燃水煤浆飞灰的电除尘特性分析.pdf

第3 3 卷第1 期 2 0 0 4 年1 月 中国矿业大学学报 J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g8 - T e c h n o l o g y V 0 1 ．3 3N O ．1 J a n ．2 0 0 4 文章编号1 0 0 01 9 6 4 2 0 0 4 0 10 0 9 50 4 燃水煤浆飞灰的电除尘特性分析 高明峰，柴保明，王祖讷 中国矿业大学化学与环境工程学院，北京1 0 0 0 8 3 摘要为了提供水煤浆燃后烟气电除尘净化的设计依据，评述了水煤浆的燃烧方式及特点；对普 通水煤浆飞友的形态、化学成分、粒度分布、比电阻及驱进速度等电除尘特性做了定性和定量分 析，并与燃煤飞灰的分析结果做了对比．结果表明，水煤浆飞友不是高比电阻粉尘；燃水煤浆飞灰 粒度分布、比电阻、驱进速度等电除尘特性优于燃煤飞灰． 关键词水煤浆；飞灰；电除尘器；比电阻 中图分类号T Q5 3 6 ．4文献标识码A A n a l y s i so nC h a r a c t e r i s t i c so fF l y a s hf r o mC o m b u s t i o no f C o a lW a t e rS l u r r yR e l a t e dt OE l e c t r o s t a t i cP r e c i p i t a t i o n G A OM i n gf e n g ，C H A IB a o m i n g ，W A N GZ u - n e s c h 0 0 lo fC h e m i c a la n dE n v i r o n m e n t a lE n g i n e e r i n g ．C U M T B e i i i n g1 0 0 0 8 3 ，C h m a A b s t r a c t I no r d e rt op r o v i d eb a s e so fd e s i g n i n ge l e c t r o s t a t i cp r e c i p i t a t o rt o rc l e a n i n gf l u eg a so fc o a l w a t e rs l u r r y C W S c o m b u s t i o n ．c h a r a c t e r i s t i co fC W Sc o m b u s t i o ni sr e v i e w e d ．Q u a l k a t i v ea n d q u a n t i t a t i v ea n a l y s i sw e r eu s e dt os t u d yt h ec h a r a c t e r i s t i co ff l ya s h ，s u c ha sm o r p h o l o g y ，c h e m i c a l c o m p o s i t i o n ，p a r t i c l es i z ed i s t r i b u t i o n ，a n ds p e c i f i cr e s i s t a n c e ．A n dt h ea n a l y s i sr e s u l tw a s c o m p a r e dw i t ht h a to ft h ef l ya s hf r o mc o m b u s t i o no fp u l v e r i z e dc o a l ．