燃煤電廠粉塵比電阻及其測(cè)試方法研究

劉含笑，酈建國(guó)，姚宇平，沈志昂，朱少平

（浙江菲達(dá)環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?，浙江 諸暨 311800）

雖然我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平逐年提升，但環(huán)境形勢(shì)也日益嚴(yán)峻，尤其近幾年霧霾、酸雨等災(zāi)害性天氣頻發(fā)，面對(duì)如此嚴(yán)峻的環(huán)境壓力，作為“用煤大戶”的燃煤電廠首當(dāng)其沖。由于環(huán)境容量有限等原因，各地紛紛出臺(tái)了相關(guān)約束政策。如江蘇省、浙江省、山西省、廣東省等地部分燃煤電廠已參考燃機(jī)標(biāo)準(zhǔn)限值，即要求實(shí)現(xiàn)“超低排放”，要求排放限值（6%O2）：煙塵：5mg／m3、SO2：35mg／m3、NOx：50mg／m3。2014年9月12日，國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)、環(huán)境保護(hù)部、國(guó)家能源局聯(lián)合發(fā)布的《煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃（2014—2020年）》（發(fā)改能源［2014］2093號(hào)文），要求東部地區(qū)基本達(dá)到燃機(jī)標(biāo)準(zhǔn)，要求排放限值（6%O2）：煙塵：10mg／m3、SO2：35mg／m3、NOx：50mg／m3，中部地區(qū)原則上接近或達(dá)到燃機(jī)標(biāo)準(zhǔn)，鼓勵(lì)西部地區(qū)接近或達(dá)到燃機(jī)標(biāo)準(zhǔn)［1］。

如此高的煙塵排放要求給除塵行業(yè)帶來(lái)了不小的挑戰(zhàn)，而國(guó)內(nèi)目前80%以上燃煤電廠使用電除塵器。由電除塵器的除塵原理可知，其除塵性能的好壞與粉塵比電阻直接相關(guān)，而我國(guó)煤種復(fù)雜多變，比電阻值也不盡相同，針對(duì)不同煤種時(shí)電除塵的除塵效果或適應(yīng)性會(huì)有很大差異。因此，準(zhǔn)確測(cè)試或計(jì)算粉塵比電阻并確定粉塵比電阻的主要影響因素，對(duì)電除塵器結(jié)構(gòu)優(yōu)化、性能提升以及電除塵器對(duì)煤種的適應(yīng)性研究具有重要意義。

1 粉塵比電阻定義

粉塵的比電阻=（粉塵的電阻×電流流過(guò)的橫截面積）÷粉塵層厚度，單位為Ω·cm。另外，粉塵的比電阻還可以定義為粉塵層兩端面的電場(chǎng)強(qiáng)度÷所產(chǎn)生的電流密度。

從電除塵器對(duì)粉塵的適應(yīng)性出發(fā)，比電阻小于104Ω·cm的粉塵稱為低比電阻粉塵，比電阻大于1011Ω·cm粉塵稱為高比電阻粉塵（有時(shí)將比電阻大于1012Ω·cm粉塵稱為高比電阻粉塵），比電阻范圍在104～1011Ω·cm的粉塵稱為中比電阻粉塵［2］。粉塵比電阻直接影響粉塵的荷電特性，對(duì)于中比電阻粉塵，電除塵器可以實(shí)現(xiàn)較好的除塵效果，粉塵比電阻過(guò)低時(shí)，易產(chǎn)生二次揚(yáng)塵，導(dǎo)致除塵效率下降，當(dāng)粉塵比電阻過(guò)高時(shí)，易產(chǎn)生反電暈，也會(huì)導(dǎo)致除塵效率下降。

2 粉塵比電阻的影響因素

影響粉塵比電阻的因素有粉塵本身的固有因素、煙氣因素、測(cè)試因素等。其中，粉塵本身的固有因素包括：粉塵形狀、成分、孔隙率、粒徑分布等，煙氣因素包括：煙氣濕度、溫度、成分等。

（1）粉塵本身固有因素。劉玉順等［3］通過(guò)理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方法，研究了粉塵孔隙率對(duì)粉塵比電阻的影響，并給出較為合理的比電阻-孔隙率關(guān)系式。章湘華［4］通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法，測(cè)試了不同粉塵成分時(shí)的粉塵比電阻，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1，其中電廠的粉塵比電阻與其含碳量有很大關(guān)系。

表1 不同粉塵成分對(duì)應(yīng)的粉塵比電阻測(cè)試值

（2）煙氣因素。文獻(xiàn)［4］研究表明，適當(dāng)增加煙氣濕度可降低粉塵比電阻，提高除塵效率，對(duì)于環(huán)境溫度下測(cè)試粉塵比電阻時(shí)，加入3%～10%的水，可使粉塵的比電阻下降1～2個(gè)數(shù)量級(jí)。適當(dāng)改變煙氣的成分，如加入氨氣或三氧化硫，也可降低粉塵比電阻，即我們常說(shuō)的煙氣調(diào)質(zhì)技術(shù)。

