燃煤电厂粉尘比电阻及其测试方法研究

刘含笑，郦建国，姚宇平，沈志昂，朱少平

（浙江菲达环保科技股份有限公司，浙江 诸暨 311800）

虽然我国经济发展水平逐年提升，但环境形势也日益严峻，尤其近几年雾霾、酸雨等灾害性天气频发，面对如此严峻的环境压力，作为“用煤大户”的燃煤电厂首当其冲。由于环境容量有限等原因，各地纷纷出台了相关约束政策。如江苏省、浙江省、山西省、广东省等地部分燃煤电厂已参考燃机标准限值，即要求实现“超低排放”，要求排放限值（6%O2）：烟尘：5mg／m3、SO2：35mg／m3、NOx：50mg／m3。2014年9月12日，国家发展和改革委员会、环境保护部、国家能源局联合发布的《煤电节能减排升级与改造行动计划（2014—2020年）》（发改能源［2014］2093号文），要求东部地区基本达到燃机标准，要求排放限值（6%O2）：烟尘：10mg／m3、SO2：35mg／m3、NOx：50mg／m3，中部地区原则上接近或达到燃机标准，鼓励西部地区接近或达到燃机标准［1］。

如此高的烟尘排放要求给除尘行业带来了不小的挑战，而国内目前80%以上燃煤电厂使用电除尘器。由电除尘器的除尘原理可知，其除尘性能的好坏与粉尘比电阻直接相关，而我国煤种复杂多变，比电阻值也不尽相同，针对不同煤种时电除尘的除尘效果或适应性会有很大差异。因此，准确测试或计算粉尘比电阻并确定粉尘比电阻的主要影响因素，对电除尘器结构优化、性能提升以及电除尘器对煤种的适应性研究具有重要意义。

1 粉尘比电阻定义

粉尘的比电阻=（粉尘的电阻×电流流过的横截面积）÷粉尘层厚度，单位为Ω·cm。另外，粉尘的比电阻还可以定义为粉尘层两端面的电场强度÷所产生的电流密度。

从电除尘器对粉尘的适应性出发，比电阻小于104Ω·cm的粉尘称为低比电阻粉尘，比电阻大于1011Ω·cm粉尘称为高比电阻粉尘（有时将比电阻大于1012Ω·cm粉尘称为高比电阻粉尘），比电阻范围在104～1011Ω·cm的粉尘称为中比电阻粉尘［2］。粉尘比电阻直接影响粉尘的荷电特性，对于中比电阻粉尘，电除尘器可以实现较好的除尘效果，粉尘比电阻过低时，易产生二次扬尘，导致除尘效率下降，当粉尘比电阻过高时，易产生反电晕，也会导致除尘效率下降。

2 粉尘比电阻的影响因素

影响粉尘比电阻的因素有粉尘本身的固有因素、烟气因素、测试因素等。其中，粉尘本身的固有因素包括：粉尘形状、成分、孔隙率、粒径分布等，烟气因素包括：烟气湿度、温度、成分等。

（1）粉尘本身固有因素。刘玉顺等［3］通过理论计算和实验验证方法，研究了粉尘孔隙率对粉尘比电阻的影响，并给出较为合理的比电阻-孔隙率关系式。章湘华［4］通过实验方法，测试了不同粉尘成分时的粉尘比电阻，测试结果见表1，其中电厂的粉尘比电阻与其含碳量有很大关系。

表1 不同粉尘成分对应的粉尘比电阻测试值

（2）烟气因素。文献［4］研究表明，适当增加烟气湿度可降低粉尘比电阻，提高除尘效率，对于环境温度下测试粉尘比电阻时，加入3%～10%的水，可使粉尘的比电阻下降1～2个数量级。适当改变烟气的成分，如加入氨气或三氧化硫，也可降低粉尘比电阻，即我们常说的烟气调质技术。

关于烟气温度、煤种类型与粉尘比电阻的关系，三菱重工做了大量研究，如图1所示［5-7］。

对于低碱低硫煤，300℃～400℃（高温区域）和120℃～150℃（低温区域）的比电阻都明显超过其反电晕临界比电阻值，而90℃左右（低低温区域）在反电晕临界比电阻值以下。低低温电除尘器的荷电稳定，除尘效率大幅上升。

对于低碱高硫煤，比电阻值在高温、低温区域中，均超过或接近反电晕临界比电阻值，而在低低温区域，其比电阻值降至反电晕临界比电阻值以下，除尘效率可大幅上升。

对于高碱低硫煤和高碱高硫煤，比电阻在高温、低温、低低温区域中，均小于其反电晕临界比电阻值，但低低温区域与低温区域相比，比电阻下降还是比较明显的。

图1 不同煤种粉尘比电阻与烟气温度的关系

3 粉尘比电阻的测试方法

根据测试对象的不同，粉尘比电阻的测试方法可以分为实验室比电阻测试方法和工况比电阻测试方法两种。根据测试温度不同，粉尘比电阻测试方法也可分为常规比电阻测试方法和高温比电阻测试方法，其中高温比电阻测试方法要求可以测量600℃甚至更高温度条件下的粉尘比电阻，主要是为了适应高温电除尘技术发展的需要［8］。本文仅从测试对象的角度阐述粉尘比电阻的主要测试方法。

