燃煤烟气中的SO3对微细颗粒物电除尘特性的影响

齐立强, 原永涛, 史亚微

(华北电力大学 环境科学与工程学院,保定 071003)

我国属于重度煤烟型污染国家,而且以煤电为主的能源结构近年不会改变.当前,我国燃煤电厂主要采用电除尘器的除尘方式,但电除尘器难以达到除尘排放要求,其主要原因是对微细颗粒收集效率低[1].近年来,中国西部地区一些电厂相继燃用了准格尔煤等低硫煤,电除尘器的除尘效率明显下降,颗粒物的排放常常难以达标.实际测量与分析表明:从燃煤电厂电除尘器内逃逸的飞灰绝大部分是2.5 μm以下的微细颗粒.这部分微细颗粒不仅是制约电除尘器效率的关键因素,也是我国环境空气质量的重要控制指标,对人类健康造成极大危害,是导致人类死亡率上升的主要原因之一,同时,它也是导致大气能见度降低、酸雨、全球气候变化以及臭氧层破坏等灾害性事件的重要因素[2].因此,燃煤锅炉微细颗粒的排放已成为我国需亟待解决的问题.

为了提高微细粉尘的电除尘效率,国内外部分燃煤电厂采用了SO3烟气调质的方法.以内蒙古某电厂为例,将体积分数控制在10×10-6～17×10-6的SO3喷入烟气中进行调质后,电除尘器的效率可得到大幅度提高,烟气的排放质量浓度由原来的400 m g/m3降低到 50 mg/m3,除尘效率可达99.6%以上,效果十分明显[3-4].可见,烟气中的SO3对改善粉尘的电除尘特性有一定的影响.笔者采用BDL粉尘比电阻测定仪、巴柯粒度分析仪以及COULTERTM SA 3100 TM比表面积分析仪对调质前后的飞灰比电阻、粒径分布以及比表面积进行了分析,并研究了烟气中的SO3对微细颗粒物电除尘性能的影响.

1 SO3对烟气中颗粒物导电性能的影响

飞灰比电阻是衡量粉尘导电性能的指标,其值过高或过低均会导致除尘效率下降.

1.1 飞灰的导电机理

飞灰由大量微细颗粒组成,具有比通常的密实性固体大得多的比表面积,因此灰层的导电不仅取决于颗粒的体积,也取决于颗粒的表面特性.通常,飞灰导电是沿着颗粒的体积和表面两条路径进行的,其中表面导电的电荷是由吸附在颗粒表面的水分和化学膜传递的.由于表面的膜与颗粒内部的物质具有不同的物理和化学性质,因此粉尘的表面比电阻和体积比电阻的变化规律也是不同的[5].

为便于分析,笔者把粉尘的表面比电阻和体积比电阻看成由2个并联的电阻组成的“等效并联电路”.图1为粉尘的导电机理.

图1 粉尘的导电机理Fig.1 Conductive mechanism of dust

温度是飞灰比电阻最敏感的因素之一.图2给出了粉尘比电阻随温度的变化.从图2可知:表面比电阻随着温度的升高急剧增大,当温度超过100℃时,表面比电阻上升的速度减缓,当温度达到150℃以上时,表面比电阻不再随温度变化.由此可见,表面比电阻的变化特点为:曲线的变化呈单调上升,且变化发生在较低的温度区域.与之相反,体积比电阻的变化则发生在较高的温度区域,且随着温度的升高,呈单调下降趋势.在100～200℃为表面比电阻和体积比电阻的过渡区,即称为合成比电阻.

图2 粉尘比电阻随温度的变化Fig.2 Curves of dust resistivity varying with temperature

综上所述,当烟气温度较低时,烟气中的水分和化学物质能够溶解于水汽中,在颗粒表面形成液膜,构成表面导电通道,从而降低体积比电阻;当烟气温度较高时,颗粒内部的离子和电子受激活跃,电流传导作用加强,体积导电占优势.因此,笔者认为烟气调质对飞灰导电性能的影响研究有两种途径:①SO3调质剂在飞灰表面附着形成导电通道;②SO3与飞灰发生化学反应(因为体积导电主要取决于飞灰的成分和矿物的成分),以改变飞灰的成分达到促使电荷传导的发生.

1.2 SO3烟气调质对飞灰导电性能的影响

SO3是活性很大的强氧化剂,极易吸收水分.相关研究表明[6]:向烟气中喷入一定量的SO3可使烟气中粉尘吸收的水分含量提高约7～8倍.表面导电是由水和其他成分通过在粉尘表面形成的低电阻通径实现的,因此粉尘吸收的水分含量增加能够较大地影响飞灰的合成比电阻.