t h er e s u l ts h o w st h a tt h ef l y a s hf r o mC W Sc o m b u s t i o ni Sn o tad u s tw i t hh i g hs p e e i f kr e s i s t a n c e ，a n dt h ec h a r a c t e r i s t i co f p a r t i c l es i z ed i s t r i b u t i o n ．s p e c i f i cr e s i s t a n c ef r o mc o a l w a t e rs l u r r yc o m b u s t i o ni Ss u p e r i o rt Ot h a t f r o mp u l v e r i z e dC o a lc o m b u s t i o ni nr e l a t i o nt oe l e c t r o s t a t i cp r e c i p i t a t i o n ． K e yw o r d s c o a lw a t e rs l u r r y ；f l ya s h ；e l e c t r o s t a t i cp r e c i p i t a t o r ；s p e c i f i cr e s i s t a n c e 水煤浆是一种代油、代煤新型煤基清洁燃料． 普通水煤浆是由7 0 ％左右的煤、3 0 ％的水及少量 的化学添加剂组成，近似于流体，像油一样泵送、雾 化、储存和稳定燃烧，可代替燃料油和煤，用于电站 锅炉、工业民用锅炉、工业窑炉，具有燃烧效率高、 负荷调整便利、减少环境污染、改善劳动条件和节 省用煤等优点Ⅲ．可以预计，随着我国经济不断发 展和人们环境意识的不断增强，水煤浆的应用将越 加广泛． 根据制浆用煤灰分含量高低，水煤浆可分为超 低灰水煤浆、低灰水煤浆、中灰水煤浆和高灰水煤 浆．其燃后的烟尘浓度一般在1 ～1 0g ／m 3 ，按照 锅炉大气污染物排放标准G B l 3 2 7 1 2 0 0 1 中的规 定，排放标准小于8 0m g ／m “⋯，因此无论那种水煤 浆，燃后必须除尘． 电除尘器具有除尘效率高、阻力损失小、耐高 温、维护与运行费用低等优点，综合各项指标优于 其它类型的除尘设备．本实验拟采用常规分析测试 手段定性、定量分析燃水煤浆飞灰的电除尘特性， 同时与燃煤飞灰做比较，以期得到电除尘器设计的 必要参数． 1 飞灰形态特征 水煤浆的燃烧一般是以空气为介质的雾化燃 收稿日期2 0 0 3 0 3 1 5 作者简介，高明峰 1 9 6 4 一 ，男，辽宁省拇城市人，博士生．高级工程师，从事洁净煤技术烟气净化方面的研究． 万方数据 中国矿业大学学报第3 3 卷 烧．水煤浆首先通过雾化喷嘴被雾化成3 0 ～ 2 0 0p - m 的细滴，然后喷人到炉膛中，经加热、水分 蒸发、挥发分析出、焦炭非均相反应、灰渣形成等复 杂的物理化学过程．水煤浆与煤粉的一个重要不 同之处就是，水煤浆在水分蒸发到挥发分析出同存 在复杂的结团和二次雾化过程中，颗粒在反应中还 存在球化、膨胀、收缩、破损等形态和形式上的变 化[ ⋯． 由于水煤浆雾化后成细滴，是多颗粒的聚团燃 烧，而煤粉为单颗粒燃烧，其生成的飞灰的形态有 较大的差别．图1 “1 为煤灰样和水煤浆灰样在扫 描电子显微镜下观察的形态． 图1 灰样颗粒形态 F i g ．1C o n f i g u r a t i o no fa s hp a r t i c l e s 从图1 中可观察到，煤灰的形态较规则，大部 分为几个微米到几十个微米的球珠，大多形态完 整，球珠为燃烧完全形成的s i ，A I ，c a ，F e 等的氧化 物，少量形态不规则的是未完全燃烧的炭粒和破碎 的球珠．