陳泉霖 方夢祥 岑建孟 趙一飛 王勤輝

(浙江大學(xué)能源清潔利用國家重點實驗室，310027 杭州)

0 引 言

煤熱解產(chǎn)生的煤氣通常夾帶粒度細(xì)的粉塵，由于熱解煤氣中含有大量焦油蒸氣，一旦冷凝，容易與粉塵凝結(jié)在一起，會嚴(yán)重影響焦油品質(zhì)和后續(xù)焦油深加工，同時增加設(shè)備堵塞風(fēng)險，影響系統(tǒng)穩(wěn)定運行[1-2]。目前，高溫除塵技術(shù)設(shè)備主要有旋風(fēng)分離器、布袋除塵器、金屬微孔除塵器、陶瓷除塵器、顆粒層過濾除塵器及靜電除塵器等[3-4]。旋風(fēng)分離器具有耐高溫、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，但同時其對細(xì)微顆粒的除塵效率低，只能作為預(yù)處理設(shè)備使用；金屬微孔過濾器和陶瓷過濾器均具有除塵效率高的優(yōu)點，但金屬過濾器和陶瓷過濾器存在多孔材料容易堵塞、阻力大等問題[5]；顆粒層過濾除塵器很好地解決了高溫下材料性能的問題，但是其能耗高，工質(zhì)再生困難[6]。靜電除塵器與其他除塵設(shè)備相比，具有能耗低、系統(tǒng)壓降小及除塵效率高等優(yōu)點，適用于除去氣體中0.01 μm～50 μm的粉塵，在氣體凈化中得到了廣泛的應(yīng)用[7-8]。

國內(nèi)外針對高溫靜電除塵已經(jīng)開展了一些基礎(chǔ)研究。VILLOT et al[9]建立了用于生物質(zhì)合成氣凈化的線筒式靜電除塵器，在500 ℃以上的溫度環(huán)境中，其除塵效率可達(dá)96%。XIAO et al[10]對線筒式電除塵器在空氣氣氛下的除塵效率進(jìn)行了測試，結(jié)果表明，在350 ℃～700 ℃溫度范圍內(nèi)，除塵效率最高可達(dá)99.6%。XU et al[11]建立了線板式靜電除塵器，研究了溫度與除塵效率的關(guān)系，結(jié)果表明，隨著溫度從27 ℃上升到627 ℃，除塵效率由99.8%下降到95%。GU et al[12]開發(fā)了一種基于熱離子發(fā)射陰極的新型靜電除塵器，并測試了三種陰極的熱離子發(fā)射性能，在673 K以上的溫度下，除塵效率可達(dá)90%以上。

以上研究成果表明靜電除塵器在高溫環(huán)境中運行是可行的。然而，靜電除塵器在高溫含油熱解煤氣除塵過程中存在殼體變形、絕緣子短路、黏結(jié)性積灰等問題[13]。

本研究基于浙江大學(xué)1 MWt煤熱解燃燒多聯(lián)產(chǎn)中試試驗平臺，搭建了高溫?zé)峤饷簹忪o電除塵中試試驗裝置，用于測試溫度和氣氛對除塵特性的影響規(guī)律，為靜電除塵技術(shù)用于含油含塵熱解煤氣靜電除塵的設(shè)計提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 高溫?zé)峤饷簹忪o電除塵器設(shè)計及試驗方案

1.1 高溫?zé)峤饷簹忪o電除塵器設(shè)計

浙江大學(xué)聯(lián)合西安西礦環(huán)保公司設(shè)計了一款用于高溫?zé)峤饷簹獾撵o電除塵器。該裝置的實物和結(jié)構(gòu)見圖1。靜電除塵器的主要組成包括頂部絕緣件、蒸汽吹掃裝置、高壓電源、陰極電磁振打裝置、陽極振打裝置、雙層灰斗以及加熱和保溫部件。其主要設(shè)計參數(shù)見表1。

