燃煤煙氣中的SO3對微細(xì)顆粒物電除塵特性的影響

齊立強, 原永濤, 史亞微

(華北電力大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,保定 071003)

我國屬于重度煤煙型污染國家,而且以煤電為主的能源結(jié)構(gòu)近年不會改變.當(dāng)前,我國燃煤電廠主要采用電除塵器的除塵方式,但電除塵器難以達(dá)到除塵排放要求,其主要原因是對微細(xì)顆粒收集效率低[1].近年來,中國西部地區(qū)一些電廠相繼燃用了準(zhǔn)格爾煤等低硫煤,電除塵器的除塵效率明顯下降,顆粒物的排放常常難以達(dá)標(biāo).實際測量與分析表明:從燃煤電廠電除塵器內(nèi)逃逸的飛灰絕大部分是2.5 μm以下的微細(xì)顆粒.這部分微細(xì)顆粒不僅是制約電除塵器效率的關(guān)鍵因素,也是我國環(huán)境空氣質(zhì)量的重要控制指標(biāo),對人類健康造成極大危害,是導(dǎo)致人類死亡率上升的主要原因之一,同時,它也是導(dǎo)致大氣能見度降低、酸雨、全球氣候變化以及臭氧層破壞等災(zāi)害性事件的重要因素[2].因此,燃煤鍋爐微細(xì)顆粒的排放已成為我國需亟待解決的問題.

為了提高微細(xì)粉塵的電除塵效率,國內(nèi)外部分燃煤電廠采用了SO3煙氣調(diào)質(zhì)的方法.以內(nèi)蒙古某電廠為例,將體積分?jǐn)?shù)控制在10×10-6～17×10-6的SO3噴入煙氣中進行調(diào)質(zhì)后,電除塵器的效率可得到大幅度提高,煙氣的排放質(zhì)量濃度由原來的400 m g/m3降低到 50 mg/m3,除塵效率可達(dá)99.6%以上,效果十分明顯[3-4].可見,煙氣中的SO3對改善粉塵的電除塵特性有一定的影響.筆者采用BDL粉塵比電阻測定儀、巴柯粒度分析儀以及COULTERTM SA 3100 TM比表面積分析儀對調(diào)質(zhì)前后的飛灰比電阻、粒徑分布以及比表面積進行了分析,并研究了煙氣中的SO3對微細(xì)顆粒物電除塵性能的影響.

1 SO3對煙氣中顆粒物導(dǎo)電性能的影響

飛灰比電阻是衡量粉塵導(dǎo)電性能的指標(biāo),其值過高或過低均會導(dǎo)致除塵效率下降.

1.1 飛灰的導(dǎo)電機理

飛灰由大量微細(xì)顆粒組成,具有比通常的密實性固體大得多的比表面積,因此灰層的導(dǎo)電不僅取決于顆粒的體積,也取決于顆粒的表面特性.通常,飛灰導(dǎo)電是沿著顆粒的體積和表面兩條路徑進行的,其中表面導(dǎo)電的電荷是由吸附在顆粒表面的水分和化學(xué)膜傳遞的.由于表面的膜與顆粒內(nèi)部的物質(zhì)具有不同的物理和化學(xué)性質(zhì),因此粉塵的表面比電阻和體積比電阻的變化規(guī)律也是不同的[5].

為便于分析,筆者把粉塵的表面比電阻和體積比電阻看成由2個并聯(lián)的電阻組成的“等效并聯(lián)電路”.圖1為粉塵的導(dǎo)電機理.

圖1 粉塵的導(dǎo)電機理Fig.1 Conductive mechanism of dust

溫度是飛灰比電阻最敏感的因素之一.圖2給出了粉塵比電阻隨溫度的變化.從圖2可知:表面比電阻隨著溫度的升高急劇增大,當(dāng)溫度超過100℃時,表面比電阻上升的速度減緩,當(dāng)溫度達(dá)到150℃以上時,表面比電阻不再隨溫度變化.由此可見,表面比電阻的變化特點為:曲線的變化呈單調(diào)上升,且變化發(fā)生在較低的溫度區(qū)域.與之相反,體積比電阻的變化則發(fā)生在較高的溫度區(qū)域,且隨著溫度的升高,呈單調(diào)下降趨勢.在100～200℃為表面比電阻和體積比電阻的過渡區(qū),即稱為合成比電阻.

