沈之旸,鄭成航,劉昕濤,許 希,翁衛(wèi)國,王 毅,高 翔

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高溫?zé)煔忪o電除塵中試試驗研究

沈之旸,鄭成航,劉昕濤,許 希,翁衛(wèi)國,王 毅,高 翔*

(浙江大學(xué),能源清潔利用國家重點實驗室,浙江 杭州 310027)

為了研究在寬間距靜電除塵器內(nèi)部流動的大流量高溫?zé)煔庵蓄w粒物的靜電捕集特性,基于CFB鍋爐中試試驗平臺設(shè)計并搭建了高溫靜電除塵中試裝置.試驗了板間距300mm、最高溫度達到1020K的實際煙氣中顆粒物的靜電捕集特性,獲得了放電電壓、溫度和煙氣流速等關(guān)鍵因素對顆粒物的靜電捕集的影響規(guī)律.實驗結(jié)果表明,高溫靜電除塵器中煙氣流速為0.3m/s,溫度為1020K下達到了82.2%的除塵效率,證實了針對實際高溫?zé)煔?靜電除塵器有較好的顆粒捕集效果.通過對比563K到1020K下的熱態(tài)試驗以及常溫下的冷態(tài)試驗,發(fā)現(xiàn)顆粒捕集效率隨溫度的上升迅速降低,這與高溫下流速的上升、放電電壓的降低以及氣體黏性的增加有關(guān).

高溫靜電除塵器；中試；顆粒物；電暈放電；除塵效率；驅(qū)進速度

高溫?zé)煔馐枪I(yè)中能量傳遞、產(chǎn)品生產(chǎn)的重要媒介,但是由于高溫?zé)煔馔鶃碜杂诨剂先紵?、礦石冶煉等過程,因而含有大量的顆粒物,造成設(shè)備和管道磨損、焦油和燃氣等品質(zhì)下降、系統(tǒng)熱效率降低等嚴重問題[1-3].高溫除塵技術(shù)類型主要包括旋風(fēng)除塵技術(shù),過濾除塵技術(shù),顆粒床除塵技術(shù)以及靜電除塵技術(shù)[4-7].其中靜電除塵由于具有除塵效率較高、處理煙氣量大、堅固耐用且運行操作簡單等優(yōu)點,特別適合于工作環(huán)境較為惡劣的高溫除塵場合[8-10].

當(dāng)前國內(nèi)外學(xué)者在高溫靜電除塵方面已經(jīng)有了一定的研究成果,重點關(guān)注了靜電除塵器的放電特性以及多場參數(shù)對顆粒脫除的影響規(guī)律.Gu等[11-12]研究了電子逸出功較低的高溫下新型電極,分析了表面含有La,Ce,Y等不同稀土材料的電極在高溫下的放電和除塵性能;Xiao等[13-14]通過研究了不同溫度下氣體的放電性質(zhì),認為高溫下的放電過程將由電暈放電轉(zhuǎn)變?yōu)檩x光放電,電子電流在放電電流中占主導(dǎo)地位;Luo等[15]和Fulyful[16]用數(shù)值計算分別模擬了高溫下顆粒物在電場中的運動規(guī)律和高溫下的放電特性,得到了高溫下顆粒在不同溫度下的受力情況,總結(jié)了不同粒徑段顆粒的收塵結(jié)果;Xu等[17-20]分析了不同溫度下顆粒比電阻的變化規(guī)律,并基于線板式靜電除塵器開展了高溫下的顆粒靜電捕集實驗.目前的高溫靜電除塵研究均基于實驗室中規(guī)模較小的除塵裝置,其電極尺寸、放電間距和內(nèi)部流場等因素均與實際運行條件差別較大,不能完全反應(yīng)實際情況中顆粒在不同溫度下的靜電捕集情況,因此還需要基于規(guī)模更大的高溫靜電除塵裝置開展顆粒物脫除研究.

