所以采用噴水降溫方式,溫度降低到酸露點(diǎn)以下,只要灰硫比大于10，就不會產(chǎn)生腐蝕.目前燃煤電站電除塵前灰硫比遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于10[14],因此,噴霧調(diào)質(zhì)不會產(chǎn)生腐蝕．

圖4 酸露點(diǎn)與水蒸氣、H2SO4蒸汽含量的關(guān)系

2.3 溫濕度對粉塵比電阻的影響

煙氣中飛灰的總比電阻ρ包括體積比電阻ρv、表面比電阻ρs以及酸比電阻ρa(bǔ)．體積比電阻是粉塵的固有比電阻,飛灰體積比電阻由化學(xué)成分決定;粉塵表面比電阻由粉塵表面性質(zhì)和水分決定;粉塵的酸比電阻由煙氣中三氧化硫決定;現(xiàn)場比電阻ρvs由ρv,ρs復(fù)合而成[15-16],即

圖5為粉塵比電阻與溫度的關(guān)系,其中虛線為根據(jù)Bickelhaupt經(jīng)驗(yàn)公式[17]計(jì)算得到的理論值,實(shí)線為實(shí)際測量的飛灰比電阻．由圖可知,理論計(jì)算和實(shí)際測量過程中煙氣飛灰的比電阻在150～180 ℃時出現(xiàn)極大值,分別為1.8×1011和1.3×1011Ω·cm．由此可知，溫度是影響飛灰比電阻的重要因素,在低溫時,飛灰表面比電阻起主導(dǎo)作用,隨著溫度的升高,飛灰表面吸附物和水蒸氣等物質(zhì)減少,而使飛灰的比電阻增加;在高溫時,飛灰體積比電阻起主導(dǎo)作用,隨著溫度的升高,飛灰中質(zhì)點(diǎn)的能量增加,導(dǎo)電性能增強(qiáng),而使比電阻降低[15]．實(shí)驗(yàn)測量的比電阻低于計(jì)算得到的比電阻,主要原因是，經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算時沒有考慮飛灰的酸比電阻,當(dāng)煙氣溫度低于酸露點(diǎn)時,煙氣中的SO3會凝結(jié)吸附在飛灰表面,使飛灰的比電阻降低[12,18]．同時,煙氣的濕度對于飛灰的比電阻也有重要的影響．

圖5 粉塵比電阻與溫度的關(guān)系

圖6為飛灰比電阻與煙氣相對濕度的關(guān)系,可此可見,隨著煙氣濕度的提高,粉塵的比電阻明顯降低．主要是因?yàn)闊煔庵械乃魵夥肿羽じ皆诜蹓m表面,改善了粉塵的導(dǎo)電性能,降低了粉塵的比電阻．

圖6 粉塵比電阻與相對濕度的關(guān)系

2.4 溫濕度對電除塵性能及粉塵荷電的影響

圖7為電除塵工作電壓-40 kV,SO3濃度為40 mg/m3時,ELPI+測得的不同溫濕度下電除塵出口PM10的數(shù)量濃度．由圖6的結(jié)果可知,當(dāng)相對濕度為12%,溫度為90 ℃時,電除塵出口PM10的數(shù)量濃度約為2.38×105/cm3;當(dāng)相對濕度為6%,溫度為130 ℃時,電除塵出口PM10的數(shù)量濃度約為3.15×105/cm3．分析其原因:① 溫度和濕度的改變影響電除塵的放電性能和飛灰的比電阻,提高了電除塵的脫除效率;② 通過噴水降溫使煙氣溫度降低到酸露點(diǎn)以下,煙氣中的部分SO3會冷凝在飛灰表面,降低飛灰比電阻,同時溫度降低,導(dǎo)致煙氣流經(jīng)電除塵的速度降低,增加煙氣在電除塵中的停留時間,從而實(shí)現(xiàn)了低低溫電除塵的作用;③ 液滴在顆粒之間形成液橋力,顆粒間的液滴蒸發(fā)后,液橋力轉(zhuǎn)變?yōu)楣虡蛄?顆粒發(fā)生團(tuán)聚;④ 煙氣濕度增加、溫度降低,均會降低電除塵出口PM10數(shù)量濃度．

