两种炉型粉煤灰电学特性的实验研究

张灿强， 张 军， 吴海洋， 范仁东

(1. 东南大学 能源热转换及其过程测控教育部重点实验室， 南京 210096；2. 江苏省电力设计院， 南京 210096)

两种炉型粉煤灰电学特性的实验研究

张灿强1， 张 军1， 吴海洋1， 范仁东2

(1. 东南大学 能源热转换及其过程测控教育部重点实验室， 南京 210096；2. 江苏省电力设计院， 南京 210096)

选取煤粉炉和循环流化床锅炉的粉煤灰进行电学特性实验研究。结果表明：温度对粉煤灰比电阻有很大影响，且粉煤灰比电阻在150 ℃达到最大，粉煤灰比电阻随电压的增加而降低；在电压8～20 kV内，粉煤灰荷质比随着电压的增加先增加而后迅速下降，粉煤灰颗粒荷电能力随着颗粒粒径的增加而增强。两种炉型粉煤灰比电阻及荷质比随实验单一因素变化大体走势相同。

粉煤灰； 粒径分布； 比电阻； 荷质比

Abstract： Experimental studies were conducted on electrical properties of the fly ash taken from pulverized coal furnace and circulating fluidized bed boiler, respectively. Results show that temperature has a significant influence on the resistivity of fly ash, which reaches the maximum at 150 ℃, and decreases with the increase of voltage. The charge-to-mass ratio of fly ash firstly increases and then declines rapidly with the increase of voltage within 8～20 kV, the charged capacity enhances with increasing particle size of fly ash. The resistivity and charge-to-mass ratio of both the fly ash change with the single factor of experiment basically in similar trend.

Keywords： fly ash; particle size distribution; specific resistance; charge-to-mass ratio

粉煤灰是燃煤电厂的主要副产品，其综合利用和高附加值利用，不仅可为燃煤电厂带来可观的经济效益，也具有显著的环境和社会效益。我国是世界上少数几个以煤为主要能源的国家之一，粉煤灰产量巨大。据了解，“十一五”末我国粉煤灰年产生量达4.8亿t，“十二五”末粉煤灰产生量预测将达到5.7亿t[1]。巨大的粉煤灰产量意味着巨大的资源量，但如不能有效利用则是大量的废弃物，因此如何更好地进行粉煤灰综合利用是燃煤电厂一个重要课题。

用于混凝土、水泥等建筑材料是目前粉煤灰的最主要利用途径，其中烧失量(主要是含碳量)是评价粉煤灰品质的重要指标之一[2-3]，过高的烧失量意味着灰的品级低、价值低，甚至不能利用。因此，从电厂粉煤灰中分离残碳，一方面可有效提高粉煤灰产品的品级，促进粉煤灰的综合利用；另一方面，所分离出的碳也是一种高附加值的产品，可用作燃料、低值吸附剂等[4-5]。为此国内外针对粉煤灰的提质或回收粉煤灰中的残碳，进行了大量的研究和开发工作，提出了多种碳分选技术[6-7]，目前应用最广泛的是电选技术。电选法是利用粉煤灰中碳粒和灰粒在电性质上的差异，通过一定的方式使颗粒荷电后利用静电场的作用，实现碳和灰颗粒的分离。作为干式且成本较低的方法，电选法用于粉煤灰碳分离在国内外得到了广泛的关注和研究开发[8-9]。

从电选的原理考虑，分选的关键在于如何利用粉煤灰中的有机质碳颗粒与无机质灰颗粒的电学特性差异。因此，掌握粉煤灰的电学性质对粉煤灰电选技术的研发具有重要意义。目前，我国现阶段燃煤电厂锅炉主要包括煤粉炉和流化床锅炉。因此，笔者选取这两种不同炉型粉煤灰进行粉煤灰电学特性实验研究，主要包括粉煤灰的比电阻和荷质比，从而得到粉煤灰电选脱碳主要实验因素对粉煤灰电学特性的影响结果，以进一步补充粉煤灰电选研发所需的基础数据。

1 实验部分

实验选取淮南某电厂煤粉炉(简称淮南煤粉炉)电除尘部分粉煤灰(总含碳量为1.3%，燃煤为淮南烟煤和褐煤按3∶1比例混烧)和福建某电厂循环流化床锅炉(简称福建流化床)电除尘部分粉煤灰(总含碳量为29.86%，燃煤主要为褐煤掺杂少量无烟煤)两种粉煤灰。粉煤灰灰样的化学组成采用ARL型号X射线荧光能谱仪进行分析。

