兩種爐型粉煤灰電學(xué)特性的實驗研究

張燦強， 張 軍， 吳海洋， 范仁東

(1. 東南大學(xué) 能源熱轉(zhuǎn)換及其過程測控教育部重點實驗室， 南京 210096；2. 江蘇省電力設(shè)計院， 南京 210096)

兩種爐型粉煤灰電學(xué)特性的實驗研究

張燦強1， 張 軍1， 吳海洋1， 范仁東2

(1. 東南大學(xué) 能源熱轉(zhuǎn)換及其過程測控教育部重點實驗室， 南京 210096；2. 江蘇省電力設(shè)計院， 南京 210096)

選取煤粉爐和循環(huán)流化床鍋爐的粉煤灰進(jìn)行電學(xué)特性實驗研究。結(jié)果表明：溫度對粉煤灰比電阻有很大影響，且粉煤灰比電阻在150 ℃達(dá)到最大，粉煤灰比電阻隨電壓的增加而降低；在電壓8～20 kV內(nèi)，粉煤灰荷質(zhì)比隨著電壓的增加先增加而后迅速下降，粉煤灰顆粒荷電能力隨著顆粒粒徑的增加而增強。兩種爐型粉煤灰比電阻及荷質(zhì)比隨實驗單一因素變化大體走勢相同。

粉煤灰； 粒徑分布； 比電阻； 荷質(zhì)比

Abstract： Experimental studies were conducted on electrical properties of the fly ash taken from pulverized coal furnace and circulating fluidized bed boiler, respectively. Results show that temperature has a significant influence on the resistivity of fly ash, which reaches the maximum at 150 ℃, and decreases with the increase of voltage. The charge-to-mass ratio of fly ash firstly increases and then declines rapidly with the increase of voltage within 8～20 kV, the charged capacity enhances with increasing particle size of fly ash. The resistivity and charge-to-mass ratio of both the fly ash change with the single factor of experiment basically in similar trend.

Keywords： fly ash; particle size distribution; specific resistance; charge-to-mass ratio

粉煤灰是燃煤電廠的主要副產(chǎn)品，其綜合利用和高附加值利用，不僅可為燃煤電廠帶來可觀的經(jīng)濟效益，也具有顯著的環(huán)境和社會效益。我國是世界上少數(shù)幾個以煤為主要能源的國家之一，粉煤灰產(chǎn)量巨大。據(jù)了解，“十一五”末我國粉煤灰年產(chǎn)生量達(dá)4.8億t，“十二五”末粉煤灰產(chǎn)生量預(yù)測將達(dá)到5.7億t[1]。巨大的粉煤灰產(chǎn)量意味著巨大的資源量，但如不能有效利用則是大量的廢棄物，因此如何更好地進(jìn)行粉煤灰綜合利用是燃煤電廠一個重要課題。

用于混凝土、水泥等建筑材料是目前粉煤灰的最主要利用途徑，其中燒失量(主要是含碳量)是評價粉煤灰品質(zhì)的重要指標(biāo)之一[2-3]，過高的燒失量意味著灰的品級低、價值低，甚至不能利用。因此，從電廠粉煤灰中分離殘?zhí)?，一方面可有效提高粉煤灰產(chǎn)品的品級，促進(jìn)粉煤灰的綜合利用；另一方面，所分離出的碳也是一種高附加值的產(chǎn)品，可用作燃料、低值吸附劑等[4-5]。為此國內(nèi)外針對粉煤灰的提質(zhì)或回收粉煤灰中的殘?zhí)?，進(jìn)行了大量的研究和開發(fā)工作，提出了多種碳分選技術(shù)[6-7]，目前應(yīng)用最廣泛的是電選技術(shù)。電選法是利用粉煤灰中碳粒和灰粒在電性質(zhì)上的差異，通過一定的方式使顆粒荷電后利用靜電場的作用，實現(xiàn)碳和灰顆粒的分離。作為干式且成本較低的方法，電選法用于粉煤灰碳分離在國內(nèi)外得到了廣泛的關(guān)注和研究開發(fā)[8-9]。

