锅炉烟气导电性与除尘效率关系的研究.docx

锅炉烟气导电性与除尘效率关系的研究赵信志浙江菲达环保科技股份有限公司 浙江省诸暨市望云路88号 3118008摘 要：在当今运行的静电除尘器中，各个厂家都碰到了一些虽按正常设计、制造且又无大的安装缺陷，却出现除尘效果不理想，烟囱冒烟严重，出口烟尘浓度达不到排放要求的情况，有些除尘器甚至几经改造也收效甚少。对此本人也曾作过一些探索，在本文中拟将本人一点初浅想法报告于诸，以供讨论，突出阐述锅炉烟气中混合气体的导电特性和其与粉尘比电阻的关系及它们对除尘效率的影响。并想通过本文的介绍，从另一个侧面认识电除尘器的运行机理，从而更科学地调试它，达到节电、高效的目的。关键词：电场强度 比电阻 混合气体 屏蔽1、 概述静电除尘器早已不是鲜为人知的事，自1907年美国加尼弗尼亚州大学的化学教授F.G科特雷耳成功地发明了实用静电除尘器至今已100年了，自1923年起大规模地应用于燃煤发电厂也已有84年了。应该说，电除尘器的技术发展已非常成熟了，应用的领域也从化工、冶金、发电到水泥、造纸等行业，无所不涉；生产电除尘器的厂家，在国内有数十家之多，投运的电除尘器已有数千台套，仅浙江菲达集团公司承接设计、制造的就有上千台套。这些投运的电除尘器中，其运行状况极大部分都非常好，可谓是高路入云天，碧空照人间，为保护人类一片清晰的空气作出了巨大的贡献。但是，其中也有一些电除尘器，烟囱指处，烟尘压顶，不仅严重污染了人类居住的环境，还损害了企业自身的形象。而查其原因，却往往是本体无缺陷，设计无大错，电源无异常，系统属正常，更有甚者，巨额耗资，反复改造，但无论你费尽九牛二虎之力，烟囱冒烟现象总不得根本改善，是何故不能见效？近年来我们曾成功地组织了对有关电厂电除尘器的改造调试，从另一个侧面认识了电除尘器运行与烟气导电特性的关系，同时也进一步认识到：全面理解电除尘器的运行机理，是提高电除尘器除尘效率的重要基础。实际上，此前业内有专家已早就关注了烟气的导电性对除尘器收尘效率的影响，并作了有益的尝试，至少已证明在不影响除尘效率的基础上可大幅度地降低能耗，这里也可包括近年来人们一直在探寻用不同的电源控制方式和开发高频电源来提高除尘器的适应性，以提高除尘效率。2、 关于电除尘器运行机理的探讨 关于静电除尘器运行的收尘机理，在初级电工学中就可见到，业内之士可以说人人皆知。按一般的说法即是：在除尘器内由高压电场使极线周围产生了大量的自由电子和离子，形成了电晕区，而粉尘颗粒在通过电晕区边缘与集尘极之间的区域时，根据扩散荷电和电场荷电机理而被荷电，并在电场力作用下得到一向集尘极运动的驱进力，集积于集尘板，达到收尘的目的。其驱进力与尘粒荷电量和电场强度成正比。 Fe= QE （1） Fe 尘粒驱进力 Q粒子的荷电量 E电场强度这一简明的概念，正是电除尘器收尘的根本要点。但是在对这一机理的阐述中，应重点讨论尘粒分子在烟气电场中的荷电特性变化，理解这种变化对解析静电除尘器的运行机理，有极为重要的意义。在电除尘器里，粉尘尘粒在电场力的作用下向阳极板运动时，还受到了水平风速流向力FQ的影响，例图1，它对粉尘尘粒运动的作用力，与电场力Fe相差90°。FeFQ图1 尘粒在电场中的受力关系也就是说尘粒运动所受到的力是一种矢量力，由于FQ的存在，延缓了尘粒到达收尘极的时间，若Fe较小，不能克服FQ的作用，则粉尘尘粒就无法被收尘极板吸收，除尘效率将为零。这里我们要进一步探索的是何因素影响了电场力Fe的减小？怎样尽可能使其增大？对于静电除尘器，在极板、极线间施加足够的高压，使致产生高压电场提供足够的电场强度，是电除尘器收尘的基本条件，且在一般情况下可以说，电场强度与除尘效率成正比。