与煤灰相比，水煤浆燃烧后的灰样的颗粒 形态却多种多样，有球形和非球形，球形较煤灰大， 上面有无孔洞、单个孔洞和多个孔洞，孔洞可以认 为是挥发气体受热迅速膨胀，从内部膨胀脱出而留 下的；无孔洞的是保持原有的形状燃烧，并逐渐收 缩成球形．球形为燃烧完全的灰颗粒，不规则的非 球形为未燃尽的丝炭和燃烧完全受热应力而破碎 的球珠． 2 飞灰化学成分 水煤浆是由煤、水和少量添加剂组成，其燃烧 后产生的飞灰成分与燃煤飞灰的化学成分大体相 同．由于水煤浆是由一定量的煤粉、水、添加剂经过 一定的工艺流程加工而成，煤中硫的含量一般在 1 ％以下，较普通的煤粉低，在制浆过程中使用含 K ，N a 的添加剂，所以较煤粉K 。N a 含量高．下面 采用x 射线的定性分析和定量分析法。测得水煤 浆灰样和煤灰样的化学成分组成 见表1 ，可以进 行比较． 煤的含硫量对电除尘器效率影响很大．当 w s 达1 ．5 ％以上时，烟气中w s o 。 可达2 0 1 0 “以上，它能降低粉尘的比电阻，提高电除尘器 的除尘效率；当w s 低于0 ．5 ％时，含硫量的多少 对除尘性能无显著影响．飞灰中所含钾、钠的原子 百分数与其比电阻成反比口] ．飞灰中的硫、钾、钠的 含量同时影响着飞灰的比电阻的大小，综合影响电 除尘器的除尘性能．表1 中的烧失量主要是未燃尽 的炭和水份的总含量．飞灰中未燃尽的炭有助于降 低高比电阻粉尘的比电阻，有利于高比电阻粉尘的 捕集，但含炭量高于1 5 ％以后。随着含炭量的增 加，电除尘器的效率在降低，这是由于炭粒比飞灰 难捕集，引起冲刷二次扬尘的原因．另外这类烟尘 在通过电除尘器后出现炭粒被富集的情况． 表1 水煤浆灰样和煤灰样的化学成分组成 T a b l e1C h e m i c a lc o m p o M t l o no fa s h e sf r o mb o t hC W Sa n dc o a l m ／％ 4 0 2A i 2 0 3 F e z 0 3 c a 0 M g Os 0 3 T i 0 2 N a z OK z O烧失物 水煤浆灰样4 94 4 3 3 ．1 25 ．5 92 ．8 11 ．1 3 0 ．8 62 ．1 01 ．9 21 ．3 31 ．7 0 壁丕壁 塑塑 墅i 塑 塑 塑 3 飞灰的粒度 水煤浆飞灰的粒度大致分布在1 ～1 0 0 , u m 之 间，它与燃烧方式、雾化细度、煤质、燃烧过程、结团 情况有关．水煤浆燃烧产生的飞灰质量的平均直径 通常犬于制浆煤粉．原因是水煤浆雾化后，每个浆 滴包含多个煤粒，待浆滴雾化后。随着挥发份的析 出，相邻煤颗粒之间粘附在一起，发生“结团”现象． 表2 为水煤浆灰和煤灰的粒度分布． 从表2 中可以看到，水煤浆飞灰的粒度分布在 万方数据 第1 期高明峰等燃水煤浆飞灰的电除尘特性分析 3 0 , u m 以下的占3 4 ．5 9 ％，分布在9 0 , u m 以上的占 2 8 ．3 0 ％，分布趋向大小两个极端；而煤灰粒度分布 在3 0 ”m 以下的竞占到6 5 ．9 0 ％，说明煤灰小粒径 占的比重很大． 表2 灰样粒度分布 T a b l e2 G r a n u l a r i t yd i s t r i b u t i o no fa s hs a m p l 皓 ％ 塾壁 竺曼 三 三塑S 茎 墨 S S 竺 水煤浆灰0 ．1 11 7 ．4 3 1 7 ．0 5 1 2 ．7 51 仉1 67 ．4 96 ．7 12 8 ．3 0 煤灰0 ．3 04 2 ．5 5 2 3 ．0 5 1 1 ．7 48 ．3 68 ．2 00 ．3 454 6 尘粒在电除尘器的电场中的荷电机理基本有 两种，一种是电场中离子的依附荷电，这种荷电机 理通常称为电场荷电或碰撞荷电．