基于Bickelhaupt R模型的飞灰比电阻特性分析

刘含笑，郦建国，姚宇平，沈志昂，朱少平，方小伟，杨浩锋

(浙江菲达环保科技股份有限公司，浙江 诸暨 311800)

基于Bickelhaupt R模型的飞灰比电阻特性分析

刘含笑，郦建国，姚宇平，沈志昂，朱少平，方小伟，杨浩锋

(浙江菲达环保科技股份有限公司，浙江 诸暨 311800)

飞灰比电阻的计算模型对于预测电除尘性能至关重要。阐述了飞灰工况比电阻计算方法，并通过数学模型预测方式，探讨了烟气温度、SO3含量及飞灰成分等对飞灰工况比电阻的影响，旨在为研究飞灰特性与电除尘器性能关系提供借鉴。

燃煤电厂；工况比电阻；电除尘器

飞灰比电阻指的是面积为1 cm2、厚度为1 cm的飞灰粉尘层的电阻值，又称为电阻率[1]。据统计，飞灰比电阻小于104Ω·cm 的被称为低比电阻粉尘，大于1011Ω·cm(有时是1012Ω·cm)被称为高比电阻粉尘，104～1011Ω·cm 的飞灰粉尘称为中比电阻粉尘[2]。飞灰比电阻直接影响其荷电特性，飞灰比电阻过低时，易产生二次扬尘；飞灰比电阻过高时，易产生反电晕，均会导致除尘效率低下，唯有中比电阻粉尘可实现较好的电除尘除尘效果。

三菱重工对不同温度条件下煤种类型与飞灰比电阻的关系进行了大量研究，如图1所示[3-4]，低低温状态下，飞灰比电阻均在反电晕临界比电阻值以下。靳星[5]研究了飞灰工况比电阻与温度的关系，如图2所示。对于工况比电阻，相同煤种，低低温工况时比电阻值明显低于常温工况。

图1 不同煤种粉尘比电阻与烟气温度的关系

图2 工况比电阻与温度的关系

1 飞灰比电阻计算模型

飞灰比电阻的计算模型对于预测电除尘性能至关重要。烟气温度、湿度及飞灰成分对比电阻皆有影响，通常在150℃以内，温度越高，飞灰比电阻越高；湿度越高，飞灰比电阻就越低；飞灰成分对飞灰比电阻的影响较为复杂。根据飞灰比电阻的影响因素，其计算模型主要对飞灰主要的化学成分、烟气湿度和电场强度等参数进行归一化处理后拟合而成[6-13]。

R.E.Bickelhaupt等基于实验室模拟工况条件下测试的多组飞灰比电阻数据，通过统计分析方法，建立了一套较为完整的飞灰比电阻计算模型。这里采用Bickelhaupt R计算模型分析飞灰比电阻值的影响因素，该计算模型对飞灰表面比电阻、体积比电阻分别进行计算，涉及飞灰成分、场强和烟气条件等因素。飞灰体积比电阻、表面比电阻的计算公式为

ρv=exp(-1.891 6lnX-0.969 6lnY+1.237lnZ+
3.628 76-0.069 078E+9 980.58/T)

(1)

ρs=exp(27.597 74-2.233 348lnX-0.00176W-
0.069 078E-0.000 738 95Wexp(2 303.3/T))

(2)

式中ρv、ρs——飞灰体积比电阻、表面比电阻；X、Y、Z——Li+Na、Fe、Mg+Ca的原子质量分数；E——电场强度；T——温度；W——水汽含量。

当Z>3.5%或K<1.0%时(K为钾元素的原子质量分数)，总比电阻计算公式为

(3)

工况比电阻需考虑飞灰表面沉积的硫酸雾对其比电阻的影响时，其修正量公式为

ρa=exp(59.067 7-0.854 72CSO3-
13 049.47/T-0.069 078E)

(4)

此时，工况比电阻计算公式为

(5)

2 飞灰成分及飞灰比电阻计算值

选取华能长兴电厂660 MW机组的设计煤种为研究对象，经分析，其飞灰主要成分如表1所示。另外，根据控制冷凝法实测数据表明，当烟气冷却器退出运行时，电除尘器入口烟气中SO3含量为5.04 mg/L。

表1 华能长兴电厂设计煤种飞灰成分析 %

根据式(1)～式(5)及表1中飞灰成分分析数据，计算得到飞灰工况比电阻计算数据如图3所示。结果表明，烟气中SO3可有效降低飞灰比电阻，并且温度越低，SO3浓度对飞灰比电阻的影响程度越大，飞灰比电阻值越低。

图3 长兴电厂设计煤种飞灰工况比电阻计算值

3 飞灰比电阻计算结果的影响分析

以华能长兴电厂660 MW机组的设计煤种的飞灰分成为基准，在不考虑SO3修正时，探讨不同的X(Li+Na原子质量分数)、Y(Fe原子质量分数)、Z(Mg+Ca原子质量分数)、电场强度E(kV/cm)、水汽含量W时对飞灰比电阻ρvs的影响，计算结果如图4所示。不同成分变化情况下，在烟气温度低于150℃时，飞灰比电阻均随着烟气温度的降低而降低。