但是因电除尘器收集的是烟气中一粒一粒的粉尘颗粒。因此，真正有意义的是应研究这个电场强度是否能真正作用于尘粒之中。有时，从总体上看，好象电场早已建立，电场强度应该已较强，但实际真正作用于尘粒点的电场强度却很小，故尘粒到达不了收尘集，只能随风飘流，经烟囱到天空而陨落四方。那么好端端的几万伏高压施加于电除尘器的两极之间，而在电场区域中却为什么会出现电场强度很弱的情况呢？为此，本人将抛开离子与尘粒碰撞荷电的机理从另一个角度去分析它，并以此阐述电除尘器的运行机理。此处，我们再引出一个在电除尘器中粉尘粒子驱进速度的概念性表达式1： （2） 式中：粉尘驱进速度； P电场的介电常数； Ep收尘极的电场强度； Ec荷电电场强度； a尘粒半径； µ气体粘度。 式中Ec 又可称为尘粒点的电场强度，它与电场力的衰减程度有关。（2）式更正确地表达了电除尘器中粉尘尘粒的驱进速度与其相关因素的关系。但其中有二项值得特别注意：介电常数P和荷电电场强度Ec，一般均认为：P为一个不变量，故称之谓常数，而荷电电场强度EC也常常认为它的强度与收尘极电场强度相近2，即上式可简化为： （3） 但是在实际上，大量的现场工况证明，P、EC二个值均不是常数和定值的概念，恰恰是除尘工况中的特别变量，且P值将决定性地影响着Ec值的大小，即它们将双重影响值。这也是导致除尘效率低下的根本所在。下面我们将分述它们对除尘效率的影响。在电工学中我们知道，电场中利用金属内部的自由电子的定向移动产生的内电场作用，可终止想通过它的电力线，叫屏蔽了该金属处的电场作用，使其内部的电场强度减弱甚至达到零。而在电除尘器中，其电场力的传递也並非在理想的真空状态中进行，而是通过了一个不可避免的介体。我们知道电除尘器除尘是把粉尘尘粒从锅炉燃烧后的烟气中分离出来，也就是说这种要分离的粉尘尘粒是始终夹杂在混合气体之中的，例图2所示。极线图2 尘粒与混合气体由粉尘尘粒与混合气体组成了烟气，即电除尘器中的粉尘尘粒是始终被混合气体包裹运动前进的。这样混合气体就是电场力到达粉尘尘粒的媒介，也即为上式中的介电常数P。而这种混和气体通常由氮气、二氧化碳、一氧化碳、二氧化硫和其它惰性气体等组成。它们在高压电场作用下也能导电，若这种混合气体一旦在电场作用下呈导电性或被击穿，气体就会变成电子流，这一电子流实际上就成了尘粒周围电场的屏蔽层，例图3所示。电力线尘粒 粒粒粒粒屏蔽层图3 尘粒周围的电力线被导电气体屏蔽这样作用与尘粒的电场力就要大大减少或消失，即上式中的P、Ec值大大减少，值也随之减少，故粉尘尘粒就不能到达收尘极。由此就引出了电除尘器运行中的一对尖锐的矛盾：一方面粉尘尘粒需要在电场中荷电並在电场力作用下获得驱进力才能集积与收尘极极板；而另一方面与粉尘尘粒密不可分为一体的这些混合气体在高压电场作用下也会导电或击穿，而引成的气体电子流又将屏蔽尘粒周围的电场，使其周围的电场强度减弱。那么怎样来协调这一对矛盾呢？这可从二者的导电特性来分析：在电除尘器中，我们通常把粉尘的导电性以“比电阻”的形式来表示，它是单位体积某电压与此电压作用下粉尘所产生的电流的比值，表达式与导体中的欧姆定律相同，即： R =V/I（y·10X） （3）那么其数值的大小与粉尘荷电程度有何种关系呢？解析这一问题，实际上也是从另一个角度去理解粉尘尘粒的荷电机理。从物质的分子结构原理中知道，任何物质都由分子组成，而分子又有无数个原子组成，原子又由带正电的原子核和不同层环绕其旋转的电子（负电）所组成，且原子核始终束缚着电子围绕自己旋转运动，但对最外层电子的束缚力最小。