飛灰殘碳量對除塵器性能影響規律

夏少波，段 璐，王建朋，紀任山，崔豫泓，張 朝

(1.煤炭科學研究總院，北京 100013；2.北京天地融創科技股份有限公司，北京 100013；3.國家能源煤炭高效利用與節能減排技術裝備重點實驗室，北京 100013)

2019年，全國顆粒物排放量為1 088.5萬t。其中，工業源顆粒物排放量為925.9萬t，燃煤工業鍋爐是主要工業源之一，粉塵大量排放對大氣環境和人類健康有嚴重危害，因此，國家對燃煤鍋爐粉塵排放標準愈發嚴格。燃煤電廠目前主要采用濕式電除塵器、低(低)溫電除塵器、電袋除塵器和布袋除塵器，其裝機容量到2018年底已分別達61，104，131及12 GW，基本已實現粉塵超低排放，2018年國務院發布“打贏藍天保衛戰3 a行動計劃”，開始將燃煤工業鍋爐粉塵排放作為治理重點。

目前，燃煤工業鍋爐主要采用布袋除塵器，但布袋除塵器壓降較大，濾袋壽命受溫度、流場及飛灰中腐蝕成分等影響較大，較難實現超低排放，靜電除塵器雖然性能優越，但一次投資高、占地面積大，不適用于燃煤工業鍋爐，電袋除塵器是靜電除塵器與布袋除塵器的結合，高效穩定、運行壓降低、結構緊湊、占地少且運行成本低，在燃煤工業鍋爐將有廣闊的應用前景。

飛灰特性對不同除塵器性能有較大的影響。飛灰粒徑直接影響除塵器性能，不同除塵器穿透窗口不同，李茹雅等通過分析發現了布袋除塵器脫除效率在 0.2～0.4 μm內效率最低，且隨粒徑增大而提高；靳星研究了顆粒電遷移率與粒徑間關系，發現0.1～1.0 μm內顆粒電遷移速率最小，顆粒脫除效率最低；ZHANG等發現靜電除塵器對0.1～1.0 μm內飛灰脫除效率最低，袋式除塵器對0.3 μm飛灰脫除效率最低；YUN等發現金屬過濾器對1 μm以下顆粒脫除效率隨粒徑變小急劇降低；劉含笑等對國內煤種成分、飛灰成分、比電阻等進行分析，發現飛灰中NaO，FeO等成分有利于電除塵器性能，AlO，SiO等成分為不利因素，比電阻過大和過小均不利于電除塵器集塵；LI和REN分析了粉塵電阻率對電除塵機理的影響，分別針對低比電阻及高比電阻粉塵提出調節方法，提高脫除效率。飛灰殘碳量與粒徑有峰值關系，且對飛灰形貌、成分及比電阻等特性有重要影響，劉娟娟、樊保國等分別分析了循環流化床鍋爐飛灰微觀及分形特性，發現飛灰在 20～50 μm內殘碳量最高，不同殘碳量飛灰微觀形貌相差較大；張燦強研究了不同粉煤灰特性，發現粉煤灰比電阻隨含碳量增加而降低，導電性能隨含碳量增加而增強；梅丹等發現小密度飛灰殘碳量與大密度飛灰有明顯不同；ZHAO等研究發現生物質電廠飛灰殘碳傾向存在于大粒徑范圍；UACIQUETE等發現殘碳含量對飛灰中成分有所影響。目前研究主要集中在飛灰殘碳量對飛灰特性的影響，針對飛灰殘碳量對除塵器性能影響的研究鮮有報道。

筆者基于耦合電袋除塵器實驗平臺，研究不同殘碳量飛灰對布袋除塵器和電袋除塵器的除塵性能、運行情況及能耗等的影響，該研究可為除塵器的選用與運行提供理論指導。

1 實驗系統與方法

1.1 實驗系統

耦合電袋除塵器實驗系統如圖1所示，主要包括4部分：① 供料系統：通過變頻控制器控制供料器螺旋桿轉速改變飛灰入口量，飛灰從供料倉落灰口處落入下方管道，在壓縮空氣吹動下分散與空氣混合進入除塵器。②供電系統：選用泰斯曼TD2202N20-400(-20～0 kV，400 W)直流負高壓電源為電場提供高壓電。③ 除塵系統：除塵器前區為一 200 mm×1 000 mm通道；后區為AHPC(Advanced Hybrid Particulate Collector)電袋除塵器，包括4個靜電除塵區和3個布袋除塵區，放電電極、收塵極板及濾袋交錯排列，選用針刺電極作為陰極線，選用冷軋碳鋼(SPCC)薄板作為陽極板，布袋區選用PPS耐高溫耐酸堿過濾氈材質的濾袋，濾袋長1 m。④ 測試系統：采用testo 510i無線迷你壓差測量儀測量除塵器壓降并間隔2 s記錄壓降值；利用 testo 405i 無線迷你風速測量儀測定并記錄風速。電壓、電流通過泰斯曼TD2202N20-400高壓電源讀數獲得。利用低壓靜電撞擊器(ELPI)及其稀釋系統進行上下游等速采樣，測量 0.3～10.0 μm飛灰質量濃度，測點分別設置在實驗平臺進、出口管道上。通過稱重得到進口、前區和后區總塵質量濃度，并結合馬爾文粒徑分析儀分析得到飛灰粒徑分布。