本文基于2MW熱負荷CFB鍋爐中試試驗平臺,搭建了高溫靜電除塵中試試驗裝置,用于研究寬間距、不同煙氣流速的實際高溫?zé)煔庵蓄w粒的靜電捕集規(guī)律,以驗證寬間距靜電除塵器在實際高溫?zé)煔夤ぷ鳝h(huán)境下具有較強的顆粒捕集效果.

1 實驗裝置與方法

1.1 實驗裝置

高溫靜電中試試驗裝置基于2MW熱負荷CFB鍋爐中試平臺設(shè)計安裝,用于研究2MW熱負荷CFB的靜電捕集規(guī)律.高溫靜電中試實驗裝置實物和結(jié)構(gòu)見圖1.靜電除塵器本體的主要組成包括頂部電絕緣部件,極配系統(tǒng),高壓電源,陽極振打部件,雙層灰斗以及電加熱和保溫部件.其主要參數(shù)見表1.

圖1 高溫靜電除塵中試實驗系統(tǒng)實物(A)結(jié)構(gòu)(B)

高溫靜電中試實驗裝置高10.5m(包括頂部電源和相應(yīng)支架),其中除塵器本體高6.1m;雙灰斗高度1.5m.除塵器陽極和陰極極配系統(tǒng)均由310s不銹鋼制作,采用中部支撐方式,用于防止高溫下的變形.靜電除塵器布置有兩個煙氣通道,每個通道中包括兩根放電陰極線,除塵器中煙氣流通截面積0.36m2,收塵板總集塵面積7.68m2.除塵器中收塵極板寬度0.6m,板間距0.3m;陰極線為圓桿電極,極線長3.2m,極線間距0.3m.

表1 高溫靜電除塵中試裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)

由于電除塵器在高溫下運行,對絕緣瓷套的絕緣能力和高溫下的保護有很高的要求,實驗中為保證高溫下絕緣性能,選用99瓷制作絕緣瓷套;并在外圍加裝加熱功率為3kW的電保溫裝置,保持一定溫度以驗證其絕緣性能;確保靜電除塵器處理高溫?zé)煔鈺r,絕緣子所受熱應(yīng)力較小且工作良好.瓷套底部直徑460mm,上部直徑330mm,高度400mm.

除塵器所配備高壓電源為工頻直流電源,額定電壓60kV,最大電流50mA,峰值電壓、最大運行電流、導(dǎo)通角等技術(shù)參數(shù)均可通過遠程控制器控制改變.

除塵器中使用灰斗為雙層設(shè)計,上層用于冷卻卸放的高溫粉塵,上層灰斗高600mm,頂部截面為700′700mm,底部截面為150′150mm;下層灰斗高260mm,頂部截面375′375mm,底部截面75′75mm.灰斗中設(shè)置有料位計,上層灰斗與下層灰斗之間以及下層灰斗出口設(shè)置有卸灰閥,用于控制灰斗中的存灰量并定時卸灰.

高溫?zé)煔鈴?MW熱負荷CFB鍋爐平臺燃燒爐出口經(jīng)過旋風(fēng)除塵器除去大部分粒徑較大顆粒后,由底部進入高溫靜電除塵器,經(jīng)過靜電除塵器捕集后從頂部流出除塵器,其系統(tǒng)流程圖如圖2所示.出口管道設(shè)置有顆粒濃度測口,取樣煙氣經(jīng)過蛇形管冷卻后,使用Dekati顆粒物PM-10采樣器測量顆粒質(zhì)量濃度.PM-10采樣器為有3級帶噴吹孔的撞擊孔板和濾膜組成,分別收集粒徑.其實物圖和工作原理見圖3.采樣前根據(jù)煙氣取樣流量(30L/min)、采樣設(shè)備入口煙氣溫度(150 ℃)、除塵器內(nèi)煙氣流速和溫度計算出所需要的噴嘴口徑,控制伴熱管溫度為150℃,保證取樣煙氣在伴熱管道中溫度降低到150℃,且無液滴凝結(jié).取樣煙氣進入分級儀后,通過沖擊孔板上的噴孔以一定流速噴出,空氣動力學(xué)直徑較大的顆粒由于慣性較大脫離流線撞擊到濾膜上,從而被收集;粒徑小的顆粒物隨氣流進入下一級,在更細小的撞擊孔板作用下形成更快速的氣流,特定粒徑段顆粒被分離到該級濾膜上[21].因此隨著每個收塵級逐級提高煙氣流速, 不同粒徑的顆粒物被分別捕集到3個濾膜上.根據(jù)濾膜兩次稱量質(zhì)量差別得到采集顆粒質(zhì)量,聯(lián)合抽氣量和顆粒質(zhì)量即可得到煙氣中顆粒質(zhì)量濃度.

