第34卷第2期中國礦業(yè)大學學報Vol 34 No. 22005年3月Journal of China University of Mining TechnologyMar.2005文章編號:1000-1964(2005)020188-06小型鍋爐水煤漿燃后電除塵的試驗研究高明峰·2,王祖訥(1.中國礦業(yè)大學化學與環(huán)境工程學院,北京100083;2.清華同方環(huán)境有限責任公司,北京100083)摘要:針對0.1t/h小型燃水煤漿熱水鍋爐設計和制作了前加旋風分離器的組合管式電除塵器單元試驗裝置,模擬了水煤漿燃后煙氣的工況條件,進行了負載陽電暈的試驗與檢測.結果表明,在高壓電場前加旋風分離器起到了預除塵和輔助荷電的作用,使電除塵性能有了顯著地提高,在陽電暈17kV條件下,其除塵效率可達9.73%燃常規(guī)水煤漿出口排放濃度20mg/m3,燃精細水煤漿出口排放濃度5mg/m3,大大優(yōu)于國家的排放標準<80mg/m為研制小型燃水煤漿鍋爐用的小型高性能電除塵器提供了較為可靠的依據(jù)關鍵詞:小型鍋爐;水煤漿;電除塵器;陽電翚;除塵效率中圖分類號:X784文獻標識碼:AExperiment on Electrostatic Precipitator for aSmall Boiler Fueled by Coal-Water SlurryGAO Ming-feng 2, WANG Zu-ne(1. School of Chemical and Environmental Engineering, China University ofBeijing 100083, China: 2. Tsinghua Tongfang Environment Co, Ltd, Beijing 100083, CHAbstract: Based on a small boiler of 0. 1 t/h capacity, a combined tubular electrostatic precipitatorwith an added-on air cyclone was designed to simulate the working condition of flue gas from coalslurry combustion. Operation of the test rig with an anodic corona were conducted and relatedmeasurement and analyses were taken. The air cyclone installed before the high-potential field actsas a pre- collector, making the performance of precipitator be remarkably improved. With anodiccorona on 17 kv, the dust collection efficiency amounted to 99. 73 %. For fly ash from conventionalslurry combustion, the solid concentration in emitted gas is 20 mg/m, and from ultra-clean coalslurry, 5 mg/m, both of them being much less than that of national stundard: <80 mg/m3.Reliable technical basis is given for development and fabrication of high-efficient electrostaticprecipitator for small boilerKey words: small capacity boiler; coal-water slurry i electrostatic precipitator; anodic corona; dustcollection efficiency我國煤炭資源豐富,而石油資源相對短缺,以化精細水煤漿是柴油的替代燃料,是代表以煤代煤代油是我國能源戰(zhàn)略.