從電選的原理考慮，分選的關(guān)鍵在于如何利用粉煤灰中的有機質(zhì)碳顆粒與無機質(zhì)灰顆粒的電學(xué)特性差異。因此，掌握粉煤灰的電學(xué)性質(zhì)對粉煤灰電選技術(shù)的研發(fā)具有重要意義。目前，我國現(xiàn)階段燃煤電廠鍋爐主要包括煤粉爐和流化床鍋爐。因此，筆者選取這兩種不同爐型粉煤灰進(jìn)行粉煤灰電學(xué)特性實驗研究，主要包括粉煤灰的比電阻和荷質(zhì)比，從而得到粉煤灰電選脫碳主要實驗因素對粉煤灰電學(xué)特性的影響結(jié)果，以進(jìn)一步補充粉煤灰電選研發(fā)所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 實驗部分

實驗選取淮南某電廠煤粉爐(簡稱淮南煤粉爐)電除塵部分粉煤灰(總含碳量為1.3%，燃煤為淮南煙煤和褐煤按3∶1比例混燒)和福建某電廠循環(huán)流化床鍋爐(簡稱福建流化床)電除塵部分粉煤灰(總含碳量為29.86%，燃煤主要為褐煤摻雜少量無煙煤)兩種粉煤灰。粉煤灰灰樣的化學(xué)組成采用ARL型號X射線熒光能譜儀進(jìn)行分析。

為了解粒徑對粉煤灰電學(xué)特性的影響，采用篩分法對兩種粉煤灰進(jìn)行了粒徑分組，各粒徑組粒徑范圍見表1。

表1 篩分后的5個粒徑組的粒徑范圍

粉煤灰中含碳量依據(jù)GB/T 212—2008 《煤的工業(yè)分析方法》進(jìn)行分析；粉煤灰比電阻則采用DR-2型高壓粉塵比電阻試驗臺[10]進(jìn)行測定。測定時先將采集好的粉煤灰灰樣放入干燥箱內(nèi)于105 ℃下干燥1 h，放置干燥器內(nèi)冷卻；然后將干燥冷卻后的粉煤灰灰樣裝入灰盤并放入電極箱內(nèi)，加載相應(yīng)電壓進(jìn)行測定。

根據(jù)以往文獻(xiàn)中荷電測定裝置[11-12]，自制了荷電測量實驗裝置，裝置系統(tǒng)見圖1。實驗裝置中采用高壓靜電場荷電方法進(jìn)行荷電。電極采用1 mm厚的不銹鋼板制成，在上下級板間四邊插入等高的絕緣棒，間距為8 cm。上極板接高壓靜電發(fā)生器；在下極板下安裝電磁振動器，并將振動器焊接在傾角為30°的板上，使整個實驗裝置傾斜。具體實驗操作步驟如下：

(1) 連接好法拉第筒及荷電測定裝置。將專用連接線的一端與數(shù)字電荷量測量儀的輸入口相連，另一端與法拉第筒外筒上的插件連接，將法拉第筒放在實驗裝置下，并用鐵絲網(wǎng)放置在法拉第筒上，以屏蔽靜電場對實驗干擾。

