夏少波，段 璐，王建朋，紀(jì)任山，崔豫泓，張 朝

(1.煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013；2.北京天地融創(chuàng)科技股份有限公司，北京 100013；3.國(guó)家能源煤炭高效利用與節(jié)能減排技術(shù)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013)

2019年，全國(guó)顆粒物排放量為1 088.5萬(wàn)t。其中，工業(yè)源顆粒物排放量為925.9萬(wàn)t，燃煤工業(yè)鍋爐是主要工業(yè)源之一，粉塵大量排放對(duì)大氣環(huán)境和人類(lèi)健康有嚴(yán)重危害，因此，國(guó)家對(duì)燃煤鍋爐粉塵排放標(biāo)準(zhǔn)愈發(fā)嚴(yán)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(jī)容量到2018年底已分別達(dá)61，104，131及12 GW，基本已實(shí)現(xiàn)粉塵超低排放，2018年國(guó)務(wù)院發(fā)布“打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)3 a行動(dòng)計(jì)劃”，開(kāi)始將燃煤工業(yè)鍋爐粉塵排放作為治理重點(diǎn)。

目前，燃煤工業(yè)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(chǎng)及飛灰中腐蝕成分等影響較大，較難實(shí)現(xiàn)超低排放，靜電除塵器雖然性能優(yōu)越，但一次投資高、占地面積大，不適用于燃煤工業(yè)鍋爐，電袋除塵器是靜電除塵器與布袋除塵器的結(jié)合，高效穩(wěn)定、運(yùn)行壓降低、結(jié)構(gòu)緊湊、占地少且運(yùn)行成本低，在燃煤工業(yè)鍋爐將有廣闊的應(yīng)用前景。

飛灰特性對(duì)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(guò)分析發(fā)現(xiàn)了布袋除塵器脫除效率在 0.2～0.4 μm內(nèi)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(guān)系，發(fā)現(xiàn)0.1～1.0 μm內(nèi)顆粒電遷移速率最小，顆粒脫除效率最低；ZHANG等發(fā)現(xiàn)靜電除塵器對(duì)0.1～1.0 μm內(nèi)飛灰脫除效率最低，袋式除塵器對(duì)0.3 μm飛灰脫除效率最低；YUN等發(fā)現(xiàn)金屬過(guò)濾器對(duì)1 μm以下顆粒脫除效率隨粒徑變小急劇降低；劉含笑等對(duì)國(guó)內(nèi)煤種成分、飛灰成分、比電阻等進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)飛灰中NaO，F(xiàn)eO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(guò)大和過(guò)小均不利于電除塵器集塵；LI和REN分析了粉塵電阻率對(duì)電除塵機(jī)理的影響，分別針對(duì)低比電阻及高比電阻粉塵提出調(diào)節(jié)方法，提高脫除效率。飛灰殘?zhí)剂颗c粒徑有峰值關(guān)系，且對(duì)飛灰形貌、成分及比電阻等特性有重要影響，劉娟娟、樊保國(guó)等分別分析了循環(huán)流化床鍋爐飛灰微觀及分形特性，發(fā)現(xiàn)飛灰在 20～50 μm內(nèi)殘?zhí)剂孔罡?，不同殘?zhí)剂匡w灰微觀形貌相差較大；張燦強(qiáng)研究了不同粉煤灰特性，發(fā)現(xiàn)粉煤灰比電阻隨含碳量增加而降低，導(dǎo)電性能隨含碳量增加而增強(qiáng)；梅丹等發(fā)現(xiàn)小密度飛灰殘?zhí)剂颗c大密度飛灰有明顯不同；ZHAO等研究發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)電廠飛灰殘?zhí)純A向存在于大粒徑范圍；UACIQUETE等發(fā)現(xiàn)殘?zhí)己繉?duì)飛灰中成分有所影響。目前研究主要集中在飛灰殘?zhí)剂繉?duì)飛灰特性的影響，針對(duì)飛灰殘?zhí)剂繉?duì)除塵器性能影響的研究鮮有報(bào)道。