圖1 實驗系統示意

實驗有2種工況：① 后區靜電除塵區不施加電壓，即布袋除塵器除塵；② 后區靜電除塵區施加 -18 kV電壓，即電袋除塵器除塵。實驗過程中氣體流量為 407 m/h，4種飛灰工況1下進口質量濃度分別為16.69，18.11，18.46和16.67 g/m，工況2下進口質量濃度分別為20.00，15.78，18.99和 16.24 g/m，質量濃度最大偏差為26.74%，實驗過程中當除塵器壓力達到750 Pa時開啟噴吹裝置，實驗進行5個噴吹周期。

1.2 實驗飛灰

實驗選用4種殘碳量飛灰，取自煤粉工業鍋爐除塵器灰斗，其工業分析和灰成分分析分別見表1，2，按殘碳量由高到低分別命名為1，2，3，4號。采用馬爾文激光粒度儀(Mastersizer 3000)測定4種飛灰粒徑分布，結果如圖2所示，隨著飛灰殘碳量減小，中值粒徑((50))逐漸向小粒徑移動。

表1 飛灰工業分析

表2 灰成分分析

圖2 飛灰粒徑分布

飛灰的堆積密度通過式(1)進行計算：

(1)

式中,為飛灰堆積密度，kg/m；為燒杯自身質量，kg；為燒杯與飛灰總質量，kg；為燒杯體積，mL，此次實驗采用燒杯體積為200 mL。

圖3為4種飛灰堆積密度計算結果。如圖3所示，飛灰殘碳量越低堆積密度越大，殘碳量大于18.18%時，飛灰堆積密度隨殘碳量減小緩慢增加，殘碳量小于18.18% 時，飛灰堆積密度增速加快。

圖3 4種飛灰堆積密度

利用ZEISS MERLIN compact-61-78 超高分辨率場發射掃描電鏡觀察顆粒形貌，結果如圖4所示。1號飛灰顆粒形貌較多樣，存在球形、片形、塊形等，粒徑較大；2號飛灰孔洞較多，孔隙率較高，顆粒粒徑居中；3號、4號飛灰顆粒形狀大多為球狀，粒徑較小且表面幾乎觀察不到孔洞結構；這主要是因為大粒徑飛灰是煤粉未完全燃燒產生，部分揮發分在燃燒過程中析出造成顆粒內部大量孔隙結構，顆粒物密度較小，而小粒徑飛灰主要由礦物氣化-凝結形成，燃燒較為充分。

圖4 SEM分析

2 結果與分析

2.1 除塵性能

2.1.1 除塵器總體除塵性能

圖5為采用ELPI測量的4種飛灰在除塵器進、出口顆粒物質量濃度的密度分布函數及分級脫除效率，其中，為顆粒質量濃度，為顆粒粒徑。

如圖5所示，4種飛灰在1.50～2.50 μm內進口顆粒物質量濃度較高，導致布袋除塵器和電袋除塵器在該粒徑范圍內出口顆粒物質量濃度較高?？傮w來看，電袋除塵器出口顆粒物質量濃度低于布袋除塵器，對于1號飛灰，電袋除塵器在 0.03～0.60 μm內出口顆粒物質量濃度低于布袋除塵器，且粒徑越小，電袋除塵器的除塵性能越優于布袋除塵器。此外，殘碳量越低，電袋除塵器相對于布袋除塵器出口顆粒物質量濃度的減小量越大，且粒徑范圍越大，如1號飛灰在電袋除塵器出口質量濃度較布袋除塵器在2.38 μm粒徑處降低了9.70%，而4號飛灰降低了96.77%。

圖5 飛灰進、出口顆粒物質量濃度的密度分布函數和分級脫除效率

就分級脫除效率而言，布袋除塵器和電袋除塵器的脫除效率隨殘碳量減少而提高，且2者效率提高值與出口顆粒物質量濃度減少量類似。布袋除塵器對不同殘碳量飛灰的穿透窗口有明顯差異，1號飛灰到4號飛灰的穿透窗口分別為：0.09～0.61，0.03～0.09，0.15～0.61和0.30～2.38 μm，殘碳量越小，穿透窗口處的脫除效率越高。電袋除塵器對1號飛灰的穿透窗口在0.03～0.38 μm，而殘碳量低于 18.18% 時電袋除塵器不存在明顯的穿透窗口。