圖2 粉塵比電阻隨溫度的變化Fig.2 Curves of dust resistivity varying with temperature

綜上所述,當(dāng)煙氣溫度較低時,煙氣中的水分和化學(xué)物質(zhì)能夠溶解于水汽中,在顆粒表面形成液膜,構(gòu)成表面導(dǎo)電通道,從而降低體積比電阻;當(dāng)煙氣溫度較高時,顆粒內(nèi)部的離子和電子受激活躍,電流傳導(dǎo)作用加強,體積導(dǎo)電占優(yōu)勢.因此,筆者認(rèn)為煙氣調(diào)質(zhì)對飛灰導(dǎo)電性能的影響研究有兩種途徑:①SO3調(diào)質(zhì)劑在飛灰表面附著形成導(dǎo)電通道;②SO3與飛灰發(fā)生化學(xué)反應(yīng)(因為體積導(dǎo)電主要取決于飛灰的成分和礦物的成分),以改變飛灰的成分達(dá)到促使電荷傳導(dǎo)的發(fā)生.

1.2 SO3煙氣調(diào)質(zhì)對飛灰導(dǎo)電性能的影響

SO3是活性很大的強氧化劑,極易吸收水分.相關(guān)研究表明[6]:向煙氣中噴入一定量的SO3可使煙氣中粉塵吸收的水分含量提高約7～8倍.表面導(dǎo)電是由水和其他成分通過在粉塵表面形成的低電阻通徑實現(xiàn)的,因此粉塵吸收的水分含量增加能夠較大地影響飛灰的合成比電阻.

內(nèi)蒙古某電廠的鍋爐為亞臨界HG-2008/17.4-YM 5鍋爐,設(shè)計燃料為準(zhǔn)格爾煤,表1為該煤種的工業(yè)和元素分析.當(dāng)機組電負(fù)荷為600MW(即額定工況)時,鍋爐的額定蒸發(fā)量為1 757 t/h.在額定工況下,其除塵系統(tǒng)在采用SO3煙氣調(diào)質(zhì)裝置后除塵效率由原來的96.7%提高到99.6%以上,效果十分顯著.在上述工況下,筆者利用BDL便攜式粉塵比電阻現(xiàn)場測定儀分別對調(diào)質(zhì)前后的電除塵器飛灰比電阻進行了現(xiàn)場實測.表2給出了額定工況下的飛灰比電阻.在表2中,筆者將現(xiàn)場測量點選擇為電除塵器入口煙道的預(yù)留測孔,同時在相同位置進行了等速采樣,并對采集到的入口飛灰在試驗室進行粒度和比表面積分析.從表 2可知:當(dāng)測量電壓為1 000 V時,在鍋爐額定工況下未經(jīng)SO3調(diào)質(zhì)的飛灰比電阻為2.0×1013Ω?cm,經(jīng)過SO3調(diào)質(zhì)后的飛灰比電阻為3.43×1011Ω?cm.在鍋爐額定工況下,經(jīng)調(diào)質(zhì)后飛灰的比電阻比調(diào)質(zhì)前約降低2個數(shù)量級,調(diào)質(zhì)效果比較明顯,使飛灰的比電阻接近電除塵器最適合的粉塵比電阻范圍[7],有效地提高了電除塵器的除塵效率,達(dá)到了在煙氣中噴入一定量的SO3可以降低額定工況下飛灰比電阻的預(yù)期目的.

表1 準(zhǔn)格爾煤的工業(yè)和元素分析Tab.1 Proximate and ultimate analysis of Zhungeer coal

表2 額定工況下的飛灰合成比電阻Tab.2 Resistivity of fly ash under rated conditions

2 SO3對煙氣中顆粒物吸濕性能的影響

粉塵的吸濕性是指粉塵從周圍空氣中吸收水分的能力.筆者對內(nèi)蒙某電廠煙氣調(diào)質(zhì)前后采集的灰樣進行了現(xiàn)場烘干,分析了SO3對煙氣中顆粒物吸濕性能的影響.根據(jù)GB/T 16913.6—1997《粉塵物理試驗方法》第6部分吸濕性的測定——吸濕率法,將室溫下正常存放的粉塵稱重后,在6個量杯中撒鋪薄層(1 mm左右),置于保濕器中(即底部放有20%硫酸的干燥器),并用凡士林密封保濕器.在保濕器中封存24 h后,再次稱重,粉塵的增重即為其在該時間內(nèi)從周圍空氣中吸收的水分質(zhì)量,吸收的水分質(zhì)量與干燥粉塵本身質(zhì)量之比為粉塵的吸濕性.表3為調(diào)質(zhì)前后的飛灰吸濕性能.

