烟气温湿度对电除尘脱除细颗粒的影响

胡 斌 周 磊 孙宗康 梁 财 杨林军

(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)

烟气温湿度对电除尘脱除细颗粒的影响

胡 斌 周 磊 孙宗康 梁 财 杨林军

(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)

采用搭建的350 m3/h燃煤热态实验平台,测量电除尘出口不同粒径细颗物脱除效率,考察喷雾降温对电除尘放电特性、烟气酸露点、粉尘比电阻及除尘效率的影响．结果表明:当烟气温度由130 ℃降低到90 ℃,相对湿度由6%提高到12%时,电除尘击穿电压升高,粉尘比电阻降低;同时烟气酸露点温度随着相对湿度增加而提高;电除尘质量脱除效率变化不明显,但在0.1～1.0 μm区间的颗粒数量脱除效率可提高10%;根据低低温电除尘运行经验可知,喷水降温到烟气酸露点以下,合理控制烟气灰硫比可避免产生烟道腐蚀．

电除尘;喷雾调质;脱除效率;PM2.5

随着我国环保要求的提高,火电厂排放的污染物的治理工作将更加深入．我国80%火电厂以煤炭为燃料,煤燃烧过程中会产生各种气态污染物和颗粒物,这些污染物是我国大气污染的重要来源,细颗粒物是导致我国各大城市雾霾天气的重要原因[1]．因此,控制燃煤电站细颗粒物排放十分必要．我国目前实施最新的《火电厂大气污染物排放标准》(GB13223—2011)要求燃煤电站烟尘排放浓度限值为30 mg/m3,重点区域降低至20 mg/m3[2];另外,2014年9月国家正式颁布《煤电节能减排升级与改造行动计划(2014—2020)》，明确提出了现役和新建燃煤机组烟尘排放均要达到燃气标准,即烟尘排放浓度小于5 mg/m3[3]．

静电除尘器(electrostatic precipitator,ESP)以其耗能少、除尘效率高、处理烟气量大、适用范围广、自动化程度高以及运行稳定可靠等诸多优点而广泛应用于火力发电站,其对燃煤烟气中粗颗粒的收集效率可达99.9%以上,但其对PM2.5以下的细颗粒的捕集效率却不高,已经成为制约燃煤锅炉达到排放标准的重要因素[4-5]．在静电除尘器领域,烟气调质因技术投资小,占地面积小,运行费用低,成为提高电除尘器性能经济有效的方法之一．目前常用烟气调质物质有水、SO3、氨、三乙胺和其他一些具有特殊性质的化合物．应用比较广泛的SO3调质会产生排放和设备腐蚀等问题;氨调质只对碱性飞灰有效,对其他飞灰效果较差．在电除尘前烟道进行喷水调质,可以降低烟气温度并且提高烟气湿度,在烟气酸露点高于110 ℃时,能实现低低温电除尘的作用[6-8]．

目前关于电除尘喷水调质的研究大多以工程实践和经验为主,喷水调质对颗粒脱除效率的增强机理目前还不完全清晰,而且水蒸气在电场中作用复杂,其在电场中受到浓度及电场场强的影响,在低温高湿条件下水蒸气冷凝在飞灰表面,液滴对电荷的吸收可以阻碍电场对颗粒物的场致荷电．同时水分子易受电场作用自身分解成带电自由基(5 eV),因此随着湿度的增大电场中电荷密度增大,使0.1～1.0 μm 细颗粒扩散荷电效果增加．此外,两极板间充满的水分子改变了空气介质的电阻,对击穿电压造成影响.本文结合目前广泛应用脱硫废水烟道蒸发技术的工程背景[9],把脱硫废水喷入电除尘前烟道,利用烟道余热实现脱硫废水零排放,进一步研究通过脱硫废水蒸发过程对电除尘性能的影响规律．

1 试验

1.1 试验系统及材料

试验装置主要由全自动燃煤锅炉、缓冲罐、蒸发室、换热器、电除尘器、湿法烟气脱硫塔等组成(见图1),额定烟气量为350 m3/h,燃煤锅炉产生的烟气依次经缓冲罐、蒸发室、换热器、静电除尘器,进入脱硫塔后经引风机排出．根据试验要求添加细颗粒、SO3到缓冲罐内,缓冲罐温度保持在350 ℃;蒸发室内布置双流体雾化喷嘴,雾滴与烟气逆流接触;电除尘入口布置换热器用于调节电除尘入口烟气温度;试验电除尘为极板式电除尘,极间距为300 mm, 工作电压为-40 kV;采用石灰石石膏法脱硫,脱硫塔为喷淋塔,设置3级喷淋,脱硫塔内设有螺旋喷嘴,其出口处安装丝网除雾器．

