低低温系统中粉尘颗粒团聚特性研究

张宇博，延 禹，胡芳芳,3，党黎军，邓 磊，车得福



低低温系统中粉尘颗粒团聚特性研究

张宇博1，延 禹2，胡芳芳2,3，党黎军1，邓 磊2，车得福2

（1.西安热工研究院有限公司，陕西 西安 710054； 2.西安交通大学多相流国家重点实验室，陕西 西安 710049； 3.中国能源建设集团陕西省电力设计院有限公司，陕西 西安 710054）

由于低低温条件下粉尘颗粒物的团聚效应，实际运行中低低温省煤器和电除尘器容易出现积灰堵塞问题。本文搭建固定床吸附实验台，研究了颗粒物吸附硫酸酸雾后的团聚现象，以及各因素对团聚的影响程度。结果表明：吸附反应后单个颗粒物存在4种表面形态，颗粒物间存在4种团聚形态；硫酸酸雾在颗粒物表面产生一层液膜，使颗粒物间黏附力增强，强化了团聚效果；初始阶段主要发生小颗粒在大颗粒表面的黏附以及小颗粒之间的凝并，随后发生大颗粒之间的团聚；温度降低会提升颗粒物团聚的效果，但提升程度与吸附时间有关；在低低温系统中，温度的小幅变动将会引起团聚效果很大的改变；随着颗粒物粒径的增大，颗粒物的团聚效果减弱，粒径增大至91 μm以上时几乎不发生团聚。

低低温烟气系统；粉尘颗粒物；硫酸酸雾；吸附；团聚；积灰堵塞；省煤器；除尘器

“十三五”规划提出了实施煤电节能减排与升级改造行动计划，要对煤炭机组全面实施超低排放与节能改造。目前超低排放技术主要有两类[1-3]，即增效干式静电除尘技术和湿式静电除尘技术。相对于传统的干式静电除尘技术，低低温电除尘技术有着明显的优势，其在日本的应用比较成熟[4-6]。由于我国电厂煤种多变、煤中硫含量高，低低温技术在我国的应用尚处于起步阶段，许多问题有待进一步研究[7-14]。

低低温系统中烟气温度可降至酸露点以下，所形成的硫酸酸雾可能会造成换热器表面腐蚀。然而绝大部分硫酸酸雾会被烟气中的粉尘颗粒物吸附捕捉，所以腐蚀现象并不明显。在我国现运行的低低温系统中，由于粉尘颗粒物的团聚及其黏附性的提高，出现了比较严重的积灰堵塞现象[15]，影响锅炉安全运行。所以对颗粒物吸附硫酸酸雾后的团聚现象，以及各因素对颗粒物团聚程度影响的研究十分必要。

1 实验内容

1.1 实验样品及仪器

为真实地反映低低温系统中颗粒物之间的团聚现象，本实验所用煤灰样品取自福建省福州电厂5号省煤器灰斗。该位置的烟气温度在酸露点之上，此时烟气中的粉尘颗粒并未与硫酸酸雾发生吸附反应，颗粒物之间也没有发生团聚现象。在实验前，将该灰样烘干，并筛分为≤60、＞60~75、＞75~91、＞91~125 μm 4种粒径。

利用扫描电镜-X射线能谱仪（SEM-EDS）对吸附硫酸酸雾前后的粉尘颗粒进行表面微观形态对比分析，采用马尔文3000激光粒径仪测试团聚前后颗粒物的粒径，使用LSP01-1A型微量注射泵供给稀硫酸，通过卷吸式给粉器给灰。

1.2 实验系统及过程

粉尘颗粒物团聚实验系统如图1所示。本系统可模拟烟气温度降低形成硫酸酸雾和颗粒物吸附硫酸酸雾发生团聚的全过程。整个实验系统由气体预热、SO3生成、吸附反应、硫酸收集、硫酸根检测5部分构成。

图1 实验系统

本文采用硫酸高温分解法生成SO3。利用微量注射泵针头将20%的硫酸溶液注入石英管中。经过管式炉预热的氮气携带硫酸液滴进入反应炉内，使其在550 ℃管式炉中分解为气态SO3和水蒸气。

吸附反应在电阻炉内进行。当烟气流经此低温管式炉时，由于未被加热而温度逐渐降低，形 成硫酸酸雾。硫酸酸雾与粉尘颗粒的吸附反应在35 mm×200 mm的长方形石英舟上进行。在实验开始之前，将粉尘颗粒样品在石英舟中均匀铺开，随后将石英舟置于电阻炉内。为检测与调节反应区域温度，在石英舟底部布置有热电偶。参考低低温实际运行温度及本实验系统酸露点，本文所选用的吸附温度为90 ℃和100 ℃。