表3 調(diào)質(zhì)前后飛灰的吸濕性能Tab.3 Hygroscopic property of fly ash before and after flue gas conditioning %

從表3中的試驗結(jié)果可以看出:調(diào)質(zhì)后粉塵的吸濕性明顯增大,這主要由于SO3氣體易溶于液膜中,能有效降低液膜的表面張力,使粉塵吸濕性增大,顆粒間黏附性相應(yīng)提高,因而減少了二次飛揚.

3 SO3對煙氣中顆粒物團聚性能的影響

黏附是指粉料顆粒與顆粒之間的相互黏結(jié),或顆粒與其他固體表面之間黏結(jié)的現(xiàn)象.黏附力是飛灰的一項重要物理特性,被廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)中.以燃煤電廠為例,高黏附性飛灰會給鍋爐的各受熱面、引風(fēng)機葉片以及電除塵器的陽極板和陰極線造成困難,直接影響這些設(shè)備的高效安全運行,一些高壓電器的黏灰還常會引起表面爬電故障.但是,黏附力也有其有益之處,如高黏附力可以使細(xì)小顆粒相互黏附,產(chǎn)生凝結(jié),形成較大的顆粒,有利于收塵;具有一定黏附性的飛灰,在電除塵器高壓電場的作用下有助于在陽極板上黏結(jié)成灰層,可避免在振打清灰時灰層散落,從而減少了飛灰的二次飛揚.

飛灰屬于中等偏低黏附性的粉料,這是由于水的表面張力較高,不易被煙氣中的水潤濕.若在水中加入表面活性劑,就能降低水的表面張力,提高粉塵的潤濕效果,從而改善電除塵器的除塵效率.

3.1 SO3對煙氣中顆粒物粒度的影響

在煙氣中,各組分對液膜表面張力的影響不同,其中非極性氣體對表面張力的影響較小,如干空氣、N2、H 2以及He等;而極性氣體對表面張力的影響較大,通常會導(dǎo)致表面張力降低,如水蒸氣、SO2、SO3、NH3以及HCl等在44.8℃時,SO3在氣液界面的表面張力系數(shù)為2.65×10-2N/m,而在同溫度下純水的表面張力系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)值為 6.968×10-2N/m[8].因此,當(dāng)進行煙氣調(diào)質(zhì)時,SO3氣體易溶解在液膜中,可以有效降低液膜的表面張力,同時也增強了微細(xì)顆粒之間以及所形成的硫酸溶液與微細(xì)顆粒之間的吸附架橋作用,使得煙氣中微細(xì)顆粒相互黏附,凝結(jié)成較粗的顆粒,便于除塵器收集.由此可見,煙氣中的SO3可使飛灰的含水率增大,浸潤性增加,因此飛灰的黏附性也隨之增大,促使飛灰細(xì)小顆粒相互黏附,產(chǎn)生凝結(jié),形成較大粒徑的顆粒,有利于除塵.

飛灰粒徑可分為幾何徑和動力徑.考慮到除塵器內(nèi)的粉塵均在懸浮運動的狀態(tài),因此動力徑對除塵器的設(shè)計和運行具有實際意義.筆者采用Bahco粒度分析儀來測定顆粒的Stokes動力徑[9],其原理是在高速旋轉(zhuǎn)的圓盤流場的離心力作用下使塵粒甩向旋轉(zhuǎn)圓盤邊緣并繼續(xù)向外周運動,與從離心機下部進口不同隔距片下抽入的空氣相遇,在環(huán)縫處受到反向氣流的摩擦力.根據(jù)力的平衡原理可以推導(dǎo)出:在環(huán)縫處分離出的塵粒的直徑與該處氣流速度的平方根成正比,從而分離出不同粒徑的塵粒,分離的粉塵粒徑越大,所需要的氣流吹動力就越大,對應(yīng)所選的隔距片就越小.

筆者采用Bahco粒度分析儀對內(nèi)蒙古某電廠飛灰煙氣調(diào)質(zhì)前后粒徑分布進行的研究表明:經(jīng)調(diào)質(zhì)的與未經(jīng)調(diào)質(zhì)的灰樣粒徑分布趨勢相同,調(diào)質(zhì)后灰樣的粒徑大于未調(diào)質(zhì)的灰樣.表4為SO3煙氣調(diào)質(zhì)前后準(zhǔn)格爾煤灰的分散度.圖3為SO3煙氣調(diào)質(zhì)前后準(zhǔn)格爾煤灰分散度與粒徑的關(guān)系.

