高温烟气静电除尘中试试验研究

沈之旸,郑成航,刘昕涛,许 希,翁卫国,王 毅,高 翔



高温烟气静电除尘中试试验研究

沈之旸,郑成航,刘昕涛,许 希,翁卫国,王 毅,高 翔*

(浙江大学,能源清洁利用国家重点实验室,浙江 杭州 310027)

为了研究在宽间距静电除尘器内部流动的大流量高温烟气中颗粒物的静电捕集特性,基于CFB锅炉中试试验平台设计并搭建了高温静电除尘中试装置.试验了板间距300mm、最高温度达到1020K的实际烟气中颗粒物的静电捕集特性,获得了放电电压、温度和烟气流速等关键因素对颗粒物的静电捕集的影响规律.实验结果表明,高温静电除尘器中烟气流速为0.3m/s,温度为1020K下达到了82.2%的除尘效率,证实了针对实际高温烟气,静电除尘器有较好的颗粒捕集效果.通过对比563K到1020K下的热态试验以及常温下的冷态试验,发现颗粒捕集效率随温度的上升迅速降低,这与高温下流速的上升、放电电压的降低以及气体黏性的增加有关.

高温静电除尘器；中试；颗粒物；电晕放电；除尘效率；驱进速度

高温烟气是工业中能量传递、产品生产的重要媒介,但是由于高温烟气往往来自于化石燃料燃烧、矿石冶炼等过程,因而含有大量的颗粒物,造成设备和管道磨损、焦油和燃气等品质下降、系统热效率降低等严重问题[1-3].高温除尘技术类型主要包括旋风除尘技术,过滤除尘技术,颗粒床除尘技术以及静电除尘技术[4-7].其中静电除尘由于具有除尘效率较高、处理烟气量大、坚固耐用且运行操作简单等优点,特别适合于工作环境较为恶劣的高温除尘场合[8-10].

当前国内外学者在高温静电除尘方面已经有了一定的研究成果,重点关注了静电除尘器的放电特性以及多场参数对颗粒脱除的影响规律.Gu等[11-12]研究了电子逸出功较低的高温下新型电极,分析了表面含有La,Ce,Y等不同稀土材料的电极在高温下的放电和除尘性能;Xiao等[13-14]通过研究了不同温度下气体的放电性质,认为高温下的放电过程将由电晕放电转变为辉光放电,电子电流在放电电流中占主导地位;Luo等[15]和Fulyful[16]用数值计算分别模拟了高温下颗粒物在电场中的运动规律和高温下的放电特性,得到了高温下颗粒在不同温度下的受力情况,总结了不同粒径段颗粒的收尘结果;Xu等[17-20]分析了不同温度下颗粒比电阻的变化规律,并基于线板式静电除尘器开展了高温下的颗粒静电捕集实验.目前的高温静电除尘研究均基于实验室中规模较小的除尘装置,其电极尺寸、放电间距和内部流场等因素均与实际运行条件差别较大,不能完全反应实际情况中颗粒在不同温度下的静电捕集情况,因此还需要基于规模更大的高温静电除尘装置开展颗粒物脱除研究.

本文基于2MW热负荷CFB锅炉中试试验平台,搭建了高温静电除尘中试试验装置,用于研究宽间距、不同烟气流速的实际高温烟气中颗粒的静电捕集规律,以验证宽间距静电除尘器在实际高温烟气工作环境下具有较强的颗粒捕集效果.

1 实验装置与方法

1.1 实验装置

高温静电中试试验装置基于2MW热负荷CFB锅炉中试平台设计安装,用于研究2MW热负荷CFB的静电捕集规律.高温静电中试实验装置实物和结构见图1.静电除尘器本体的主要组成包括顶部电绝缘部件,极配系统,高压电源,阳极振打部件,双层灰斗以及电加热和保温部件.其主要参数见表1.

