烟气湿度调质对颗粒物比电阻影响的实验研究

刘宏丽，黄泽亮，程圣明

(山西大学动力工程系,山西太原 030013)

0 引言

在我国能源结构的组成中，煤炭占主导地位，并且在可预见的几十年内，仍然是我国主要能源来源之一。为达到GB13223—2011《火电厂大气污染物排放标准》中规定重点地区烟尘的排放浓度低于20 mg/m3，实验研究燃煤锅炉排放烟气中颗粒物的特性是非常有必要的。现阶段，大部分热力发电厂使用电除尘器进行烟气颗粒物的除尘净化，其中颗粒物的比电阻对电除尘器的有效运行具有显著影响，比电阻过大或过小都会降低电除尘器的除尘效率，颗粒物比电阻与电除尘器除尘效率的关系如图1所示。烟气中颗粒物的比电阻为104～1 011 Ω·cm时，颗粒物称为中比电阻颗粒物，此时，颗粒物达到集尘极后，会以正常的速度放出电荷。对这类颗粒物，电除尘器一般都能获得较好的除尘效果[1]，所以有效地控制烟气中颗粒物的比电阻是提高电除尘器除尘效率的方法之一。

图1 颗粒物比电阻与除尘效率的关系

1 颗粒物的比电阻

某一物质在某一温度下的电阻为

式中：Rb——比电阻（或称为电阻率），Ω·cm；

l——颗粒物的长度，cm；

A——颗粒物的横断面积，cm3。

从式（1）可以看出，颗粒物的比电阻就是长度和横断面积均为1时的电阻[1]。

2 影响颗粒物比电阻的因素

2.1 烟气温度对比电阻的影响

温度较低时，颗粒物的比电阻是随温度升高而增加，比电阻达到某一最大值后，又随温度的增加而下降。这是因为在低温范围内，颗粒物的导电是在表面进行的，电子沿颗粒物表面的吸附层（如水蒸气或其他吸附层）传送。温度低、颗粒物表面吸附的水蒸气多，因此，表面导电性好、比电阻降低。随着温度升高，颗粒物表面吸附的水蒸气因受热蒸发，比电阻逐渐降低。温度较高时，颗粒物的导电是在内部进行的，随着温度的升高，颗粒物内部会发生电子的激发作用，使比电阻降低[1]。

2.2 烟气湿度对比电阻的影响

在低温范围内，烟气湿度增大时，水分粘附在导电性很差的颗粒物上，能降低颗粒物的比电阻，增强其导电性，以防止反电晕的产生，提高静电除尘器的除尘效率；温度较高时，湿度对颗粒物的比电阻基本没有影响[2]。

所以，在低温范围内，提高颗粒物湿度是降低颗粒物比电阻、提高电除尘效率的有效方法之一。

3 实验装置与方法

3.1 实验装置

随着电网安全风险管控要求的提高和带电检测技术的进步，紫外成像检测在电力设备故障排查和状态评价中的研究和应用都取得了良好的效果。对于检测发现的各类问题，应进一步深化电力设备资产全寿命周期管理，将技术监督关口有效前移，确保其无故障投运。同时运检部门应加强检测案例的技术分析、经验交流和人员培训，并按时委托有资质的单位对紫外成像仪进行校验、比对和检定，确保设备状态可控、能控、在控，实现电力系统本质安全。

图2 实验装置图

实验系统由烟气制备部分、烟气除尘净化部分和实验测试部分组成。烟气制备部分依次由烟气混合段、生成段、测试段相连接。烟气混合段由混气罐、电加热棒（控制烟气温度为80℃左右）及连接管道与阀门组成；生成段由湿度调制器、粉尘浓度调制器（加灰样）等组成；电除尘实验部分主要由烟气入口段、电除尘器主体、烟气出口段、引风机、过滤布袋组成；实验测试部分主要有温度计、比电阻测量仪器、多功能智能数显风速仪、浓度传感器等。电除尘器主体入口和出口设置有气流分布板，顺气流方向设有2个电场，电场下方灰斗出口处有收集粉尘的锁气器；烟气出口段连接收集逃逸粉尘的过滤装置。