圖2 高溫靜電除塵中試實驗系統(tǒng)流程

1.風(fēng)機;2.點火器;3.給料裝置;4.燃燒爐;5.旋風(fēng)除塵器;6.高溫靜電除塵器;7.粉塵顆粒濃度測口;8.冷卻盤管;9.PM-10采樣器;10.雙層灰斗

圖3 PM-10采樣器實物(A)及分級原理(B)

1.2 高溫靜電除塵中試試驗方法

實驗分為冷態(tài)和熱態(tài)兩個階段.兩個階段均基于上述高溫靜電除塵中試實驗系統(tǒng).

(一)冷態(tài)試驗

冷態(tài)試驗一方面用于驗證除塵器在常溫下的除塵效果,另一方面熟悉試驗系統(tǒng)的各項操作,為熱態(tài)試驗的開展進行相應(yīng)準(zhǔn)備工作.冷態(tài)實驗中開展不同電壓、流速下和給料濃度下顆粒捕集規(guī)律的變化,評估除塵器常溫下的除塵效果.

(二)熱態(tài)試驗

熱態(tài)試驗主要用于測試高溫下除塵器顆粒物靜電捕集性能的變化規(guī)律.研究高溫下寬間距條件下的放電特性;分析不同電壓、流速、顆粒濃度等對顆粒靜電捕集的作用機理.高溫除塵試驗溫度為300~1000K,高溫下較難調(diào)整顆粒濃度,因此開展了電壓、溫度和風(fēng)量對顆粒捕集規(guī)律的研究.

由于熱態(tài)試驗中,取樣煙氣流量較大,煙氣溫度較高,采樣口溫度高,因此煙氣取樣裝置設(shè)計有冷卻盤管用于取樣煙氣的冷卻,用于保護實驗人員和實驗儀器設(shè)備的安全.實驗中取樣煙氣在PM-10采樣器中由于所通過通道截面積不同,形成不同流速,不同流速氣流中的顆粒由于空氣動力學(xué)原理,PMp>10被上層濾膜所捕獲,如圖4(A)所示,這是由于粒徑較大的顆粒物慣性大,容易偏離氣流的方向而撞擊到濾膜上;而較小的顆粒比較容易隨氣流運動進入后一級,以此類推,其中PM2.5

圖4 PM-10采樣器捕集顆粒 PMdp>10 (A),PM2.5

1.3 實驗顆粒性質(zhì)

冷態(tài)試驗中所用飛灰來自于浙江省某燃煤電廠,熱態(tài)試驗中飛灰來自于多聯(lián)產(chǎn)中試試驗平臺燃燒產(chǎn)生,其樣品從除塵器灰斗中收集;實驗中所用顆粒的的粒徑分布分見圖5(A).冷態(tài)試驗中顆粒中值粒徑為19.3μm,其中粒徑在2.5μm以下、2.5~10μm和10μm以上的顆粒其體積分別占總體積比例為11.9%、24.9%和63.2%;熱態(tài)實驗中顆粒中值粒徑為27.4μm,其中2.5μm以下、2.5~10μm和10μm以上的顆粒其體積分別占總體積比例為9.6%、21.7%和68.7%.

實驗中所用顆粒比電阻見圖5(B).冷態(tài)實驗中顆粒最高比電阻出現(xiàn)在120℃,達到1.83×1012Ω·cm,最低比電阻見于800℃,達到4.57×106Ω·cm.熱態(tài)試驗顆粒最高比電阻出現(xiàn)在120℃,達到1.38×1013Ω·cm,最低比電阻見于800℃,達到2.28×107Ω·cm.