(2) 將干燥過的粉煤灰放在下極板上，打開高壓電源，在靜電場中進(jìn)行荷電。

(3) 打開振動器，調(diào)整振動頻率，通過振動使粉煤灰落入法拉第筒中。

(4) 讀取電荷量測定裝置上的讀數(shù)，稱量法拉第筒內(nèi)的粉煤灰灰樣的質(zhì)量，記錄數(shù)據(jù)。

圖1 粉煤灰荷電實驗裝置圖

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 粉煤灰化學(xué)成分分析

兩種粉煤灰灰樣的化學(xué)組成分析結(jié)果見表2。

表2 煤粉灰灰樣化學(xué)成分分析 %

從表2中可以看到：兩種粉煤灰灰樣的主要化學(xué)成分為SiO2、Al2O3、Fe2O3、SO3和CaO，它們所占比例之和在80%以上。粉煤灰中SiO2的含量最高，其次是Al2O3。兩種類型粉煤灰化學(xué)成分相差較大，淮南煤粉爐化學(xué)成分中SiO2高達(dá)61.14%，Al2O3也達(dá)到30.86%；而福建流化床SiO2和Al2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)則為44.52%和18.79%，但福建流化床粉煤灰中Fe2O3和SO3、CaO的含量則遠(yuǎn)高于淮南煤粉爐粉煤灰。一方面，這與兩種爐型燃燒的煤種有很大關(guān)系，淮南煤粉爐所燒煤種主要為煙煤，福建流化床所燒煤種為褐煤摻雜無煙煤；另一方面，循環(huán)流化床鍋爐在燃煤時摻雜了大量的脫硫劑石灰石或白云石，帶入了大量的CaO，同時由于脫硫劑的存在使燃煤中大量的S未以氣態(tài)形式排放出去，從而使循環(huán)流化床粉煤灰中SO3含量較高[13]。

2.2 粉煤灰比電阻實驗

粉煤灰比電阻小，導(dǎo)電性好；比電阻大，導(dǎo)電性差。依據(jù)實驗設(shè)備，實驗研究了溫度及電壓對粉煤灰比電阻的影響。

2.2.1 溫度對粉煤灰比電阻影響

選取粒徑>75 μm粉煤灰顆粒，實驗電壓為1 kV，溫度為90～200 ℃，實驗結(jié)果見圖2和圖3。

圖2 淮南煤粉爐粉煤灰比電阻隨溫度變化

圖3 福建流化床粉煤灰比電阻隨溫度變化

由圖2和圖3可以看出：福建流化床粉煤灰比電阻在109Ω·cm左右，而淮南煤粉爐粉煤灰比電阻大部分在1011Ω·cm。一方面，由X射線熒光能譜儀的分析結(jié)果，除去粉煤灰中的碳成分，淮南煤粉爐粉煤灰化學(xué)成分90%為SiO2和Al2O3，兩種主要成分導(dǎo)電性較差[14-15]；另一方面，實驗中淮南煤粉爐粉煤灰含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)(1.3%)遠(yuǎn)低于福建流化床粉煤灰(29.86%)。所以福建流化床粉煤灰比電阻小于淮南煤粉爐粉煤灰比電阻。

在圖2和圖3中，在90～150 ℃時隨溫度的增加，兩種粉煤灰比電阻迅速增加，在150 ℃達(dá)到最大；此后，隨著溫度增加到200 ℃，兩種粉煤灰比電阻呈現(xiàn)緩慢下降的趨勢。這是因為粉塵比電阻是兩種獨立導(dǎo)電機理的綜合：一種是通過粉塵內(nèi)部的體積導(dǎo)電，與工作溫度成反比的體積比電阻；另一種是沿著粒子表面進(jìn)行的表面導(dǎo)電，與工作溫度成正比的表面比電阻[16]。在溫度不高時粉煤灰比電阻主要受表面比電阻的影響，此時實驗所用粉煤灰樣品雖然經(jīng)過干燥但仍然殘留水分。低溫時水分子均勻分布于顆粒內(nèi)部，有利于粉煤灰表面導(dǎo)電，粉煤灰比電阻較小；隨著溫度的升高，水分隨著蒸發(fā)開始減小，表面導(dǎo)電作用也隨之減小，粉煤灰比電阻開始急劇升高[17]；到150 ℃粉煤灰中水分蒸發(fā)殆盡，比電阻達(dá)到最高。在150～200 ℃內(nèi)，兩種粉煤灰比電阻開始下降，此時隨著溫度上升粉煤灰表面導(dǎo)電作用影響減小，粉煤灰顆粒內(nèi)部的離子導(dǎo)電和電子導(dǎo)電作用加強，容積導(dǎo)電逐漸占優(yōu)勢對粉煤灰比電阻起主要作用，粉煤灰比電阻開始下降。