内蒙古某电厂的锅炉为亚临界HG-2008/17.4-YM 5锅炉,设计燃料为准格尔煤,表1为该煤种的工业和元素分析.当机组电负荷为600MW(即额定工况)时,锅炉的额定蒸发量为1 757 t/h.在额定工况下,其除尘系统在采用SO3烟气调质装置后除尘效率由原来的96.7%提高到99.6%以上,效果十分显著.在上述工况下,笔者利用BDL便携式粉尘比电阻现场测定仪分别对调质前后的电除尘器飞灰比电阻进行了现场实测.表2给出了额定工况下的飞灰比电阻.在表2中,笔者将现场测量点选择为电除尘器入口烟道的预留测孔,同时在相同位置进行了等速采样,并对采集到的入口飞灰在试验室进行粒度和比表面积分析.从表 2可知:当测量电压为1 000 V时,在锅炉额定工况下未经SO3调质的飞灰比电阻为2.0×1013Ω◦cm,经过SO3调质后的飞灰比电阻为3.43×1011Ω◦cm.在锅炉额定工况下,经调质后飞灰的比电阻比调质前约降低2个数量级,调质效果比较明显,使飞灰的比电阻接近电除尘器最适合的粉尘比电阻范围[7],有效地提高了电除尘器的除尘效率,达到了在烟气中喷入一定量的SO3可以降低额定工况下飞灰比电阻的预期目的.

表1 准格尔煤的工业和元素分析Tab.1 Proximate and ultimate analysis of Zhungeer coal

表2 额定工况下的飞灰合成比电阻Tab.2 Resistivity of fly ash under rated conditions

2 SO3对烟气中颗粒物吸湿性能的影响

粉尘的吸湿性是指粉尘从周围空气中吸收水分的能力.笔者对内蒙某电厂烟气调质前后采集的灰样进行了现场烘干,分析了SO3对烟气中颗粒物吸湿性能的影响.根据GB/T 16913.6—1997《粉尘物理试验方法》第6部分吸湿性的测定——吸湿率法,将室温下正常存放的粉尘称重后,在6个量杯中撒铺薄层(1 mm左右),置于保湿器中(即底部放有20%硫酸的干燥器),并用凡士林密封保湿器.在保湿器中封存24 h后,再次称重,粉尘的增重即为其在该时间内从周围空气中吸收的水分质量,吸收的水分质量与干燥粉尘本身质量之比为粉尘的吸湿性.表3为调质前后的飞灰吸湿性能.

表3 调质前后飞灰的吸湿性能Tab.3 Hygroscopic property of fly ash before and after flue gas conditioning %

从表3中的试验结果可以看出:调质后粉尘的吸湿性明显增大,这主要由于SO3气体易溶于液膜中,能有效降低液膜的表面张力,使粉尘吸湿性增大,颗粒间黏附性相应提高,因而减少了二次飞扬.

3 SO3对烟气中颗粒物团聚性能的影响

黏附是指粉料颗粒与颗粒之间的相互黏结,或颗粒与其他固体表面之间黏结的现象.黏附力是飞灰的一项重要物理特性,被广泛应用于科学研究和工业生产中.以燃煤电厂为例,高黏附性飞灰会给锅炉的各受热面、引风机叶片以及电除尘器的阳极板和阴极线造成困难,直接影响这些设备的高效安全运行,一些高压电器的黏灰还常会引起表面爬电故障.但是,黏附力也有其有益之处,如高黏附力可以使细小颗粒相互黏附,产生凝结,形成较大的颗粒,有利于收尘;具有一定黏附性的飞灰,在电除尘器高压电场的作用下有助于在阳极板上黏结成灰层,可避免在振打清灰时灰层散落,从而减少了飞灰的二次飞扬.

飞灰属于中等偏低黏附性的粉料,这是由于水的表面张力较高,不易被烟气中的水润湿.若在水中加入表面活性剂,就能降低水的表面张力,提高粉尘的润湿效果,从而改善电除尘器的除尘效率.

3.1 SO3对烟气中颗粒物粒度的影响

在烟气中,各组分对液膜表面张力的影响不同,其中非极性气体对表面张力的影响较小,如干空气、N2、H 2以及He等;而极性气体对表面张力的影响较大,通常会导致表面张力降低,如水蒸气、SO2、SO3、NH3以及HCl等在44.8℃时,SO3在气液界面的表面张力系数为2.65×10-2N/m,而在同温度下纯水的表面张力系数的标准值为 6.968×10-2N/m[8].因此,当进行烟气调质时,SO3气体易溶解在液膜中,可以有效降低液膜的表面张力,同时也增强了微细颗粒之间以及所形成的硫酸溶液与微细颗粒之间的吸附架桥作用,使得烟气中微细颗粒相互黏附,凝结成较粗的颗粒,便于除尘器收集.由此可见,烟气中的SO3可使飞灰的含水率增大,浸润性增加,因此飞灰的黏附性也随之增大,促使飞灰细小颗粒相互黏附,产生凝结,形成较大粒径的颗粒,有利于除尘.