筆者基于耦合電袋除塵器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，研究不同殘?zhí)剂匡w灰對(duì)布袋除塵器和電袋除塵器的除塵性能、運(yùn)行情況及能耗等的影響，該研究可為除塵器的選用與運(yùn)行提供理論指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

耦合電袋除塵器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，主要包括4部分：① 供料系統(tǒng)：通過(guò)變頻控制器控制供料器螺旋桿轉(zhuǎn)速改變飛灰入口量，飛灰從供料倉(cāng)落灰口處落入下方管道，在壓縮空氣吹動(dòng)下分散與空氣混合進(jìn)入除塵器。②供電系統(tǒng)：選用泰斯曼TD2202N20-400(-20～0 kV，400 W)直流負(fù)高壓電源為電場(chǎng)提供高壓電。③ 除塵系統(tǒng)：除塵器前區(qū)為一 200 mm×1 000 mm通道；后區(qū)為AHPC(Advanced Hybrid Particulate Collector)電袋除塵器，包括4個(gè)靜電除塵區(qū)和3個(gè)布袋除塵區(qū)，放電電極、收塵極板及濾袋交錯(cuò)排列，選用針刺電極作為陰極線，選用冷軋?zhí)间?SPCC)薄板作為陽(yáng)極板，布袋區(qū)選用PPS耐高溫耐酸堿過(guò)濾氈材質(zhì)的濾袋，濾袋長(zhǎng)1 m。④ 測(cè)試系統(tǒng)：采用testo 510i無(wú)線迷你壓差測(cè)量?jī)x測(cè)量除塵器壓降并間隔2 s記錄壓降值；利用 testo 405i 無(wú)線迷你風(fēng)速測(cè)量?jī)x測(cè)定并記錄風(fēng)速。電壓、電流通過(guò)泰斯曼TD2202N20-400高壓電源讀數(shù)獲得。利用低壓靜電撞擊器(ELPI)及其稀釋系統(tǒng)進(jìn)行上下游等速采樣，測(cè)量 0.3～10.0 μm飛灰質(zhì)量濃度，測(cè)點(diǎn)分別設(shè)置在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)、出口管道上。通過(guò)稱(chēng)重得到進(jìn)口、前區(qū)和后區(qū)總塵質(zhì)量濃度，并結(jié)合馬爾文粒徑分析儀分析得到飛灰粒徑分布。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意

實(shí)驗(yàn)有2種工況：① 后區(qū)靜電除塵區(qū)不施加電壓，即布袋除塵器除塵；② 后區(qū)靜電除塵區(qū)施加 -18 kV電壓，即電袋除塵器除塵。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中氣體流量為 407 m/h，4種飛灰工況1下進(jìn)口質(zhì)量濃度分別為16.69，18.11，18.46和16.67 g/m，工況2下進(jìn)口質(zhì)量濃度分別為20.00，15.78，18.99和 16.24 g/m，質(zhì)量濃度最大偏差為26.74%，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中當(dāng)除塵器壓力達(dá)到750 Pa時(shí)開(kāi)啟噴吹裝置，實(shí)驗(yàn)進(jìn)行5個(gè)噴吹周期。

1.2 實(shí)驗(yàn)飛灰

實(shí)驗(yàn)選用4種殘?zhí)剂匡w灰，取自煤粉工業(yè)鍋爐除塵器灰斗，其工業(yè)分析和灰成分分析分別見(jiàn)表1，2，按殘?zhí)剂坑筛叩降头謩e命名為1，2，3，4號(hào)。采用馬爾文激光粒度儀(Mastersizer 3000)測(cè)定4種飛灰粒徑分布，結(jié)果如圖2所示，隨著飛灰殘?zhí)剂繙p小，中值粒徑((50))逐漸向小粒徑移動(dòng)。

表1 飛灰工業(yè)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(guò)式(1)進(jìn)行計(jì)算：

(1)

式中,為飛灰堆積密度，kg/m；為燒杯自身質(zhì)量，kg；為燒杯與飛灰總質(zhì)量，kg；為燒杯體積，mL，此次實(shí)驗(yàn)采用燒杯體積為200 mL。