圖1 高溫?zé)峤饷簹忪o電除塵器Fig.1 High temperature pyrolysis gas electrostatic precipitator

本裝置的絕緣子采用南京興泰龍?zhí)胤N陶瓷有限公司生產(chǎn)的95瓷瓷套，該瓷套上部內(nèi)徑200 mm，下部內(nèi)徑425 mm，壁厚30 mm，其在500 ℃的體比電阻大于109 Ω/cm，能夠滿足高溫環(huán)境中的絕緣要求。蒸汽吹掃裝置與絕緣子保溫箱相連，用于維持絕緣子表面的清潔，同時在頂部形成微正壓，防止煤氣中的焦油氣上竄至絕緣子位置，造成焦油冷凝以及爬電短路等問題。

為了解決高溫導(dǎo)致除塵器殼體膨脹、漏氣等問題，本裝置的殼體采用圓柱體外殼，此外，圓柱體外殼還具有抗壓、防爆、溫度場更均勻的優(yōu)點。高溫?zé)峤饷簹忪o電除塵器高10 m，其中除塵器本體高3.65 m，雙層灰斗高3.38 m，頂部保溫箱以及絕緣系統(tǒng)高2.97 m。除塵器結(jié)構(gòu)為線管式，收塵極為內(nèi)徑350 mm的304鋼管，高壓電極為直徑8 mm的圓桿電極，有效電場長度為1.5 m，并列布置3個收塵管，除塵器中煤氣流通截面積為0.29 m2，收塵面積為4.95 m2。

本裝置所使用的電源為工頻直流電源，最高輸出電壓為72 kV，最大電流為50 mA。二次電壓可通過遠(yuǎn)程控制器控制改變。本裝置所使用的灰斗為雙層灰斗，其中上層灰斗用于冷卻從除塵器落下的高溫粉塵。上層灰斗與下層灰斗之間以及下層灰斗出口均設(shè)置有卸灰閥，用于控制灰斗中的灰量并定時清灰。

受限于試驗平臺的空間以及熱解爐管道布置情況，本研究中含塵煤氣入口在除塵器上部，出口在除塵器下部。這種布置方式雖然會導(dǎo)致除塵效率偏低，但足以驗證靜電除塵器用于高溫含塵含油熱解煤氣粉塵捕集的運行可行性。

1.2 高溫?zé)峤饷簹忪o電除塵中試試驗方案

試驗分為冷態(tài)和熱態(tài)兩部分，其中進(jìn)行熱態(tài)試驗時，需要使用高溫?zé)煔鈱o電除塵器進(jìn)行預(yù)熱，所以本研究的熱態(tài)試驗分為高溫?zé)煔忪o電除塵試驗和含塵含油熱解煤氣靜電除塵試驗。

表1 高溫?zé)峤饷簹忪o電除塵器結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Structural parameters of high temperature pyrolysis gas electrostatic precipitator

熱態(tài)試驗開始時，先對燃燒爐進(jìn)行點火運行，待其燃燒穩(wěn)定后，打開返料器，使熱灰進(jìn)入熱解爐中，并通入空氣以及煤粉，點燃熱解爐，熱解爐中燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔鈱Τ龎m器進(jìn)行預(yù)熱，在預(yù)熱的過程中，對除塵器的除塵效率進(jìn)行測試，作為高溫?zé)煔忪o電除塵試驗部分；待除塵器預(yù)熱完成后，關(guān)閉熱解爐的空氣閥門，通入煙氣，并在氧含量達(dá)到設(shè)定值時進(jìn)行投煤，同時開始煤熱解試驗，試驗過程中，對靜電除塵器的除塵效率、運行情況進(jìn)行測試，作為含塵含油熱解煤氣靜電除塵試驗部分。