關(guān)于煙氣溫度、煤種類型與粉塵比電阻的關(guān)系，三菱重工做了大量研究，如圖1所示［5-7］。

對(duì)于低堿低硫煤，300℃～400℃（高溫區(qū)域）和120℃～150℃（低溫區(qū)域）的比電阻都明顯超過(guò)其反電暈臨界比電阻值，而90℃左右（低低溫區(qū)域）在反電暈臨界比電阻值以下。低低溫電除塵器的荷電穩(wěn)定，除塵效率大幅上升。

對(duì)于低堿高硫煤，比電阻值在高溫、低溫區(qū)域中，均超過(guò)或接近反電暈臨界比電阻值，而在低低溫區(qū)域，其比電阻值降至反電暈臨界比電阻值以下，除塵效率可大幅上升。

對(duì)于高堿低硫煤和高堿高硫煤，比電阻在高溫、低溫、低低溫區(qū)域中，均小于其反電暈臨界比電阻值，但低低溫區(qū)域與低溫區(qū)域相比，比電阻下降還是比較明顯的。

圖1 不同煤種粉塵比電阻與煙氣溫度的關(guān)系

3 粉塵比電阻的測(cè)試方法

根據(jù)測(cè)試對(duì)象的不同，粉塵比電阻的測(cè)試方法可以分為實(shí)驗(yàn)室比電阻測(cè)試方法和工況比電阻測(cè)試方法兩種。根據(jù)測(cè)試溫度不同，粉塵比電阻測(cè)試方法也可分為常規(guī)比電阻測(cè)試方法和高溫比電阻測(cè)試方法，其中高溫比電阻測(cè)試方法要求可以測(cè)量600℃甚至更高溫度條件下的粉塵比電阻，主要是為了適應(yīng)高溫電除塵技術(shù)發(fā)展的需要［8］。本文僅從測(cè)試對(duì)象的角度闡述粉塵比電阻的主要測(cè)試方法。

3.1 粉塵實(shí)驗(yàn)室比電阻測(cè)試

實(shí)驗(yàn)室比電阻測(cè)試就是將粉塵樣本拿到實(shí)驗(yàn)室，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行比電阻的測(cè)試。根據(jù)測(cè)試電極形狀的不同可分為平板電極法（又稱圓盤(pán)法）、同心圓筒電極法、梳式電極法、槽形電極、探針電極等［9-10］。其中，圓盤(pán)法的使用最為普遍，其測(cè)電器如圖2所示。測(cè)定器通過(guò)下部的金屬盛灰圓盤(pán)盛被測(cè)灰樣，盛灰盤(pán)下接負(fù)電極，被測(cè)粉塵層的上表面設(shè)置一個(gè)可上下移動(dòng)的圓盤(pán)式電極（正電極）。該測(cè)定器置于控制箱內(nèi)，控制箱可調(diào)節(jié)溫度和濕度。在測(cè)定粉塵實(shí)驗(yàn)室比電阻時(shí)，先將粉塵樣品自然堆滿粉塵盤(pán)，然后用刮尺輕輕刮平，將上端的圓盤(pán)電極置于粉塵層的正中心，陷入粉塵層厚度不得超過(guò)0.5cm。調(diào)節(jié)箱調(diào)整到所需溫度和濕度，測(cè)試時(shí)根據(jù)高壓供電裝置的電壓和電流值以及圓盤(pán)面積和粉塵層厚度等就可計(jì)算出粉塵的實(shí)驗(yàn)室比電阻。

圖2 圓盤(pán)測(cè)定器

槽形電極如圖3所示［11］。它由2個(gè)方形的不銹鋼電極和絕緣組件構(gòu)成，將被測(cè)粉塵樣品放置于2個(gè)方形電極之間，然后測(cè)試時(shí)根據(jù)高壓供電裝置的電壓和電流值以及槽形電極的尺寸計(jì)算出粉塵的實(shí)驗(yàn)室比電阻。

圖3 測(cè)試實(shí)驗(yàn)槽

3.2 粉塵工況比電阻測(cè)試

粉塵工況比電阻是指在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行比電阻測(cè)試，確切的說(shuō)不僅是測(cè)試粉塵比電阻，更是煙氣+粉塵的比電阻，而且實(shí)際煙氣具有一定濕度，尤其是對(duì)于低低溫電除塵器，當(dāng)煙氣低于酸露點(diǎn)后，煙氣中三氧化硫會(huì)冷凝成硫酸霧，而此時(shí)的工況比電阻應(yīng)該是“氣、液、固”三相混合煙塵的比電阻。