当然在不同轨迹中运行的电子的质量是各不相同的，越靠内层的质量越大，在无外力的作用下，它们始终趋于能量平衡状态，对外不显出电性。然而在外电场的作用下，原子中电子的运动速度将加快，对其束缚力较小的那些次外层电子可能逸出原来自己运行的轨迹而移向最外层，如图4所示。这样，由于外层电子数量和质量的增加，原子也将失去原来的电荷平衡状态，对外显出了负的特性。对于粉尘尘粒也不例外，这一显出的负特性，就如在电场中荷了负电，就可在电场力的作用下奔向正极（阳极板）。这种在电场力作用下原子中+图4 在电场力作用下电子外移运行轨迹电子运动轨迹的位移特性，实际上犹如导体、半导体的原子结构相仿都是建筑在原子中的电子运动基础上的，只不过这里分析的主要对象是不同的粉尘尘粒，所不同的是导体、半导体及绝缘体（在高压下也能导电击穿）都是在电源电压作用下的电子流运动，而粉尘尘粒却是由于其中的部分电子移动使其“荷电”后在电场力作用下的整体移动。前者其导电率用电阻表示，而后者是用比电阻来表示的。在电流电路中，线路电阻小的，可反映出只需施加较低电压就可获得较大电流。而在此，比电阻小的尘粒也反映了该尘粒原子核对外层电子的束缚力较小，在较小的外电场作用下，其运转的电子容易外移原来的轨迹而显出电性；反之，比电阻大的，由于原子核对不同轨迹围绕自己旋转的电子束缚力较强，其原子中的电子需施加较强外电场才能使其外移原来的轨迹而显出电性。这也就是说在电场强度E相同的情况下，比电阻小的尘粒，呈现的电量多，而比电阻大的尘粒，呈现的电量较少，即尘粒的荷电量与其比电阻值成反比。 Q = E/R （4） Q尘粒荷电量 E该尘粒点的电场强度 R该尘粒的比电阻值 将此关系用图标表示，如图5所示。 Q Q1Q2 R0513 图5 E相同，尘粒荷电量与其比电阻值成反比e5e130E5R13设使不同比电阻值的粉尘达到同一荷电量Q，则低比电阻的粉尘需要的电场强度小，而高比电阻的粉尘，需要的电场强度大，即成正比关系，如图6所示。图6 达到同一荷电量，比电阻大小与E成正比11Ee11e5e1305R(y·10x)13对于烟气中混合气体的导电特性，因进行实际取样分析的难度很大，故也只能作理性分析。但从燃煤燃烧后产生的混合气体可知，不管何种煤种，其氮气、二氧化碳、一氧化碳、水蒸气，特别是氮气与一氧化碳其含量约占其中的85%以上，且从有关文献查找得知，这些气体的电离电压值相差並不大，一般为10-25电子伏3，故从宏观上看，可相对假设为一个定值。另外，从气体的电离导电机理看，它的导电过程实际上与粉尘尘粒的荷电相仿，均是在高压电场作用下原子中的电子逸出原来的轨迹至外层或激发至流场中所致。所以它们的导电性也可以用比电阻的形式来表示。当然，我们希望这种混合气体的导电性越差越好，即比电阻越大越好。但是从众多电厂的烟气的导电或击穿的实际情况分析（可从电场的热态VI特性曲线中看出），此值一般在粉尘的高比电阻（R12以上）以下，且与燃煤锅炉的燃烧效率有很大关系。这实际上也是高比电阻粉尘难收尘的原因所在。设该混合气体的比电阻为R11，其导电时所需的电场强度为e11，作图于图5中，如图7所示。图7 不同比电阻粉尘的荷电电场强度与混合气体导电的电场强度的关系图7虽然是一种虚拟解释得出的特性曲线图，但它却与实际工况比较吻合。从图中可以看出，中小比电阻粉尘尘粒荷电所需的电场强度小于混合气体导电所需的电场强度，即R11、e11以下的区域。在粉尘荷电所需的电场强度内烟气混合气体不会被导电和击穿，故电场强度将全部作用于粉尘尘粒之中，因此按常规设计制造的电除尘器经过调试，一般均能达到设计要求，除尘器将良好地完成收尘使命。