锅炉烟气导电性与除尘效率关系的研究

1锅炉烟气导电性与除尘效率关系的研究赵信志浙江菲达环保科技股份有限公司浙江省诸暨市望云路88号311800摘要：在当今运行的静电除尘器中，各个厂家都碰到了一些虽按正常设计、制造且又无大的安装缺陷，却出现除尘效果不理想，烟囱冒烟严重，出口烟尘浓度达不到排放要求的情况，有些除尘器甚至几经改造也收效甚少。对此本人也曾作过一些探索，在本文中拟将本人一点初浅想法报告于诸，以供讨论，突出阐述锅炉烟气中混合气体的导电特性和其与粉尘比电阻的关系及它们对除尘效率的影响。并想通过本文的介绍，从另一个侧面认识电除尘器的运行机理，从而更科学地调试它，达到节电、高效的目的。关键词：电场强度比电阻混合气体屏蔽1、概述静电除尘器早已不是鲜为人知的事，自1907年美国加尼弗尼亚州大学的化学教授F.G科特雷耳成功地发明了实用静电除尘器至今已100年了，自1923年起大规模地应用于燃煤发电厂也已有84年了。应该说，电除尘器的技术发展已非常成熟了，应用的领域也从化工、冶金、发电到水泥、造纸等行业，无所不涉；生产电除尘器的厂家，在国内有数十家之多，投运的电除尘器已有数千台套，仅浙江菲达集团公司承接设计、制造的就有上千台套。这些投运的电除尘器中，其运行状况极大部分都非常好，可谓是高路入云天，碧空照人间，为保护人类一片清晰的空气作出了巨大的贡献。但是，其中也有一些电除尘器，烟囱指处，烟尘压顶，不仅严重污染了人类居住的环境，还损害了企业自身的形象。而查其原因，却往往是本体无缺陷，设计无大错，电源无异常，系统属正常，更有甚者，巨额耗资，反复改造，但无论你费尽九牛二虎之力，烟囱冒烟现象总不得根本改善，是何故不能见效？近年来我们曾成功地组织了对有关电厂电除尘器的改造调试，从另一个侧面认识了电除尘器运行与烟气导电特性的关系，同时也进一步认识到：全面理解电除尘器的运行机理，是提高电除尘器除尘效率的重要基础。实际上，此前业内有专家已早就关注了烟气的导电性对除尘器收尘效率的影响，并作了有益的尝试，至少已证明在不影响除尘效率的基础上可大幅度地降低能耗，这里也可包括近年来人们一直在探寻用不同的电源控制方式和开发高频电源来提高除尘器的适应性，以提高除尘效率。2、关于电除尘器运行机理的探讨关于静电除尘器运行的收尘机理，在初级电工学中就可见到，业内之士可以说人人皆知。按一般的说法即是：在除尘器内由高压电场使极线周围产生了大量的自由电子和离子，形成了电晕区，而粉尘颗粒在通过电晕区边缘与集尘极之间的区域时，根据扩散荷电和电场荷电机理而被荷电，并在电场力作用下得到一向集尘极运动的驱进力，集积于集尘板，达到收尘的目的。其驱进力与尘粒荷电量和电场强度成正比。Fe=QE（1）Fe—尘粒驱进力Q—粒子的荷电量E—电场强度2FeFQ这一简明的概念，正是电除尘器收尘的根本要点。但是在对这一机理的阐述中，应重点讨论尘粒分子在烟气电场中的荷电特性变化，理解这种变化对解析静电除尘器的运行机理，有极为重要的意义。在电除尘器里，粉尘尘粒在电场力的作用下向阳极板运动时，还受到了水平风速流向力FQ的影响，例图1，它对粉尘尘粒运动的作用力，与电场力Fe相差90°。图1尘粒在电场中的受力关系也就是说尘粒运动所受到的力是一种矢量力，由于FQ的存在，延缓了尘粒到达收尘极的时间，若Fe较小，不能克服FQ的作用，则粉尘尘粒就无法被收尘极板吸收，除尘效率将为零。这里我们要进一步探索的是何因素影响了电场力Fe的减小？怎样尽可能使其增大？对于静电除尘器，在极板、极线间施加足够的高压，使致产生高压电场提供足够的电场强度，是电除尘器收尘的基本条件，且在一般情况下可以说，电场强度与除尘效率成正比。但是因电除尘器收集的是烟气中一粒一粒的粉尘颗粒。因此，真正有意义的是应研究这个电场强度是否能真正作用于尘粒之中。有时，从总体上看，好象电场早已建立，电场强度应该已较强，但实际真正作用于尘粒点的电场强度却很小，故尘粒到达不了收尘集，只能随风飘流，经烟囱到天空而陨落四方。