SO3的收集采用控制冷凝法和NaOH溶液吸收法。未被粉尘吸附的硫酸酸雾经石英管后的伴热带加热，随气体进入冷凝管中冷凝，未冷凝的部分硫酸酸雾在NaOH溶液中被吸收。

吸附反应实验中，定义石英舟处温度为吸附反应温度。吸附时间为5~45 min，并以5 min为时间间隔。实验过程中，N2携带流的流速为1.0 mL/min，主气流流速为2.5 mL/min。在吸附反应完成后，取出灰样利用元素分析仪和X射线荧光光谱分析（XRF）测量吸附前后颗粒物中硫元素的变化，并利用SEM-EDS对吸附反应前后的颗粒表面微观形态进行对比分析。通过分析结果研究粉尘颗粒吸附硫酸酸雾后的表面形貌变化及其团聚特性。

2 实验结果及分析

2.1 颗粒物团聚后形貌变化及元素分布特征

粉尘颗粒物吸附硫酸酸雾前后的形貌及团聚状况如图2所示。

图2 粉尘颗粒物吸附反应前后形貌特征

由图2可以看出：在吸附发生前，粉尘颗粒物呈现球状或不规则形状，不同颗粒物之间没有发生黏结和团聚，且球状颗粒物表面光滑；在吸附发生后，粉尘颗粒物之间发生了明显的凝并和团聚，球状颗粒物形态转变为不规则球体，且颗粒物表面由光滑变为粗糙，出现沟壑状纹路。

单个颗粒物发生化学吸附后的形态特征以及颗粒物团聚的不同特征如图3和图4所示。由图3和图4可以看出：在吸附反应后，单个球体颗粒物表面形态发生变化，呈现出丝状形态、沟壑形态、小洞形态和中空形态4种类型；而颗粒物间的团聚现象也可分为大颗粒间团聚、小颗粒间聚群、小颗粒黏附于大颗粒表面和小颗粒包裹大颗粒4种类型。

图3 单个颗粒物化学吸附后形态特征

图4 颗粒团聚形态特征

对发生吸附前的粉尘颗粒物在电镜下进行能谱分析，测量其元素分布，结果如图5所示。图中01、02检测点分别对应于球形及不规则形状颗粒物。由图5可以看出：2种颗粒物主要元素组成为C、O、Al、Si、Fe、Ca和Mg，其中球形颗粒含Fe量较高，而不规则形状颗粒物则含有相对较多的Ca和Mg元素；2种形态颗粒物几乎未检测到S元素。

对吸附反应后的粉尘颗粒物在电镜下进行能谱分析，结果如图6所示。图6中01、02和03检测点分别位于粗糙球体颗粒物表面、颗粒物间黏结部位以及光滑球体颗粒物表面。由图6可以看出，吸附反应后的颗粒物中除了含有C、O、Fe、Si等元素外，还含有大量S元素。图6中01点处所对应的S元素含量（质量分数，下同）为12.91%，可见吸附反应后，颗粒物的粗糙表面含硫量大幅提高。说明在吸附反应中硫酸酸雾先以物理吸附的方式在颗粒物表面产生一层液膜，其后此液膜再与颗粒物发生进一步的化学反应，从而把烟气中的S元素固定在粉尘颗粒上，并在除尘器中被脱除。

图6 粉尘颗粒反应后EDS分析结果

图6中02点处的S元素含量为3.54%，可见颗粒间相互黏附的部分含硫量也很高。说明硫酸酸雾在颗粒物表面形成的液膜有利于使颗粒物碰撞后黏附在一起，而液膜与颗粒物间的化学反应则使这种黏附力增强，进一步强化了颗粒物的团聚效果，有利于超细颗粒物的脱除。

图6中03点所测量的颗粒非常特殊，其一半面积变得粗糙不平，可见已与硫酸发生反应。但此颗粒上的少部分表面依然保持光滑形态。由03点的测试结果可得，颗粒物光滑表面处含硫量几乎为0，说明该区域由于粉尘颗粒间的遮挡未与硫酸发生反应。由此进一步印证了吸附反应的过程。在烟气温度降低时，SO3开始冷凝成硫酸酸雾，烟气中微小的硫酸液滴被吸附至粉尘颗粒物表面，并与颗粒物发生化学反应。当颗粒物表面吸附的硫酸液滴较多时，会在其表面形成一层液膜。这层液膜使与其碰撞接触的颗粒物黏附在一起，发生团聚现象。并随着各颗粒物与液膜间的化学反应，颗粒物间的黏附不断加强，团聚后的粒径不断增大。

借助EDS，对单个颗粒不同表面形态所对应的含硫量进行对比，结果如图7所示。由图7可以看出：表面沟壑形态颗粒物含硫量为15.54%，而表面丝状形态颗粒物含硫量达到27.65%。说明随着化学吸附反应的深入，颗粒物表面由光滑变为粗糙、沟壑，甚至出现类似丝状的沟壑表面。粗糙沟壑的大颗粒表面更利于小颗粒在其上的凝并和团聚，所以吸附反应发生后更利于超细颗粒物的脱除。