試驗過程中采集的數(shù)據(jù)主要為溫度、流量、電壓電流以及粉塵濃度，其中，溫度和流量通過熱電偶、流量計等測量并由DCS記錄，電壓電流數(shù)據(jù)通過高壓電源遠(yuǎn)程控制面板讀取，粉塵濃度使用采樣稱重法得到。冷態(tài)和高溫?zé)煔忪o電除塵試驗過程中，粉塵采樣使用嶗應(yīng)3012H自動煙塵測試儀以及1085A煙槍進(jìn)行采樣。高溫含油熱解煤氣中粉塵采樣使用本研究自制的高溫含油粉塵采樣器(如圖2所示)進(jìn)行采樣。高溫含油粉塵采樣系統(tǒng)主要由采樣槍、硅膠塞、采樣室、吸收瓶、干燥瓶、具有流量測量調(diào)節(jié)功能的采樣泵，以及安裝在煤氣管道上的采樣窗口和閥門組成。采樣室用于收集粉塵，吸收瓶中主要成分為二氯甲烷溶液，用于吸收煤氣中的焦油，干燥瓶中主要成分為硅膠干燥劑，用于吸收煤氣中的水蒸氣。采樣室的結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由導(dǎo)流管、蓋子、四氟乙烯墊片及筒體四部分組成，導(dǎo)流管用于連接采樣槍和濾筒，濾筒放置于筒體內(nèi)，蓋子和四氟乙烯墊片用于保證整個采樣室的密封性，采樣室與前方采樣槍和后方管子的連接使用螺紋或者卡套，保證整套采樣裝置不漏氣。

圖2 高溫含油粉塵采樣系統(tǒng)Fig.2 High-temperature oily dust sampling system

圖3 采樣室的結(jié)構(gòu)Fig.3 Sampling room structure diagram

對高溫含油含塵熱解煤氣開始采樣時，打開采樣窗口處的閥門，并迅速將采樣槍插入，同時打開采樣泵調(diào)節(jié)至設(shè)定流量進(jìn)行采樣；采樣完成后，將采樣槍從采樣窗口處抽出，并迅速關(guān)上閥門。從采樣室取出的濾筒，先使用二氯甲烷溶液進(jìn)行浸泡，再使用超聲波進(jìn)行清洗，最后經(jīng)過濾、干燥后稱量得到粉塵質(zhì)量。為了保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，每個采樣點均重復(fù)采樣3次～5次，數(shù)據(jù)之間的誤差不超過10%，數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性良好。

2 結(jié)果與討論

2.1 冷態(tài)試驗結(jié)果

冷態(tài)試驗所使用的粉塵為煤炭熱解多聯(lián)產(chǎn)試驗所產(chǎn)生的飛灰顆粒，粉塵顆粒的化學(xué)組成如表2所示，煤炭熱解產(chǎn)生的粉塵含碳量較高，為39.85%。高含碳量導(dǎo)致粉塵的比電阻較低(如圖4所示)，在100 ℃時，粉塵比電阻為5.33×106Ω/cm，溫度上升至700 ℃，比電阻下降至4.86×103Ω/cm。粉塵顆粒的粒徑分布是由馬爾文粒度分析儀測量得到，本次試驗所用粉塵的中值粒徑為38 μm。

表2 粉塵顆粒成分分析(%*)Table 2 Dust particle composition analysis(%*)

* Mass fraction.

圖4 粉塵特性Fig.4 Dust characteristicsa—Resistivity；b—Particle size distribution

冷態(tài)試驗所使用的氣體為空氣，流量為140 m3/h，根據(jù)除塵器的流通截面積0.29 m2和電場長度1.5 m，計算可得含塵氣體在除塵器內(nèi)的停留時間為11 s。

靜電除塵器內(nèi)顆粒的荷電、遷移以及捕集過程都取決于顆粒所受靜電力的作用，顆粒的捕集過程與放電特性密切相關(guān)，因此，首先研究除塵器的放電特性。圖5所示為常溫環(huán)境中電暈放電特性。由圖5可以看出，起暈電壓為28 kV，擊穿電壓為54 kV，放電電流隨著電壓的升高而升高，最高為14 mA。