但是应注意对于这类电除尘器，如果还按一般概念认为运行电压越高，除尘效率越好的常规去配置，那么得到的结果却是随着运行电压的升高，除尘效率却会降低，烟囱冒烟将会增多。因为此时的运行电压已进入了混合气体的导电区或击穿区，作用于粉尘尘粒间的有效电场被屏蔽。2001年7月，我们处理的石家庄某电厂#3、#4二套75t/h炉电除尘器的冒烟问题就十分有针对性。该厂的锅炉燃烧后的粉煤灰，其含碳量竟高达53%，比电阻值为5.7x106 ，用万用表Rx1K档（内压15V）测量，也仅为60K （6x105 ）。电除尘器投运后，电场运行电压一般均可达到56万伏，工作电流400mA左右，投运参数均在正常范围，但就是一直冒黑烟，排放浓度为200mg左右。为改善这种情况，公司技术部门拟定了一个改变二、三电场的极配形式提高除尘效率的方案，改造后投入运行，烟囱冒烟现象虽有了改善，但还是可以看到有黑烟，说明问题没有得到根本解决，后经过调试将各电场的运行电压下降至3.5万伏（电流50-100mA）后，运行电压离开了混合气体的导电区，屏蔽作用消失，有效电场全部作用于粉尘之中，烟囱无冒烟现象，此后就是关闭三电场，烟囱也无烟色，而此时每一个电场的消耗功率仅为4.1千瓦，相当于原来的1/8。而且除尘效果不受负荷增大的影响，我们曾关闭三电场（螺旋线配480极板），负荷上升至82t/h，烟囱仍无烟尘。对于高比电阻粉尘尘粒，因它荷电需要的电场强度在烟气混合气体导电电场强度以上，故在运行中随着电场强度的增强、混合气体将先导电或击穿，变成一屏蔽网，致使施加在极间的电场被屏蔽，使电场不能有效地作用于粉尘尘粒间，故收尘效果将很差，且其电场力屏蔽的程度与两者的差值成正比，差值越大，屏蔽作用越提前，屏蔽作用也将越强，除尘效果也就越差。所以，在很多这类工程的改造工作中，想以提高运行电压来增大电场强度（包括加宽极距）以提高高比阻粉尘的收尘效率，一般作用不会明显。因为此时烟气已击穿，所以无论施加多少电压，其电场的电力线尤如滚滚东逝水，漂流到大海。而体现在电源电路里，说明外电路的电阻（电场电阻）已很小（负荷大）。当外阻小于电源的内阻时（气体击穿时），电流将会很大，端电压减小。这种现象在一些难收尘粉尘运行的电除尘器中经常出现，这一特征可从他们的热态V-I特性曲线中看出。即这些曲线到达某点后反而往回返转，业内有些人士认为这是一种典型的反电晕现象，但是反电晕的存在是以一定的极板粉尘厚度为前题的，而实际上并非如此，即使极板上不积灰也会出现这样的情况。实际上，电除尘器电场V-I特性曲线所呈现是电场中不同烟气比电阻时所反映出的一条电源外电路功率特性曲线，当电源外阻小于电源内阻时一定会返转。（设电源内阻不变）图8 R-W曲线图8就是一条电源输出功率随线路外阻变化时的曲线（U=10V，R=1）。当外阻小于内阻（1）后，曲线返转。 当然，对于高比电阻粉尘，不仅存在荷电难的问题，还有一个荷电后难以释放的问题，不能及时中和所荷电量，但这可以通过改变清灰方式来解决。 综上分析可知，电除尘器电场的总电阻实际上是一个变量，可变的根本原因是在不同的电场强度下烟气导电性的变化，它随电场强度的增大而减小，直至击穿，此时呈现的是低电压大电流状态。 对于高比电阻粉尘除尘效率问题的处理，难度确实比较大，费用也很高，仅靠运行参数的调整效果不一定明显。因为若是为了避开混合气体的导电区而像中低比电阻粉尘一样去降低运行电压以减小电场强度，但由于这种高比电阻粉尘的荷电其本身就需要较强的电场强度，故会因总体电场强度过低而使粉尘尘粒更不能荷电，同样达不到高效收尘的目的。