试验用煤为无烟煤, 其工业分析和元素分析见表1．

图1 试验示意图

1.2 试验过程

改变蒸发室内喷入的水量,控制入口气体相对湿度范围为6%～12%,通过气溶胶发生器及SO3发生装置调节烟气中粉尘和SO3浓度,通过换热器调节烟气温度为90～130 ℃.根据相关研究表明,电除尘负电晕放电特性优于正电晕,故电除尘运行电压设定为-40 kV,烟气在其中停留时间为1 s．实验连续进行8 h,所有数据均为同一时段内多次试验结果的平均值．

1.3 测试仪器及方法

烟气总尘浓度利用WJ-60B型皮托管平行全自动烟尘采样器等速采样得到;烟气温湿度采用芬兰Vaisala公司生产的HMT337型温湿度变送器测量．采用芬兰Dekati公司生产的电称低压冲击器(electrical low pressure impactor,ELPI)在线测量细颗粒物浓度、粒径分布和电除尘出口细颗粒荷电量．

由ELPI 测量的各级电流量可计算得到每一级颗粒的数浓度,即

(1)

式中,Q为采样流量(9.89 L/min);e为元电荷电量(1.6×10-19C);n为颗粒平均荷电数目(个元电荷);I为颗粒在荷电器中的穿透率;P为系数,与颗粒粒径有关．当得到各级粒径范围内颗粒的数浓度后,可以关闭ELPI自带的荷电器,此时各级静电计测量的微电流即为颗粒总荷电量.由下式可得出各级粉尘颗粒的实际荷电量:

(2)

式中,Ii为第i级电流;Ni为第i级颗粒数浓度．对比ELPI每一级测量前后的数值变化,可确定每一级的脱除效率ηi为

(3)

式中,na，i,nb，i分别为第i级电除尘入口、出口数量浓度．

2 结果与讨论

2.1 温湿度对电除尘放电特性的影响

不同温度和湿度会影响除尘器的电晕放电,进而影响颗粒在电除尘器中的荷电特性和脱除效率．图2为不同烟气温度和湿度电除尘的放电特性,结果表明，烟气温度和湿度对电除尘的放电特性均有影响. 由RH=6%,T=90, 110, 130 ℃时的放电曲线可见,相同湿度下,温度越低,电晕电流越大,击穿电压越大;由RH=6%,12%,T=90 ℃的放电曲线可见,相同温度下,湿度增加,电晕电流增加,击穿电压相应增加．而,烟气含水率、两极板间增加的水分子降低了极板间空气介质的绝缘特性,导致相同电压下电流随含水率的增加而增加,有利于颗粒的荷电和除尘效率的提高,同时黏附在粉尘表面的水蒸气分子薄膜又改善了粉尘的导电性能,使粉尘比电阻降低,从而提高了电除尘器的除尘效率[10]．下列经验公式提供了不同温度下击穿电压的计算方法:

(4)

式中,Ub为击穿电压;U0为273 K下的击穿电压;Tt为烟气温度,℃;T0=273 K.

图3为根据式(4)计算得到的击穿电压和温度的关系图．由图可知,电除尘的击穿电压与温度成反比,温度每降低10 ℃,电场击穿电压将上升3%．主要原因是烟气温度的提高,烟气密度减小,带电粒子与中性气体分子碰撞率减小,使离子有效迁移率增大,电晕电流增大，击穿电压减小.电压一定时，电晕极附近的空间电荷密度减小,更容易达到火花放电,使击穿电压降低,对电除尘器的运行不利．目前电除尘入口烟气温度一般在130～150 ℃之间,通过在电除尘前喷水,使烟气温度降低,提高电除尘的击穿电压,有利于颗粒的荷电,提高电除尘的效率．

图2 不同温湿度下电除尘放电特性

图3 击穿电压和温度的关系

2.2 温湿度对烟气酸露点的影响

酸露点是影响锅炉运行的重要参数,喷水降温过程中会引起烟气酸露点的变化.国内外对烟气酸露点的研究很多,穆勒曲线、Halstead曲线、Okkes公式等都根据烟气中H2SO4蒸汽含量给出了酸露点.其中，Okkes公式同时考虑了水蒸气和H2SO4蒸汽的含量,准确性和应用性均较好[11]．本文根据Okkes公式计算酸露点与烟气中水蒸气、硫酸蒸汽含量的关系,结果如图4所示．由图可知,在H2SO4蒸汽浓度为20 mg/m3,烟气RH为6%时,烟气酸露点约为122 ℃,并且烟气的酸露点随着烟气中水蒸气、H2SO4蒸汽浓度的增加而提高．喷水降温提高了烟气的相对湿度，也提高了烟气酸露点,从而有产生腐蚀的风险．三菱重工的试验研究表明[12-13]:当烟气中灰硫比大于10时,雾状SO3会完全吸附或附着在烟气中的粉尘上,并不会造成设备的腐蚀．所以采用喷水降温方式,温度降低到酸露点以下,只要灰硫比大于10，就不会产生腐蚀.目前燃煤电站电除尘前灰硫比远远高于10[14],因此,喷雾调质不会产生腐蚀．