图1 高温静电除尘中试实验系统实物(A)结构(B)

高温静电中试实验装置高10.5m(包括顶部电源和相应支架),其中除尘器本体高6.1m;双灰斗高度1.5m.除尘器阳极和阴极极配系统均由310s不锈钢制作,采用中部支撑方式,用于防止高温下的变形.静电除尘器布置有两个烟气通道,每个通道中包括两根放电阴极线,除尘器中烟气流通截面积0.36m2,收尘板总集尘面积7.68m2.除尘器中收尘极板宽度0.6m,板间距0.3m;阴极线为圆杆电极,极线长3.2m,极线间距0.3m.

表1 高温静电除尘中试装置结构参数

由于电除尘器在高温下运行,对绝缘瓷套的绝缘能力和高温下的保护有很高的要求,实验中为保证高温下绝缘性能,选用99瓷制作绝缘瓷套;并在外围加装加热功率为3kW的电保温装置,保持一定温度以验证其绝缘性能;确保静电除尘器处理高温烟气时,绝缘子所受热应力较小且工作良好.瓷套底部直径460mm,上部直径330mm,高度400mm.

除尘器所配备高压电源为工频直流电源,额定电压60kV,最大电流50mA,峰值电压、最大运行电流、导通角等技术参数均可通过远程控制器控制改变.

除尘器中使用灰斗为双层设计,上层用于冷却卸放的高温粉尘,上层灰斗高600mm,顶部截面为700´700mm,底部截面为150´150mm;下层灰斗高260mm,顶部截面375´375mm,底部截面75´75mm.灰斗中设置有料位计,上层灰斗与下层灰斗之间以及下层灰斗出口设置有卸灰阀,用于控制灰斗中的存灰量并定时卸灰.

高温烟气从2MW热负荷CFB锅炉平台燃烧炉出口经过旋风除尘器除去大部分粒径较大颗粒后,由底部进入高温静电除尘器,经过静电除尘器捕集后从顶部流出除尘器,其系统流程图如图2所示.出口管道设置有颗粒浓度测口,取样烟气经过蛇形管冷却后,使用Dekati颗粒物PM-10采样器测量颗粒质量浓度.PM-10采样器为有3级带喷吹孔的撞击孔板和滤膜组成,分别收集粒径.其实物图和工作原理见图3.采样前根据烟气取样流量(30L/min)、采样设备入口烟气温度(150 ℃)、除尘器内烟气流速和温度计算出所需要的喷嘴口径,控制伴热管温度为150℃,保证取样烟气在伴热管道中温度降低到150℃,且无液滴凝结.取样烟气进入分级仪后,通过冲击孔板上的喷孔以一定流速喷出,空气动力学直径较大的颗粒由于惯性较大脱离流线撞击到滤膜上,从而被收集;粒径小的颗粒物随气流进入下一级,在更细小的撞击孔板作用下形成更快速的气流,特定粒径段颗粒被分离到该级滤膜上[21].因此随着每个收尘级逐级提高烟气流速, 不同粒径的颗粒物被分别捕集到3个滤膜上.根据滤膜两次称量质量差别得到采集颗粒质量,联合抽气量和颗粒质量即可得到烟气中颗粒质量浓度.

图2 高温静电除尘中试实验系统流程

1.风机;2.点火器;3.给料装置;4.燃烧炉;5.旋风除尘器;6.高温静电除尘器;7.粉尘颗粒浓度测口;8.冷却盘管;9.PM-10采样器;10.双层灰斗

图3 PM-10采样器实物(A)及分级原理(B)

1.2 高温静电除尘中试试验方法

实验分为冷态和热态两个阶段.两个阶段均基于上述高温静电除尘中试实验系统.

(一)冷态试验

冷态试验一方面用于验证除尘器在常温下的除尘效果,另一方面熟悉试验系统的各项操作,为热态试验的开展进行相应准备工作.冷态实验中开展不同电压、流速下和给料浓度下颗粒捕集规律的变化,评估除尘器常温下的除尘效果.

(二)热态试验

热态试验主要用于测试高温下除尘器颗粒物静电捕集性能的变化规律.研究高温下宽间距条件下的放电特性;分析不同电压、流速、颗粒浓度等对颗粒静电捕集的作用机理.高温除尘试验温度为300~1000K,高温下较难调整颗粒浓度,因此开展了电压、温度和风量对颗粒捕集规律的研究.