为了解粒径对粉煤灰电学特性的影响，采用筛分法对两种粉煤灰进行了粒径分组，各粒径组粒径范围见表1。

表1 筛分后的5个粒径组的粒径范围

粉煤灰中含碳量依据GB/T 212—2008 《煤的工业分析方法》进行分析；粉煤灰比电阻则采用DR-2型高压粉尘比电阻试验台[10]进行测定。测定时先将采集好的粉煤灰灰样放入干燥箱内于105 ℃下干燥1 h，放置干燥器内冷却；然后将干燥冷却后的粉煤灰灰样装入灰盘并放入电极箱内，加载相应电压进行测定。

根据以往文献中荷电测定装置[11-12]，自制了荷电测量实验装置，装置系统见图1。实验装置中采用高压静电场荷电方法进行荷电。电极采用1 mm厚的不锈钢板制成，在上下级板间四边插入等高的绝缘棒，间距为8 cm。上极板接高压静电发生器；在下极板下安装电磁振动器，并将振动器焊接在倾角为30°的板上，使整个实验装置倾斜。具体实验操作步骤如下：

(1) 连接好法拉第筒及荷电测定装置。将专用连接线的一端与数字电荷量测量仪的输入口相连，另一端与法拉第筒外筒上的插件连接，将法拉第筒放在实验装置下，并用铁丝网放置在法拉第筒上，以屏蔽静电场对实验干扰。

(2) 将干燥过的粉煤灰放在下极板上，打开高压电源，在静电场中进行荷电。

(3) 打开振动器，调整振动频率，通过振动使粉煤灰落入法拉第筒中。

(4) 读取电荷量测定装置上的读数，称量法拉第筒内的粉煤灰灰样的质量，记录数据。

图1 粉煤灰荷电实验装置图

2 实验结果与讨论

2.1 粉煤灰化学成分分析

两种粉煤灰灰样的化学组成分析结果见表2。

表2 煤粉灰灰样化学成分分析 %

从表2中可以看到：两种粉煤灰灰样的主要化学成分为SiO2、Al2O3、Fe2O3、SO3和CaO，它们所占比例之和在80%以上。粉煤灰中SiO2的含量最高，其次是Al2O3。两种类型粉煤灰化学成分相差较大，淮南煤粉炉化学成分中SiO2高达61.14%，Al2O3也达到30.86%；而福建流化床SiO2和Al2O3的质量分数则为44.52%和18.79%，但福建流化床粉煤灰中Fe2O3和SO3、CaO的含量则远高于淮南煤粉炉粉煤灰。一方面，这与两种炉型燃烧的煤种有很大关系，淮南煤粉炉所烧煤种主要为烟煤，福建流化床所烧煤种为褐煤掺杂无烟煤；另一方面，循环流化床锅炉在燃煤时掺杂了大量的脱硫剂石灰石或白云石，带入了大量的CaO，同时由于脱硫剂的存在使燃煤中大量的S未以气态形式排放出去，从而使循环流化床粉煤灰中SO3含量较高[13]。

2.2 粉煤灰比电阻实验

粉煤灰比电阻小，导电性好；比电阻大，导电性差。依据实验设备，实验研究了温度及电压对粉煤灰比电阻的影响。

2.2.1 温度对粉煤灰比电阻影响

选取粒径>75 μm粉煤灰颗粒，实验电压为1 kV，温度为90～200 ℃，实验结果见图2和图3。

图2 淮南煤粉炉粉煤灰比电阻随温度变化

图3 福建流化床粉煤灰比电阻随温度变化

由图2和图3可以看出：福建流化床粉煤灰比电阻在109Ω·cm左右，而淮南煤粉炉粉煤灰比电阻大部分在1011Ω·cm。一方面，由X射线荧光能谱仪的分析结果，除去粉煤灰中的碳成分，淮南煤粉炉粉煤灰化学成分90%为SiO2和Al2O3，两种主要成分导电性较差[14-15]；另一方面，实验中淮南煤粉炉粉煤灰含碳质量分数(1.3%)远低于福建流化床粉煤灰(29.86%)。所以福建流化床粉煤灰比电阻小于淮南煤粉炉粉煤灰比电阻。