圖3為4種飛灰堆積密度計(jì)算結(jié)果。如圖3所示，飛灰殘?zhí)剂吭降投逊e密度越大，殘?zhí)剂看笥?8.18%時(shí)，飛灰堆積密度隨殘?zhí)剂繙p小緩慢增加，殘?zhí)剂啃∮?8.18% 時(shí)，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(chǎng)發(fā)射掃描電鏡觀察顆粒形貌，結(jié)果如圖4所示。1號(hào)飛灰顆粒形貌較多樣，存在球形、片形、塊形等，粒徑較大；2號(hào)飛灰孔洞較多，孔隙率較高，顆粒粒徑居中；3號(hào)、4號(hào)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(jié)構(gòu)；這主要是因?yàn)榇罅斤w灰是煤粉未完全燃燒產(chǎn)生，部分揮發(fā)分在燃燒過(guò)程中析出造成顆粒內(nèi)部大量孔隙結(jié)構(gòu)，顆粒物密度較小，而小粒徑飛灰主要由礦物氣化-凝結(jié)形成，燃燒較為充分。

圖4 SEM分析

2 結(jié)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(cè)量的4種飛灰在除塵器進(jìn)、出口顆粒物質(zhì)量濃度的密度分布函數(shù)及分級(jí)脫除效率，其中，為顆粒質(zhì)量濃度，為顆粒粒徑。

如圖5所示，4種飛灰在1.50～2.50 μm內(nèi)進(jìn)口顆粒物質(zhì)量濃度較高，導(dǎo)致布袋除塵器和電袋除塵器在該粒徑范圍內(nèi)出口顆粒物質(zhì)量濃度較高。總體來(lái)看，電袋除塵器出口顆粒物質(zhì)量濃度低于布袋除塵器，對(duì)于1號(hào)飛灰，電袋除塵器在 0.03～0.60 μm內(nèi)出口顆粒物質(zhì)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(yōu)于布袋除塵器。此外，殘?zhí)剂吭降?，電袋除塵器相對(duì)于布袋除塵器出口顆粒物質(zhì)量濃度的減小量越大，且粒徑范圍越大，如1號(hào)飛灰在電袋除塵器出口質(zhì)量濃度較布袋除塵器在2.38 μm粒徑處降低了9.70%，而4號(hào)飛灰降低了96.77%。

圖5 飛灰進(jìn)、出口顆粒物質(zhì)量濃度的密度分布函數(shù)和分級(jí)脫除效率

就分級(jí)脫除效率而言，布袋除塵器和電袋除塵器的脫除效率隨殘?zhí)剂繙p少而提高，且2者效率提高值與出口顆粒物質(zhì)量濃度減少量類(lèi)似。布袋除塵器對(duì)不同殘?zhí)剂匡w灰的穿透窗口有明顯差異，1號(hào)飛灰到4號(hào)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?zhí)剂吭叫?，穿透窗口處的脫除效率越高。電袋除塵器對(duì)1號(hào)飛灰的穿透窗口在0.03～0.38 μm，而殘?zhí)剂康陀?18.18% 時(shí)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(zhì)量濃度與整體脫除效率。如圖6所示，隨著殘?zhí)剂康慕档?，布袋除塵器和電袋除塵器的出口總塵質(zhì)量濃度均降低，整體脫除效率均提高。隨著殘?zhí)剂繌?8.07%降低到1.85%，電袋除塵器的出口總塵質(zhì)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?zhí)剂康慕档途兴岣撸译姶龎m器相對(duì)于布袋除塵器的優(yōu)勢(shì)隨殘?zhí)剂康慕档椭饾u擴(kuò)大。

圖6 殘?zhí)剂繉?duì)除塵器出口總塵質(zhì)量濃度和除塵效率的影響

2.1.2 除塵器前區(qū)除塵性能

耦合電袋除塵器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)前區(qū)為一 200 mm×1 000 mm通道，部分飛灰在重力作用下沉積到前區(qū)灰斗，通過(guò)馬爾文激光粒度儀和稱(chēng)重法分析進(jìn)口和前區(qū)灰斗沉積飛灰，得到沉積效率如圖7所示?？傮w而言，飛灰殘?zhí)剂拷档?，密度增大，粒徑越大，沉降效率越大?/p>

