小型锅炉水煤浆燃后电除尘的试验研究

第34卷第2期中国矿业大学学报Vol 34 No. 22005年3月Journal of China University of Mining TechnologyMar.2005文章编号:1000-1964(2005)020188-06小型锅炉水煤浆燃后电除尘的试验研究高明峰·2,王祖讷(1.中国矿业大学化学与环境工程学院,北京100083;2.清华同方环境有限责任公司,北京100083)摘要:针对0.1t/h小型燃水煤浆热水锅炉设计和制作了前加旋风分离器的组合管式电除尘器单元试验装置,模拟了水煤浆燃后烟气的工况条件,进行了负载阳电晕的试验与检测.结果表明,在高压电场前加旋风分离器起到了预除尘和辅助荷电的作用,使电除尘性能有了显著地提高,在阳电晕17kV条件下,其除尘效率可达9.73%燃常规水煤浆出口排放浓度20mg/m3,燃精细水煤浆出口排放浓度5mg/m3,大大优于国家的排放标准<80mg/m为研制小型燃水煤浆锅炉用的小型高性能电除尘器提供了较为可靠的依据关键词:小型锅炉;水煤浆;电除尘器;阳电翚;除尘效率中图分类号:X784文献标识码: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我国煤炭资源丰富,而石油资源相对短缺,以化精细水煤浆是柴油的替代燃料,是代表以煤代煤代油是我国能源战略.水煤浆是一种代油新型油技术的进一步深化目前,在小容量锅炉上精细煤基清洁燃料且具有优良的流变性、雾化性、燃烧水煤浆直接代油燃烧的试验已经获得成功,也终将性和低污染排放性2.常规水煤浆实现了在大中实现产业化型锅炉上直接代替重油燃烧,并且正在实现工业小容量锅炉水煤浆的燃后除尘是关系到小容收稿日期:2004-05-20中国煤化工作者简介:高明峰(1964-),男,辽宁省海城人,工学博士,高级工程师,主igaomf888@163.com,gaomingfeng@thtf.com.cnCNMHG第2期高明峰等:小型锅炉水煤浆燃后电除尘的试验研究量锅炉能否实现水煤浆代油的关键一环在各种除加温和加湿;最后到电除尘本体单元除尘后排除.尘设备中电除尘器具有除尘效率高阻力小、耐高试验装置系统如图1所示温、维护和运行费用低等优点,对微细粉尘可达到阻尼电阻较高的除尘效率,已广泛应用于大中型锅炉,故综合各项指标它确实优于其它类型的除尘设备.现本体单无风量调节向滴定管今用于小型燃煤锅炉的除尘器效果不佳,考虑环保要求,很多燃煤锅炉都以燃油或燃气锅炉代替,如灰量调节器此则燃料费大幅度增加.欲降低燃料费又能符合环保要求,解决的办法是把锅炉改为燃用水煤浆,并高压电源加设小型电除尘器为使用户能接受,这种电除尘加热加湿器加热加湿采样装置器配电柜器必须是高效、结构紧凑和低价位.小型电除尘器图1试验装置系统示意图与小型燃水煤浆锅炉配套使用,对保护环境、代油Fig. 1 Sketch of the test rig system节能和促进小型锅炉的普及应用有着特别重要的1.2实验方法意义,环境效益和经济效益明显,市场潜力较大本实验针对的是小型锅炉,燃烧过程中的污染因此,本实验拟从电除尘器人手,针对0.1t/h物都是地面排放或低空排放.