對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)粉塵工況比電阻的測(cè)試方法，按照集塵方式的不同，可以分為靜電法和機(jī)械法［12］。

靜電法的集塵原理與電除塵類似，主要由高壓電源和一對(duì)電極組成，比較典型的是探針—圓盤(pán)電極形式，當(dāng)正負(fù)電極通電后，探針和圓盤(pán)之間形成一個(gè)高壓電場(chǎng)，含塵煙氣通過(guò)該區(qū)域時(shí)，粉塵顆粒被電場(chǎng)力捕集下來(lái)，當(dāng)灰樣厚度達(dá)到足夠值后，即可通過(guò)電阻測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)試。

機(jī)械法主要是通過(guò)旋風(fēng)或過(guò)濾等方法收集灰樣，灰樣收集在儲(chǔ)灰筒內(nèi)，儲(chǔ)灰筒內(nèi)布置有正負(fù)電極，當(dāng)收集一定厚度的灰樣后即可通過(guò)電阻測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)試。

原永濤等［13-14］研發(fā)了一種粉塵工況比電阻測(cè)試裝置，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)如圖4所示，采樣裝置結(jié)構(gòu)圖如圖5所示，屬于機(jī)械集塵法中的過(guò)濾式集塵法，測(cè)試電極為同心圓筒電極。煙氣中的懸浮顆粒在真空泵的抽吸動(dòng)力作用下進(jìn)入采樣嘴，并沉積于剛玉濾筒內(nèi)同心圓筒電極之間的環(huán)形空間中，電極經(jīng)高溫導(dǎo)線與主機(jī)連接，在主機(jī)上讀取電阻值，并根據(jù)探頭的電極系數(shù)換算得到所采集飛灰的比電阻值。

圖4 飛灰比電阻測(cè)試系統(tǒng)

圖5 飛灰采樣裝置結(jié)構(gòu)圖

3.3 兩種測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比

原永濤等［15］研究了上述兩種測(cè)試方法對(duì)于同一灰源的測(cè)試數(shù)據(jù)，結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)室比電阻與工況比電阻數(shù)值之間存在不同程度的差異，由于濕度或酸性氣體（主要是三氧化硫）等的影響，通常前者要比后者的數(shù)據(jù)低1～3個(gè)數(shù)量級(jí)，該結(jié)論與國(guó)外的某些資料報(bào)道是一致的。由于測(cè)試的灰源有限，對(duì)于部分高硫煤地區(qū)的差異是否會(huì)更大，還有待進(jìn)一步調(diào)查分析。

4 粉塵比電阻的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)

目前，國(guó)內(nèi)粉塵比電阻測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)主要有GB 12476.9、GB／T 16913、JBT 8537，如表2所示。其中GB 12476.9規(guī)定的測(cè)試方法屬于實(shí)驗(yàn)室比電阻測(cè)試方法中的槽形電極法，與之對(duì)應(yīng)的國(guó)國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)是IEC 1241-2-2；JBT 8537規(guī)定的測(cè)試方法屬于實(shí)驗(yàn)室比電阻測(cè)試方法中的圓盤(pán)法，與之對(duì)應(yīng)的國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)是BS 5958-1和 ASME PTC 28 4.05；GB／T 16913中既規(guī)定了圓盤(pán)法測(cè)試實(shí)驗(yàn)室比電阻，也規(guī)定了機(jī)械法測(cè)試工況比電阻［16-19］。

表2 粉塵比電阻測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)

5 結(jié)語(yǔ)

中比電阻粉塵較適用于電除塵器脫除，而影響粉塵比電阻的影響因素眾多，如何通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試或現(xiàn)場(chǎng)工況測(cè)試的方法準(zhǔn)確得到粉塵的比電阻值，是研究粉塵比電阻與電除塵器除塵效率關(guān)系的關(guān)鍵。今后研究重點(diǎn)可以放在以下幾個(gè)方面。

（1）實(shí)驗(yàn)室比電阻（圓盤(pán)法）與工況比電阻（機(jī)械收塵法）數(shù)據(jù)對(duì)比。

（2）工況比電阻與煙氣溫度（尤其是煙氣酸露點(diǎn)前后）、濕度、三氧化硫濃度等的關(guān)系。

（3）基于粉塵比電阻研究結(jié)果，指導(dǎo)電除塵器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高其除塵性能。

［1］ 中國(guó)環(huán)境保護(hù)產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)電除塵委員會(huì).超低排放進(jìn)一步促進(jìn)煤電綠色發(fā)展［N］.中國(guó)環(huán)境報(bào)，2015-1-15（10）.

