齊立強, 原永濤, 史亞微

(華北電力大學 環(huán)境科學與工程學院,保定 071003)

我國屬于重度煤煙型污染國家,而且以煤電為主的能源結(jié)構(gòu)近年不會改變.當前,我國燃煤電廠主要采用電除塵器的除塵方式,但電除塵器難以達到除塵排放要求,其主要原因是對微細顆粒收集效率低[1].近年來,中國西部地區(qū)一些電廠相繼燃用了準格爾煤等低硫煤,電除塵器的除塵效率明顯下降,顆粒物的排放常常難以達標.實際測量與分析表明:從燃煤電廠電除塵器內(nèi)逃逸的飛灰絕大部分是2.5 μm以下的微細顆粒.這部分微細顆粒不僅是制約電除塵器效率的關(guān)鍵因素,也是我國環(huán)境空氣質(zhì)量的重要控制指標,對人類健康造成極大危害,是導致人類死亡率上升的主要原因之一,同時,它也是導致大氣能見度降低、酸雨、全球氣候變化以及臭氧層破壞等災害性事件的重要因素[2].因此,燃煤鍋爐微細顆粒的排放已成為我國需亟待解決的問題.

為了提高微細粉塵的電除塵效率,國內(nèi)外部分燃煤電廠采用了SO3煙氣調(diào)質(zhì)的方法.以內(nèi)蒙古某電廠為例,將體積分數(shù)控制在10×10-6～17×10-6的SO3噴入煙氣中進行調(diào)質(zhì)后,電除塵器的效率可得到大幅度提高,煙氣的排放質(zhì)量濃度由原來的400 m g/m3降低到 50 mg/m3,除塵效率可達99.6%以上,效果十分明顯[3-4].可見,煙氣中的SO3對改善粉塵的電除塵特性有一定的影響.筆者采用BDL粉塵比電阻測定儀、巴柯粒度分析儀以及COULTERTM SA 3100 TM比表面積分析儀對調(diào)質(zhì)前后的飛灰比電阻、粒徑分布以及比表面積進行了分析,并研究了煙氣中的SO3對微細顆粒物電除塵性能的影響.

1 SO3對煙氣中顆粒物導電性能的影響

飛灰比電阻是衡量粉塵導電性能的指標,其值過高或過低均會導致除塵效率下降.

1.1 飛灰的導電機理

飛灰由大量微細顆粒組成,具有比通常的密實性固體大得多的比表面積,因此灰層的導電不僅取決于顆粒的體積,也取決于顆粒的表面特性.通常,飛灰導電是沿著顆粒的體積和表面兩條路徑進行的,其中表面導電的電荷是由吸附在顆粒表面的水分和化學膜傳遞的.由于表面的膜與顆粒內(nèi)部的物質(zhì)具有不同的物理和化學性質(zhì),因此粉塵的表面比電阻和體積比電阻的變化規(guī)律也是不同的[5].

為便于分析,筆者把粉塵的表面比電阻和體積比電阻看成由2個并聯(lián)的電阻組成的“等效并聯(lián)電路”.圖1為粉塵的導電機理.

圖1 粉塵的導電機理Fig.1 Conductive mechanism of dust

溫度是飛灰比電阻最敏感的因素之一.圖2給出了粉塵比電阻隨溫度的變化.從圖2可知:表面比電阻隨著溫度的升高急劇增大,當溫度超過100℃時,表面比電阻上升的速度減緩,當溫度達到150℃以上時,表面比電阻不再隨溫度變化.由此可見,表面比電阻的變化特點為:曲線的變化呈單調(diào)上升,且變化發(fā)生在較低的溫度區(qū)域.與之相反,體積比電阻的變化則發(fā)生在較高的溫度區(qū)域,且隨著溫度的升高,呈單調(diào)下降趨勢.在100～200℃為表面比電阻和體積比電阻的過渡區(qū),即稱為合成比電阻.