3.2 实验方法

a）在实验过程中，通过电加热棒加热保证烟气温度达80℃；通过湿度调节器改变烟气中水汽含量，即调制烟气的湿度。本实验调制湿度值分别为2%、5%、10%、15%和20%。

b）本实验采集循环流化床锅炉燃烧排放颗粒物进行实验，观察分析颗粒物粒径分布，比较静电除尘器入口和出口颗粒物的粒径分布。

c）烟气水汽含量表示水蒸气的体积占湿空气的比例。本实验采用温度计测量烟气温度，采用湿度计测量烟气的湿度，采用智能风速仪测量烟气的流量和流速，采用烟气浓度计测量烟气通过静电除尘器入口和出口的颗粒物浓度。根据公式（2）计算出温度一定时，不同湿度的烟气通过静电除尘器的除尘效率。

式中：η——静电除尘器的除尘效率；

Qv——静电除尘器处理的空气量，m3/s；

y1——静电除尘器进口烟气含颗粒物的浓度，g/m3；

y2——静电除尘器出口烟气含颗粒物的浓度，g/m3。

d）本实验测定颗粒物比电阻的实验仪器是GM-Ⅱ型多功能电阻率自动测定仪，应用粉末电阻率测试方法测试颗粒物的比电阻。

4 实验结果与分析

4.1 颗粒物湿度与比电阻的关系分析

从图3中可以看出实验所用颗粒物的粒径分布范围大概在 1.635～200 μm 之间，5～60 μm的粒径所占比例最大。

图3 颗粒物粒径分布

4.2 颗粒物湿度与比电阻的关系分析

从图4中可看出，在温度为80℃左右的工况下，实验所用颗粒物在不同水汽含量、即不同湿度下的比电阻值的变化规律。随着水汽含量的增加，颗粒物比电阻逐渐降低，当水汽含量达到最大值时，颗粒物的比电阻可降低一个数量级。所以，对颗粒物进行有效的加湿处理，可以显著地降低颗粒物的比电阻，以正常稳定的速度释放电荷，高效收集，同时控制烟气温度为低温范围，使颗粒物保持为中比电阻的范围，将能有效提高电除尘器的除尘效率。

图4 颗粒物比电阻与湿度的关系曲线（t=80℃）

表1 颗粒物的除尘效率

4.3 颗粒物比电阻与除尘效率的关系（表1）

从图5、图6可以看出，在温度保持不变的低温状态下，静电除尘器的除尘效率随湿度的增大而增大。比电阻在1010数量级范围内，静电除尘器的除尘效率基本保持最大范围，能够有效地抑制颗粒物的排放。由此说明，对颗粒物进行加湿处理的效果较为明显地降低了颗粒物的比电阻，从而提高了电除尘器的除尘效率；锅炉排放的高温烟气通过有效的节能处理，降低其温度，增加其湿度，颗粒物将有效地降低比电阻，通过电除尘器达到更高的除尘效率[1－3]。

5 结论

针对电除尘器烟气湿度对颗粒物收集性能影响的理论与实验研究得出如下结论：锅炉排放高温烟气的余热经有效利用之后，温度降低至80℃之左右。通过提高烟气的湿度，从而增加颗粒物的水汽含量，可以降低颗粒物的比电阻，有助于提高电除尘器的除尘效率，达到节能减排的运行效果。

图5 湿度和除尘效率关系曲线

图6 比电阻和除尘效率关系曲线

参考文献：

[1] 孙一坚，沈恒根.工业通风 [M].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[2] 包震宇.烟气湿度对高比电阻粉尘的比电阻影响 [J].工程与材料科学，2014(02)：62-63.

[3] 罗如生.不同烟温下低低温电除尘器粉尘脱除能力的比较分析 [J].龙岩学院学报，2016(04)：133-136.