表4 SO3煙氣調(diào)質(zhì)前后準(zhǔn)格爾煤飛灰的分散度Tab.4 Size distribution of fly ash particles for Zhungeer coal before and after flue gas conditioning

圖3 SO3煙氣調(diào)質(zhì)前后準(zhǔn)格爾煤灰分散度與粒徑的關(guān)系Fig.3 Size distribution curves of fly ash particles for Zhungeer coal before and after flue gas conditioning

從表4和圖3可知,調(diào)質(zhì)前后的灰樣粒徑分布有顯著變化:經(jīng)調(diào)質(zhì)后,粒徑小于10μm的煤灰所占比例明顯降低,而粒徑大于10μm的煤灰所占比例均有不同程度的提高.由此可見,SO3煙氣調(diào)質(zhì)可使飛灰中細(xì)顆粒所占比例降低.這主要是因為煙氣中的SO3吸收煙氣中的水分,形成液態(tài)H 2 SO4膜后吸附在飛灰顆粒表面,當(dāng)兩粒子表面之間的液膜相互接觸時,液體的表面張力就會形成“液橋”,將兩黏附體“拉”在一起.這進一步驗證了SO3煙氣調(diào)質(zhì)增加了飛灰的黏附性,尤其是一些細(xì)的飛灰顆粒在煙氣中相互碰撞而黏附在一起,或者被吸附在某些較大顆粒表面,增大了顆粒的粒徑,降低了煙氣中細(xì)顆粒的濃度,從而改善了電除塵器的除塵性能,提高了除塵效率.

3.2 SO3對煙氣中顆粒物比表面積的影響

比表面積是指每克物質(zhì)中所有顆粒總外表面積之和.比表面積是衡量物質(zhì)特性的重要參數(shù),其大小與顆粒的粒徑、形狀、表面缺陷及孔結(jié)構(gòu)密切相關(guān).粉體的顆粒粒徑越小,其比表面積就越大.同時,比表面積大小對物質(zhì)的其他許多物理和化學(xué)性能會產(chǎn)生很大影響[10-11].

為了進一步驗證煙氣中SO3對顆粒物團聚性能的影響,筆者采用COU LTER SA 3100系列表面積和孔徑分析儀分別對內(nèi)蒙古某電廠調(diào)質(zhì)前后電除塵器一、二、三電場灰斗灰的比表面積進行了測量.該儀器采用氣體吸附法,以氮氣(99.99%)為吸附介質(zhì),這種吸附為可逆吸附.在液氮飽和溫度、一定的相對壓力下,氣體的吸附量與物質(zhì)的表面積成正比,通過調(diào)整氣體的分壓獲得不同的表面吸附量,作出吸附和脫附等溫線,并結(jié)合BET計算模型[12]得到物質(zhì)的比表面積.采用該儀器進行BET法測量比表面積時,其重現(xiàn)性誤差小于2%.表5為調(diào)質(zhì)前后飛灰的比表面積.從表5可知:經(jīng)調(diào)質(zhì)后,飛灰的比表面積均有所減小,并且越往后的電場調(diào)質(zhì)效果越明顯,說明SO3煙氣調(diào)質(zhì)能夠使細(xì)小顆粒相互黏附并產(chǎn)生凝結(jié),形成較大的顆粒.電除塵器除塵效率不能達(dá)標(biāo)的主要因素是其對微細(xì)顆粒的捕集能力較低[13],但通過SO3煙氣調(diào)質(zhì)可將微細(xì)顆粒團聚為較大顆粒,從而改善了電除塵器的性能,除塵效率得到提高.

表5 調(diào)質(zhì)前后飛灰的比表面積Tab.5 Specific area of fly ash particles before and after flue gas conditioning m2?g-1

4 結(jié) 論

(1)適當(dāng)增加煙氣中SO3能使飛灰的比電阻顯著降低,這主要是由表面比電阻變化引起的,但體積比電阻并未變化.當(dāng)測量電壓為1 000 V時,未經(jīng)SO3調(diào)質(zhì)的鍋爐額定工況下飛灰比電阻為2.0×1013Ω?cm,而經(jīng)SO3調(diào)質(zhì)的飛灰比電阻為3.43×1011Ω?cm,比未經(jīng)調(diào)質(zhì)時降低了約2個數(shù)量級,效果顯著.

(2)SO3的加入可使飛灰表面張力減小,使其易于吸附煙氣中的水分,從而增大了飛灰顆粒間的毛細(xì)黏附力,并使微細(xì)顆粒凝結(jié)為較大顆粒.粒度與比表面積試驗測定結(jié)果表明:煙氣中SO3含量的適當(dāng)增加能提高粉塵的團聚性能,使顆粒粒徑增大,比表面積減小,有利于提高電除塵器的除塵效率.

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