圖2 粉塵比電阻隨溫度的變化Fig.2 Curves of dust resistivity varying with temperature

綜上所述,當煙氣溫度較低時,煙氣中的水分和化學物質(zhì)能夠溶解于水汽中,在顆粒表面形成液膜,構(gòu)成表面導電通道,從而降低體積比電阻;當煙氣溫度較高時,顆粒內(nèi)部的離子和電子受激活躍,電流傳導作用加強,體積導電占優(yōu)勢.因此,筆者認為煙氣調(diào)質(zhì)對飛灰導電性能的影響研究有兩種途徑:①SO3調(diào)質(zhì)劑在飛灰表面附著形成導電通道;②SO3與飛灰發(fā)生化學反應(因為體積導電主要取決于飛灰的成分和礦物的成分),以改變飛灰的成分達到促使電荷傳導的發(fā)生.

1.2 SO3煙氣調(diào)質(zhì)對飛灰導電性能的影響

SO3是活性很大的強氧化劑,極易吸收水分.相關(guān)研究表明[6]:向煙氣中噴入一定量的SO3可使煙氣中粉塵吸收的水分含量提高約7～8倍.表面導電是由水和其他成分通過在粉塵表面形成的低電阻通徑實現(xiàn)的,因此粉塵吸收的水分含量增加能夠較大地影響飛灰的合成比電阻.

內(nèi)蒙古某電廠的鍋爐為亞臨界HG-2008/17.4-YM 5鍋爐,設計燃料為準格爾煤,表1為該煤種的工業(yè)和元素分析.當機組電負荷為600MW(即額定工況)時,鍋爐的額定蒸發(fā)量為1 757 t/h.在額定工況下,其除塵系統(tǒng)在采用SO3煙氣調(diào)質(zhì)裝置后除塵效率由原來的96.7%提高到99.6%以上,效果十分顯著.在上述工況下,筆者利用BDL便攜式粉塵比電阻現(xiàn)場測定儀分別對調(diào)質(zhì)前后的電除塵器飛灰比電阻進行了現(xiàn)場實測.表2給出了額定工況下的飛灰比電阻.在表2中,筆者將現(xiàn)場測量點選擇為電除塵器入口煙道的預留測孔,同時在相同位置進行了等速采樣,并對采集到的入口飛灰在試驗室進行粒度和比表面積分析.從表 2可知:當測量電壓為1 000 V時,在鍋爐額定工況下未經(jīng)SO3調(diào)質(zhì)的飛灰比電阻為2.0×1013Ω?cm,經(jīng)過SO3調(diào)質(zhì)后的飛灰比電阻為3.43×1011Ω?cm.在鍋爐額定工況下,經(jīng)調(diào)質(zhì)后飛灰的比電阻比調(diào)質(zhì)前約降低2個數(shù)量級,調(diào)質(zhì)效果比較明顯,使飛灰的比電阻接近電除塵器最適合的粉塵比電阻范圍[7],有效地提高了電除塵器的除塵效率,達到了在煙氣中噴入一定量的SO3可以降低額定工況下飛灰比電阻的預期目的.

表1 準格爾煤的工業(yè)和元素分析Tab.1 Proximate and ultimate analysis of Zhungeer coal

表2 額定工況下的飛灰合成比電阻Tab.2 Resistivity of fly ash under rated conditions

2 SO3對煙氣中顆粒物吸濕性能的影響

粉塵的吸濕性是指粉塵從周圍空氣中吸收水分的能力.筆者對內(nèi)蒙某電廠煙氣調(diào)質(zhì)前后采集的灰樣進行了現(xiàn)場烘干,分析了SO3對煙氣中顆粒物吸濕性能的影響.根據(jù)GB/T 16913.6—1997《粉塵物理試驗方法》第6部分吸濕性的測定——吸濕率法,將室溫下正常存放的粉塵稱重后,在6個量杯中撒鋪薄層(1 mm左右),置于保濕器中(即底部放有20%硫酸的干燥器),并用凡士林密封保濕器.在保濕器中封存24 h后,再次稱重,粉塵的增重即為其在該時間內(nèi)從周圍空氣中吸收的水分質(zhì)量,吸收的水分質(zhì)量與干燥粉塵本身質(zhì)量之比為粉塵的吸濕性.表3為調(diào)質(zhì)前后的飛灰吸濕性能.

表3 調(diào)質(zhì)前后飛灰的吸濕性能Tab.3 Hygroscopic property of fly ash before and after flue gas conditioning %

從表3中的試驗結(jié)果可以看出:調(diào)質(zhì)后粉塵的吸濕性明顯增大,這主要由于SO3氣體易溶于液膜中,能有效降低液膜的表面張力,使粉塵吸濕性增大,顆粒間黏附性相應提高,因而減少了二次飛揚.