由于阳电晕在高强度小容量燃水煤浆热水锅炉设计和制作管式电除尘电晕区发生的电离碰撞较少,产生的臭氧和氮氧化器单元试验装置,模拟水煤浆燃烧的工况条件进行物比阴电晕少得多5,所以实验采用阳电晕方式系列负载试验,重点研究提高电除尘器的除尘效通过调节一次电源的输入来改变二次电压和二次率和降低微细颗粒的排放浓度,为研制高性能的小电流参数型燃水煤浆锅炉的电除尘器提供可靠的依据在自制的单元试验装置上,模拟0.1t/h小型1试验部分锅炉燃水煤浆(常规水煤浆和精细水煤浆)和煤产生的烟气的温度、湿度、烟气量和含尘浓度;烟气的1.1试验装置温度由加热器的电阻的大小来控制烟气的湿度由本试验系统的电除尘装置是根据KDB500RS加湿器的电阻器大小和滴定管的水流量来控制用型、0.058MW(0.1t/h)一个小型燃油取暖锅炉改玻璃转子流量计调节和计量空气的流量;将称量好燃水煤浆而设计的管式电除尘器的一个单元,即为的灰样装入灰尘发生器,通过控制给灰时间来控制电除尘器的一组集尘极和电晕极,集尘极选用标准给灰量并计量进口含尘浓度;出口用采样器等速采的489不锈钢管,电晕极选用放电性能好且工业最样,再称重来计量出口含尘浓度;进而计算出除尘为常用的芒刺线(十字芒刺线)整个试验系统可以效率模拟水煤浆燃后的烟气量温度、湿度和含尘浓度在实验中,以在高压电场前加旋风分离器和直做负载试验本试验装置由以下四部分组成:接进入电场两种进风方式的实验结果做对比.对电1)电除尘单元装置包括电除尘本体(单元)除尘单元试验装置捕集和出口排放浓度粒度分布和高压供电电源;和形态检测分析.以此作为评价电除尘性能的重要2)气体加热加湿器包括加热加湿器和电控指标部分,气体通过其可改变温度和湿度,并且温度和1.3实验参数湿度定量可调;根据阳电晕空载实验的结果,本实验将重点研3)送风部分其中包括浮子流量计、风量调究芒刺线与必89×1管极配的除尘效果,它们的二节阀和风机,风量在一定范围内定量可调;次电压即电场的工作电压分别在12.5~17kV之4)给料装置通过控制给灰量来调节烟气的间.本实验模拟小容量锅炉燃常规水煤浆和精细水含尘浓度煤浆产生的烟道气的工况条件考虑到模拟烟气温度比较高,为了便于操作和检测整个试验系统采用正压操作粉尘从风机的1282中国煤化工处理烟气量为进口端(负压)掺入,含尘气体由风机的出口(正压)Nm3CNMH成20c时的烟送入管道,经浮子流量计、风量调节阀时,可以检测气量为0.254m3/min.为了观察烟气的电场流速和调节流量;再到气体加热加湿器时,可以定量的对除尘效率的影响将烟气量增大到0.325m3/min中国矿业大学学报第34卷左右.)烟气湿度如果不计空气中的水蒸汽含2实验结果与分析量,燃常规水煤浆烟气湿度为68g/m3;燃精细水在自制的单元试验装置上,模拟0.1t/h小型煤浆湿度为95.3g/m3;单元处理风量为ω.237锅炉燃水煤浆(常规水煤浆和精细水煤浆)和煤产m3/min,所以加湿量分别近似取16g/min和22g/生的烟气的温度、湿度、烟气量和含尘浓度工况条min,如果处理风量发生变化,加湿量也随之变化.件,做以下实验3)烟气温度取进口温度110~130℃2.1实验14)进口含尘浓度工况条件下,燃常规水煤电极与极配:芒刺线与管489×1;进口加旋风浆的含尘浓度在7g/m3的左右;燃精细水煤浆的分离器灰样:水煤浆灰样;除尘时间:2min含尘浓度在0.8g/m32的左右为了观察含尘浓度实验条件:加热加湿加水量16g/mn(常规水对除尘效率的影响,增加了对含尘浓度14g/m3左煤浆);22g/min(精细水煤浆);环境温度20C右的实验电晕方式:阳电晕驱进速度用电除尘效率公式( Deutsch公式)的实验数据与计算结果如表1所示变换式=-m(1-7)求得表1芒刺线与管489×1负载阳电晕实验计算有旋风器)Table 1 Calculation of the loading experiment with awned wire and $ 89x1 tube序号二次电压,风量/进口温度/电场风速/进口浓度/出口浓度/总除尘旋风器进速度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实验2in(精细水煤浆);环境温度20C电极与极配:芒刺线与管必89×1;进口无旋风电晕方式:阳电晕.