圖5 常溫環(huán)境中電暈放電特性Fig.5 Corona discharge characteristics at room temperature

常溫環(huán)境中除塵器出口粉塵濃度和除塵效率如圖6所示，入口粉塵濃度為20 g/m3，隨著靜電除塵器二次電壓從30 kV升高至50 kV，出口粉塵濃度從4 g/m3下降至0.14 g/m3，即除塵效率從80%上升至99.3%。表明本研究設(shè)計的靜電除塵器在常溫環(huán)境中具有較高的除塵效率，最大可以達(dá)到99.3%。在靜電除塵器擊穿之前，除塵效率隨著電壓的升高而升高，這是由于電壓的升高會引起電流、電場強(qiáng)度的升高，繼而提高粉塵顆粒的最大荷電量以及電場力，從而提升除塵效率。公式(1)表示了顆粒的最大荷電量q隨電場強(qiáng)度E增加而增加的關(guān)系[14]。

(1)

式中：ε0為真空介電常數(shù)；εr為氣氛中相對介電常數(shù)；d為粉塵顆粒的粒徑。

圖6 常溫環(huán)境中除塵器出口粉塵濃度和除塵效率Fig.6 Outlet dust concentration and dust removal efficiency at the outlet of the dust collector in normal temperature environment

2.2 高溫?zé)煔忪o電除塵試驗結(jié)果

2.2.1 溫度對靜電除塵器運行的影響

試驗所用煤種為格盟煙煤，煤樣的工業(yè)分析和元素分析結(jié)果及燃燒后煙氣組分如表3所示，為了保證燃燒充分，空氣過量較多，因此，煙氣中氧含量為6.98%(體積分?jǐn)?shù))。

表3 試驗用煤的工業(yè)分析和元素分析及燃燒后煙氣組分Table 3 Proximate and ultimate analysis of test coal and component of flue gas

溫度對放電特性的影響如圖7所示。由圖7可知，溫度升高會促進(jìn)放電過程，增大電流，但同時溫度升高會使擊穿電壓下降。隨著溫度從300 ℃上升至500 ℃，擊穿電壓從38 kV下降至35 kV。溫度越高，氣體密度越低，單位體積內(nèi)的分子數(shù)減少，分子平均自由程增加，碰撞所激發(fā)的電子增多，即湯生第一電離系數(shù)α增大，從而電流越大[15]。湯生第一電離系數(shù)是指一個電子沿電場逆方向運動1 cm所激發(fā)的電子數(shù)，與溫度、電壓等有關(guān)。根據(jù)式(2)可以看出，放電電流i隨第一電離系數(shù)α增大而增大。

(2)

式中：i0為剩余電離下的飽和電流；α為湯生第一電離系數(shù)；d為放電間隙，即除塵器的異極距；γ為湯生第三電離系數(shù)，即陰極次級電子發(fā)射系數(shù)。

在較高的二次電壓條件下，高溫會導(dǎo)致除塵效率下降(如圖8所示)。維持35 kV的二次電壓，入口粉塵濃度保持在20 g/m3，隨著煙氣溫度從150 ℃上升至500 ℃，出口粉塵濃度從3.8 g/m3上升至5.9 g/m3，對應(yīng)的除塵效率從81%下降至70.5%。雖然高溫會促進(jìn)放電過程的進(jìn)行，引起放電電流增大，但由于高溫放電過程中電子電流的存在，除塵效率反而下降[7，16]。

圖7 不同溫度下的放電特性曲線Fig.7 Discharge characteristics at different temperatures

圖8 出口粉塵濃度和除塵效率隨溫度變化規(guī)律Fig.8 Variation of outlet dust concentration and dust removal efficiency with temperature