冷態(tài)試驗和熱態(tài)試驗中靜電除塵器捕集顆粒的化學(xué)成分分析如表2所示:

圖5 試驗用顆粒粒徑分布(A)和顆粒比電阻(B)

表2 試驗中顆粒的化學(xué)組成

2 結(jié)果與討論

2.1 電暈放電特性

根據(jù)前文所述,顆粒的荷電、遷移與捕集過程決定于顆粒所受靜電力的作用,因而顆粒的捕集過程與靜電除塵器的放電特性密切相關(guān),因此首先開展放電特性的研究.

冷態(tài)實驗中,含塵氣體顆粒質(zhì)量濃度為115mg/Nm3,氣體的工況流速為0.16m/s.實驗中檢驗了潔凈條件與含塵條件各自的放電特性曲線,結(jié)果如圖6所示.潔凈空氣起暈電壓為15.2kV,含塵條件為16kV,含塵條件起暈電壓較大;而潔凈條件和含塵條件下的擊穿電壓分別為52.9kV和49.2kV,潔凈條件能夠取得更高運行電壓.

相同電壓下,潔凈空氣放電電流明顯高于含塵空氣;運行電壓45kV條件下,潔凈情況下電流為1.43mA/m2,含塵情況則為1.3mA/m2.這是由于空氣中的離子由于電場力作用(電場荷電)和無規(guī)則運動導(dǎo)致的碰撞(擴散荷電)運動到顆粒上,由于荷電顆粒的荷質(zhì)比相比離子小很多,導(dǎo)致其遷移速度(一般約為0.03~0.15m/s),遠小于離子遷移速度(約為100m/s),部分離子在顆粒上的附著是導(dǎo)致含塵空氣放電電流較小的主要原因.

圖6 300K下電暈放電特性

熱態(tài)運行時不同溫度下的放電特性見圖7.可見隨著溫度的升高,伏安特性曲線逐步左移.運行溫度為563K時,最大電壓為43.5kV,放電電流密度為2.3mA/m2,而當(dāng)溫度上升到最大值1020K時,其最大運行電壓僅有17kV,放電電流為3.3mA/m2.與前文中規(guī)律相一致,而運行于150~ 180℃下的300mm板間距靜電除塵器相比,其運行電壓可達50kV,高溫下電壓的降低可能對除塵器的靜電捕集能力產(chǎn)生不利影響.

圖7 不同溫度下的放電特性

2.2 顆粒的靜電捕集規(guī)律

2.2.1 電壓對顆粒捕集效率的影響 實驗中首先在300K,工況流速0.16m/s和質(zhì)量濃度為115mg/Nm3下開展了不同電壓下的顆粒靜電捕集研究,實驗結(jié)果如圖8所示.實驗中顆粒捕集效率隨電壓的上升而明顯上升,電壓為16kV,此時顆粒捕集效率僅有42.3%,而當(dāng)電壓增加到25.1kV后,其顆粒捕集效率達到90.4%,此后電壓的增加對除塵效率的增加影響逐步減弱,在45kV下達到最大顆粒捕集效率99.2%.比較顆粒捕集效率和驅(qū)進速度的增長趨勢變化可知,顆粒捕集效率在隨著電壓的增加其增加幅度越來越小,但驅(qū)進速度則一直有較為明顯的增加.最大電壓下,顆粒有效驅(qū)進速度為3.6cm/s.

圖8 冷態(tài)試驗顆粒捕集效率和驅(qū)進速度隨電壓變化

PM-10采樣器可得出1~2.5μm,2.5~10μm, 10μm以上三個粒徑段顆粒分別的捕集效率,如圖9所示,在最大施加電壓45kV時,PMp>10的顆粒捕集效率可達99.8%,接近完全捕集;而PM1p>10的顆粒驅(qū)進速度從0.45cm/s增加到4.67cm/s;而PM1

圖9 冷態(tài)試驗分級捕集效率和驅(qū)進速度隨電壓的變化規(guī)律

熱態(tài)試驗在溫度為1020K下開展,實驗中煙氣的工況流速為0.45m/s,顆粒初始濃度為150mg/Nm3,實驗結(jié)果如圖10所示.高溫下顆粒捕集效率明顯降低,放電起暈是,電壓為10kV,顆粒捕集效率為46.1%;最大放電電壓為17kV,此時電流密度為3.3mA/m2,較300K下高,但此時顆粒捕集效率為73.2%,對應(yīng)驅(qū)進速度為2.8cm/s.相比低溫工況,高溫下運行電壓低,氣體流速較快,氣體黏性增加,顆粒所受黏性力增加,導(dǎo)致顆粒捕集效率和顆粒驅(qū)進速度較低.