实验数据与计算结果如表分离器.灰样:水煤浆灰样;除尘时间:2min2所示加水煤浆量:16g/min(常规水煤浆);22g/表2芒刺线与管489×1负载阳电晕实验计算(无旋风器)Table 2 Calculation of the loading experiment with awned wire and 89x 1 tube(w/o cyclone)序号二次电压风量/进口温度/电场风速/进口浓度/出口浓度/电除尘效率比集尘面积/驱进速度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中国煤化工17.600CNMHG1180.800第2期高明峰等:小型锅炉水煤浆燃后电除尘的试验研究2.3讨论提高除尘效率在降低.电场风速选在0.95~1.3由上面表1和表2中的数据列下面3组曲线m/s之间较佳对除尘效率影响因素最大的是工作图,即除尘效率随二次电压的变化关系曲线,如图电压;其次是电场风速2所示;除尘效率随含尘浓度的变化关系曲线,如在出口排放浓度要求严格的情况下,对于以图3所示;平均有效驱进速度随各自的工作电压的489管为集尘极、以芒刺线为电晕极的电除尘器变化关系曲线,如图4所示(有旋风分离器)的最佳工作电压为17kV,单元处理量为0.340m3/min左右,此时总除尘效率高达有旋风器99.73%模拟燃常规水煤浆的出口排放浓度为20mg/m3,模拟燃精细水煤浆的出口排放浓度为5mg/m3,两者大大优于国家的排放标准:<80mg尤旋风器Nm58.此时,平均有效驱进速度为183cm/s;比集尘面积为29m2/m3/s左右.100125150175次电压/kV根据旋风除尘和接触荷电理论,在进风管处设图2除尘效率二次电压的变化关系曲线置旋风器,气流高速切向进入旋风器,在离心力的Fig 2 Curve of de-dusting efficiency vs作用下,大颗粒粉尘从气流中分离出来在旋风器中,部分颗粒与器壁之间以及颗粒与颗粒之间因速0有旋风器度差而产生摩擦和碰撞,通过这一过程,使部分颗粒接触荷电,可以起到部分预荷电的作用.通过无旋风器预除尘和接触预荷电,降低了高压电场的工作负荷,这将有利于电场对微细粉尘的捕集旋风分离975器即是预除尘器又是摩擦器进口浓度/g·m)加旋风分离器的总除尘效率高于不加旋风分图3除尘效率含尘浓度的变化关系曲线(15kV)离器的除尘效率,是由于旋风分离器对粉尘起到预Fig. 3 Curve of de-dusting efficiency vs solid loading除尘和接触荷电的作用.即使是不看加旋风分离器的总除尘效率,只看高压电场的电除尘效率,再与不加旋风分离器的除尘效率(电除尘效率)进行比较可以看出,在其它条件相同的条件下,有旋风分尤旋风器离器的电除尘效率仍然高于无旋风分离器的除尘效率有效驱进速度也自然是前者高于后者.这应该归功于旋风分离器的辅助荷电等作用工作电压/kv2.4实验3图4有效驱进速度-工作电压的变化关系曲线为了检验该旋风分离器是否具有辅助荷电的Fig. 