由于热态试验中,取样烟气流量较大,烟气温度较高,采样口温度高,因此烟气取样装置设计有冷却盘管用于取样烟气的冷却,用于保护实验人员和实验仪器设备的安全.实验中取样烟气在PM-10采样器中由于所通过通道截面积不同,形成不同流速,不同流速气流中的颗粒由于空气动力学原理,PMp>10被上层滤膜所捕获,如图4(A)所示,这是由于粒径较大的颗粒物惯性大,容易偏离气流的方向而撞击到滤膜上;而较小的颗粒比较容易随气流运动进入后一级,以此类推,其中PM2.5

图4 PM-10采样器捕集颗粒 PMdp>10 (A),PM2.5

1.3 实验颗粒性质

冷态试验中所用飞灰来自于浙江省某燃煤电厂,热态试验中飞灰来自于多联产中试试验平台燃烧产生,其样品从除尘器灰斗中收集;实验中所用颗粒的的粒径分布分见图5(A).冷态试验中颗粒中值粒径为19.3μm,其中粒径在2.5μm以下、2.5~10μm和10μm以上的颗粒其体积分别占总体积比例为11.9%、24.9%和63.2%;热态实验中颗粒中值粒径为27.4μm,其中2.5μm以下、2.5~10μm和10μm以上的颗粒其体积分别占总体积比例为9.6%、21.7%和68.7%.

实验中所用颗粒比电阻见图5(B).冷态实验中颗粒最高比电阻出现在120℃,达到1.83×1012Ω·cm,最低比电阻见于800℃,达到4.57×106Ω·cm.热态试验颗粒最高比电阻出现在120℃,达到1.38×1013Ω·cm,最低比电阻见于800℃,达到2.28×107Ω·cm.

冷态试验和热态试验中静电除尘器捕集颗粒的化学成分分析如表2所示:

图5 试验用颗粒粒径分布(A)和颗粒比电阻(B)

表2 试验中颗粒的化学组成

2 结果与讨论

2.1 电晕放电特性

根据前文所述,颗粒的荷电、迁移与捕集过程决定于颗粒所受静电力的作用,因而颗粒的捕集过程与静电除尘器的放电特性密切相关,因此首先开展放电特性的研究.

冷态实验中,含尘气体颗粒质量浓度为115mg/Nm3,气体的工况流速为0.16m/s.实验中检验了洁净条件与含尘条件各自的放电特性曲线,结果如图6所示.洁净空气起晕电压为15.2kV,含尘条件为16kV,含尘条件起晕电压较大;而洁净条件和含尘条件下的击穿电压分别为52.9kV和49.2kV,洁净条件能够取得更高运行电压.

相同电压下,洁净空气放电电流明显高于含尘空气;运行电压45kV条件下,洁净情况下电流为1.43mA/m2,含尘情况则为1.3mA/m2.这是由于空气中的离子由于电场力作用(电场荷电)和无规则运动导致的碰撞(扩散荷电)运动到颗粒上,由于荷电颗粒的荷质比相比离子小很多,导致其迁移速度(一般约为0.03~0.15m/s),远小于离子迁移速度(约为100m/s),部分离子在颗粒上的附着是导致含尘空气放电电流较小的主要原因.

图6 300K下电晕放电特性

热态运行时不同温度下的放电特性见图7.可见随着温度的升高,伏安特性曲线逐步左移.运行温度为563K时,最大电压为43.5kV,放电电流密度为2.3mA/m2,而当温度上升到最大值1020K时,其最大运行电压仅有17kV,放电电流为3.3mA/m2.与前文中规律相一致,而运行于150~ 180℃下的300mm板间距静电除尘器相比,其运行电压可达50kV,高温下电压的降低可能对除尘器的静电捕集能力产生不利影响.