另一种则是由于 离子扩散现象产生的荷电过程，通常称这种荷电过 程为扩散荷电．哪种荷电机理是主要的，这要取决 于尘粒的粒径“] ．试验表明，带电粉尘向收尘极移 动的速度与粉尘的半径成正比，大于1p m 的粉尘 主要是电场荷电，粒径越大，除尘效率越高[ “．因 此，从粒度分布上看，水煤浆飞灰的电除尘特性要 优于煤灰． 4 飞灰的} B 电阻 飞灰的比电阻是衡量飞灰导电性能的一个指 标，是影响电除尘性能的关键因素．实测表明，最适 于电除尘器工作的比电阻为1 0 6 ～1 0 ”0 c m ，在 这个数值以外，电除尘器的性能将下降．当比电阻 1 0 6 n c m 时，尘粒在收尘板表面上反复释放电 荷和荷电，在收尘板上“跳跃”，易被气流带出电除 尘器．相反比电阻高于1 0 ”n c r l 2 ，在收尘板表面 上高比电阻粉尘层，产生局部放电现象，即产生反 电晕，同样粉尘被气流带走，二者都影响除尘效 率[ “． 实验室比电阻和现场比电阻是两个不同的概 念．实验室测得的比电阻称为固有比电阻，或称体 积比电阻，只决定于其自身的一些物理、化学性质， 如化学成分、矿物组成、粒度分布以及比表面积o ． 现场条件下的比电阻称为工况比电阻，由于工况比 电阻是在烟气工况条件下直接测得，因此它不仅取 决于颗粒自身的物化性质，还受到飞灰以外介质及 条件的影响，如烟气的成分、压力、湿度、硫份等影 响，将产生较大的波动．前者具有较好的稳定性，后 者具有良好的真实性，在实际应用当中，将两种比 电阻引人加权因子综和考虑． 表3 为水煤浆灰与煤灰的灰样在实验室测得 的不同温度下的比电阻的值，并绘出了比电阻一温 度变化曲线．如表3 ，图2 ． 裹3 水煤浆灰样与煤灰样比电阻的实测值 T a b l e3M e a s u r e m e n t so fs p e c i f i cr e s i s t a n c eo fa s hs a m p l e s 温度／ C室温3 55 57 59 51 1 51 3 51 5 51 7 51 9 58 1 5 喽电阻／亳群2 ．O X l O l o z ．5 X 1 0 1 1 55 X I O l l 2 ．1 X I O 吣．O X I O 蛐5 1 0 1 1 4 ．2 1 0 9 ．O X I O ”．5 X ] 0 1 0 8 ．7 X l O ～5 X 1 0 1 。 ．c m 煤灰样1 ．O X l o t z7O X l o 】23 ．0 1 0 l a5 ．4 1 0 ”8 ．7 1 0 ] 34 ．5 1 0 t z3 ．6 1 0 l o6 ．5 1 0 1 14 ．1 l o ”18 X 1 0 1 18 ．8 1 0 t o 1 0 1 4 龟1 0 。 童川z 嚣1 0 t 茧 1 0 I O 02 06 01 0 01 4 01 8 02 2 0 f ／℃ 图2比电阻一温度变化曲线 F i g ．2C u r v e so fs p e c i f i cr e s i s t a n c e t e m p e r a t u r e 从图表中可看到，水煤浆灰样的实验室比电阻 比煤灰样平均低一个数量级．在烟气的工况条件 下，由于燃烧时，水煤浆中含有近3 0 ％的水分要蒸 发，其烟气湿度要比燃煤的烟气湿度高得多，含湿 量为7 0 ～1 1 0g ／m 3 ．水煤浆燃后烟气中的水蒸汽 体积比浓度大约是燃煤粉的近3 倍．而在燃低硫煤 的情况下，水煤浆中的硫份的减少对比电阻的影响 相对较小．因此可以断定，燃水煤浆的工况比电阻 比燃煤要低1 ～2 个数量级．在这样的条件下综合 起来，水煤浆灰的比电阻比煤灰的比电阻至少要低 1 个数量级． 