那么好端端的几万伏高压施加于电除尘器的两极之间，而在电场区域中却为什么会出现电场强度很弱的情况呢？为此，本人将抛开离子与尘粒碰撞荷电的机理从另一个角度去分析它，并以此阐述电除尘器的运行机理。此处，我们再引出一个在电除尘器中粉尘粒子驱进速度ω的概念性表达式[1]：62aEPEcp（2）式中：ω—粉尘驱进速度；P—电场的介电常数；Ep—收尘极的电场强度；Ec—荷电电场强度；a—尘粒半径；µ—气体粘度。式中Ec又可称为尘粒点的电场强度，它与电场力的衰减程度有关。（2）式更正确地表达了电除尘器中粉尘尘粒的驱进速度ω与其相关因素的关系。但其中有二项值得特别注意：介电常数P和荷电电场强度Ec，一般均认为：P为一个不变量，故称之谓常数，而荷电电场强度EC也常常认为它的强度与收尘极电场强度相近[2]，即上式可简化为：622aEPp（3）但是在实际上，大量的现场工况证明，P、EC二个值均不是常数和定值的概念，恰恰是除尘工况中的特别变量，且P值将决定性地影响着Ec值的大小，即它们将双重影响ω值。这也是导致除尘效率低下的根本所在。下面我们将分述它们对除尘效率的影响。在电工学中我们知道，电场中利用金属内部的自由电子的定向移动产生的内电●●3场作用，可终止想通过它的电力线，叫屏蔽了该金属处的电场作用，使其内部的电场强度减弱甚至达到零。而在电除尘器中，其电场力的传递也並非在理想的真空状态中进行，而是通过了一个不可避免的介体。我们知道电除尘器除尘是把粉尘尘粒从锅炉燃烧后的烟气中分离出来，也就是说这种要分离的粉尘尘粒是始终夹杂在混合气体之中的，例图2所示。图2尘粒与混合气体由粉尘尘粒与混合气体组成了烟气，即电除尘器中的粉尘尘粒是始终被混合气体包裹运动前进的。这样混合气体就是电场力到达粉尘尘粒的媒介，也即为上式中的介电常数P。而这种混和气体通常由氮气、二氧化碳、一氧化碳、二氧化硫和其它惰性气体等组成。它们在高压电场作用下也能导电，若这种混合气体一旦在电场作用下呈导电性或被击穿，气体就会变成电子流，这一电子流实际上就成了尘粒周围电场的屏蔽层，例图3所示。图3尘粒周围的电力线被导电气体屏蔽这样作用与尘粒的电场力就要大大减少或消失，即上式中的P、Ec值大大减少，ω值也随之减少，故粉尘尘粒就不能到达收尘极。由此就引出了电除尘器运行中的一对尖锐的矛盾：一方面粉尘尘粒需要在电场中荷电並在电场力作用下获得驱进力才能集积与收尘极极板；而另一方面与粉尘尘粒密不可分为一体的这些混合气体在高压电场作用下也会导电或击穿，而引成的气体电子流又将屏蔽尘粒周围的电场，使其周围的电场强度减弱。那么怎样来协调这一对矛盾呢？这可从二者的导电特性来分析：在电除尘器中，我们通常把粉尘的导电性以“比电阻”的形式来表示，它是单位体积某电压与此电压作用下粉尘所产生的电流的比值，表达式与导体中的欧姆定律相同，即：R=V/I（y·10XΩ）（3）那么其数值的大小与粉尘荷电程度有何种关系呢？解析这一问题，实际上也是从另一个角度去理解粉尘尘粒的荷电机理。从物质的分子结构原理中知道，任何物质都由分子组成，而分子又有无数个原子组成，原子又由带正电的原子核和不同层环绕其旋转的电子（负电）所组成，且原子核始终束缚着电子围绕自己旋转运极线电力线尘粒粒粒粒粒屏蔽层4e5e13E动，但对最外层电子的束缚力最小。当然在不同轨迹中运行的电子的质量是各不相同的，越靠内层的质量越大，在无外力的作用下，它们始终趋于能量平衡状态，对外不显出电性。然而在外电场的作用下，原子中电子的运动速度将加快，对其束缚力较小的那些次外层电子可能逸出原来自己运行的轨迹而移向最外层，如图4所示。这样，由于外层电子数量和质量的增加，原子也将失去原来的电荷平衡状态，对外显出了负的特性。对于粉尘尘粒也不例外，这一显出的负特性，就如在电场中荷了负电，就可在电场力的作用下奔向正极（阳极板）。