圖7 除塵器前區(qū)對(duì)飛灰顆粒沉積效率和沉降質(zhì)量濃度

2.1.3 除塵器后區(qū)除塵性能

通過(guò)馬爾文激光粒度儀、稱(chēng)重法和ELPI得到除塵器后區(qū)和出口飛灰質(zhì)量濃度分布及脫除效率，如圖8所示。電袋除塵器對(duì)各粒徑段飛灰脫除效率均高于布袋除塵器，布袋除塵器對(duì)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(duì)PM脫除效率分別提高了11.20%，14.10%，4.93%及3.76%，對(duì)PM脫除效率分別提高了1.18%，1.77%，1.14%及0.60%，對(duì)PM脫除效率均為100%，可見(jiàn)電袋除塵器對(duì)亞微米級(jí)顆粒的脫除效果更好。此外，兩除塵器對(duì)4種飛灰PM，PM和PM脫除效率均隨殘?zhí)剂繙p少而提高，且電袋除塵器優(yōu)勢(shì)隨殘?zhí)剂拷档投鴶U(kuò)大。

圖8 除塵器后區(qū)對(duì)飛灰顆粒脫除效率以沉降濃度

2.2 運(yùn)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?zhí)剂康慕档投娱L(zhǎng)，而電袋除塵器噴吹周期先延長(zhǎng)后縮短。電袋除塵器噴吹周期均長(zhǎng)于布袋除塵器，說(shuō)明荷電后的飛灰在濾袋上堆積結(jié)構(gòu)疏松，能有效減小負(fù)荷，電袋除塵器長(zhǎng)期運(yùn)行情況優(yōu)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(duì)布袋除塵器和電袋除塵器多個(gè)噴吹周期進(jìn)一步分析，得到周期隨噴吹次數(shù)增加的規(guī)律如圖10所示。由圖10可知，布袋除塵器對(duì)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(jiàn)殘?zhí)剂吭降?，布袋除塵器噴吹周期越長(zhǎng)，電袋除塵器分別為12.00，17.05，21.60和10.00 min，噴吹周期隨殘?zhí)剂拷档拖仍龊鬁p，這是因?yàn)殡S殘?zhí)剂拷档?，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(dǎo)地位，噴吹周期增加，但當(dāng)殘?zhí)剂拷档椭?.85% 時(shí)，小粒徑顆粒增多、荷電能力下降占主導(dǎo)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?zhí)剂康慕档拖仍龊鬁p。兩除塵器噴吹周期均隨噴吹次數(shù)增加而縮短，因?yàn)殡S運(yùn)行時(shí)間增加，部分飛灰進(jìn)入布袋纖維內(nèi)部，噴吹難以清除這部分飛灰，導(dǎo)致布袋堵塞，噴吹周期縮短；隨飛灰殘?zhí)剂拷档?，從?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(yùn)行性能優(yōu)于布袋除塵器，且優(yōu)勢(shì)隨殘?zhí)剂拷档拖仍龃蠛鬁p小。

圖10 噴吹周期

2.2.3 噴吹后壓降變化規(guī)律

4種飛灰在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中周期噴吹后壓降最低點(diǎn)如圖11所示。

圖11 噴吹壓降最低點(diǎn)

由圖11可以看出，布袋除塵器壓降最低點(diǎn)普遍高于電袋除塵器，布袋除塵器對(duì)4種飛灰壓降最低點(diǎn)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?zhí)剂拷档投鴾p小，電袋除塵器隨殘?zhí)剂拷档拖葴p后增，這是因?yàn)椴即龎m器噴吹主要受慣性影響，殘?zhí)剂康停逊e密度大，慣性強(qiáng)，利于噴吹；電袋除塵器需考慮慣性和荷電。飛灰殘?zhí)剂康?，荷電能力降低，飛灰在濾袋上堆積相對(duì)緊密，不利于噴吹，且殘?zhí)剂扛哂?.85% 時(shí)慣性對(duì)電袋除塵器噴吹起主導(dǎo)作用，低于1.85% 時(shí)，荷電能力占主導(dǎo)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(shù)增加而升高，布袋除塵器壓降最低值隨噴吹次數(shù)上升較快，電袋除塵器較慢，增長(zhǎng)速率隨殘?zhí)剂拷档投鴾p慢。就長(zhǎng)期運(yùn)行而言，布袋除塵器總體壓降逐步上升，長(zhǎng)時(shí)間在高壓降下運(yùn)行，增加系統(tǒng)運(yùn)行能耗，電袋除塵器長(zhǎng)期運(yùn)行優(yōu)于布袋除塵器。