［2］ 全國(guó)環(huán)保產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)環(huán)境保護(hù)機(jī)械分技術(shù)委員會(huì)，電除塵器［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2011.

［3］ 劉玉順，馬立曉，張國(guó)權(quán).粉塵孔隙率對(duì)比電阻影響的研究［J］.水利電力勞動(dòng)保護(hù)，1994，3（1）：22-25.

［4］ 章湘華.影響粉塵比電阻的主要因素［J］.工業(yè)安全與環(huán)保，2011，37（6）：34-35.ZHANG Xiang-hua.Major influence factors for dust specific resistance［J］.Industrial Safety and Dust Control，2011，37（6）：34-35.

［5］ Yoshio Nakayama，Satoshi Nakamura，Yasuhiro Takeuchi，et al.MHI High Efficiency System-Proven technology for multi pollutant removal［R］.Hiroshima Research＆ Development Center.2011：1-11.

［6］ Masami Kato，Tadashi Tanaka，Yasuki Nishimura，et al.Method and system for handling exhaust gas in a boiler.USA 5282429［P］.1994-02-1.

［7］ 酈建國(guó)，酈祝海，何毓忠，等.低低溫電除塵技術(shù)的研究及應(yīng)用［J］.中國(guó)環(huán)保產(chǎn)業(yè)，2014（3）：28-34.LI Jian-guo，LI Zhu-hai，HE Yu-zhong，et al.Research and application on electric precipitation technology with low-low temperature［J］.China Environmental Protection Industry，2014（3）：28-34.

［8］ 孫真真，姚宇平，尹得仕.高溫粉塵比電阻測(cè)量裝置的研制［C］.第15屆電除塵學(xué)術(shù)會(huì)議論文集，2013.

［9］ 高維英，盧澤鋒，傅啟文.粉塵比電阻測(cè)試技術(shù)及其新進(jìn)展［J］.華電技術(shù)，2008，30（5）：33-35.GAO Wei-ying，LU Ze-feng，F(xiàn)U Qi-wen.The measure technique of dust resistivity and its new advance［J］.Water Conservancy ＆ Electric Power Machinery，2008.30（5）：33-35.

［10］ 渠亞?wèn)|.粉塵比電阻測(cè)試方法的研究［J］.河北建筑科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，22（3）：14-16.QU Ya-dong.Research on the measuring method of dust specific electric resistance［J］.Journal of Hebei Institute of Architectural Science and Technology，2005，22（3）：14-16.

［11］ 張引合.粉塵層比電阻測(cè)定裝置的研制［J］.礦業(yè)安全與環(huán)保，2013，40（3）：33-35.ZHANG Yin-he.Development of measuring device for dust layer specific resistance［J］.Mining Safety ＆ Environmental Protection，2013，40（3）：33-35.

［12］ 黎在時(shí).過(guò)濾式金屬網(wǎng)格型工況粉塵比電阻測(cè)定［J］.鐵道勞動(dòng)安全衛(wèi)生與環(huán)保，1987（2）：4-6.

［13］ 原永濤.飛灰比電阻的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量［J］.華北電力技術(shù)，1995（2）：18-20.

［14］ 原永濤，潘小琳.粉塵比電阻參數(shù)在電除塵器技改工程中的科學(xué)運(yùn)用［C］.第15屆電除塵學(xué)術(shù)會(huì)議論文集，2013.

［15］ 原永濤，齊立強(qiáng).飛灰比電阻現(xiàn)場(chǎng)和實(shí)驗(yàn)室測(cè)定方法對(duì)比分析［J］.華北電力技術(shù)，2002（2）：22-23.YUAN Yong-tao，QI Li-qiang.Comparison of measuring fly-ash resistivity at field with that in laboratory［J］.North China Electric Power，2002（2）：22-23.

［16］ 國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫檢總局，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB12476.9—2010，可燃性粉塵環(huán)境用電氣設(shè)備：第9部分：試驗(yàn)方法：粉塵層電阻率的測(cè)定方法［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2010.

［17］ 國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫檢總局，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB／T 16913—2008，粉塵物性試驗(yàn)方法［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

［18］ 中國(guó)機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會(huì)，機(jī)械工業(yè)環(huán)境保護(hù)機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).JB／T 8537—2010，粉塵比電阻實(shí)驗(yàn)室測(cè)試方法［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2010.

［19］ 王 健，鐘圣俊，靳 鑫，等.粉塵比電阻不同測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)比分析［J］.中國(guó)粉體技術(shù)，2012，18（5）：24-26，31.WANG Jian，ZHONG Sheng-jun，JIN Xin，et al.Comparative analysis of different standards for testing dust resistivity［J］.China Powder Science and Technology，2012，18（5）：24-26，31.