X增加可较大幅度的降低飞灰比电阻，这是因Li2O、Na2O均具有离子导电性，在表面导电和体积导电两方面均有明显作用。相关研究用化学传递实验的方式，在给定电场条件下，烟气温度控制在表面传导有效温度时，经一段时间后发现Li、Na在阳极和阴极的重量，质量变化规律表明Li、Na离子向阴极移动，并且Na的迁移更为明显，证实了Li、Na的导电性。

在150℃以下时，Y对飞灰比电阻影响不大，但烟气温度较高时，影响较为明显，Fe原子质量分数越高，飞灰比电阻越低。Y会影响飞灰熔融性，一般飞灰中氧化铁含量越高，飞灰颗粒越粗大，有利于降低比电阻；且氧化铁属于磁性物质，外加电压可使颗粒带电产生磁性，吸引周围带电磁粒，产生所谓“导电通径”，降低比电阻；另有研究表明，在较高烟气温度下，飞灰玻璃体中铁可以改变该相的结构，可强化Li、Na等离子迁移，降低飞灰比电阻。

Z越高，飞灰比电阻越高。这主要是因为Ca、Mg均为高岭土成份，煤粉高岭土含量越高，燃烧过程中灰不易聚结，导致飞灰粒度变细，提高了飞灰比电阻值。飞灰中Ca、Mg还会削弱与SO3和水生成硫酸盐，降低了烟气自我调质作用。

电场强度E(kV/cm)对飞灰比电阻在各个温度段的影响均不大。水汽含量W(%)对飞灰比电阻影响较大，且温度越低，影响越大。水分容易在飞灰表面吸附，可导致灰中一些氧化物溶解其水解产物可与SO3一起构成酸比电阻，提高飞灰导电特性。

图4 未考虑SO3修正时飞灰比电阻计算值

根据式(4)、式(5)，对飞灰比电阻ρvs进行修正，计算工况比电阻ρvsa结果如图5所示。烟气中SO3含量对飞灰比电阻的影响至关重要，含量越高，比电阻越低，SO3含量相差一个数量级时，飞灰比电阻可相差3个数量级以上。

图5 考虑SO3修正时飞灰比电阻计算值

4 测试与计算结果的比对分析

采用华北电力大学研制的飞灰工况比电阻测试仪器对长兴电厂飞灰比电阻进行现场实测，测试数据及与计算结果对比如图6所示。随着烟气温度降低规律是一致的，但绝对值是实测值高于计算值，可能是因为现场采样过程中圆形电极内飞灰较为松散所致，或该计算公式基于国外煤种拟合而成，以此预测国内煤种飞灰比电阻，会有较大偏差。

图6 长兴电厂飞灰实验室比电阻计算值与测试值对比

5 结语

本文通过Bickelhaupt R计算模型对飞灰比电阻进行预测分析，并探讨了烟气温度、SO3含量及飞灰成分等对对飞灰工况比电阻的影响。

(1) 飞灰比电阻随着烟气温度的降低而降低。

(2)X增加可较大幅度的降低飞灰比电阻，这是因Li2O、Na2O均具有离子导电性，在表面导电和体积导电两方面均有明显作用。

(3)Y越高，飞灰比电阻越低。Y影响飞灰颗粒力度，并且氧化铁属于磁性物质，外加电压可使颗粒带电产生磁性，降低比电阻

(4)Z越高，飞灰比电阻越高。Z影响飞灰颗粒粒度，且降低烟气自我调质作用。

(5) 电场强度对飞灰比电阻在各个温度段的影响均不大，水汽含量W(%)对飞灰比电阻影响较大，且温度越低，影响越大。

(6) 烟气中SO3含量对飞灰比电阻的影响至关重要，含量越高，比电阻越低，SO3含量相差一个数量级时，飞灰比电阻可相差3个数量级以上。

(7) 还需在本文基础上进一步积累工况比电阻实测数据，建立数据库，对比电阻预测公式进行修正。

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LIU Hanxiao, LI Jianguo. YAO Yuping, et al. Dust specific resistance and its test method in coal-fired power plants[J]．Power & Energy，2015, 36(4)：558-561.

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(本文编辑：赵艳粉)

Research of Ash Resistivity Based on Bickelhaupt R Model

LIU Hanxiao, LI Jianguo, YAO Yuping, SHEN Zhiang, ZHU Shaoping, FANG Xiaowei, YANG Haofeng

(Feida Environmental Protection Technology Co., Ltd., Zhejiang 311800, China)

This paper expounds the calculation method for ash working condition specific resistance. And through mathematical model prediction method, it probes into the impacts of flue gas temperature, SO3content and ash composition on ash working condition specific resistance, providing reference to studying the relationship of ash features and electrical precipitator performance.

coal-fired power plant; working condition specific resistance; ESP

s：National High-tech R&D Program of China (2013AA065002); National Project of International S&T Cooperation of China(2014DFA90620)；National Key R&D Program of China (2016YFC0203704, 2016YFC0209107)

10.11973/dlyny201703027

国家高技术研究发展计划(2013AA065002)；国家国际科技合作专项(2014DFA90620)；国家重点研发计划(2016YFC0203704)；国家重点研发计划(2016YFC0209107)

刘含笑(1987—)，男，硕士，工程师，从事电除尘技术研究工作。

TK229.66

A

2095-1256(2017)03-0339-04

2017-03-15