4 Curve of effective electric driving作用,又作了如下的实验:即用平行板均匀电场检velocity vs working potential验粉尘摩擦带电情况本实验仍然分进口加与不加从上面的数据计算表和图可以看出,在其它条旋风分离器两种情况实验条件如下件相同的情况下,有旋风分离器的总除尘效率高于1)灰样:水煤浆灰样;室温17C;无旋风分离器的除尘效率,平均高出0.4%有旋2)加灰量3.0g;实验时间1min;风量20m3风分离器的有效驱进速度也高于无旋风的驱进速min;出口风管451×1度随着工作电压的升高,有效驱进速度在增大,除3)平行板均匀电场参数:直流电压22.5kV尘效率也在提高电流0.1mA;平行板间距5.6cm;平行板面积106进口含尘浓度在一定的范围内增大,出口排放106浓度变化不大,除尘效率在提高.所以,水煤浆燃后中国煤化工产生烟气的含尘浓度的增大,不会对电除尘的除尘THCNMHG96g;负极,0效率产生不利的影响087g;合计0.183g,占加灰量的6.1%从表1和表2中也可以看出,随着电场风速的2)无旋风分离器正极,0.055g;负极192中国矿业大学学报第34卷0.046g;合计0.101g,占加灰量的377%出口排放微细颗粒物检测采用等速采样法,采由此可以看出,无论有无旋风分离器,含尘气用专用可吸入颗粒物检测的英国 Segretti样头体携带粉尘粒子在管道中以一定的速度运动由于(UK),滤膜的孔径为0.67μm聚碳酯滤膜,直径颗粒与管壁以及颗粒与颗粒之间发生接触、摩擦、47mm,再配以KB80-E型采样泵(青岛崂山电碰撞而使部分颗粒带电,即接触荷电.而有旋风分子).两个实验出口微细颗粒在扫描电镜下的形貌离器因增加了颗粒接触、摩擦、碰撞的机会,所以,如图5所示.荷电粉尘的数量要远高于无旋风分离器的荷电粉尘的数量将旋风分离器和其中流动的含尘气体可以看成是一个整体,总体是中性、不带电的.当含尘气体以较高的速度进入旋风分离器时,在器内作一系列的内外涡旋运动,而后从旋风分离器的排气管旋(a)实验1中89有旋风器b实验2489无旋风器转流出.因接触荷电使部分粉尘颗粒有的带正电图5两个实验出口微细颗粒在扫描电镜下的形貌有的带负电,实际上是一个整体正、负电荷的代数of emitted minute和为零,而局部正、负电荷不均匀分配的过程.进入o experiment外部电场后,带正电荷的颗粒驱向负极,带负电荷从图5可以观察到,实验1有旋风器的除尘效的颗粒驱向正极带电粉尘的质量占粉尘总质量的果要好于实验2无旋风器的除尘效果,实验1出口61%,并且这些粉尘所带的电荷达到了饱和状态.排放的颗粒密度较小且较细用称重法计算出口排这部分的颗粒荷电这显然对高压电场捕集粉尘是放浓度分别为:实验1为2.4mg/m;实验2为4.4有利的,使除尘效率有一定程度的提高mg/m3在此条件下,有旋风分离器微细颗粒的排3飞灰捕集和排放的检测放浓度约为无旋风分离器微细颗粒的排放浓度的1/2.观察与计算所得到的结果相同就芒刺线与必89×1管的极配在阳电晕15kV由于实验是在烟气加湿的条件下进行的,采样的条件下,分有旋风分离器和无旋风分离器两种情头的切割器中很密集的捕集板表面有一层水膜将况,模拟燃常规水煤浆产生的烟气的工况条件,烟很大一部分的颗粒捕集,所以所测的出口浓度不准气温度107C,烟气湿度68g/m3,烟气含尘浓度为确,仅做参考6.79g/m3,室温20C给风量为0.25m3/min.在上上述两个实验经过图象分析和数据处理,其出面的条件下做有旋风分离器和无旋风分离器两个口采样微细颗粒的粒度分布的统计结果,如图6实验,分别检测单元电除尘试验装置本体的出口排a),(b)所示放微细颗粒的形貌、浓度和粒度分布等图系列16班图西eess粒径/以m粒径/vm(a)实验489有旋风器(b)实验289无旋风器图6两个实验电除尘出口微Fig 6 Size distribution of emitted minuteYHa中国煤化工从图6可以看出实验1为1-2.5m;实捕CNMHO的微细颗粒,在大验2为0.1~35μm由于实验条件和采样条件相气环境质量标准中将这部分颗粒定义为细颗粒物同,说明实验1中25~10μm范围内的颗粒都被(PM25)实验2中的3.5~10m范围内的颗粒第2期高明峰等:小型锅炉水煤浆燃后电除尘的试验研究都被捕集只排出少部分的<35m的微细颗粒.