圖7 不同溫濕度下電除塵出口PM10數(shù)量濃度

圖8為電除塵工作電壓-40 kV,SO3濃度為40 mg/m3時得到的不同溫濕度下電除塵PM2.5,PM10和總塵的脫除效率．對比圖6得到的結(jié)果可知,當(dāng)RH=6%,T=130 ℃時,PM2.5,PM10和總塵的脫除效率分別為62%,82%,91.5%;當(dāng)RH=12%,T=90 ℃時,PM2.5,PM10和總塵的脫除效率分別為63.2%,85.2%,96.7%．煙氣溫度和濕度變化,電除塵質(zhì)量脫除效率提高不明顯,特別是小于PM10的顆粒,脫除效率變化為3%～5%．電除塵總體的脫除效率一般比較高,但是對于PM10和PM2.5的脫除效率不高,提高電除塵對這部分顆粒的脫除效率對于控制顆粒的排放有重要的意義．圖8為不同溫濕度下電除塵出口的分級脫除效率,在0.1～1.0 μm粒徑段脫除效率較低．主要原因是粒徑小于0.1 μm 的顆粒主要以擴(kuò)散荷電為主,粒徑大于1 μm 的顆粒以場致荷電為主.2種荷電機(jī)制都會使顆粒帶上足夠的電量,但對于0.1～1.0 μm的顆粒2種荷電機(jī)制作用效果最弱,表現(xiàn)為電除塵存在0.1～1.0 μm的脫除效率穿透窗口．對比圖8中不同溫度下的分級脫除效率可知,溫度降低會提高穿透窗口的脫除效率,這是由于溫度降低使得煙氣流速降低,煙氣在電除塵的提留時間增加,有利于細(xì)顆粒被陽極板捕集;同時溫度降低到酸露點(diǎn)以下,煙氣中的SO3吸附冷凝在飛灰表面,降低了細(xì)顆粒的比電阻[18]．對比圖9中不同濕度得到的結(jié)果可知,提高濕度可以提高0.1～1.0 μm細(xì)顆粒脫除效率．主要原因是電荷密度隨相對濕度增大而增大,且電荷密度的增加比較顯著,電荷密度的增加會使顆粒荷電量增加．圖10為不同溫濕度下不同粒徑顆粒的平均荷電量,結(jié)果表明:溫濕度對于是粒徑大于1.0 μm的顆粒荷電量影響不明顯,粒徑大于1.0 μm的顆粒主要以場致荷電為主,場致荷電主要是在外電場的作用下使顆粒荷電,取決于外電場的強(qiáng)度,顆粒的荷電量一般大于100 C;粒徑小于1.0 μm的顆粒主要以擴(kuò)散荷電為主,而擴(kuò)散荷電是由于帶電離子的熱運(yùn)動引起的顆粒荷電,顆粒的荷電量通常小于100 C.煙氣的溫度和濕度變化對帶電離子的熱運(yùn)動影響較大,所以煙氣溫度和濕度對于粒徑小于1.0 μm的顆粒的荷電量影響比較明顯．

圖8 不同溫濕度下電除塵PM2.5、PM10、總塵質(zhì)量脫除效率

圖9 不同溫濕度下電除塵數(shù)量分級脫除效率

圖10 不同溫濕度下顆粒的平均荷電量

3 結(jié)論

1) 降低煙氣溫度,提高煙氣相對濕度,會提高電除塵擊穿電壓;溫度每降低10 ℃,電場擊穿電壓將上升3%,擊穿電壓的提高有利于細(xì)顆粒物的荷電,可提高電除塵器的除塵效率．

2) 煙氣相對濕度的提高,會提高煙氣酸露點(diǎn)溫度．采用噴水降溫方式,在燃料為高硫煤的情況下,溫度降低到酸露點(diǎn)以下,控制合理灰硫比不會產(chǎn)生腐蝕,而起到低低溫電除塵的效果.

3) 煙氣溫度和濕度變化,電除塵質(zhì)量脫除效率的提高不明顯,特別是PM10以下的顆粒,脫除效率變化為3%～5%,但電除塵出口0.1～1.0 μm粒徑的細(xì)顆粒數(shù)量脫除效率變化為10%,說明煙氣溫度的降低和相對濕度的提高有利于降低電除塵出口0.1～ 1.0 μm粒徑細(xì)顆粒的排放．

4) 煙氣溫度和濕度變化,對于粒徑大于1.0 μm的顆粒荷電量影響不明顯,但對于粒徑小于1.0 μm 的顆粒荷電量影響比較明顯,主要是由于不同的荷電機(jī)制決定的,這對電除塵脫除亞微米細(xì)顆粒有著重要的意義．

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Effectsoftemperatureandhumidityonelectrostaticprecipitatorremovaloffineparticles

Hu Bin Zhou Lei Sun Zongkang Liang Cai Yang Linjun

(Key Laboratory of Energy Thermal Conversion and Control of Ministry of Education, Southeast University, Nanjing 210096, China)

Coal-fired thermal state experimental platform with 350 m3/h was designed, the grade removal efficiencies of different fine particles at the electrostatic precipitator (ESP) outlet were measured. ESP discharge characteristics, flue gas acid dew point, dust resistivity, and dust removal efficiency were investigated with different flue gas temperatures and humidities. The results show that the ESP breakdown voltage raises and the dust resistivity reduces, when the flue gas temperature reduces from 130 ℃ to 90 ℃ and the relative humidity improves from 6% to 12%. Meanwhile, the acid dew point also increases. The ESP dust removal efficiency is not obviously improved, but the removal efficiencies (defined as through the window number) of particles from 0.1 μm to 1.0 μm are increased by 10%. When spaying the water droplet, the control of the flue gas ash and sulfur ratio can avoid the corrosion in the flue gas.

electrostatic precipitator;spray conditioning;removal efficiency;PM2.5

10.3969/j.issn.1001-0505.2017.06.011

X701.2

A

1001-0505(2017)06-1148-06

2017-04-18.

胡斌(1988—)，男，博士生；楊林軍(聯(lián)系人)，男，博士，教授,博士生導(dǎo)師，ylj@seu.edu.cn.

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2013CB228505)、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目(2016YFC0203700).

胡斌，周磊，孫宗康，等.煙氣溫濕度對電除塵脫除細(xì)顆粒的影響[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2017,47(6):1148-1153.

10.3969/j.issn.1001-0505.2017.06.011.