图7 不同温度下的放电特性

2.2 颗粒的静电捕集规律

2.2.1 电压对颗粒捕集效率的影响 实验中首先在300K,工况流速0.16m/s和质量浓度为115mg/Nm3下开展了不同电压下的颗粒静电捕集研究,实验结果如图8所示.实验中颗粒捕集效率随电压的上升而明显上升,电压为16kV,此时颗粒捕集效率仅有42.3%,而当电压增加到25.1kV后,其颗粒捕集效率达到90.4%,此后电压的增加对除尘效率的增加影响逐步减弱,在45kV下达到最大颗粒捕集效率99.2%.比较颗粒捕集效率和驱进速度的增长趋势变化可知,颗粒捕集效率在随着电压的增加其增加幅度越来越小,但驱进速度则一直有较为明显的增加.最大电压下,颗粒有效驱进速度为3.6cm/s.

图8 冷态试验颗粒捕集效率和驱进速度随电压变化

PM-10采样器可得出1~2.5μm,2.5~10μm, 10μm以上三个粒径段颗粒分别的捕集效率,如图9所示,在最大施加电压45kV时,PMp>10的颗粒捕集效率可达99.8%,接近完全捕集;而PM1p>10的颗粒驱进速度从0.45cm/s增加到4.67cm/s;而PM1

图9 冷态试验分级捕集效率和驱进速度随电压的变化规律

热态试验在温度为1020K下开展,实验中烟气的工况流速为0.45m/s,颗粒初始浓度为150mg/Nm3,实验结果如图10所示.高温下颗粒捕集效率明显降低,放电起晕是,电压为10kV,颗粒捕集效率为46.1%;最大放电电压为17kV,此时电流密度为3.3mA/m2,较300K下高,但此时颗粒捕集效率为73.2%,对应驱进速度为2.8cm/s.相比低温工况,高温下运行电压低,气体流速较快,气体黏性增加,颗粒所受黏性力增加,导致颗粒捕集效率和颗粒驱进速度较低.

高温下各个粒径段颗粒在不同电压下的捕集情况如图11所示,电压为10kV时,PMp>10和PM1p>10的颗粒捕集效率达到84.1%,而此时PM1

图10 热态试验颗粒捕集效率和驱进速度随电压变化

图11 热态试验分级捕集效率和驱进速度随电压的变化规律

2.2.2 温度对颗粒捕集效率的影响 实验研究了563K到1020K除尘器的除尘效率随温度的变化规律.如图12所示,563K、768K、903K和1020K下除尘器能够达到的最大颗粒捕集效率分别为93.3%、85.4%、78.7%、73.2%;其对应的驱进速度为3.2cm/s、2.98cm/s、2.90cm/s、2.77cm/s.

图12 不同温度下的颗粒捕集效率和驱进速度

由于热态试验下升温过程中入口流量较难控制,因此除尘器中流速随温度的上升而逐渐上升,563K下工况流速为0.3m/s,1020K下则增加到0.52m/s.且高温下最大运行电压逐渐下降,563K下最大电压为43.5kV,而在1020K下仅有17kV,电压的下降降低了颗粒的电场荷电和驱进速度.再次,烟气的黏性随温度的上升而逐步增加,使得颗粒所受黏性力增加.颗粒捕集效率和驱进速度随温度的上升而逐渐下降.

温度对不同粒径段颗粒的分级捕集效率和驱进速度的影响如图13所示.温度从563K上升到1020K时,PMp>10颗粒捕集效率从99.4%下降到84.1%,PM1p>10颗粒驱进速度为3.84cm/s,温度上升至1020K,仅有1.38cm/s,而PM1

2.2.3 烟气流速对颗粒捕集效率的影响 300K下,通过调整入口一次风量和出口引风机反馈参数,使用热线风速仪测量出口管道中不同位置流速,标定出不同一次风量和引风机反馈设定参数下的气体总流量,进而得到静电除尘器内部平均流速,以开展不同风速下的颗粒静电捕集实验.热态下则是根据进出口烟道烟气温度和入口一次风流量等参数,计算得到工况条件下除尘器内气流速度.

