燃煤高铝飞灰在电除尘器中行为的试验研究

中国电机工程学报学科分类号：470？20燃煤高铝飞灰在电除尘器中行为的试验研究齐立强1，原永涛1，阎维平1，杨倩1，陈君焱1.华北电力大学，河北省保定市071003；2.华能上安电厂，河北省石家庄市050000显下降。为探明高铝飞灰对电除尘器性能的影响机理，通过采集燃用高铝煤电厂的电除尘器入口及出口飞灰，利用自主研发的高压粉尘比电阻试验台和粘附性测定仪对其比电阻、粘附性以及化学成分进行了测定，并且分析了电除尘器运行的伏安特性。结果发现，电除尘器入口及出口飞灰中铝含量分别高达44.2及47.8，其比电阻也超过了10不容易引起明显的反电晕。高铝飞灰粘附力较小，对电场风速比较敏感，容易产生二次扬尘，从而使电除尘器效率下降。粘附力1引言我国是目前世界上最大的煤炭生产国和消费国，也是唯一以煤炭为主要能源的大国，并且这种能源结构长期不会改变，因此，我国目前的大气污染总体上还是煤烟型污染。随着经济的发展，对能源需求的不断增加和对环境质量要求的不断提高，大气污染问题将更加突出及飞灰的成分直接影响飞灰比电阻的大小及电除尘器效率燃用了准格尔煤后，其电除尘器除尘效率明显下降，颗粒物的排放难以达到相应标准对中国西部内蒙古某燃用准格尔煤的电厂的电除尘器进、出口飞灰进行等速采样，对其化学成分进行分析，发现其Al含量之高前所未见。并且其电除尘器效率仅为92.8，而且飞灰比电阻高达？？cm以上，为高比电阻粉尘。通过分析高铝飞灰的粘附性及电除尘器运行伏安特性，对其在电除尘器中的行为进行了研究。2高铝飞灰比电阻特性2.1高铝飞灰比电阻飞灰比电阻是影响电除尘器运行工况的主要因素之一，也是电除尘器设计及研究的重要基础。飞灰比电阻通常被分为以下三个范围：低比电阻中比电阻高比电阻由于低比电阻飞灰具有较高电导率，当其到达收尘极板时会立即释放所带负电荷，并返回到气流中国电机工程学报中，产生二次扬尘。而高比电阻粉尘层相当于一个绝缘层，当颗粒不断吸附到收尘极板上时，负离子很难穿过粉尘层到达收尘极板，使得其在粉尘层内部积累，当其产生的电势差大于放电极与收尘极的场强时，则会产生反电晕现象2.2测试方法及设备仪器比电阻的测定使用华北电力大学研发的DR型高压粉尘比电阻试验台，该试验台采用升降式托盘电极，其上、下电极的同心度、平行度具有可调节功能，而且借助于灰盘升降装置，可将灰样表面的压强精确地恒定于10g/cm的标准值，从而有效地提高了测量精度。该电极的结构型式符合已被国际上广泛承认的美国机械工程师协会ASME动力规范28标准。DR型高压粉尘比电阻试验台的硬件由主测控盘、辅测控盘、立式高温电极箱及直流高压电源设备4部件组成；测量线路包括高电压调控、微电流检测和温度测控3个系统，如图1、2所示如图1，主测控台为一桌面屏式盘台。仪表屏上集中安装了除高电压（1kV以上）测量仪表外的全部测量、控制仪器仪表。本盘台可完成直流高压的调控、1kV以下电压信号的测量、10微电流信号的检测及0300℃加热温度的测控。从安全考虑，辅测控盘台专门用于1kV以上电压信号的测量。关开电极切换电流表切换微电流测量温控仪1注：1―温度传感器；2―高温电极箱；3―灰盘电极4―高压电源；5―交流接触器；6―温控仪如图2，电极箱为立式布置，上下双体结构。箱内安装有升降式高压托盘电极及加热组件。直流高压输电线从电极箱顶端引入，经高压绝缘瓷瓶、中心吊管、底部高压绝缘子与可旋式高压母盘连接。母盘上对称安放有4个兼作高压端电极的升降式灰盘，电极组件的悬吊高度与悬吊角度均可调节。将装入灰样的灰盘安放在母盘的插孔上后，旋转母盘使灰盘平稳、准确地平移至相应的电极组件垂直下方，使两者保持同轴。然后调节母盘底部的旋丝，使相对应的灰盘缓慢上升，直至盘内灰样平面与上电极平行接触，进而将上电极轻轻托起。此时电极组件的额定重量恰好全部施加在灰样表面之上，使灰样表面的压强保持额定压强。