水煤漿是一種代油新型油技術的進一步深化目前,在小容量鍋爐上精細煤基清潔燃料且具有優(yōu)良的流變性、霧化性、燃燒水煤漿直接代油燃燒的試驗已經(jīng)獲得成功,也終將性和低污染排放性2.常規(guī)水煤漿實現(xiàn)了在大中實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化型鍋爐上直接代替重油燃燒,并且正在實現(xiàn)工業(yè)小容量鍋爐水煤漿的燃后除塵是關系到小容收稿日期:2004-05-20中國煤化工作者簡介:高明峰(1964-),男,遼寧省海城人,工學博士,高級工程師,主igaomf888@163.com,gaomingfeng@thtf.com.cnCNMHG第2期高明峰等:小型鍋爐水煤漿燃后電除塵的試驗研究量鍋爐能否實現(xiàn)水煤漿代油的關鍵一環(huán)在各種除加溫和加濕;最后到電除塵本體單元除塵后排除.塵設備中電除塵器具有除塵效率高阻力小、耐高試驗裝置系統(tǒng)如圖1所示溫、維護和運行費用低等優(yōu)點,對微細粉塵可達到阻尼電阻較高的除塵效率,已廣泛應用于大中型鍋爐,故綜合各項指標它確實優(yōu)于其它類型的除塵設備.現(xiàn)本體單無風量調(diào)節(jié)向滴定管今用于小型燃煤鍋爐的除塵器效果不佳,考慮環(huán)保要求,很多燃煤鍋爐都以燃油或燃氣鍋爐代替,如灰量調(diào)節(jié)器此則燃料費大幅度增加.欲降低燃料費又能符合環(huán)保要求,解決的辦法是把鍋爐改為燃用水煤漿,并高壓電源加設小型電除塵器為使用戶能接受,這種電除塵加熱加濕器加熱加濕采樣裝置器配電柜器必須是高效、結構緊湊和低價位.小型電除塵器圖1試驗裝置系統(tǒng)示意圖與小型燃水煤漿鍋爐配套使用,對保護環(huán)境、代油Fig. 1 Sketch of the test rig system節(jié)能和促進小型鍋爐的普及應用有著特別重要的1.2實驗方法意義,環(huán)境效益和經(jīng)濟效益明顯,市場潛力較大本實驗針對的是小型鍋爐,燃燒過程中的污染因此,本實驗擬從電除塵器人手,針對0.1t/h物都是地面排放或低空排放.由于陽電暈在高強度小容量燃水煤漿熱水鍋爐設計和制作管式電除塵電暈區(qū)發(fā)生的電離碰撞較少,產(chǎn)生的臭氧和氮氧化器單元試驗裝置,模擬水煤漿燃燒的工況條件進行物比陰電暈少得多5,所以實驗采用陽電暈方式系列負載試驗,重點研究提高電除塵器的除塵效通過調(diào)節(jié)一次電源的輸入來改變二次電壓和二次率和降低微細顆粒的排放濃度,為研制高性能的小電流參數(shù)型燃水煤漿鍋爐的電除塵器提供可靠的依據(jù)在自制的單元試驗裝置上,模擬0.1t/h小型1試驗部分鍋爐燃水煤漿(常規(guī)水煤漿和精細水煤漿)和煤產(chǎn)生的煙氣的溫度、濕度、煙氣量和含塵濃度;煙氣的1.1試驗裝置溫度由加熱器的電阻的大小來控制煙氣的濕度由本試驗系統(tǒng)的電除塵裝置是根據(jù)KDB500RS加濕器的電阻器大小和滴定管的水流量來控制用型、0.058MW(0.1t/h)一個小型燃油取暖鍋爐改玻璃轉(zhuǎn)子流量計調(diào)節(jié)和計量空氣的流量;將稱量好燃水煤漿而設計的管式電除塵器的一個單元,即為的灰樣裝入灰塵發(fā)生器,通過控制給灰時間來控制電除塵器的一組集塵極和電暈極,集塵極選用標準給灰量并計量進口含塵濃度;出口用采樣器等速采的489不銹鋼管,電暈極選用放電性能好且工業(yè)最樣,再稱重來計量出口含塵濃度;進而計算出除塵為常用的芒刺線(十字芒刺線)整個試驗系統(tǒng)可以效率模擬水煤漿燃后的煙氣量溫度、濕度和含塵濃度在實驗中,以在高壓電場前加旋風分離器和直做負載試驗本試驗裝置由以下四部分組成:接進入電場兩種進風方式的實驗結果做對比.