2.2.2 電壓對靜電除塵器運行的影響

圖9所示為靜電除塵器出口粉塵濃度和除塵效率隨電壓的變化規(guī)律。由圖9可知，在500 ℃的煙氣溫度條件下，維持入口粉塵濃度在20 g/m3，隨著電壓自20 kV上升至34 kV，出口粉塵濃度自9 g/m3下降至5.8 g/m3，除塵效率從55%上升至71%。電壓對除塵效率的影響主要是通過電場強(qiáng)度、粉塵顆粒荷電量來實現(xiàn)的。為了達(dá)到最好的除塵效果，實際靜電除塵器在運行過程中，一般將電壓設(shè)定在略低于擊穿電壓的位置。

圖9 出口粉塵濃度和除塵效率隨電壓變化規(guī)律Fig.9 Variation of outlet dust concentration and dust removal efficiency at outlet with voltage

2.2.3 水蒸氣對靜電除塵器運行的影響

從上述試驗結(jié)果中可以看出，高溫對靜電除塵器運行不利，會導(dǎo)致?lián)舸╇妷航档?，最大除塵效率下降，本研究設(shè)計的除塵器在500 ℃時最大除塵效率僅71%。根據(jù)氣體放電特性[8，17]，本研究提出了通過添加水蒸氣來改善高溫靜電除塵器放電特性和除塵效率的方法。

通過除塵器頂部絕緣子吹掃裝置加入水蒸氣，添加水蒸氣后，除塵器出口氣體成分如表4所示，水蒸氣含量從6.89%上升至18.53%。蒸汽吹掃對放電特性的影響如圖10所示。由圖10可知，添加水蒸氣對靜電除塵器的擊穿電壓有明顯的提升效果，在500 ℃，通過水蒸氣吹掃，擊穿電壓從35 kV上升至45 kV。

表4 煙氣組分分析(打開蒸汽吹掃)(%*)Table 4 Flue gas composition analysis (turn on steam purge)(%*)

* Volume fraction.

圖10 蒸汽吹掃對放電特性的影響Fig.10 Effect of steam purge on discharge characteristics

受益于放電特性的改善，除塵效率也有一定的提升，在500 ℃，入口粉塵濃度維持在20 g/m3，電壓為45 kV時，出口粉塵濃度為4.4 g/m3，除塵效率為78%，相比于無蒸汽吹掃的情況下，最大除塵效率提升了7%。

從測試結(jié)果看，本靜電除塵器在高溫?zé)煔庵羞\行穩(wěn)定，但除塵效率偏低，經(jīng)分析主要原因如下：1) 停留時間不夠，受限于空間場地條件，除塵器電場長度僅1.5 m，500 ℃煙氣環(huán)境中，有效停留時間僅4 s，低于一般工業(yè)靜電除塵器煙氣停留時間；2) 結(jié)構(gòu)有待改善，受限于空間場地條件，本研究設(shè)計的除塵器入口設(shè)置在上方，出口設(shè)置在下方，這種順流的設(shè)計方式，造成粉塵二次揚塵嚴(yán)重，吸附在極板上的粉塵重新進(jìn)入氣流中的比例升高，進(jìn)而降低除塵效率。

2.3 含塵含油煤氣靜電除塵試驗結(jié)果

熱解試驗所用煤種為格盟煙煤，其工業(yè)分析和元素分析結(jié)果見表3，熱解產(chǎn)生的干煤氣組分如表5所示，干煤氣是指熱解煤氣經(jīng)冷凝去除焦油、水蒸氣之后的組分。熱解產(chǎn)生的粉塵含碳量高，為39.85%，同時粉塵量大，靜電除塵器入口粉塵濃度達(dá)78 g/m3。

除塵器內(nèi)煤氣溫度為500 ℃左右，為了防止含油煤氣上竄至絕緣子位置，水蒸氣吹掃裝置一直處于開啟狀態(tài)。除塵器內(nèi)氣氛為熱解煤氣，其組分除了表5所列的干煤氣，還包括可凝焦油和水蒸氣。由于絕緣子處的水蒸氣吹掃裝置一直處于開啟狀態(tài)，因此沒有單獨測量純粹的熱解煤氣中水蒸氣含量。在試驗運行過程中，從除塵器出口測量得到的水蒸氣濃度為38%。

表5 干煤氣組分分析(%*)Table 5 Analysis of dry gas composition(%*)

* Mass fraction.