在图2和图3中，在90～150 ℃时随温度的增加，两种粉煤灰比电阻迅速增加，在150 ℃达到最大；此后，随着温度增加到200 ℃，两种粉煤灰比电阻呈现缓慢下降的趋势。这是因为粉尘比电阻是两种独立导电机理的综合：一种是通过粉尘内部的体积导电，与工作温度成反比的体积比电阻；另一种是沿着粒子表面进行的表面导电，与工作温度成正比的表面比电阻[16]。在温度不高时粉煤灰比电阻主要受表面比电阻的影响，此时实验所用粉煤灰样品虽然经过干燥但仍然残留水分。低温时水分子均匀分布于颗粒内部，有利于粉煤灰表面导电，粉煤灰比电阻较小；随着温度的升高，水分随着蒸发开始减小，表面导电作用也随之减小，粉煤灰比电阻开始急剧升高[17]；到150 ℃粉煤灰中水分蒸发殆尽，比电阻达到最高。在150～200 ℃内，两种粉煤灰比电阻开始下降，此时随着温度上升粉煤灰表面导电作用影响减小，粉煤灰颗粒内部的离子导电和电子导电作用加强，容积导电逐渐占优势对粉煤灰比电阻起主要作用，粉煤灰比电阻开始下降。

2.2.2 电压对粉煤灰比电阻影响

选取粒径>75 μm粉煤灰颗粒，实验温度为150 ℃，实验电压为1～3.4 kV。实验结果见图4和图5。

图4 淮南煤粉炉粉煤灰比电阻随电压变化

图5 福建流化床粉煤灰比电阻随电压变化

由图4和图5可以看出：在实验电压为1～3.4 kV时，随着电压升高，粉煤灰比电阻降低；但导电性好的福建流化床粉煤灰比电阻下降趋势更明显，即导电性强的粉煤灰比电阻受电压的影响较大。其原因为：实验中粉煤灰颗粒之间存在空隙，里面有大量空气，随着实验电压的增加，粉煤灰空隙中空气被电离气体也逐渐增多[18]，粉煤灰中导电粒子增加，粉煤灰比电阻减小；粉煤灰成分复杂，其导电过程主要以导电通路理论、电子隧道效应理论和场致发射理论三种机理作用而成[19-20]。粉煤灰中很大一部分导电粒子相互之间并不能直接接触，形成“势垒”阻挡，在没有外加电场情况下，处于绝缘状态。随着外加电压增加，粉煤灰中电荷载流子获得能量，克服“势垒”阻挡，实现粒子跃迁，并形成新的导电链，粉煤灰电阻会出现下降[21]。而比电阻小的粉煤灰中导电性好的粒子更多，随着外加电压的增加更易克服“势垒”阻挡，所以流化床粉煤灰比电阻随电压增加下降趋势更明显。

2.3 粉煤灰荷电实验

实验依据自制装置，研究了电压和粉煤灰颗粒粒径对粉煤灰荷质比的影响。粉煤灰荷质比是相同质量粉煤灰的荷电量，表征粉煤灰的荷电能力。实验所用高压电源带负电，故实验上极板带负电，下极板带正电。

2.3.1 不同电压下荷电

为排除粉煤灰粒径对粉煤灰荷质比实验结果的影响，选取粒径>75 μm的粉煤灰进行试验，两种炉型粉煤灰灰样在不同电压(8～20 kV)下的荷质比见图6和图7。由图6和图7可知：随着电压的升高，两种炉型粉煤灰荷质比都是先增加而后迅速降低。其原因为：粉煤灰中以碳粒为主的导体在带正电的下极板上荷正电，由于电场力作用而升起，在重力的作用下落入法拉第筒中，下极板上导电性差的灰粒会在静电场部分也会带上正电，但荷电量不足以让其浮起，在振动器作用下落入筒中，从而使粉煤灰总体荷电量为正；在8～10 kV内随着电压升高荷电量增加，并在10 kV达到最大，随着实验电压的升高，电晕荷电影响增强，极间负离子浓度增加[22]，导致在电场力作用升起的荷电粒子电荷更易被中和并带上负电，粉煤灰荷质比不断下降，煤灰荷质比数值由正变负。可以看出：在电压较低时粉煤灰主要以传导感应荷电为主，且在10 kV时传导感应荷电的影响达到最强；随着电压增加电晕荷电的影响逐渐增强，当实验电压高于14 kV时粉煤灰逐渐以电晕荷电方式为主进行荷电。