飞灰粒径可分为几何径和动力径.考虑到除尘器内的粉尘均在悬浮运动的状态,因此动力径对除尘器的设计和运行具有实际意义.笔者采用Bahco粒度分析仪来测定颗粒的Stokes动力径[9],其原理是在高速旋转的圆盘流场的离心力作用下使尘粒甩向旋转圆盘边缘并继续向外周运动,与从离心机下部进口不同隔距片下抽入的空气相遇,在环缝处受到反向气流的摩擦力.根据力的平衡原理可以推导出:在环缝处分离出的尘粒的直径与该处气流速度的平方根成正比,从而分离出不同粒径的尘粒,分离的粉尘粒径越大,所需要的气流吹动力就越大,对应所选的隔距片就越小.

笔者采用Bahco粒度分析仪对内蒙古某电厂飞灰烟气调质前后粒径分布进行的研究表明:经调质的与未经调质的灰样粒径分布趋势相同,调质后灰样的粒径大于未调质的灰样.表4为SO3烟气调质前后准格尔煤灰的分散度.图3为SO3烟气调质前后准格尔煤灰分散度与粒径的关系.

表4 SO3烟气调质前后准格尔煤飞灰的分散度Tab.4 Size distribution of fly ash particles for Zhungeer coal before and after flue gas conditioning

图3 SO3烟气调质前后准格尔煤灰分散度与粒径的关系Fig.3 Size distribution curves of fly ash particles for Zhungeer coal before and after flue gas conditioning

从表4和图3可知,调质前后的灰样粒径分布有显著变化:经调质后,粒径小于10μm的煤灰所占比例明显降低,而粒径大于10μm的煤灰所占比例均有不同程度的提高.由此可见,SO3烟气调质可使飞灰中细颗粒所占比例降低.这主要是因为烟气中的SO3吸收烟气中的水分,形成液态H 2 SO4膜后吸附在飞灰颗粒表面,当两粒子表面之间的液膜相互接触时,液体的表面张力就会形成“液桥”,将两黏附体“拉”在一起.这进一步验证了SO3烟气调质增加了飞灰的黏附性,尤其是一些细的飞灰颗粒在烟气中相互碰撞而黏附在一起,或者被吸附在某些较大颗粒表面,增大了颗粒的粒径,降低了烟气中细颗粒的浓度,从而改善了电除尘器的除尘性能,提高了除尘效率.

3.2 SO3对烟气中颗粒物比表面积的影响

比表面积是指每克物质中所有颗粒总外表面积之和.比表面积是衡量物质特性的重要参数,其大小与颗粒的粒径、形状、表面缺陷及孔结构密切相关.粉体的颗粒粒径越小,其比表面积就越大.同时,比表面积大小对物质的其他许多物理和化学性能会产生很大影响[10-11].

为了进一步验证烟气中SO3对颗粒物团聚性能的影响,笔者采用COU LTER SA 3100系列表面积和孔径分析仪分别对内蒙古某电厂调质前后电除尘器一、二、三电场灰斗灰的比表面积进行了测量.该仪器采用气体吸附法,以氮气(99.99%)为吸附介质,这种吸附为可逆吸附.在液氮饱和温度、一定的相对压力下,气体的吸附量与物质的表面积成正比,通过调整气体的分压获得不同的表面吸附量,作出吸附和脱附等温线,并结合BET计算模型[12]得到物质的比表面积.采用该仪器进行BET法测量比表面积时,其重现性误差小于2%.表5为调质前后飞灰的比表面积.从表5可知:经调质后,飞灰的比表面积均有所减小,并且越往后的电场调质效果越明显,说明SO3烟气调质能够使细小颗粒相互黏附并产生凝结,形成较大的颗粒.电除尘器除尘效率不能达标的主要因素是其对微细颗粒的捕集能力较低[13],但通过SO3烟气调质可将微细颗粒团聚为较大颗粒,从而改善了电除尘器的性能,除尘效率得到提高.