對電1)電除塵單元裝置包括電除塵本體(單元)除塵單元試驗裝置捕集和出口排放濃度粒度分布和高壓供電電源;和形態(tài)檢測分析.以此作為評價電除塵性能的重要2)氣體加熱加濕器包括加熱加濕器和電控指標部分,氣體通過其可改變溫度和濕度,并且溫度和1.3實驗參數(shù)濕度定量可調(diào);根據(jù)陽電暈空載實驗的結果,本實驗將重點研3)送風部分其中包括浮子流量計、風量調(diào)究芒刺線與必89×1管極配的除塵效果,它們的二節(jié)閥和風機,風量在一定范圍內(nèi)定量可調(diào);次電壓即電場的工作電壓分別在12.5~17kV之4)給料裝置通過控制給灰量來調(diào)節(jié)煙氣的間.本實驗模擬小容量鍋爐燃常規(guī)水煤漿和精細水含塵濃度煤漿產(chǎn)生的煙道氣的工況條件考慮到模擬煙氣溫度比較高,為了便于操作和檢測整個試驗系統(tǒng)采用正壓操作粉塵從風機的1282中國煤化工處理煙氣量為進口端(負壓)摻入,含塵氣體由風機的出口(正壓)Nm3CNMH成20c時的煙送入管道,經(jīng)浮子流量計、風量調(diào)節(jié)閥時,可以檢測氣量為0.254m3/min.為了觀察煙氣的電場流速和調(diào)節(jié)流量;再到氣體加熱加濕器時,可以定量的對除塵效率的影響將煙氣量增大到0.325m3/min中國礦業(yè)大學學報第34卷左右.)煙氣濕度如果不計空氣中的水蒸汽含2實驗結果與分析量,燃常規(guī)水煤漿煙氣濕度為68g/m3;燃精細水在自制的單元試驗裝置上,模擬0.1t/h小型煤漿濕度為95.3g/m3;單元處理風量為ω.237鍋爐燃水煤漿(常規(guī)水煤漿和精細水煤漿)和煤產(chǎn)m3/min,所以加濕量分別近似取16g/min和22g/生的煙氣的溫度、濕度、煙氣量和含塵濃度工況條min,如果處理風量發(fā)生變化,加濕量也隨之變化.件,做以下實驗3)煙氣溫度取進口溫度110~130℃2.1實驗14)進口含塵濃度工況條件下,燃常規(guī)水煤電極與極配:芒刺線與管489×1;進口加旋風漿的含塵濃度在7g/m3的左右;燃精細水煤漿的分離器灰樣:水煤漿灰樣;除塵時間:2min含塵濃度在0.8g/m32的左右為了觀察含塵濃度實驗條件:加熱加濕加水量16g/mn(常規(guī)水對除塵效率的影響,增加了對含塵濃度14g/m3左煤漿);22g/min(精細水煤漿);環(huán)境溫度20C右的實驗電暈方式:陽電暈驅(qū)進速度用電除塵效率公式( Deutsch公式)的實驗數(shù)據(jù)與計算結果如表1所示變換式=-m(1-7)求得表1芒刺線與管489×1負載陽電暈實驗計算有旋風器)Table 1 Calculation of the loading experiment with awned wire and $ 89x1 tube序號二次電壓,風量/進口溫度/電場風速/進口濃度/出口濃度/總除塵旋風器進速度kV(m3,min-1)C(m·s-1)(g·m-3)(mg·m-3)效率/%效率/%效率vSCA/%(m2·m-3s-1l)(cm·s-1)170.3411207.3502099.7319.999.660.34199.8223.199.7628.860.800599.3819.299.2328.861.2287.311334.499.4022.4722.80.346567890.3441240.96517.4400.342639383509.7519.699.6998.8520.498.5528.771.2227.33999.3523.999.1922.572150.34199.0722.198.8112.50.3411200.95517.60199.40027347050.3390.9500.80398.1319.397.6922.5717.42.2實驗2in(精細水煤漿);環(huán)境溫度20C電極與極配:芒刺線與管必89×1;進口無旋風電暈方式:陽電暈.