圖6為布袋除塵器和電袋除塵器出口總塵質量濃度與整體脫除效率。如圖6所示，隨著殘碳量的降低，布袋除塵器和電袋除塵器的出口總塵質量濃度均降低，整體脫除效率均提高。隨著殘碳量從48.07%降低到1.85%，電袋除塵器的出口總塵質量濃度較布袋除塵器的減少量由6.80 mg/m增加到 30.34 mg/m，整體除塵效率提高值由0.08% 增加到0.18%。因此，布袋除塵器與電袋除塵器除塵性能隨殘碳量的降低均有所提高，且電袋除塵器相對于布袋除塵器的優勢隨殘碳量的降低逐漸擴大。

圖6 殘碳量對除塵器出口總塵質量濃度和除塵效率的影響

2.1.2 除塵器前區除塵性能

耦合電袋除塵器實驗平臺前區為一 200 mm×1 000 mm通道，部分飛灰在重力作用下沉積到前區灰斗，通過馬爾文激光粒度儀和稱重法分析進口和前區灰斗沉積飛灰，得到沉積效率如圖7所示?？傮w而言，飛灰殘碳量降低，密度增大，粒徑越大，沉降效率越大。

圖7 除塵器前區對飛灰顆粒沉積效率和沉降質量濃度

2.1.3 除塵器后區除塵性能

通過馬爾文激光粒度儀、稱重法和ELPI得到除塵器后區和出口飛灰質量濃度分布及脫除效率，如圖8所示。電袋除塵器對各粒徑段飛灰脫除效率均高于布袋除塵器，布袋除塵器對4種飛灰PM脫除效率分別為51.21%，84.53%，93.43%及97.46%，電袋除塵器分別為71.65%，98.30%，98.97%及99.77%，分別提高了20.44%，13.77%，5.54%及2.31%，對PM脫除效率分別提高了11.20%，14.10%，4.93%及3.76%，對PM脫除效率分別提高了1.18%，1.77%，1.14%及0.60%，對PM脫除效率均為100%，可見電袋除塵器對亞微米級顆粒的脫除效果更好。此外，兩除塵器對4種飛灰PM，PM和PM脫除效率均隨殘碳量減少而提高，且電袋除塵器優勢隨殘碳量降低而擴大。

圖8 除塵器后區對飛灰顆粒脫除效率以沉降濃度

2.2 運行分析

2.2.1 整體壓降

圖9為布袋除塵器和電袋除塵器周期性壓降。由圖9可知，布袋除塵器噴吹周期隨飛灰殘碳量的降低而延長，而電袋除塵器噴吹周期先延長后縮短。電袋除塵器噴吹周期均長于布袋除塵器，說明荷電后的飛灰在濾袋上堆積結構疏松，能有效減小負荷，電袋除塵器長期運行情況優于布袋除塵器。

圖9 不同工況下壓降變化

2.2.2 噴吹周期

對布袋除塵器和電袋除塵器多個噴吹周期進一步分析，得到周期隨噴吹次數增加的規律如圖10所示。由圖10可知，布袋除塵器對4種飛灰噴吹周期平均值分別為3.67，3.99，4.40和5.20 min，可見殘碳量越低，布袋除塵器噴吹周期越長，電袋除塵器分別為12.00，17.05，21.60和10.00 min，噴吹周期隨殘碳量降低先增后減，這是因為隨殘碳量降低，飛灰密度提高、粒徑減小、比電阻提高、荷電能力降低，初始密度提高占主導地位，噴吹周期增加，但當殘碳量降低至1.85% 時，小粒徑顆粒增多、荷電能力下降占主導地位，噴吹周期減小。并且，電袋除塵器噴吹周期分別是布袋除塵器的3.27，4.27，4.91，1.92倍，隨殘碳量的降低先增后減。兩除塵器噴吹周期均隨噴吹次數增加而縮短，因為隨運行時間增加，部分飛灰進入布袋纖維內部，噴吹難以清除這部分飛灰，導致布袋堵塞，噴吹周期縮短；隨飛灰殘碳量降低，從第2周期到第5周期電袋除塵器周期減小率較布袋除塵器先高后低再高，整體而言電袋除塵器運行性能優于布袋除塵器，且優勢隨殘碳量降低先增大后減小。