高溫下各個粒徑段顆粒在不同電壓下的捕集情況如圖11所示,電壓為10kV時,PMp>10和PM1p>10的顆粒捕集效率達到84.1%,而此時PM1

圖10 熱態(tài)試驗顆粒捕集效率和驅(qū)進速度隨電壓變化

圖11 熱態(tài)試驗分級捕集效率和驅(qū)進速度隨電壓的變化規(guī)律

2.2.2 溫度對顆粒捕集效率的影響 實驗研究了563K到1020K除塵器的除塵效率隨溫度的變化規(guī)律.如圖12所示,563K、768K、903K和1020K下除塵器能夠達到的最大顆粒捕集效率分別為93.3%、85.4%、78.7%、73.2%;其對應(yīng)的驅(qū)進速度為3.2cm/s、2.98cm/s、2.90cm/s、2.77cm/s.

圖12 不同溫度下的顆粒捕集效率和驅(qū)進速度

由于熱態(tài)試驗下升溫過程中入口流量較難控制,因此除塵器中流速隨溫度的上升而逐漸上升,563K下工況流速為0.3m/s,1020K下則增加到0.52m/s.且高溫下最大運行電壓逐漸下降,563K下最大電壓為43.5kV,而在1020K下僅有17kV,電壓的下降降低了顆粒的電場荷電和驅(qū)進速度.再次,煙氣的黏性隨溫度的上升而逐步增加,使得顆粒所受黏性力增加.顆粒捕集效率和驅(qū)進速度隨溫度的上升而逐漸下降.

溫度對不同粒徑段顆粒的分級捕集效率和驅(qū)進速度的影響如圖13所示.溫度從563K上升到1020K時,PMp>10顆粒捕集效率從99.4%下降到84.1%,PM1p>10顆粒驅(qū)進速度為3.84cm/s,溫度上升至1020K,僅有1.38cm/s,而PM1

2.2.3 煙氣流速對顆粒捕集效率的影響 300K下,通過調(diào)整入口一次風(fēng)量和出口引風(fēng)機反饋參數(shù),使用熱線風(fēng)速儀測量出口管道中不同位置流速,標(biāo)定出不同一次風(fēng)量和引風(fēng)機反饋設(shè)定參數(shù)下的氣體總流量,進而得到靜電除塵器內(nèi)部平均流速,以開展不同風(fēng)速下的顆粒靜電捕集實驗.熱態(tài)下則是根據(jù)進出口煙道煙氣溫度和入口一次風(fēng)流量等參數(shù),計算得到工況條件下除塵器內(nèi)氣流速度.

圖13 不同溫度下的分級捕集效率和驅(qū)進速度

圖14 冷態(tài)下不同風(fēng)速的顆粒捕集效率和驅(qū)進速度

如圖14所示,冷態(tài)實驗中除塵器內(nèi)部風(fēng)速變化范圍為0.16m/s到0.22m/s,不同流速下的顆粒捕集效率分別為99.2%、98.4%、97.7%和97.1%.實驗中發(fā)現(xiàn)顆粒捕集效率隨流速的增加有較為明顯的下降.流速增加對顆粒捕集的影響主要體現(xiàn)在減少了顆粒在除塵器中的停留時間,各個氣流下的驅(qū)進速度為:3.6,3.5,3.5,3.7cm/s,可見各個流速下對應(yīng)的驅(qū)進速度相差不大.