表5 调质前后飞灰的比表面积Tab.5 Specific area of fly ash particles before and after flue gas conditioning m2◦g-1

4 结 论

(1)适当增加烟气中SO3能使飞灰的比电阻显著降低,这主要是由表面比电阻变化引起的,但体积比电阻并未变化.当测量电压为1 000 V时,未经SO3调质的锅炉额定工况下飞灰比电阻为2.0×1013Ω◦cm,而经SO3调质的飞灰比电阻为3.43×1011Ω◦cm,比未经调质时降低了约2个数量级,效果显著.

(2)SO3的加入可使飞灰表面张力减小,使其易于吸附烟气中的水分,从而增大了飞灰颗粒间的毛细黏附力,并使微细颗粒凝结为较大颗粒.粒度与比表面积试验测定结果表明:烟气中SO3含量的适当增加能提高粉尘的团聚性能,使颗粒粒径增大,比表面积减小,有利于提高电除尘器的除尘效率.

[1] 齐立强,原永涛,阎维平,等.准格尔煤灰特性对其从电除尘器中逃逸的影响[J].动力工程,2008,28(4):629-632.QI Liqiang,YUAN Yongtao,YAN Weiping,et al.Influence of characteristics of Zhungeer fly ash on its escape from electrostatic precipitators[J].Journal of Power Engineering,2008,28(4):629-632.

[2] 刘建忠,范海燕,周俊虎,等.煤粉炉PM10/PM2.5排放规律的试验研究[J].中国电机工程学报,2003,23(1):145-149.LIU Jianzhong,FAN Haiyan,ZHOU Junhu,et al.Experimenta l studies on the emission of PM10and PM2.5from coal-fired boiler[J].Proceedings o f the CSEE,2003,23(1):145-149.

[3] 沈峥,耿红旗,陈庆.SO3烟气调质在大型燃煤机组电除尘器上的成功应用[C]//第12届中国电除尘学术会论文集.石家庄:中国环境保护产业协会电除尘委员会,2007.

[4] 康国伟,徐向阳.利用SO3烟气调质提高电除尘器的除尘效率[J].华北电力技术,2009(增刊):32-33.KANG Guow ei,XU Xiangyang.Using SO3flue gas conditioning to raising efficience of electrostatic precipitator[J].North China Electric Power,2009(s1):32-33.

[5] 原永涛.火力发电厂电除尘技术[M].北京:化学工业出版社,2004:47-52.

[6] HARRINGTON D A.Electrochemical impedance of multistep mechanism s:a general theory[J].Journal of Electroanalytical Chemistry,1998,449(3):9-28.

[7] 胡满银,高香林,胡志光,等.锅炉燃烧和运行对电除尘器性能影响的分析与研究[J].中国电机工程学报,1997,17(4):278-281.HU Manyin,GAO Xiang lin,HU Zhiguang,et a l.Study of effect of ESP efficiency with combustion and operation of power boiler[J].Proceedings of the CSEE,1997,17(4):278-281.

[8] ALVAREZ E,BLANCO J,KNAPPA C,et al.Pilot plant performance of a SO2to SO3oxidation catalyst for flue-gas conditioning[J].Catalysis Today,2000,59(6):417-422.

[9] 王铮,华蕾,胡月琪,等.北京市无组织排放源颗粒物的粒度分布[J].中国环境监测,2007,23(12):75-79.WANG Zheng,HUA Lei,HU Yueqi,eta l.Diameter distribution of particles from fugitive emission sources in Beijing[J].Environmental Monitoring in China,2007,23(12):75-79.

[10] SHANTHAKUMAR S,SINGH D N,PHADKE R C.Influence of flue gas conditioning on fly ash characteristics[J].Fuel,2008,87(11):3216-3222.

[11] SHANTHAKUMAR S,SINGH D N,PHADKE R C.Flue gas conditioning for reducing suspended particulate matter from thermal power stations[J].Progress in Energy and Combustion Science,2008,34(6):685-695.

[12] 孙佰仲,周明正,刘洪鹏,等.油页岩流化燃烧过程中表面特性的变化[J].动力工程,2008,28(2):250-254.SUN Baizhong,ZHOU Mingzheng,LIU Hongpeng,et al.Study on surface characteristics of oil shale during fluidized combustion[J].Journal of Power Engineering,2008,28(2):250-254.

[13] 齐立强,原永涛,阎维平,等.燃煤高铝飞灰在电除尘器中行为的试验研究[J].中国电机工程学报,2005,25(17):105-109.QI Liqiang,YUAN Yongtao,YAN Weiping,et al.Experimental study on the behavior of the high-alumina fly ash in electrostatic precipitators[J].Proceedings of the CSEE,2005,25(17):105-109.