那么，怎样来解决这一矛盾呢？（1 ）精细地进行电场参数调试或选用合适的电源试图减少导电气体的影响。 （2）进行烟气的调质处理，以提高混合气体导电的阈值电平和降低粉尘比电阻，例喷水、充入空气等，但喷水和充气都会有负面影响。（3）减小电场极距、降低运行电压，以使在混合气体不被击穿的情况下获得较强电场力，提高尘粒荷电量和驱进力以提高收尘效率。3 关于电除尘器的调试3.1电除尘器的运行曲线电除尘器的热态运行调试，有着极其重要的作用，处理得当，能够出现惊人的效果。从上面分析已看出，电除尘器的高效运行必须避开烟气中混合气体的导电区，更不能地入击穿区。通过综上分析和多年的探索，我们感到：正常工况运行的电除尘器存在如图9所示的运行曲线。图9 电除尘器运行曲线设备横坐标为电场的运行电压（可从高压柜仪表板上读得），纵坐标为烟囱出口处的排烟量（若有浊度仪可直接读出排放值），并设定排烟量最大值为PM。其图解释为：在横坐标的零点，因施加于极板的电压为零，电场强度为零，则除尘效率为零，排烟量最大（PM）；随着极间运行电压的升高，电场开始建立，电场强度逐渐增大，粉尘开始荷电，除尘器开始收尘，烟囱排烟量也相应减小（Q1-Q2）；进入Q2后，极间电场强度已很大，粉尘尘粒已全部荷电，除尘效率最高，烟囱排烟量最小，可称尘粒荷电的饱和状态，此后在一定范围内再增加运行电压，效率也不会明显提高（Q2-Q3），该区为除尘器的工作区，进入Q3后，随着施加于极间的电压不断升高，电场强度进一步增大，烟气中的混合气体被强电场击活导电，电场力部分被屏蔽，尘粒向极板运行的驱进力减小，收尘效率减低，排烟量增加。3.2进行电除尘器调试的基本要求（1）锅炉正常运行，负荷稳定在90%左右。（2）电除尘器已完成空载试验，并经过热态试运行；本体无重大缺陷，电源及控制系统工作正常，各仪表的指示基本正确。（3）天气背景清晰稳定，有浊度仪配置最好。（4）电源供电选择“常规工作”方式，并解除“自锁”状态。3.3 进行电除尘器调试基本方法电除尘器的调试实际上是在满足上述基本要求的前提下，结合烟囱的排烟情况，细致地做出一条电除尘器热态运行状况下的V-I特性曲线。从大到小地调节，记录其运行参数，并对应地记录下烟囱相应的排烟情况。为防止意外，建议一般在电源功率90%运行参数时开始调试；为便于调试，调节的参数以高压电流值为基础（因变化率明显）。200mA以上的区域每100mA为一个观察点，200mA以下的区域每50mA为一个观察点，每一个点的稳定时间不少于10分钟，大机组一小时左右即调整后隔10分钟或一小时后才能记录本次的电压、电流值及烟囱排烟情况，烟囱排烟情况可人为地分级记录。最后可在记录的众多参数中选择一组排烟量最小、运行电压、电流又较小的数据，再参考其前后相关的数据，即可确定除尘器的工作区。结束语电除尘器从理论到实践已有200多年的历史了，但它也象其它学科一样，针对不同工况仍需不断探索，以发挥它应有的作用。本人认为：不同煤种、不同锅炉燃烧后产生的烟气混合气体的导电性是影响电除尘器除尘效率的主要因素。它与粉尘比电阻间有着密切的关系；要使电除尘器运行在高效率状态，其运行电压必须避开烟气中混合气体的导电区，更应远离击穿区。实际调试中，结合烟囱排烟情况仔细地进行电除尘器的热态调试就有望实现。这样不但可有效的提高除尘效率，还可大幅度地降低电除尘器自身功耗。参考文献：1、2、黎在时静电除尘器p423、诸暨电除尘器研究所译稿电除尘器工程学作者简介：赵信志，浙江菲达环保科技股份有限公司副总工程师，长期从事气力输送系统、电除尘器的设计管理和开发研究工作。