采用这种机械式电极定位方法可以消除因安放过力，或因高低压电极平行度、同轴度偏差而引起的人为测量误差，使测量重现性明显提高。接主电板接主控台注：1―箱体；2―温度传感器；3―高压线；4―高压磁瓶；5―悬臂；6―主电极；7―接地极；8―灰样；9―灰盘；10―中心吊管；11―绝缘子；12―可旋式高压母盘；13―灰盘升降调节器；14―漏泄电流输出线2.3测定结果对采集高铝灰样的比电阻进行测定，并测定几种不同铝含量灰样的比电阻，初步反映出铝含量与比电阻的关系。结果如表1所示。灰样含量/比电阻/（？？cm）灰样1电除尘器入口灰样2电除尘器出口灰样3灰样4从表1中可以看出，等速采样的高铝飞灰比电阻明显高于其它两种灰样，并且反映出，随着飞灰中铝含量的逐渐增加，其比电阻值也逐渐升高。相关研究发现的减小而逐渐增加，且绝大部分有害痕量元素都会在细灰粒中富集3热态电除尘器收集高铝飞灰的伏－安特性对热态运行的电除尘器伏－安特性进行分析齐立强等：燃煤高铝飞灰在电除尘器中行为的试验研究以及试验，结果发现，在运行和实验阶段，都没有观察到明显的反电晕。从电除尘器的电特性分析，其伏－安特性曲线与收集一般比电阻较高的粉尘时发生反电晕的伏－安特性曲线有着明显差异。如图3所示。发生反电晕的高比电阻粉尘VI曲线高铝粉尘VI曲线而增大，直到最后在较高的运行电压下发生电场击穿；但是常见高比电阻粉尘的伏安特性曲线形态表现的渐进和平滑，在电压升高到一定值时出现反电晕拐点。而收集高铝飞灰电除尘器的伏安特性曲线初期变化比较平缓，只有当达到一定电压后电流上升才加快，不过它的曲线基本上还是连续的。虽然斜率改变的幅度变化较大，但是并不出现反电晕拐点。停炉后进入电场观察，在未经振打的极板粘灰表面，找不出尘层孔隙内气体击穿所留下的反电晕陷口。上述结果显示，比电阻高的高铝飞灰并不一定产生反电晕如图4所示，通过X射线衍射测定进、出口等速灰样的化合物组成及其平均物相含量，发现灰中的Al元素多是以化合物形态存在，主要为莫莱石和刚玉纯Al。此外，绝大部分Al都是以极微细的非结晶体存于灰中，它们的颗粒极微细，晶体结构不完整，没有X射线衍射峰。图中横坐标2θ为照射X射线与衍射X射线夹角，纵坐标为每秒计数countspersecond.每秒计数刚玉是极好的绝缘材料，莫莱石也可以算做高比电阻物质，荷电和收集都有一定困难。但是灰中那些粒度细、密度小的碎片及其聚合体中的另外某些组分表现出了一定的电活性，加之虽然量很少但作用十分明显的炭粒子的存在，使得这种灰在吸纳和释放电荷过程中具有了一定的活性。但是它又有别于一般高比电阻粉尘，只有在较强的电场条件下它才能够缓慢荷电，当沉积到极板上以后又比较容易释放电荷，并且进而感应获得极板的正电荷。因此它很容易在极板同性静电斥力作用下重返气流，形成二次扬尘。正是这种正电荷重返气流和在电场空间与负电荷的大量复合，才造成了电晕电流的急剧增加。在进出口采集灰样含铝量的差异也充分证明电除尘器对Al含量较高的飞灰更加难以收集。并且由于Al在高温下可以与Pb、Cd、Cr等痕量元素发生反应尘器，对生态环境和人体造成更大的危害。4高铝飞灰粘附性4.1测试方法及设备飞灰的粘附性作为电除尘特性的一个重要因素，对电除尘效率有着较大的影响。如沉积粉尘层因粘结力过小而受到气流的切向冲刷、粒子的法向反弹或反向静电力的作用而发生返流；或是因粘结力过大，需要很强的振打才能将沉积的粉尘从收尘极板上震落下来。但此时，却有可能使原来已形成块状的沉积粉尘层被击碎，由此造成粒子返流量比常规振打时要大得多[11].粘附性适当的飞灰易互相粘附，使小的尘粒聚集变粗，便于分离和收集。振打清灰时也可以成块剥落，减轻二次扬尘。采用垂直拉断法，针对电厂飞灰及其它类似粉体，开发出一种新型的粘附力测定装置[12].结构如装置的主体部件由TG328A型分析天平改制而注：1―上料筒；2―下料筒；3―卡具；4―可调支架；5―砝码盘；6―环码调节盘中国电机工程学报成如5图所示。