图6 淮南煤粉炉粉煤灰荷质比随电压变化

图7 福建流化床粉煤灰荷质比随电压变化

而由图6和图7对比可见：随着电压增加荷电方式的改变，流化床粉煤灰荷质比曲线变化幅度更大，相同电压下流化床粉煤灰荷质比数值高于煤粉炉粉煤灰；含碳量高的流化床粉煤灰荷电能力较强，粉煤灰中含碳量的高低直接影响粉煤灰的荷电能力；粉煤灰中以碳粒为主的导体含量增高，粉煤灰荷电能力也随之增强。

2.3.2 不同粒径组荷电

由不同电压下粉煤灰荷质比实验可知，粉煤灰含碳量变化对粉煤灰荷质比有较大影响。为排除粉煤灰含碳量对粉煤灰荷质比实验影响，实验采用含碳质量分数在2%左右的淮南煤粉炉粉煤灰进行实验，实验电压分别为10 kV和18 kV，结果见图8。

图8 不同粒径粉煤灰颗粒荷质比

实验粉煤灰颗粒粒径一般在1 μm以上，在电场中主要是电场荷电；而实验中荷电时间较长，粒子能很快达到饱和状态，所以电场荷电Qf的计算公式可简化为：

(1)

式中：Qf为电场荷电量，C；ε为粒子相对介电常数；ε0为真空介电常数；E为荷电场强，V/m；dp为颗粒粒径，μm。

实验中粉煤灰荷质比为单位质量，即1 g粉煤灰的荷电量，故根据式(1)，可得：

(2)

式中：qf为粉煤灰电场荷电荷质比，C/g；m为物料质量，g。

由式(2)可以看出粉煤灰荷质比qf与粉煤灰粒径dp2成正比。颗粒粒径越大，粉煤灰颗粒荷电能力越强，粉煤灰荷质比增加越快[23]。

此外由图6和图7可知：在实验电压为10 kV时，粉煤灰传导感应荷电影响达到最强，故粉煤灰荷质比为正值。实验电压为18 kV时粉煤灰主要以电晕荷电方式进行荷电，随着粒径增加粉煤灰荷质比数值先为正后为负。由图8的实验结果进一步可以得出：随着电压增加，粉煤灰的荷电方式由以传导感应荷电为主逐渐转变为以电晕荷电为主。当粉煤灰粒径<38 μm时，粉煤灰荷电量较少，荷电能力较弱。随着粉煤灰粒径增加，粉煤灰荷电量迅速增加，并在粒径为>75 μm时达到最大。对于高压电选脱碳粒径大的粉煤灰颗粒荷电能力更强，在进行粉煤灰电选脱碳时，需考虑粒径对电选效果的影响。

3 结语

(1) 粉煤灰的比电阻与温度及电压有关。在90～200 ℃时，粉煤灰的比电阻在150 ℃左右达到最大；150 ℃时粉煤灰比电阻随电压升高而降低。

(2) 粉煤灰中含碳量的高低直接影响粉煤灰的荷电能力，粉煤灰中以碳粒为主的导体含量增高，粉煤灰荷电能力也随之增强；相同电压下，粉煤灰荷电量随着粒径的增加而增加；当粉煤灰粒径>38 μm时，粉煤灰颗粒荷电能力有显著增加。

(3) 两种不同炉型粉煤灰比电阻及荷质比随实验单一因素变化大体走势相同。其中，温度则对粉煤灰的比电阻有很大影响，电压、粉煤灰颗粒粒径及含碳量对粉煤灰荷电特性有较大的影响。

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ExperimentalResearchonElectricalCharacteristicsofFlyAshfromTwoTypesofFurnaces

Zhang Canqiang1, Zhang Jun1, Wu Haiyang1, Fan Rendong2

(1. Key Laboratory of Energy Thermal Conversion and Control of Ministry of Education, Southeast University, Nanjing 210096, China;2. Jiangsu Electric Power Design institute, Nanjing 210096, China)

2016-10-09；

2017-01-10

张灿强(1992—)，男，在读硕士研究生，研究方向为粉煤灰综合利用。

E-mail: 342325579@qq.com

TQ536.4

A

1671-086X(2017)05-0310-05