2.2.2 電壓對粉煤灰比電阻影響

選取粒徑>75 μm粉煤灰顆粒，實驗溫度為150 ℃，實驗電壓為1～3.4 kV。實驗結(jié)果見圖4和圖5。

圖4 淮南煤粉爐粉煤灰比電阻隨電壓變化

圖5 福建流化床粉煤灰比電阻隨電壓變化

由圖4和圖5可以看出：在實驗電壓為1～3.4 kV時，隨著電壓升高，粉煤灰比電阻降低；但導(dǎo)電性好的福建流化床粉煤灰比電阻下降趨勢更明顯，即導(dǎo)電性強的粉煤灰比電阻受電壓的影響較大。其原因為：實驗中粉煤灰顆粒之間存在空隙，里面有大量空氣，隨著實驗電壓的增加，粉煤灰空隙中空氣被電離氣體也逐漸增多[18]，粉煤灰中導(dǎo)電粒子增加，粉煤灰比電阻減?。环勖夯页煞謴?fù)雜，其導(dǎo)電過程主要以導(dǎo)電通路理論、電子隧道效應(yīng)理論和場致發(fā)射理論三種機理作用而成[19-20]。粉煤灰中很大一部分導(dǎo)電粒子相互之間并不能直接接觸，形成“勢壘”阻擋，在沒有外加電場情況下，處于絕緣狀態(tài)。隨著外加電壓增加，粉煤灰中電荷載流子獲得能量，克服“勢壘”阻擋，實現(xiàn)粒子躍遷，并形成新的導(dǎo)電鏈，粉煤灰電阻會出現(xiàn)下降[21]。而比電阻小的粉煤灰中導(dǎo)電性好的粒子更多，隨著外加電壓的增加更易克服“勢壘”阻擋，所以流化床粉煤灰比電阻隨電壓增加下降趨勢更明顯。

2.3 粉煤灰荷電實驗

實驗依據(jù)自制裝置，研究了電壓和粉煤灰顆粒粒徑對粉煤灰荷質(zhì)比的影響。粉煤灰荷質(zhì)比是相同質(zhì)量粉煤灰的荷電量，表征粉煤灰的荷電能力。實驗所用高壓電源帶負(fù)電，故實驗上極板帶負(fù)電，下極板帶正電。

2.3.1 不同電壓下荷電

為排除粉煤灰粒徑對粉煤灰荷質(zhì)比實驗結(jié)果的影響，選取粒徑>75 μm的粉煤灰進(jìn)行試驗，兩種爐型粉煤灰灰樣在不同電壓(8～20 kV)下的荷質(zhì)比見圖6和圖7。由圖6和圖7可知：隨著電壓的升高，兩種爐型粉煤灰荷質(zhì)比都是先增加而后迅速降低。其原因為：粉煤灰中以碳粒為主的導(dǎo)體在帶正電的下極板上荷正電，由于電場力作用而升起，在重力的作用下落入法拉第筒中，下極板上導(dǎo)電性差的灰粒會在靜電場部分也會帶上正電，但荷電量不足以讓其浮起，在振動器作用下落入筒中，從而使粉煤灰總體荷電量為正；在8～10 kV內(nèi)隨著電壓升高荷電量增加，并在10 kV達(dá)到最大，隨著實驗電壓的升高，電暈荷電影響增強，極間負(fù)離子濃度增加[22]，導(dǎo)致在電場力作用升起的荷電粒子電荷更易被中和并帶上負(fù)電，粉煤灰荷質(zhì)比不斷下降，煤灰荷質(zhì)比數(shù)值由正變負(fù)。可以看出：在電壓較低時粉煤灰主要以傳導(dǎo)感應(yīng)荷電為主，且在10 kV時傳導(dǎo)感應(yīng)荷電的影響達(dá)到最強；隨著電壓增加電暈荷電的影響逐漸增強，當(dāng)實驗電壓高于14 kV時粉煤灰逐漸以電暈荷電方式為主進(jìn)行荷電。

圖6 淮南煤粉爐粉煤灰荷質(zhì)比隨電壓變化

圖7 福建流化床粉煤灰荷質(zhì)比隨電壓變化

而由圖6和圖7對比可見：隨著電壓增加荷電方式的改變，流化床粉煤灰荷質(zhì)比曲線變化幅度更大，相同電壓下流化床粉煤灰荷質(zhì)比數(shù)值高于煤粉爐粉煤灰；含碳量高的流化床粉煤灰荷電能力較強，粉煤灰中含碳量的高低直接影響粉煤灰的荷電能力；粉煤灰中以碳粒為主的導(dǎo)體含量增高，粉煤灰荷電能力也隨之增強。