2.2 吸附时间对团聚程度的影响

粒径≤60 μm粉尘颗粒物在90 ℃下团聚效果随吸附时间的变化情况如图8所示。由图8可以看出：随着吸附时间的增加，颗粒物团聚效果逐渐增强；吸附时间为10 min时，大颗粒表面已经黏附了部分团聚的小粒径颗粒物，但大颗粒之间未发生明显团聚现象；吸附时间为20 min时，团聚现象加强，出现小颗粒之间的团聚、成群，以及小颗粒在大颗粒表面黏附，小颗粒包裹大颗粒形成包衣结构和大颗粒之间的团聚；吸附时间达到30 min时，大颗粒之间已团聚成块，小颗粒夹杂黏附在大颗粒之间，团聚现象更为显著。

图7 单个颗粒物反应后含硫量对比

图8 吸附时间对团聚效果的影响

由以上分析可知，颗粒物的团聚是分阶段进行的。在团聚初始阶段，主要发生小颗粒在大颗粒表面的黏附，以及小颗粒之间的凝并；随着吸附时间的增加，大颗粒之间逐渐开始发生团聚现象。其原因是：在初始阶段硫酸酸雾在颗粒物表面的物理吸附及化学吸附较少，没有充分形成完全包裹颗粒物表面的液膜，所以此时只有质量较轻、体积较小的颗粒被黏附在大颗粒表面，并通过化学反应使团聚程度加深；随着粉尘颗粒吸附的硫酸酸雾增多，颗粒物表面液膜逐渐扩大增厚，使大颗粒之间有能力形成紧密的黏附作用，造成大范围的团聚现象。

在火电厂的尾部烟气处理系统中，通常粒径过小的粉尘颗粒在干式静电除尘器中很难被除去。但大颗粒对小颗粒的黏附以及小颗粒之间的团聚作用，使超细颗粒得以脱除，粉尘颗粒物脱除效率提高。除尘器尺寸影响着颗粒物的停留时间，即吸附时间，从而对团聚效果造成影响。小颗粒物的团聚有利于提高粉尘的脱除效率，但大颗粒之间的团聚则会造成除尘器的积灰堵塞。因此，对于除尘器前换热器的设计，其尺寸和温度参数非常重要。

2.3 吸附温度对团聚程度的影响

粒径为＞60~75、＞75~91 μm的粉尘颗粒物在不同吸附温度下的团聚效果如图9所示。其中，不同粒径颗粒物的团聚时间分别取为10 min和30 min。

图9 吸附温度对团聚效果的影响

由图9可以看出：＞60~75 μm的颗粒物在吸附时间为10 min时，温度的降低大幅提升了团聚效果；在吸附温度为100 ℃时，几乎没有发生明显的团聚，而在吸附温度为90 ℃时，不仅发生了小颗粒物在大颗粒表面的黏附，大颗粒之间也开始发生一定的团聚现象，说明温度的降低将大幅促进团聚现象的发生；当吸附时间延长至30 min时，＞75~91 μm粉尘颗粒物吸附温度为90 ℃时的团聚程度要大于100 ℃，但此时2个温度下的差别远不如吸附时间为10 min时明显。

所以，吸附温度的降低会提升颗粒物团聚的效果，但提升程度与吸附时间有关。在吸附时间较短时，温度的降低对团聚效果的提升作用较大，会使颗粒物在短时间内发生大颗粒间的团聚现象。此时吸附温度是制约团聚效果的主要因素。而在吸附时间较长时，吸附温度对团聚效果的影响作用降低，成为影响颗粒物团聚的次要因素。

在实际低低温烟气处理系统中，颗粒物与硫酸酸雾接触，发生吸附的时间较短，此时温度的小幅变动将会引起团聚效果很大的改变。因此低低温换热器温度参数的选取就显得至关重要。如果选择不当，很容易造成换热器后除尘器的积灰，影响锅炉尾部设备的正常运行。

2.4 粒径对团聚程度的影响

吸附时间为30 min时，不同粒径颗粒物在90 ℃下的团聚效果如图10所示。由图10可以看出：在粒径≤60 μm时，团聚程度非常大，大小颗粒物已聚集成块；粒径＞60~75 μm时，颗粒物的团聚效果相对减弱，小颗粒之间的聚集以及小颗粒在大颗粒表面的黏附明显，但同时也发生了大颗粒之间的黏结；随着颗粒物粒径的增大，团聚效果进一步减弱；＞75~91 μm时大颗粒间的黏结程度已不如之前强烈，而对于＞91~125 μm的颗粒，几乎没有团聚现象发生。