實驗數(shù)據(jù)與計算結果如表分離器.灰樣:水煤漿灰樣;除塵時間:2min2所示加水煤漿量:16g/min(常規(guī)水煤漿);22g/表2芒刺線與管489×1負載陽電暈實驗計算(無旋風器)Table 2 Calculation of the loading experiment with awned wire and 89x 1 tube(w/o cyclone)序號二次電壓風量/進口溫度/電場風速/進口濃度/出口濃度/電除塵效率比集塵面積/驅(qū)進速度kV(m3min-1)C(m·s-1)(g·m-3)(mg·m-3)n/%(m2·m-3·s-l)(cm·s-)123456780.95517.54099.7020.7.33999.2128.8616.80.342157.34012.5372中國煤化工17.600CNMHG1180.800第2期高明峰等:小型鍋爐水煤漿燃后電除塵的試驗研究2.3討論提高除塵效率在降低.電場風速選在0.95~1.3由上面表1和表2中的數(shù)據(jù)列下面3組曲線m/s之間較佳對除塵效率影響因素最大的是工作圖,即除塵效率隨二次電壓的變化關系曲線,如圖電壓;其次是電場風速2所示;除塵效率隨含塵濃度的變化關系曲線,如在出口排放濃度要求嚴格的情況下,對于以圖3所示;平均有效驅(qū)進速度隨各自的工作電壓的489管為集塵極、以芒刺線為電暈極的電除塵器變化關系曲線,如圖4所示(有旋風分離器)的最佳工作電壓為17kV,單元處理量為0.340m3/min左右,此時總除塵效率高達有旋風器99.73%模擬燃常規(guī)水煤漿的出口排放濃度為20mg/m3,模擬燃精細水煤漿的出口排放濃度為5mg/m3,兩者大大優(yōu)于國家的排放標準:<80mg尤旋風器Nm58.此時,平均有效驅(qū)進速度為183cm/s;比集塵面積為29m2/m3/s左右.100125150175次電壓/kV根據(jù)旋風除塵和接觸荷電理論,在進風管處設圖2除塵效率二次電壓的變化關系曲線置旋風器,氣流高速切向進入旋風器,在離心力的Fig 2 Curve of de-dusting efficiency vs作用下,大顆粒粉塵從氣流中分離出來在旋風器中,部分顆粒與器壁之間以及顆粒與顆粒之間因速0有旋風器度差而產(chǎn)生摩擦和碰撞,通過這一過程,使部分顆粒接觸荷電,可以起到部分預荷電的作用.通過無旋風器預除塵和接觸預荷電,降低了高壓電場的工作負荷,這將有利于電場對微細粉塵的捕集旋風分離975器即是預除塵器又是摩擦器進口濃度/g·m)加旋風分離器的總除塵效率高于不加旋風分圖3除塵效率含塵濃度的變化關系曲線(15kV)離器的除塵效率,是由于旋風分離器對粉塵起到預Fig. 3 Curve of de-dusting efficiency vs solid loading除塵和接觸荷電的作用.即使是不看加旋風分離器的總除塵效率,只看高壓電場的電除塵效率,再與不加旋風分離器的除塵效率(電除塵效率)進行比較可以看出,在其它條件相同的條件下,有旋風分尤旋風器離器的電除塵效率仍然高于無旋風分離器的除塵效率有效驅(qū)進速度也自然是前者高于后者.這應該歸功于旋風分離器的輔助荷電等作用工作電壓/kv2.4實驗3圖4有效驅(qū)進速度-工作電壓的變化關系曲線為了檢驗該旋風分離器是否具有輔助荷電的Fig. 