2.3 能耗分析

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中布袋除塵器能耗主要包括系統(tǒng)壓降和噴吹能耗，電袋除塵器能耗主要包括電耗、系統(tǒng)壓降及噴吹能耗，利用文獻(xiàn)中公式進(jìn)行計(jì)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(shù)；，，Δ()分別為噴吹前后壓降以及實(shí)驗(yàn)過(guò)程布袋壓降，Pa；為過(guò)濾面積，m；為實(shí)驗(yàn)用時(shí)，s；為多變指數(shù)。不同飛灰實(shí)驗(yàn)用時(shí)不同，因此將5個(gè)周期總能耗換算為單位小時(shí)內(nèi)除塵器能耗。

布袋除塵器和電袋除塵器實(shí)驗(yàn)?zāi)芎娜鐖D12所示，布袋除塵器對(duì)4種飛灰總能耗分別為0.42，0.41，0.37，0.46 kW·h，隨殘?zhí)剂拷档拖葴p后增，這是因?yàn)闅執(zhí)剂康停w灰粒徑減小、密度增加，初始?xì)執(zhí)剂拷档停芏仍黾诱贾鲗?dǎo)地位，顆粒在慣性作用下更易沉積在多孔板上，而殘?zhí)剂窟M(jìn)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(dǎo)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(jiàn)，電袋除塵器能耗隨殘?zhí)剂拷档拖仍龊鬁p；電袋除塵器對(duì)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?zhí)剂拷档拖葴p后增?？梢?jiàn)，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(jié) 論

(1)殘?zhí)剂坑绊戯w灰的堆積密度和粒徑分布，殘?zhí)剂吭降停w灰堆積密度越大，殘?zhí)剂看笥?8.18%時(shí)，堆積密度隨殘?zhí)剂繙p小緩慢增加，殘?zhí)剂啃∮?8.18% 時(shí)，堆積密度增速加快；殘?zhí)剂拷档?，小粒徑顆粒體積分?jǐn)?shù)增加。

(2)電袋除塵器除塵性能優(yōu)于布袋除塵器。電袋除塵器出口總塵質(zhì)量濃度和分級(jí)顆粒物質(zhì)量濃度降低，脫除效率提高，對(duì)超細(xì)顆粒的捕集能力顯著，殘?zhí)剂吭降统龎m性能越好，殘?zhí)剂扛哂?18.18% 飛灰穿透窗口在 0.03～0.38 μm；而布袋除塵器對(duì)不同殘?zhí)剂康娘w灰，穿透窗口明顯不同。

(3)兩除塵器噴吹周期隨噴吹次數(shù)增加而縮短，壓降最低值均隨噴吹次數(shù)增加而升高。布袋除塵器噴吹周期隨飛灰殘?zhí)剂拷档投娱L(zhǎng)，電袋除塵器先延長(zhǎng)后縮短，布袋除塵器壓降最低值隨噴吹次數(shù)上升較快，最低值隨殘?zhí)剂拷档投鴾p小，電袋除塵器上升較慢，最低值隨殘?zhí)剂拷档拖葴p后增。電袋除塵器較布袋除塵器噴吹周期更長(zhǎng)，噴吹最低點(diǎn)更低，且電袋除塵器對(duì)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(yùn)行性能優(yōu)越，適于長(zhǎng)周期運(yùn)行。

(4)布袋除塵器能耗來(lái)自于除塵器壓降和噴吹能耗，電袋除塵器能耗來(lái)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?zhí)剂拷档停即龎m器對(duì)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(tǒng)的運(yùn)行成本。