图10 颗粒粒径对团聚效果的影响

由上述分析可得，随着颗粒物粒径的增大，颗粒物的团聚效果减弱。其中，小颗粒之间，以及小颗粒与大颗粒之间易发生团聚现象，而大颗粒之间的团聚能力较差，尤其是粒径增大至91 μm以上时几乎不发生颗粒物之间的团聚。

在工程中，小颗粒的聚群及其在大颗粒物表面的黏结有利于超细颗粒物脱除。而大颗粒间的团聚则会引起锅炉尾部设备的积灰堵塞，这应当极力避免。恰当的设计吸附温度、时间等参数，防止60 μm以上大颗粒的结块，是低低温系统设计的重点。

3 结 论

1）在吸附反应后，单个颗粒物表面形态分为表面呈现丝状形态、沟壑形态、小洞形态和中空形态4种类型。颗粒物间的团聚形态也可分为大颗粒间团聚、小颗粒间聚群、小颗粒黏附于大颗粒表面和小颗粒包裹大颗粒4种类型。

2）硫酸酸雾先以物理吸附的方式在颗粒物表面产生一层液膜，液膜与颗粒物间的化学反应则使颗粒物间黏附力增强，强化了团聚效果，有利于超细颗粒物的脱除。

3）颗粒物的团聚是分阶段进行的。初始阶段，主要发生小颗粒在大颗粒表面的黏附，以及小颗粒之间的凝并。随着吸附时间的延长，大颗粒之间逐渐开始发生团聚现象。

4）吸附温度的降低会提升颗粒物团聚的效果，但提升程度与吸附时间有关。时间较短时，温度的降低对团聚效果的提升作用较大，是主要因素。吸附时间较长时，吸附温度变为次要因素。在实际低低温系统中，温度的小幅变动将会引起团聚效果很大的改变。

5）随着颗粒物粒径的增大，颗粒物的团聚效果减弱。小颗粒之间，以及小颗粒与大颗粒之间易发生团聚现象，而大颗粒之间的团聚能力较差，尤其是粒径增大至91 μm以上时几乎不发生颗粒物之间的团聚。因此，恰当的设计吸附温度、时间等参数，防止60 μm以上大颗粒的结块，是低低温系统设计的重点。

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Experimental study on agglomeration characteristics of ash particles in low-low temperature flue gas system

ZHANG Yubo1, YAN Yu2, HU Fangfang2,3, DANG Lijun1, DENG Lei2, CHE Defu2

(1. Xi’an Thermal Power Research Institute Co., Ltd., Xi’an 710054, China; 2. State Key Laboratory of Multiphase Flow in Power Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China; 3. China Energy Engineering Group Shaanxi Electric Power Design Institute Co., Ltd., Xi’an 710054, China)

Due to agglomeration of ash particles under low-low temperature conditions, ash deposition block occurs very easily in low-low temperature economizer and electrical static precipitator during actual operation. To deal with this issue, the authors built up a fixed-bed adsorption experimental bench and studied the agglomeration of particles adsorbed by sulfuric acid mist and the influence of various factors on the agglomeration. The results show that, there are four kinds of surface morphology of the individual particle and four kinds of agglomeration morphology between the particles. A layer of acid liquid film is formed on the particles' surface, which enhances the adhesion between particles and strengthens the agglomeration effect. In the initial stage, the small particles adhere onto the surface of large particles or the agglomeration between small particles occurs, followed by the agglomeration between large particles. The drop of adsorption temperature improves the agglomeration, but the improvement degree depends on the adsorption time. In the low-low temperature flue gas system, small variations in temperature will cause significant change of the agglomeration. The agglomeration effect decreases with the increasing particle size, and almost no agglomeration occurrs when the particle size increases to above 91 μ m.

low-low temperature flue gas system, dust particle, sulfuric acid mist, adsorption, agglomeration, ash deposition and blockage, economizer, dust remover

National Key Research and Development Program (2017YFB0602102)

张宇博(1985—)，男，博士，高级工程师，主要研究方向为燃煤锅炉清洁燃烧、锅炉技术监督等，zhangyubo@tpri.com.cn。

TK09

A

10.19666/j.rlfd.201808142

张宇博, 延禹, 胡芳芳, 等. 低低温系统中粉尘颗粒团聚特性研究[J]. 热力发电, 2019, 48(1): 36-42. ZHANG Yubo, YAN Yu, HU Fangfang, et al. Experimental study on agglomeration characteristics of ash particles in low-low temperature flue gas system[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(1): 36-42.

2018-08-01

国家重点研发计划项目(2017YFB0602102)

车得福(1962—)，男，博士，教授，主要研究方向为多相流动与传热、化石燃料清洁燃烧等技术，dfche@mail.xjtu.edu.cn。

（责任编辑 马昕红）