工作电压为17kV,单元处理量为0.340m3/min通过出口的全样采集,在扫描电镜下观察,实左右,此时总除尘效率高达99.73%.模拟燃常规验1排放的颗粒粒度均在2.5μm以下,实验2排水煤浆的出口排放浓度为20mg/m3,模拟燃精细放的颗粒粒度均在35m以下,所以图6(a)、(b)水煤浆的出口排放浓度为5mg/m3,两者大大优于的出口排放的粒度分布反映了电除尘装置实际排国家的排放标准<80mg/m3放微细颗粒的粒度分布5)在电除尘高压电场的进口加旋风分离器具除尘效率计算结果如表3所示,实验1的旋风有预除尘和辅助荷电的作用.烟气在旋风分离器内分离器的除尘效率为24.3%,电除尘除尘效率为作高速运动,使一些颗粒接触带电,这对电除尘捕99.60%表3中的出口浓度采用全采样称重、计算集微细颗粒提供了较大的帮助.气流因旋转进入电而获得,较为可靠.场,产生的离心力和电场力的共同作用,提高了粉表3除尘效率计算结果尘的驱进速度;同时粉尘因旋转使其运动路径加Table 3 Calculation of de-dusting efficiency长,增加了粉尘被捕集的机会这些因素都使其除入口浓度/出口浓度/总除尘效率/旋风器效率/电除尘效率/尘效率有一定程度的提高实验16.790.02024.36)在电除尘高压电场的进口加旋风分离器的实验26.790.03899.44组合电除尘器的性能优于普通电除尘器.其出口排从表3计算的数据来看,有旋风器的出口排放放浓度大约为无旋风分离器的12左右;排出的全浓度大约为无旋风器出口排放浓度的1/2,这和前是粒径为2.5m以下的细颗粒物(即PM2.5),而面可吸颗粒物的采样计算结果相符对于总除尘效无旋风分离器排出的是粒径为35m以下的微率,有旋风器高出无旋风器0.26%;对于电除尘袭细颗粒率有旋风器高出无旋风器0.16%.这验证了如前参考文献:面分析的那样,旋风分离器具有预除尘和辅助荷电[1]张荣曾.水煤浆制浆技术[M]北京:科学出版社(接触带电)的作用其性能优于普通的电除尘器4结论[2]郝凤印水煤浆系统技术[M]北京:中国洁净煤技术之四,1998)有旋风分离器的总除尘效率高于无旋风分[3]郝吉明,马广大大气污染控制工程[M]北京:高等离器的除尘效率,平均高出0.4%.随着工作电压教育出版社,1989:213-214的升高有效驱进速度在增大除尘效率也在提高.[4]高明峰小容量锅炉水煤浆燃后电除尘的试验研究2)进口含尘浓度在一定范围内增大,出口排[D]中国矿业大学博士论文,2004.5:65-91放浓度变化不大除尘效率在提高水煤浆燃后产[5]解广润陈慈萱高压静电收尘[M]北京:水利电力生烟气的含尘浓度的增大,不会对电除尘的除尘效出版社,1993[6] White H J.工业电收尘[M].王成霞译.北京:冶金工率产生不利的影响业出版社,19863)随着电场风速的提高,除尘效率在降低电[7]孙可平,宋广成工业静电[M]北京:中国石化出版场风速选在0.95~1.3m/s之间较佳对除尘效率社,1994.8:213-220.影响因素最大的是工作电压;其次是电场风速[8]GB13271-2001,锅炉大气污染物排放标准[S]4)满足出口排放浓度要求的最佳条件如下:(责任编辑李成俊)中国煤化工CNMHG