3 SO3對煙氣中顆粒物團聚性能的影響

黏附是指粉料顆粒與顆粒之間的相互黏結(jié),或顆粒與其他固體表面之間黏結(jié)的現(xiàn)象.黏附力是飛灰的一項重要物理特性,被廣泛應用于科學研究和工業(yè)生產(chǎn)中.以燃煤電廠為例,高黏附性飛灰會給鍋爐的各受熱面、引風機葉片以及電除塵器的陽極板和陰極線造成困難,直接影響這些設備的高效安全運行,一些高壓電器的黏灰還常會引起表面爬電故障.但是,黏附力也有其有益之處,如高黏附力可以使細小顆粒相互黏附,產(chǎn)生凝結(jié),形成較大的顆粒,有利于收塵;具有一定黏附性的飛灰,在電除塵器高壓電場的作用下有助于在陽極板上黏結(jié)成灰層,可避免在振打清灰時灰層散落,從而減少了飛灰的二次飛揚.

飛灰屬于中等偏低黏附性的粉料,這是由于水的表面張力較高,不易被煙氣中的水潤濕.若在水中加入表面活性劑,就能降低水的表面張力,提高粉塵的潤濕效果,從而改善電除塵器的除塵效率.

3.1 SO3對煙氣中顆粒物粒度的影響

在煙氣中,各組分對液膜表面張力的影響不同,其中非極性氣體對表面張力的影響較小,如干空氣、N2、H 2以及He等;而極性氣體對表面張力的影響較大,通常會導致表面張力降低,如水蒸氣、SO2、SO3、NH3以及HCl等在44.8℃時,SO3在氣液界面的表面張力系數(shù)為2.65×10-2N/m,而在同溫度下純水的表面張力系數(shù)的標準值為 6.968×10-2N/m[8].因此,當進行煙氣調(diào)質(zhì)時,SO3氣體易溶解在液膜中,可以有效降低液膜的表面張力,同時也增強了微細顆粒之間以及所形成的硫酸溶液與微細顆粒之間的吸附架橋作用,使得煙氣中微細顆粒相互黏附,凝結(jié)成較粗的顆粒,便于除塵器收集.由此可見,煙氣中的SO3可使飛灰的含水率增大,浸潤性增加,因此飛灰的黏附性也隨之增大,促使飛灰細小顆粒相互黏附,產(chǎn)生凝結(jié),形成較大粒徑的顆粒,有利于除塵.

飛灰粒徑可分為幾何徑和動力徑.考慮到除塵器內(nèi)的粉塵均在懸浮運動的狀態(tài),因此動力徑對除塵器的設計和運行具有實際意義.筆者采用Bahco粒度分析儀來測定顆粒的Stokes動力徑[9],其原理是在高速旋轉(zhuǎn)的圓盤流場的離心力作用下使塵粒甩向旋轉(zhuǎn)圓盤邊緣并繼續(xù)向外周運動,與從離心機下部進口不同隔距片下抽入的空氣相遇,在環(huán)縫處受到反向氣流的摩擦力.根據(jù)力的平衡原理可以推導出:在環(huán)縫處分離出的塵粒的直徑與該處氣流速度的平方根成正比,從而分離出不同粒徑的塵粒,分離的粉塵粒徑越大,所需要的氣流吹動力就越大,對應所選的隔距片就越小.

筆者采用Bahco粒度分析儀對內(nèi)蒙古某電廠飛灰煙氣調(diào)質(zhì)前后粒徑分布進行的研究表明:經(jīng)調(diào)質(zhì)的與未經(jīng)調(diào)質(zhì)的灰樣粒徑分布趨勢相同,調(diào)質(zhì)后灰樣的粒徑大于未調(diào)質(zhì)的灰樣.表4為SO3煙氣調(diào)質(zhì)前后準格爾煤灰的分散度.圖3為SO3煙氣調(diào)質(zhì)前后準格爾煤灰分散度與粒徑的關(guān)系.