含塵含油煤氣的放電曲線與添加水蒸氣時煙氣放電曲線類似，在此不再贅述。

含塵含油熱解煤氣靜電除塵器運行過程中出口濃度和除塵效率變化規(guī)律如圖11所示。由圖11可知，在靜電除塵器運行過程中，二次電壓設(shè)定為44 kV，出口粉塵濃度在17.16 g/m3～30.42 g/m3之間波動，除塵效率在61%～78%之間波動，期間并未出現(xiàn)短路的情況，并且除塵效率并未有明顯降低，表明靜電除塵器在高溫?zé)峤饷簹庵羞\行穩(wěn)定性良好。進(jìn)一步提升除塵效率可以通過延長電場長度以增加停留時間來實現(xiàn)。

圖11 含塵含油熱解煤氣靜電除塵器運行過程中出口濃度和除塵效率變化規(guī)律Fig.11 Variation of outlet dust concentration and dust removal efficiency during operation of dusty and oily pyrolysis gas electrostatic precipitator

對比分析煙氣除塵和煤氣除塵試驗結(jié)果可知，熱解煤氣氣氛中的最高除塵效率為78%，這一結(jié)果與添加水蒸氣的煙氣氣氛中獲得的最高除塵效率相同。此外，含塵含油煤氣的放電曲線與添加水蒸氣時煙氣放電曲線類似。試驗結(jié)果表明，添加水蒸氣后的煙氣和熱解煤氣的放電和除塵特性均相似。這是因為氣氛對放電和除塵特性的影響主要是通過電負(fù)性氣氛體現(xiàn)的，氣氛中電負(fù)性氣體含量越高，越有利于靜電除塵器運行[10，17]。水蒸氣、O2和CO2均屬于電負(fù)性氣體，三者電負(fù)性由強(qiáng)到弱順序依次為：O2，H2O，CO2。添加水蒸氣后的煙氣氣氛中O2含量為6.11%，水蒸氣含量為18.53%，CO2含量為11%。熱解煤氣中水蒸氣含量為38%，O2含量為0.5%，CO2含量為4%。綜合來看，兩種氣氛在高溫環(huán)境中電負(fù)性差異不大，因此，添加水蒸氣后的煙氣和熱解煤氣的放電和除塵特性均相似。

3 結(jié) 論

1) 靜電除塵技術(shù)應(yīng)用于高溫含油煤氣除塵是可行的。本研究設(shè)計的靜電除塵器在500 ℃含油熱解煤氣條件下運行穩(wěn)定性良好，并未出現(xiàn)短路等情況，除塵效率雖在61%～78%之間波動，但隨運行時間并沒有明顯下降，除塵效率可通過后續(xù)延長電場長度等方法加以提高。

2) 高溫不利于靜電除塵器的運行。高溫雖然會提高放電電流，但會導(dǎo)致?lián)舸╇妷合陆担约白畲蟪龎m效率下降。在煙氣氣氛中，隨著溫度從300 ℃提升至500 ℃，擊穿電壓從38 kV下降至35 kV，最大除塵效率從80%下降至71%。

3) 添加水蒸氣可以優(yōu)化放電特性，提高擊穿電壓，從而提升最大除塵效率。在500 ℃的煙氣氣氛中，通過水蒸氣吹掃將水蒸氣體積分?jǐn)?shù)從6.89%提升至18.53%，擊穿電壓從35 kV增加至45 kV，最大除塵效率從71%提升至78%。