4 Curve of effective electric driving作用,又作了如下的實驗:即用平行板均勻電場檢velocity vs working potential驗粉塵摩擦帶電情況本實驗仍然分進口加與不加從上面的數(shù)據(jù)計算表和圖可以看出,在其它條旋風分離器兩種情況實驗條件如下件相同的情況下,有旋風分離器的總除塵效率高于1)灰樣:水煤漿灰樣;室溫17C;無旋風分離器的除塵效率,平均高出0.4%有旋2)加灰量3.0g;實驗時間1min;風量20m3風分離器的有效驅(qū)進速度也高于無旋風的驅(qū)進速min;出口風管451×1度隨著工作電壓的升高,有效驅(qū)進速度在增大,除3)平行板均勻電場參數(shù):直流電壓22.5kV塵效率也在提高電流0.1mA;平行板間距5.6cm;平行板面積106進口含塵濃度在一定的范圍內(nèi)增大,出口排放106濃度變化不大,除塵效率在提高.所以,水煤漿燃后中國煤化工產(chǎn)生煙氣的含塵濃度的增大,不會對電除塵的除塵THCNMHG96g;負極,0效率產(chǎn)生不利的影響087g;合計0.183g,占加灰量的6.1%從表1和表2中也可以看出,隨著電場風速的2)無旋風分離器正極,0.055g;負極192中國礦業(yè)大學學報第34卷0.046g;合計0.101g,占加灰量的377%出口排放微細顆粒物檢測采用等速采樣法,采由此可以看出,無論有無旋風分離器,含塵氣用專用可吸入顆粒物檢測的英國 Segretti樣頭體攜帶粉塵粒子在管道中以一定的速度運動由于(UK),濾膜的孔徑為0.67μm聚碳酯濾膜,直徑顆粒與管壁以及顆粒與顆粒之間發(fā)生接觸、摩擦、47mm,再配以KB80-E型采樣泵(青島嶗山電碰撞而使部分顆粒帶電,即接觸荷電.而有旋風分子).兩個實驗出口微細顆粒在掃描電鏡下的形貌離器因增加了顆粒接觸、摩擦、碰撞的機會,所以,如圖5所示.荷電粉塵的數(shù)量要遠高于無旋風分離器的荷電粉塵的數(shù)量將旋風分離器和其中流動的含塵氣體可以看成是一個整體,總體是中性、不帶電的.當含塵氣體以較高的速度進入旋風分離器時,在器內(nèi)作一系列的內(nèi)外渦旋運動,而后從旋風分離器的排氣管旋(a)實驗1中89有旋風器b實驗2489無旋風器轉(zhuǎn)流出.因接觸荷電使部分粉塵顆粒有的帶正電圖5兩個實驗出口微細顆粒在掃描電鏡下的形貌有的帶負電,實際上是一個整體正、負電荷的代數(shù)of emitted minute和為零,而局部正、負電荷不均勻分配的過程.進入o experiment外部電場后,帶正電荷的顆粒驅(qū)向負極,帶負電荷從圖5可以觀察到,實驗1有旋風器的除塵效的顆粒驅(qū)向正極帶電粉塵的質(zhì)量占粉塵總質(zhì)量的果要好于實驗2無旋風器的除塵效果,實驗1出口61%,并且這些粉塵所帶的電荷達到了飽和狀態(tài).排放的顆粒密度較小且較細用稱重法計算出口排這部分的顆粒荷電這顯然對高壓電場捕集粉塵是放濃度分別為:實驗1為2.4mg/m;實驗2為4.4有利的,使除塵效率有一定程度的提高mg/m3在此條件下,有旋風分離器微細顆粒的排3飛灰捕集和排放的檢測放濃度約為無旋風分離器微細顆粒的排放濃度的1/2.觀察與計算所得到的結果相同就芒刺線與必89×1管的極配在陽電暈15kV由于實驗是在煙氣加濕的條件下進行的,采樣的條件下,分有旋風分離器和無旋風分離器兩種情頭的切割器中很密集的捕集板表面有一層水膜將況,模擬燃常規(guī)水煤漿產(chǎn)生的煙氣的工況條件,煙很大一部分的顆粒捕集,所以所測的出口濃度不準氣溫度107C,煙氣濕度68g/m3,煙氣含塵濃度為確,僅做參考6.79g/m3,室溫20C給風量為0.25m3/min.在上上述兩個實驗經(jīng)過圖象分析和數(shù)據(jù)處理,其出面的條件下做有旋風分離器和無旋風分離器兩個口采樣微細顆粒的粒度分布的統(tǒng)計結果,如圖6實驗,分別檢測單元電除塵試驗裝置本體的出口排a),(b)所示放微細顆粒的形貌、濃度和粒度分布等圖系列16班圖西eess粒徑/以m粒徑/vm(a)實驗489有旋風器(b)實驗289無旋風器圖6兩個實驗電除塵出口微Fig 6 Size distribution of emitted minuteYHa中國煤化工從圖6可以看出實驗1為1-2.5m;實捕CNMHO的微細顆粒,在大驗2為0.1~35μm由于實驗條件和采樣條件相氣環(huán)境質(zhì)量標準中將這部分顆粒定義為細顆粒物同,說明實驗1中25~10μm范圍內(nèi)的顆粒都被(PM25)實驗2中的3.5~10m范圍內(nèi)的顆粒第2期高明峰等:小型鍋爐水煤漿燃后電除塵的試驗研究都被捕集只排出少部分的<35m的微細顆粒.