表4 SO3煙氣調(diào)質(zhì)前后準格爾煤飛灰的分散度Tab.4 Size distribution of fly ash particles for Zhungeer coal before and after flue gas conditioning

圖3 SO3煙氣調(diào)質(zhì)前后準格爾煤灰分散度與粒徑的關(guān)系Fig.3 Size distribution curves of fly ash particles for Zhungeer coal before and after flue gas conditioning

從表4和圖3可知,調(diào)質(zhì)前后的灰樣粒徑分布有顯著變化:經(jīng)調(diào)質(zhì)后,粒徑小于10μm的煤灰所占比例明顯降低,而粒徑大于10μm的煤灰所占比例均有不同程度的提高.由此可見,SO3煙氣調(diào)質(zhì)可使飛灰中細顆粒所占比例降低.這主要是因為煙氣中的SO3吸收煙氣中的水分,形成液態(tài)H 2 SO4膜后吸附在飛灰顆粒表面,當兩粒子表面之間的液膜相互接觸時,液體的表面張力就會形成“液橋”,將兩黏附體“拉”在一起.這進一步驗證了SO3煙氣調(diào)質(zhì)增加了飛灰的黏附性,尤其是一些細的飛灰顆粒在煙氣中相互碰撞而黏附在一起,或者被吸附在某些較大顆粒表面,增大了顆粒的粒徑,降低了煙氣中細顆粒的濃度,從而改善了電除塵器的除塵性能,提高了除塵效率.

3.2 SO3對煙氣中顆粒物比表面積的影響

比表面積是指每克物質(zhì)中所有顆?？偼獗砻娣e之和.比表面積是衡量物質(zhì)特性的重要參數(shù),其大小與顆粒的粒徑、形狀、表面缺陷及孔結(jié)構(gòu)密切相關(guān).粉體的顆粒粒徑越小,其比表面積就越大.同時,比表面積大小對物質(zhì)的其他許多物理和化學性能會產(chǎn)生很大影響[10-11].

為了進一步驗證煙氣中SO3對顆粒物團聚性能的影響,筆者采用COU LTER SA 3100系列表面積和孔徑分析儀分別對內(nèi)蒙古某電廠調(diào)質(zhì)前后電除塵器一、二、三電場灰斗灰的比表面積進行了測量.該儀器采用氣體吸附法,以氮氣(99.99%)為吸附介質(zhì),這種吸附為可逆吸附.在液氮飽和溫度、一定的相對壓力下,氣體的吸附量與物質(zhì)的表面積成正比,通過調(diào)整氣體的分壓獲得不同的表面吸附量,作出吸附和脫附等溫線,并結(jié)合BET計算模型[12]得到物質(zhì)的比表面積.采用該儀器進行BET法測量比表面積時,其重現(xiàn)性誤差小于2%.表5為調(diào)質(zhì)前后飛灰的比表面積.從表5可知:經(jīng)調(diào)質(zhì)后,飛灰的比表面積均有所減小,并且越往后的電場調(diào)質(zhì)效果越明顯,說明SO3煙氣調(diào)質(zhì)能夠使細小顆粒相互黏附并產(chǎn)生凝結(jié),形成較大的顆粒.電除塵器除塵效率不能達標的主要因素是其對微細顆粒的捕集能力較低[13],但通過SO3煙氣調(diào)質(zhì)可將微細顆粒團聚為較大顆粒,從而改善了電除塵器的性能,除塵效率得到提高.

表5 調(diào)質(zhì)前后飛灰的比表面積Tab.5 Specific area of fly ash particles before and after flue gas conditioning m2?g-1

4 結(jié) 論

(1)適當增加煙氣中SO3能使飛灰的比電阻顯著降低,這主要是由表面比電阻變化引起的,但體積比電阻并未變化.當測量電壓為1 000 V時,未經(jīng)SO3調(diào)質(zhì)的鍋爐額定工況下飛灰比電阻為2.0×1013Ω?cm,而經(jīng)SO3調(diào)質(zhì)的飛灰比電阻為3.43×1011Ω?cm,比未經(jīng)調(diào)質(zhì)時降低了約2個數(shù)量級,效果顯著.