圖10 噴吹周期

2.2.3 噴吹后壓降變化規律

4種飛灰在實驗過程中周期噴吹后壓降最低點如圖11所示。

圖11 噴吹壓降最低點

由圖11可以看出，布袋除塵器壓降最低點普遍高于電袋除塵器，布袋除塵器對4種飛灰壓降最低點平均值分別為350.20，332.20，315.00和294.80 Pa，電袋除塵器分別為346.60，296.60，269.80和294.80 Pa，布袋除塵器壓降最低值隨殘碳量降低而減小，電袋除塵器隨殘碳量降低先減后增，這是因為布袋除塵器噴吹主要受慣性影響，殘碳量低，堆積密度大，慣性強，利于噴吹；電袋除塵器需考慮慣性和荷電。飛灰殘碳量低，荷電能力降低，飛灰在濾袋上堆積相對緊密，不利于噴吹，且殘碳量高于1.85% 時慣性對電袋除塵器噴吹起主導作用，低于1.85% 時，荷電能力占主導地位。

此外，布袋除塵器和電袋除塵器壓降最低值隨噴吹次數增加而升高，布袋除塵器壓降最低值隨噴吹次數上升較快，電袋除塵器較慢，增長速率隨殘碳量降低而減慢。就長期運行而言，布袋除塵器總體壓降逐步上升，長時間在高壓降下運行，增加系統運行能耗，電袋除塵器長期運行優于布袋除塵器。

2.3 能耗分析

實驗過程中布袋除塵器能耗主要包括系統壓降和噴吹能耗，電袋除塵器能耗主要包括電耗、系統壓降及噴吹能耗，利用文獻中公式進行計算，公式為

=

(2)

=(-)(1-)

(3)

=Δ()

(4)

其中，，，分別為電耗、噴吹耗能、布袋耗能，J；為電壓，V；為電流，A；為噴吹次數；，，Δ()分別為噴吹前后壓降以及實驗過程布袋壓降，Pa；為過濾面積，m；為實驗用時，s；為多變指數。不同飛灰實驗用時不同，因此將5個周期總能耗換算為單位小時內除塵器能耗。

布袋除塵器和電袋除塵器實驗能耗如圖12所示，布袋除塵器對4種飛灰總能耗分別為0.42，0.41，0.37，0.46 kW·h，隨殘碳量降低先減后增，這是因為殘碳量低，飛灰粒徑減小、密度增加，初始殘碳量降低，密度增加占主導地位，顆粒在慣性作用下更易沉積在多孔板上，而殘碳量進一步降低，小粒徑顆粒增加，大量小粒徑顆粒隨流沉積在布袋上，導致布袋表面顆粒層厚度增加，增加了布袋壓降。電袋除塵器分別為0.18，0.20，0.23，0.20 kW·h，可見，電袋除塵器能耗隨殘碳量降低先增后減；電袋除塵器對4種飛灰總能耗比布袋除塵器分別低57.14%，51.22%，37.84%及56.52%，隨殘碳量降低先減后增?？梢?，電袋除塵器總能耗均小于布袋除塵器，布袋噴吹是布袋除塵器和電袋除塵器能耗的主要因素。

圖12 能耗比較

3 結 論

(1)殘碳量影響飛灰的堆積密度和粒徑分布，殘碳量越低，飛灰堆積密度越大，殘碳量大于18.18%時，堆積密度隨殘碳量減小緩慢增加，殘碳量小于18.18% 時，堆積密度增速加快；殘碳量降低，小粒徑顆粒體積分數增加。

(2)電袋除塵器除塵性能優于布袋除塵器。電袋除塵器出口總塵質量濃度和分級顆粒物質量濃度降低，脫除效率提高，對超細顆粒的捕集能力顯著，殘碳量越低除塵性能越好，殘碳量高于 18.18% 飛灰穿透窗口在 0.03～0.38 μm；而布袋除塵器對不同殘碳量的飛灰，穿透窗口明顯不同。

(3)兩除塵器噴吹周期隨噴吹次數增加而縮短，壓降最低值均隨噴吹次數增加而升高。布袋除塵器噴吹周期隨飛灰殘碳量降低而延長，電袋除塵器先延長后縮短，布袋除塵器壓降最低值隨噴吹次數上升較快，最低值隨殘碳量降低而減小，電袋除塵器上升較慢，最低值隨殘碳量降低先減后增。電袋除塵器較布袋除塵器噴吹周期更長，噴吹最低點更低，且電袋除塵器對4種飛灰平均噴吹周期分別是布袋除塵器的3.27，4.27，4.91和1.92倍。因此電袋除塵器運行性能優越，適于長周期運行。

(4)布袋除塵器能耗來自于除塵器壓降和噴吹能耗，電袋除塵器能耗來自于除塵器壓降、噴吹能耗和電耗，其中布袋耗能是能耗的主要因素。隨殘碳量降低，布袋除塵器對4種飛灰總能耗先減后增，電袋除塵器先增后減，且電袋除塵器總能耗均小于布袋除塵器，因此，采用電袋除塵器有利于降低除塵系統的運行成本。