熱態(tài)試驗下,通過調(diào)整一次風(fēng)流量在145~ 253Nm3/h之間變化,得到了工況流速為0.3~ 0.52m/s下顆粒的捕集效率,結(jié)果如圖15所示.其捕集效率較常溫下有明顯下降,在0.3,0.38,0.45, 0.52m/s下捕集效率分別為82.2%、78.8%、73.2%和66.2%;對應(yīng)驅(qū)進速度為2.4,2.7,2.8,2.6cm/s.相比于常溫工況,高溫下不僅除塵效率降低較多,驅(qū)進速度也有明顯下降.

圖15 熱態(tài)下不同風(fēng)速的顆粒捕集效率和驅(qū)進速度

3 結(jié)論

3.1 基于高溫靜電除塵中試試驗平臺研究了300mm間距,流量達800m3/h,最高溫度達到1020K實際煙氣中顆粒的靜電捕集.通過對比563K到1020K下的熱態(tài)試驗以及常溫下的冷態(tài)試驗,在標(biāo)況流量不變的情況下,顆粒捕集效率隨溫度的上升迅速降低,且對應(yīng)的顆粒驅(qū)進速度也有明顯的下降.高溫靜電除塵器在工況流速為0.3m/s,溫度為1020K下達到了82.2%的除塵效率.顆粒捕集效率的下降與高溫下流速的上升、放電電壓的降低以及氣體黏性的增加有關(guān),而驅(qū)進速度則主要取決于后兩者在高溫下的變化.

3.2 熱態(tài)下進行的放電試驗證明了高溫下單位溫度變化對放電的影響更加劇烈,768K下最大電壓為30K,相當(dāng)于563K下69%,此時氣體密度為563K下的73%,而溫度達到1020K下時,僅可達到17kV的運行電壓,較563K下降61%,其降低幅度遠超過了氣體相對密度的降低(44.8%),溫度影響氣體自由程、氣體電離能和電極逸出功,后兩者在高溫下的影響更加明顯.

3.3 實驗表明不論高溫和低溫工況,大顆粒在除塵器中的捕集效果均較為顯著,小顆粒則較難捕集,針對小顆粒的捕集將是限制高溫靜電捕集的難點問題,但高溫下不同大小粒徑相互間驅(qū)進速度的差別較低溫下小,溫度變化對大顆粒的靜電捕集過程影響更大.

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Pilot-scale experimental investigation on particle electrostatic removal in high-temperature flue gas.

SHEN Zhi-yang, ZHENG Cheng-hang, LIU Xin-tao, XU Xi, WENG Wei-guo, WANG Yi, GAO Xiang*

(State Key Laboratory of Clean Energy Utilization, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China)., 2018,38(5)：1637~1645

In order to study characteristics of particle collection in a large-flow and high-temperature flue gas with a wide-space electrostatic precipitator (ESP), a pilot-scale high-temperature ESP was designed and built based on the CFB boiler pilot test platform.The characteristics of particle collection were tested in the high-temperature ESP with 300mm plate-plate distance at the maximum temperature of 1020K and the influence of key factors such as discharge voltage, temperature and gas velocity on the particle collection was obtained.The experimental results show that the collection efficiency was 82.2% when the gas velocity was 0.3m/s and the temperature was 1020K, which confirmed efficient particle removal for the actual high-temperature flue gas. Through the comparison of the hot test (from 563K to 1020K) and the cold test (ambiance), the particle collection efficiency decreased rapidly with the increasing temperature, which was related to the gas velocity increasing, discharge voltage decreasing and gas viscosity increasing at high temperature.

high-temperature ESP；pilot-scale；particle；corona discharge；collection efficiency；migration velocity

X701

A

1000-6923(2018)05-1637-09

2017-10-08

國家重點研發(fā)計劃課題(2017YFB0603201);國家NSFC-浙江兩化融合聯(lián)合基金(U1609212);環(huán)保公益性行業(yè)科研專項項目(201509012)

* 責(zé)任作者, 教授, xgao1@zju.edu.cn

沈之旸(1993-),男,浙江建德人,浙江大學(xué)碩士研究生,主要從事高溫?zé)煔忸w粒物脫除研究.