在通常情况下，燃煤电厂现场飞灰比电阻值低 于实验室比电阻值，低幅为o ～3 个数量级 0 c m C ⋯，这样至少水煤浆飞灰在l o “n - c m 以下， 不能算是高比电阻粉尘． 5 飞灰的有效驱进速度实验 笔者在实验室冷态条件下做了水煤浆飞灰的 电除尘实验．试验采用单通道、线板、卧式装置，放 电极采用阴电晕，试验装置的参数如次1 电场有 ①原永涛．我国燃煤电厂现场与实验室飞灰比电阻的对比分析[ A ] ．第九届全国电除尘／第一届脱硫学术会议论文集[ c ] ．南京，电除尘 及气体净化编辑部，2 0 0 1 ．2 5 3 0 ． 万方数据 中国矿业大学学报第3 3 卷 效截面积0 ．1 2 1 3 3 2 宽3 0 0 m m ，高4 0 0 m m ；2 电 场有效长0 ．9 6m ；3 集尘面积0 ．7 8 6m 2 ；4 放 电极形式及长度星形线 4 ．5m m 4 ．5 m m ， 0 ．4m x4 根一1 ．6m ；5 集尘极形式c 。。板，两块 拼接；6 供电装置G G A J 0 2E 一5m A ／6 0k V ；7 实 验条件实验室温度1 8 ℃，相对湿度2 5 ％． 进口端的发尘器浓度可调，进出口分设一台测 尘仪，可自动检测烟气的含尘浓度、温度、流量和流 速等，驱进速度m 由多依奇效率公式的变换式求 得，即 Ⅲ一一QI n 1 7 ／ ／A ， 式中Q 为风量，m 3 ／s { 口为除尘效率，嘶；A 为采 样面积，r n 2 表4 为二次电压5 2 ．3k V ，流量3 ．6m 3 ／r a i n ， 电场风速0 ．5m ／s 的一组数据． 表4 实验结果计算 T a b l e4C a l c u l a t i o nr e s u l to ft h ee x p e r i m e n t a ld a t a 注．∞的算数平均值为㈣1 82 7c m ／s ． 这个数值是在实验室模拟除尘装置上常温状态下 测得的，只具有一定的可比性．应该注意到，试验装 置计算出的驱进速度值不能直接应用于工业装置， 研究表明，二者之间存在一个比例关系，这种关系 通常与实验装置的规模有关，一般m 女／m z 为2 ～ 4 口] ．可以近似的估计驱进速度m 9 ～1 0c m ／s 之 间．资料表明，我国燃低硫煤飞灰的有效驱进速度 一般在6 ～1 0c m ／s 之间，所以在这种条件下，燃 水煤浆飞灰的有效驱进速度高于燃煤飞灰． 6 结论 1 水煤浆飞灰的颗粒形态比煤飞灰复杂，粒 径大致分布在1 ～1 0 0 舯之问，其粒度分布趋向 大小两个极端． 2 水煤浆飞灰的比电阻在1 0 1 10 c m 以下， 不是高比电阻粉尘，用常规电除尘方法可以实现收 集． 3 水煤浆飞灰的粒度分布、比电阻、驱进速度 等电除尘特性优于燃煤飞灰． 参考文献 [ 1 ] 张荣增．水煤浆制浆技术[ M ] ．北京科学出版社， 1 9 9 6 ． [ 2 3G B l 3 2 7 1 2 0 0 1 ．锅炉大气污染物排放标准[ s ] ． [ 3 3 姚强．水煤浆燃烧技术和永煤浆在燃烧室中燃烧过程 的研究[ D ] ．杭州浙江大学热能工程系，1 9 9 2 ． [ 4 ] 聂丽君．水煤浆燃后烟气小型管式电除尘器的试验研 究[ D ] ．北京中国矿业大学化学与环境工程学院， 2 0 0 2 ． [ 5 ] 黎在时．静电除尘器[ M ] ．北京；冶金工业出版社， 1 9 9 2 ．3 1 6 3 1 9 ． [ 6 ] 刘后启，林宏．电收尘器[ M ] ．北京中国建筑工业 出版社，1 9 8 7 ．3 4 3 6 ． [ 7 ] 嵇敬文．除尘器[ M ] ．北京中国建筑工业出版社， ] 9 8 】．4 4 7 4 4 9 ． 责任编辑李成俊 万方数据