2.3.2 不同粒徑組荷電

由不同電壓下粉煤灰荷質(zhì)比實驗可知，粉煤灰含碳量變化對粉煤灰荷質(zhì)比有較大影響。為排除粉煤灰含碳量對粉煤灰荷質(zhì)比實驗影響，實驗采用含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)在2%左右的淮南煤粉爐粉煤灰進(jìn)行實驗，實驗電壓分別為10 kV和18 kV，結(jié)果見圖8。

圖8 不同粒徑粉煤灰顆粒荷質(zhì)比

實驗粉煤灰顆粒粒徑一般在1 μm以上，在電場中主要是電場荷電；而實驗中荷電時間較長，粒子能很快達(dá)到飽和狀態(tài)，所以電場荷電Qf的計算公式可簡化為：

(1)

式中：Qf為電場荷電量，C；ε為粒子相對介電常數(shù)；ε0為真空介電常數(shù)；E為荷電場強，V/m；dp為顆粒粒徑，μm。

實驗中粉煤灰荷質(zhì)比為單位質(zhì)量，即1 g粉煤灰的荷電量，故根據(jù)式(1)，可得：

(2)

式中：qf為粉煤灰電場荷電荷質(zhì)比，C/g；m為物料質(zhì)量，g。

由式(2)可以看出粉煤灰荷質(zhì)比qf與粉煤灰粒徑dp2成正比。顆粒粒徑越大，粉煤灰顆粒荷電能力越強，粉煤灰荷質(zhì)比增加越快[23]。

此外由圖6和圖7可知：在實驗電壓為10 kV時，粉煤灰傳導(dǎo)感應(yīng)荷電影響達(dá)到最強，故粉煤灰荷質(zhì)比為正值。實驗電壓為18 kV時粉煤灰主要以電暈荷電方式進(jìn)行荷電，隨著粒徑增加粉煤灰荷質(zhì)比數(shù)值先為正后為負(fù)。由圖8的實驗結(jié)果進(jìn)一步可以得出：隨著電壓增加，粉煤灰的荷電方式由以傳導(dǎo)感應(yīng)荷電為主逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐噪姇灪呻姙橹?。?dāng)粉煤灰粒徑<38 μm時，粉煤灰荷電量較少，荷電能力較弱。隨著粉煤灰粒徑增加，粉煤灰荷電量迅速增加，并在粒徑為>75 μm時達(dá)到最大。對于高壓電選脫碳粒徑大的粉煤灰顆粒荷電能力更強，在進(jìn)行粉煤灰電選脫碳時，需考慮粒徑對電選效果的影響。

3 結(jié)語

(1) 粉煤灰的比電阻與溫度及電壓有關(guān)。在90～200 ℃時，粉煤灰的比電阻在150 ℃左右達(dá)到最大；150 ℃時粉煤灰比電阻隨電壓升高而降低。

(2) 粉煤灰中含碳量的高低直接影響粉煤灰的荷電能力，粉煤灰中以碳粒為主的導(dǎo)體含量增高，粉煤灰荷電能力也隨之增強；相同電壓下，粉煤灰荷電量隨著粒徑的增加而增加；當(dāng)粉煤灰粒徑>38 μm時，粉煤灰顆粒荷電能力有顯著增加。

(3) 兩種不同爐型粉煤灰比電阻及荷質(zhì)比隨實驗單一因素變化大體走勢相同。其中，溫度則對粉煤灰的比電阻有很大影響，電壓、粉煤灰顆粒粒徑及含碳量對粉煤灰荷電特性有較大的影響。

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ExperimentalResearchonElectricalCharacteristicsofFlyAshfromTwoTypesofFurnaces

Zhang Canqiang1, Zhang Jun1, Wu Haiyang1, Fan Rendong2

(1. Key Laboratory of Energy Thermal Conversion and Control of Ministry of Education, Southeast University, Nanjing 210096, China;2. Jiangsu Electric Power Design institute, Nanjing 210096, China)

2016-10-09；

2017-01-10

張燦強(1992—)，男，在讀碩士研究生，研究方向為粉煤灰綜合利用。

E-mail: 342325579@qq.com

TQ536.4

A

1671-086X(2017)05-0310-05