图13 不同温度下的分级捕集效率和驱进速度

图14 冷态下不同风速的颗粒捕集效率和驱进速度

如图14所示,冷态实验中除尘器内部风速变化范围为0.16m/s到0.22m/s,不同流速下的颗粒捕集效率分别为99.2%、98.4%、97.7%和97.1%.实验中发现颗粒捕集效率随流速的增加有较为明显的下降.流速增加对颗粒捕集的影响主要体现在减少了颗粒在除尘器中的停留时间,各个气流下的驱进速度为:3.6,3.5,3.5,3.7cm/s,可见各个流速下对应的驱进速度相差不大.

热态试验下,通过调整一次风流量在145~ 253Nm3/h之间变化,得到了工况流速为0.3~ 0.52m/s下颗粒的捕集效率,结果如图15所示.其捕集效率较常温下有明显下降,在0.3,0.38,0.45, 0.52m/s下捕集效率分别为82.2%、78.8%、73.2%和66.2%;对应驱进速度为2.4,2.7,2.8,2.6cm/s.相比于常温工况,高温下不仅除尘效率降低较多,驱进速度也有明显下降.

图15 热态下不同风速的颗粒捕集效率和驱进速度

3 结论

3.1 基于高温静电除尘中试试验平台研究了300mm间距,流量达800m3/h,最高温度达到1020K实际烟气中颗粒的静电捕集.通过对比563K到1020K下的热态试验以及常温下的冷态试验,在标况流量不变的情况下,颗粒捕集效率随温度的上升迅速降低,且对应的颗粒驱进速度也有明显的下降.高温静电除尘器在工况流速为0.3m/s,温度为1020K下达到了82.2%的除尘效率.颗粒捕集效率的下降与高温下流速的上升、放电电压的降低以及气体黏性的增加有关,而驱进速度则主要取决于后两者在高温下的变化.

3.2 热态下进行的放电试验证明了高温下单位温度变化对放电的影响更加剧烈,768K下最大电压为30K,相当于563K下69%,此时气体密度为563K下的73%,而温度达到1020K下时,仅可达到17kV的运行电压,较563K下降61%,其降低幅度远超过了气体相对密度的降低(44.8%),温度影响气体自由程、气体电离能和电极逸出功,后两者在高温下的影响更加明显.

3.3 实验表明不论高温和低温工况,大颗粒在除尘器中的捕集效果均较为显著,小颗粒则较难捕集,针对小颗粒的捕集将是限制高温静电捕集的难点问题,但高温下不同大小粒径相互间驱进速度的差别较低温下小,温度变化对大颗粒的静电捕集过程影响更大.

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Pilot-scale experimental investigation on particle electrostatic removal in high-temperature flue gas.

SHEN Zhi-yang, ZHENG Cheng-hang, LIU Xin-tao, XU Xi, WENG Wei-guo, WANG Yi, GAO Xiang*

(State Key Laboratory of Clean Energy Utilization, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China)., 2018,38(5)：1637~1645

In order to study characteristics of particle collection in a large-flow and high-temperature flue gas with a wide-space electrostatic precipitator (ESP), a pilot-scale high-temperature ESP was designed and built based on the CFB boiler pilot test platform.The characteristics of particle collection were tested in the high-temperature ESP with 300mm plate-plate distance at the maximum temperature of 1020K and the influence of key factors such as discharge voltage, temperature and gas velocity on the particle collection was obtained.The experimental results show that the collection efficiency was 82.2% when the gas velocity was 0.3m/s and the temperature was 1020K, which confirmed efficient particle removal for the actual high-temperature flue gas. Through the comparison of the hot test (from 563K to 1020K) and the cold test (ambiance), the particle collection efficiency decreased rapidly with the increasing temperature, which was related to the gas velocity increasing, discharge voltage decreasing and gas viscosity increasing at high temperature.

high-temperature ESP；pilot-scale；particle；corona discharge；collection efficiency；migration velocity

X701

A

1000-6923(2018)05-1637-09

2017-10-08

国家重点研发计划课题(2017YFB0603201);国家NSFC-浙江两化融合联合基金(U1609212);环保公益性行业科研专项项目(201509012)

* 责任作者, 教授, xgao1@zju.edu.cn

沈之旸(1993-),男,浙江建德人,浙江大学硕士研究生,主要从事高温烟气颗粒物脱除研究.