图4 酸露点与水蒸气、H2SO4蒸汽含量的关系

2.3 温湿度对粉尘比电阻的影响

烟气中飞灰的总比电阻ρ包括体积比电阻ρv、表面比电阻ρs以及酸比电阻ρa．体积比电阻是粉尘的固有比电阻,飞灰体积比电阻由化学成分决定;粉尘表面比电阻由粉尘表面性质和水分决定;粉尘的酸比电阻由烟气中三氧化硫决定;现场比电阻ρvs由ρv,ρs复合而成[15-16],即

图5为粉尘比电阻与温度的关系,其中虚线为根据Bickelhaupt经验公式[17]计算得到的理论值,实线为实际测量的飞灰比电阻．由图可知,理论计算和实际测量过程中烟气飞灰的比电阻在150～180 ℃时出现极大值,分别为1.8×1011和1.3×1011Ω·cm．由此可知，温度是影响飞灰比电阻的重要因素,在低温时,飞灰表面比电阻起主导作用,随着温度的升高,飞灰表面吸附物和水蒸气等物质减少,而使飞灰的比电阻增加;在高温时,飞灰体积比电阻起主导作用,随着温度的升高,飞灰中质点的能量增加,导电性能增强,而使比电阻降低[15]．实验测量的比电阻低于计算得到的比电阻,主要原因是，经验公式计算时没有考虑飞灰的酸比电阻,当烟气温度低于酸露点时,烟气中的SO3会凝结吸附在飞灰表面,使飞灰的比电阻降低[12,18]．同时,烟气的湿度对于飞灰的比电阻也有重要的影响．

图5 粉尘比电阻与温度的关系

图6为飞灰比电阻与烟气相对湿度的关系,可此可见,随着烟气湿度的提高,粉尘的比电阻明显降低．主要是因为烟气中的水蒸气分子黏附在粉尘表面,改善了粉尘的导电性能,降低了粉尘的比电阻．

图6 粉尘比电阻与相对湿度的关系

2.4 温湿度对电除尘性能及粉尘荷电的影响

图7为电除尘工作电压-40 kV,SO3浓度为40 mg/m3时,ELPI+测得的不同温湿度下电除尘出口PM10的数量浓度．由图6的结果可知,当相对湿度为12%,温度为90 ℃时,电除尘出口PM10的数量浓度约为2.38×105/cm3;当相对湿度为6%,温度为130 ℃时,电除尘出口PM10的数量浓度约为3.15×105/cm3．分析其原因:① 温度和湿度的改变影响电除尘的放电性能和飞灰的比电阻,提高了电除尘的脱除效率;② 通过喷水降温使烟气温度降低到酸露点以下,烟气中的部分SO3会冷凝在飞灰表面,降低飞灰比电阻,同时温度降低,导致烟气流经电除尘的速度降低,增加烟气在电除尘中的停留时间,从而实现了低低温电除尘的作用;③ 液滴在颗粒之间形成液桥力,颗粒间的液滴蒸发后,液桥力转变为固桥力,颗粒发生团聚;④ 烟气湿度增加、温度降低,均会降低电除尘出口PM10数量浓度．