这种在电场力作用下原子中图4在电场力作用下电子外移运行轨迹电子运动轨迹的位移特性，实际上犹如导体、半导体的原子结构相仿都是建筑在原子中的电子运动基础上的，只不过这里分析的主要对象是不同的粉尘尘粒，所不同的是导体、半导体及绝缘体（在高压下也能导电击穿）都是在电源电压作用下的电子流运动，而粉尘尘粒却是由于其中的部分电子移动使其“荷电”后在电场力作用下的整体移动。前者其导电率用电阻表示，而后者是用比电阻来表示的。在电流电路中，线路电阻小的，可反映出只需施加较低电压就可获得较大电流。而在此，比电阻小的尘粒也反映了该尘粒原子核对外层电子的束缚力较小，在较小的外电场作用下，其运转的电子容易外移原来的轨迹而显出电性；反之，比电阻大的，由于原子核对不同轨迹围绕自己旋转的电子束缚力较强，其原子中的电子需施加较强外电场才能使其外移原来的轨迹而显出电性。这也就是说在电场强度E相同的情况下，比电阻小的尘粒，呈现的电量多，而比电阻大的尘粒，呈现的电量较少，即尘粒的荷电量与其比电阻值成反比。Q=E/R（4）Q—尘粒荷电量E—该尘粒点的电场强度R—该尘粒的比电阻值将此关系用图标表示，如图5所示。图5E相同，尘粒荷电量与其比电阻值成反比设使不同比电阻值的粉尘达到同一荷电量Q，则低比电阻的粉尘需要的电场强度小，而高比电阻的粉尘，需要的电场强度大，即成正比关系，如图6所示。+5130QRQ1Q2511Ee11e5e1305R(y·10xΩ)13图6达到同一荷电量，比电阻大小与E成正比对于烟气中混合气体的导电特性，因进行实际取样分析的难度很大，故也只能作理性分析。但从燃煤燃烧后产生的混合气体可知，不管何种煤种，其氮气、二氧化碳、一氧化碳、水蒸气，特别是氮气与一氧化碳其含量约占其中的85%以上，且从有关文献查找得知，这些气体的电离电压值相差並不大，一般为10-25电子伏[3]，故从宏观上看，可相对假设为一个定值。另外，从气体的电离导电机理看，它的导电过程实际上与粉尘尘粒的荷电相仿，均是在高压电场作用下原子中的电子逸出原来的轨迹至外层或激发至流场中所致。所以它们的导电性也可以用比电阻的形式来表示。当然，我们希望这种混合气体的导电性越差越好，即比电阻越大越好。但是从众多电厂的烟气的导电或击穿的实际情况分析（可从电场的热态V—I特性曲线中看出），此值一般在粉尘的高比电阻（R12以上）以下，且与燃煤锅炉的燃烧效率有很大关系。这实际上也是高比电阻粉尘难收尘的原因所在。设该混合气体的比电阻为R11，其导电时所需的电场强度为e11，作图于图5中，如图7所示。图7不同比电阻粉尘的荷电电场强度与混合气体导电的电场强度的关系图7虽然是一种虚拟解释得出的特性曲线图，但它却与实际工况比较吻合。从图中可以看出，中小比电阻粉尘尘粒荷电所需的电场强度小于混合气体导电所需的电场强度，即R11、e11以下的区域。在粉尘荷电所需的电场强度内烟气混合气体不会被导电和击穿，故电场强度将全部作用于粉尘尘粒之中，因此按常规设计制造的电除尘器经过调试，一般均能达到设计要求，除尘器将良好地完成收尘使命。但是应注意对于这类电除尘器，如果还按一般概念认为运行电压越高，除尘效率越好的常规去配置，那么得到的结果却是随着运行电压的升高，除尘效率却会降低，烟囱冒烟将会增多。因为此时的运行电压已进入了混合气体的导电区或击穿区，作用于粉尘尘粒间的有效电场被屏蔽。2001年7月，我们处理的石家庄某电厂#3、#4二套75t/h炉电除尘器的冒烟问题就十分有针对性。该厂的锅炉燃烧后的粉煤灰，其含碳量竟高达53%，比电阻值为5.7x106，用万用表Rx1K档（内压15V）测量，也仅为60K（6x105Ω）。电除尘器投运后，电场运行电压一般均可达到5~6万伏，工6作电流400mA左右，投运参数均在正常范围，但就是一直冒黑烟，排放浓度为200mg左右。为改善这种情况，公司技术部门拟定了一个改变二、三电场的极配形式提高除尘效率的方案，改造后投入运行，烟囱冒烟现象虽有了改善，但还是可以看到有黑烟，说明问题没有得到根本解决，后经过调试将各电场的运行电压下降至3.5万伏（电流50-100mA）后，运行电压离开了混合气体的导电区，屏蔽作用消失