(2)SO3的加入可使飛灰表面張力減小,使其易于吸附煙氣中的水分,從而增大了飛灰顆粒間的毛細黏附力,并使微細顆粒凝結(jié)為較大顆粒.粒度與比表面積試驗測定結(jié)果表明:煙氣中SO3含量的適當增加能提高粉塵的團聚性能,使顆粒粒徑增大,比表面積減小,有利于提高電除塵器的除塵效率.

[1] 齊立強,原永濤,閻維平,等.準格爾煤灰特性對其從電除塵器中逃逸的影響[J].動力工程,2008,28(4):629-632.QI Liqiang,YUAN Yongtao,YAN Weiping,et al.Influence of characteristics of Zhungeer fly ash on its escape from electrostatic precipitators[J].Journal of Power Engineering,2008,28(4):629-632.

[2] 劉建忠,范海燕,周俊虎,等.煤粉爐PM10/PM2.5排放規(guī)律的試驗研究[J].中國電機工程學報,2003,23(1):145-149.LIU Jianzhong,FAN Haiyan,ZHOU Junhu,et al.Experimenta l studies on the emission of PM10and PM2.5from coal-fired boiler[J].Proceedings o f the CSEE,2003,23(1):145-149.

[3] 沈崢,耿紅旗,陳慶.SO3煙氣調(diào)質(zhì)在大型燃煤機組電除塵器上的成功應用[C]//第12屆中國電除塵學術(shù)會論文集.石家莊:中國環(huán)境保護產(chǎn)業(yè)協(xié)會電除塵委員會,2007.

[4] 康國偉,徐向陽.利用SO3煙氣調(diào)質(zhì)提高電除塵器的除塵效率[J].華北電力技術(shù),2009(增刊):32-33.KANG Guow ei,XU Xiangyang.Using SO3flue gas conditioning to raising efficience of electrostatic precipitator[J].North China Electric Power,2009(s1):32-33.

[5] 原永濤.火力發(fā)電廠電除塵技術(shù)[M].北京:化學工業(yè)出版社,2004:47-52.

[6] HARRINGTON D A.Electrochemical impedance of multistep mechanism s:a general theory[J].Journal of Electroanalytical Chemistry,1998,449(3):9-28.

[7] 胡滿銀,高香林,胡志光,等.鍋爐燃燒和運行對電除塵器性能影響的分析與研究[J].中國電機工程學報,1997,17(4):278-281.HU Manyin,GAO Xiang lin,HU Zhiguang,et a l.Study of effect of ESP efficiency with combustion and operation of power boiler[J].Proceedings of the CSEE,1997,17(4):278-281.

[8] ALVAREZ E,BLANCO J,KNAPPA C,et al.Pilot plant performance of a SO2to SO3oxidation catalyst for flue-gas conditioning[J].Catalysis Today,2000,59(6):417-422.

[9] 王錚,華蕾,胡月琪,等.北京市無組織排放源顆粒物的粒度分布[J].中國環(huán)境監(jiān)測,2007,23(12):75-79.WANG Zheng,HUA Lei,HU Yueqi,eta l.Diameter distribution of particles from fugitive emission sources in Beijing[J].Environmental Monitoring in China,2007,23(12):75-79.

[10] SHANTHAKUMAR S,SINGH D N,PHADKE R C.Influence of flue gas conditioning on fly ash characteristics[J].Fuel,2008,87(11):3216-3222.

[11] SHANTHAKUMAR S,SINGH D N,PHADKE R C.Flue gas conditioning for reducing suspended particulate matter from thermal power stations[J].Progress in Energy and Combustion Science,2008,34(6):685-695.

[12] 孫佰仲,周明正,劉洪鵬,等.油頁巖流化燃燒過程中表面特性的變化[J].動力工程,2008,28(2):250-254.SUN Baizhong,ZHOU Mingzheng,LIU Hongpeng,et al.Study on surface characteristics of oil shale during fluidized combustion[J].Journal of Power Engineering,2008,28(2):250-254.

[13] 齊立強,原永濤,閻維平,等.燃煤高鋁飛灰在電除塵器中行為的試驗研究[J].中國電機工程學報,2005,25(17):105-109.QI Liqiang,YUAN Yongtao,YAN Weiping,et al.Experimental study on the behavior of the high-alumina fly ash in electrostatic precipitators[J].Proceedings of the CSEE,2005,25(17):105-109.