3.1 粉尘实验室比电阻测试

实验室比电阻测试就是将粉尘样本拿到实验室，在实验室环境下进行比电阻的测试。根据测试电极形状的不同可分为平板电极法（又称圆盘法）、同心圆筒电极法、梳式电极法、槽形电极、探针电极等［9-10］。其中，圆盘法的使用最为普遍，其测电器如图2所示。测定器通过下部的金属盛灰圆盘盛被测灰样，盛灰盘下接负电极，被测粉尘层的上表面设置一个可上下移动的圆盘式电极（正电极）。该测定器置于控制箱内，控制箱可调节温度和湿度。在测定粉尘实验室比电阻时，先将粉尘样品自然堆满粉尘盘，然后用刮尺轻轻刮平，将上端的圆盘电极置于粉尘层的正中心，陷入粉尘层厚度不得超过0.5cm。调节箱调整到所需温度和湿度，测试时根据高压供电装置的电压和电流值以及圆盘面积和粉尘层厚度等就可计算出粉尘的实验室比电阻。

图2 圆盘测定器

槽形电极如图3所示［11］。它由2个方形的不锈钢电极和绝缘组件构成，将被测粉尘样品放置于2个方形电极之间，然后测试时根据高压供电装置的电压和电流值以及槽形电极的尺寸计算出粉尘的实验室比电阻。

图3 测试实验槽

3.2 粉尘工况比电阻测试

粉尘工况比电阻是指在现场进行比电阻测试，确切的说不仅是测试粉尘比电阻，更是烟气+粉尘的比电阻，而且实际烟气具有一定湿度，尤其是对于低低温电除尘器，当烟气低于酸露点后，烟气中三氧化硫会冷凝成硫酸雾，而此时的工况比电阻应该是“气、液、固”三相混合烟尘的比电阻。

对于现场粉尘工况比电阻的测试方法，按照集尘方式的不同，可以分为静电法和机械法［12］。

静电法的集尘原理与电除尘类似，主要由高压电源和一对电极组成，比较典型的是探针—圆盘电极形式，当正负电极通电后，探针和圆盘之间形成一个高压电场，含尘烟气通过该区域时，粉尘颗粒被电场力捕集下来，当灰样厚度达到足够值后，即可通过电阻测试仪进行测试。

机械法主要是通过旋风或过滤等方法收集灰样，灰样收集在储灰筒内，储灰筒内布置有正负电极，当收集一定厚度的灰样后即可通过电阻测试仪进行测试。

原永涛等［13-14］研发了一种粉尘工况比电阻测试装置，现场测量系统如图4所示，采样装置结构图如图5所示，属于机械集尘法中的过滤式集尘法，测试电极为同心圆筒电极。烟气中的悬浮颗粒在真空泵的抽吸动力作用下进入采样嘴，并沉积于刚玉滤筒内同心圆筒电极之间的环形空间中，电极经高温导线与主机连接，在主机上读取电阻值，并根据探头的电极系数换算得到所采集飞灰的比电阻值。

图4 飞灰比电阻测试系统

图5 飞灰采样装置结构图

3.3 两种测试数据对比

原永涛等［15］研究了上述两种测试方法对于同一灰源的测试数据，结果表明，实验室比电阻与工况比电阻数值之间存在不同程度的差异，由于湿度或酸性气体（主要是三氧化硫）等的影响，通常前者要比后者的数据低1～3个数量级，该结论与国外的某些资料报道是一致的。由于测试的灰源有限，对于部分高硫煤地区的差异是否会更大，还有待进一步调查分析。

4 粉尘比电阻的测试标准

目前，国内粉尘比电阻测试标准主要有GB 12476.9、GB／T 16913、JBT 8537，如表2所示。其中GB 12476.9规定的测试方法属于实验室比电阻测试方法中的槽形电极法，与之对应的国国外标准是IEC 1241-2-2；JBT 8537规定的测试方法属于实验室比电阻测试方法中的圆盘法，与之对应的国外标准是BS 5958-1和 ASME PTC 28 4.05；GB／T 16913中既规定了圆盘法测试实验室比电阻，也规定了机械法测试工况比电阻［16-19］。

表2 粉尘比电阻测试标准

5 结语

中比电阻粉尘较适用于电除尘器脱除，而影响粉尘比电阻的影响因素众多，如何通过实验测试或现场工况测试的方法准确得到粉尘的比电阻值，是研究粉尘比电阻与电除尘器除尘效率关系的关键。今后研究重点可以放在以下几个方面。

（1）实验室比电阻（圆盘法）与工况比电阻（机械收尘法）数据对比。

（2）工况比电阻与烟气温度（尤其是烟气酸露点前后）、湿度、三氧化硫浓度等的关系。

（3）基于粉尘比电阻研究结果，指导电除尘器结构优化设计，提高其除尘性能。

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