工作電壓為17kV,單元處理量為0.340m3/min通過出口的全樣采集,在掃描電鏡下觀察,實左右,此時總除塵效率高達99.73%.模擬燃常規(guī)驗1排放的顆粒粒度均在2.5μm以下,實驗2排水煤漿的出口排放濃度為20mg/m3,模擬燃精細放的顆粒粒度均在35m以下,所以圖6(a)、(b)水煤漿的出口排放濃度為5mg/m3,兩者大大優(yōu)于的出口排放的粒度分布反映了電除塵裝置實際排國家的排放標準<80mg/m3放微細顆粒的粒度分布5)在電除塵高壓電場的進口加旋風分離器具除塵效率計算結果如表3所示,實驗1的旋風有預除塵和輔助荷電的作用.煙氣在旋風分離器內(nèi)分離器的除塵效率為24.3%,電除塵除塵效率為作高速運動,使一些顆粒接觸帶電,這對電除塵捕99.60%表3中的出口濃度采用全采樣稱重、計算集微細顆粒提供了較大的幫助.氣流因旋轉(zhuǎn)進入電而獲得,較為可靠.場,產(chǎn)生的離心力和電場力的共同作用,提高了粉表3除塵效率計算結果塵的驅(qū)進速度;同時粉塵因旋轉(zhuǎn)使其運動路徑加Table 3 Calculation of de-dusting efficiency長,增加了粉塵被捕集的機會這些因素都使其除入口濃度/出口濃度/總除塵效率/旋風器效率/電除塵效率/塵效率有一定程度的提高實驗16.790.02024.36)在電除塵高壓電場的進口加旋風分離器的實驗26.790.03899.44組合電除塵器的性能優(yōu)于普通電除塵器.其出口排從表3計算的數(shù)據(jù)來看,有旋風器的出口排放放濃度大約為無旋風分離器的12左右;排出的全濃度大約為無旋風器出口排放濃度的1/2,這和前是粒徑為2.5m以下的細顆粒物(即PM2.5),而面可吸顆粒物的采樣計算結果相符對于總除塵效無旋風分離器排出的是粒徑為35m以下的微率,有旋風器高出無旋風器0.26%;對于電除塵襲細顆粒率有旋風器高出無旋風器0.16%.這驗證了如前參考文獻:面分析的那樣,旋風分離器具有預除塵和輔助荷電[1]張榮曾.水煤漿制漿技術[M]北京:科學出版社(接觸帶電)的作用其性能優(yōu)于普通的電除塵器4結論[2]郝鳳印水煤漿系統(tǒng)技術[M]北京:中國潔凈煤技術之四,1998)有旋風分離器的總除塵效率高于無旋風分[3]郝吉明,馬廣大大氣污染控制工程[M]北京:高等離器的除塵效率,平均高出0.4%.隨著工作電壓教育出版社,1989:213-214的升高有效驅(qū)進速度在增大除塵效率也在提高.[4]高明峰小容量鍋爐水煤漿燃后電除塵的試驗研究2)進口含塵濃度在一定范圍內(nèi)增大,出口排[D]中國礦業(yè)大學博士論文,2004.5:65-91放濃度變化不大除塵效率在提高水煤漿燃后產(chǎn)[5]解廣潤陳慈萱高壓靜電收塵[M]北京:水利電力生煙氣的含塵濃度的增大,不會對電除塵的除塵效出版社,1993[6] White H J.工業(yè)電收塵[M].王成霞譯.北京:冶金工率產(chǎn)生不利的影響業(yè)出版社,19863)隨著電場風速的提高,除塵效率在降低電[7]孫可平,宋廣成工業(yè)靜電[M]北京:中國石化出版場風速選在0.95~1.3m/s之間較佳對除塵效率社,1994.8:213-220.影響因素最大的是工作電壓;其次是電場風速[8]GB13271-2001,鍋爐大氣污染物排放標準[S]4)滿足出口排放濃度要求的最佳條件如下:(責任編輯李成俊)中國煤化工CNMHG