测定装置的左侧为试样区，包括上料筒、下料筒、卡具、可调支架等组成，是本装置的核心部分；右侧为配重区，由砝码盘、环码调节盘以及砝码、环码组成。其中，上料筒与下料筒由相同材料和规格的不锈钢管制成，下料筒底端封口，料筒的横截面积通过试验优化设计为一定值。上、下料筒的内壁、接口处光滑、平整，严密吻合。卡具由两块弧形工件组成，其两端带有可调节松紧的螺栓，用于在料筒中装灰样之前固定于料筒外壁，从而将上料筒与下料筒固定在一起，并在测定时将其卸下。卡具要求安装、拆卸灵活方便，以使上下料筒在填装灰样后保持稳定。操作时必须小心，不能使上下料筒灰样接触面产生破坏，否则将会使测定结果偏小。可调支架用于调节料筒的高度，当天平左侧挂上未装灰样的料筒时，天平两侧正好处于水平位置。加上灰样后，当天平配重区施放一定量的砝码和环码时，上、下料筒分离。根据此重量即可求出试样的垂直拉断力。4.2试验结果利用以上装置，对所采集高铝灰样进行筛分，取其粒径为4590μm的灰样，并测定其与同粒径的其它几种不同铝含量灰样的粘附性，得到了硅、铝含量与粘附力之间的关系。实验结果如下：17，其硅含量几乎相同，但其粘附力却仅为灰样2低的一半。而对灰样2、3来说，灰样2中铝含量较高，而硅含量较低，其粘附力却比灰样3低很多，所以，完全可以怀疑铝对粉体的粘附性有负面影响，而硅则恰恰相反，有利于提高粉体的粘附性。灰样含量/粘附力/（mg/cm灰样1灰样2灰样3因为粉体的表面自由能对颗粒之间的粘附力大小有重要影响。具有较高表面自由能的固体，相互之间的粘附性较差。固体的表面自由能是形成单位表面积做的功，可通过固体的熔点来反映和确定有关资料显示[14]，随着煤灰中SiO含量增高生成越来越多的无定型玻璃体SiO2，使煤灰熔点下降；含量高时，由于其溶解时生成为多铝红柱石，使煤灰熔点大大升高；由于熔点反映了粉体表面自由能的大小，含铝量越高的颗粒其粘附性越差。因此，铝元素含量很高的飞灰，不一定会引发电除尘器运行出现明显的反电晕，但是它粘附性较差，对电场烟速比较敏感，很容易产生二次扬尘。5结论通过在电除尘器进、出口采集燃煤高铝飞灰，对其电除尘性能及其物相结构进行了全面的分析与研究，发现其中的Al含量分别达到44.2和47.8，比电阻也达到了10？？cm以上，并且随着含量的增加，飞灰比电阻增加。对热态运行的电除尘器伏－安特性进行分析以及试验，结果发现，在运行和实验阶段，都没有观察到明显的反电晕。而且由于Al含量较高的粉体具有较大的表面自由能，其粘附性较差，从而使其对电场烟速特别敏感，易产生二次扬尘，而使电除尘器效率降低。并且在进出口采集的灰样中铝含量差异也充分证明了电除尘器对Al含量较高的飞灰更加难以收集。排放规律的试验研究[J].中国电机工程学报，2003，23（1）：145149.影响的分析与研究[J].中国电机工程学报，1997，17（4）：278281.现状[J].中国电机工程学报，2001，21（10）：3338.齐立强等：燃煤高铝飞灰在电除尘器中行为的试验研究电除尘学术会议，2003.制研究[J].中国电机工程学报，2004，24（3）：187192.[11]唐敏康，叶青，张永亮。电除尘器中粉尘粒子的力学行为分析[J].江[12]原永涛，纪元勋，齐立强。飞灰粘附力测定装置的开发研究[J].华[13]FayedME，OttenL.粉体工程手册[M].北京：化学工业出版社，[14]孙亦禄。煤中矿物杂质对锅炉的危害[M].北京：水利电力出版社，齐立强1976，男，讲师，从事大气污染控制领域的研究；原永涛1954，男，教授，从事大气污染控制及粉体输送领域的研究；阎维平1955，男，教授，从事高效低污染煤燃烧理论、电站锅炉煤粉燃烧技术和锅炉安全经济运行等；杨倩1979，女，硕士研究生，从事大气污染控制领域的研究；陈君焱1977，男，助理工程师，从事火力发电厂环境保护领域的工作。jklifred火电厂干雾抑尘机=38