图7 不同温湿度下电除尘出口PM10数量浓度

图8为电除尘工作电压-40 kV,SO3浓度为40 mg/m3时得到的不同温湿度下电除尘PM2.5,PM10和总尘的脱除效率．对比图6得到的结果可知,当RH=6%,T=130 ℃时,PM2.5,PM10和总尘的脱除效率分别为62%,82%,91.5%;当RH=12%,T=90 ℃时,PM2.5,PM10和总尘的脱除效率分别为63.2%,85.2%,96.7%．烟气温度和湿度变化,电除尘质量脱除效率提高不明显,特别是小于PM10的颗粒,脱除效率变化为3%～5%．电除尘总体的脱除效率一般比较高,但是对于PM10和PM2.5的脱除效率不高,提高电除尘对这部分颗粒的脱除效率对于控制颗粒的排放有重要的意义．图8为不同温湿度下电除尘出口的分级脱除效率,在0.1～1.0 μm粒径段脱除效率较低．主要原因是粒径小于0.1 μm 的颗粒主要以扩散荷电为主,粒径大于1 μm 的颗粒以场致荷电为主.2种荷电机制都会使颗粒带上足够的电量,但对于0.1～1.0 μm的颗粒2种荷电机制作用效果最弱,表现为电除尘存在0.1～1.0 μm的脱除效率穿透窗口．对比图8中不同温度下的分级脱除效率可知,温度降低会提高穿透窗口的脱除效率,这是由于温度降低使得烟气流速降低,烟气在电除尘的提留时间增加,有利于细颗粒被阳极板捕集;同时温度降低到酸露点以下,烟气中的SO3吸附冷凝在飞灰表面,降低了细颗粒的比电阻[18]．对比图9中不同湿度得到的结果可知,提高湿度可以提高0.1～1.0 μm细颗粒脱除效率．主要原因是电荷密度随相对湿度增大而增大,且电荷密度的增加比较显著,电荷密度的增加会使颗粒荷电量增加．图10为不同温湿度下不同粒径颗粒的平均荷电量,结果表明:温湿度对于是粒径大于1.0 μm的颗粒荷电量影响不明显,粒径大于1.0 μm的颗粒主要以场致荷电为主,场致荷电主要是在外电场的作用下使颗粒荷电,取决于外电场的强度,颗粒的荷电量一般大于100 C;粒径小于1.0 μm的颗粒主要以扩散荷电为主,而扩散荷电是由于带电离子的热运动引起的颗粒荷电,颗粒的荷电量通常小于100 C.烟气的温度和湿度变化对带电离子的热运动影响较大,所以烟气温度和湿度对于粒径小于1.0 μm的颗粒的荷电量影响比较明显．

图8 不同温湿度下电除尘PM2.5、PM10、总尘质量脱除效率

图9 不同温湿度下电除尘数量分级脱除效率

图10 不同温湿度下颗粒的平均荷电量

3 结论

1) 降低烟气温度,提高烟气相对湿度,会提高电除尘击穿电压;温度每降低10 ℃,电场击穿电压将上升3%,击穿电压的提高有利于细颗粒物的荷电,可提高电除尘器的除尘效率．

2) 烟气相对湿度的提高,会提高烟气酸露点温度．采用喷水降温方式,在燃料为高硫煤的情况下,温度降低到酸露点以下,控制合理灰硫比不会产生腐蚀,而起到低低温电除尘的效果.

3) 烟气温度和湿度变化,电除尘质量脱除效率的提高不明显,特别是PM10以下的颗粒,脱除效率变化为3%～5%,但电除尘出口0.1～1.0 μm粒径的细颗粒数量脱除效率变化为10%,说明烟气温度的降低和相对湿度的提高有利于降低电除尘出口0.1～ 1.0 μm粒径细颗粒的排放．

4) 烟气温度和湿度变化,对于粒径大于1.0 μm的颗粒荷电量影响不明显,但对于粒径小于1.0 μm 的颗粒荷电量影响比较明显,主要是由于不同的荷电机制决定的,这对电除尘脱除亚微米细颗粒有着重要的意义．

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Effectsoftemperatureandhumidityonelectrostaticprecipitatorremovaloffineparticles

Hu Bin Zhou Lei Sun Zongkang Liang Cai Yang Linjun

(Key Laboratory of Energy Thermal Conversion and Control of Ministry of Education, Southeast University, Nanjing 210096, China)

Coal-fired thermal state experimental platform with 350 m3/h was designed, the grade removal efficiencies of different fine particles at the electrostatic precipitator (ESP) outlet were measured. ESP discharge characteristics, flue gas acid dew point, dust resistivity, and dust removal efficiency were investigated with different flue gas temperatures and humidities. The results show that the ESP breakdown voltage raises and the dust resistivity reduces, when the flue gas temperature reduces from 130 ℃ to 90 ℃ and the relative humidity improves from 6% to 12%. Meanwhile, the acid dew point also increases. The ESP dust removal efficiency is not obviously improved, but the removal efficiencies (defined as through the window number) of particles from 0.1 μm to 1.0 μm are increased by 10%. When spaying the water droplet, the control of the flue gas ash and sulfur ratio can avoid the corrosion in the flue gas.

electrostatic precipitator;spray conditioning;removal efficiency;PM2.5

10.3969/j.issn.1001-0505.2017.06.011

X701.2

A

1001-0505(2017)06-1148-06

2017-04-18.

胡斌(1988—)，男，博士生；杨林军(联系人)，男，博士，教授,博士生导师，ylj@seu.edu.cn.

国家重点基础研究发展计划(973计划)资助项目(2013CB228505)、国家重点研发计划资助项目(2016YFC0203700).

胡斌，周磊，孙宗康，等.烟气温湿度对电除尘脱除细颗粒的影响[J].东南大学学报(自然科学版),2017,47(6):1148-1153.

10.3969/j.issn.1001-0505.2017.06.011.