基于Bickelhaupt R模型的飛灰比電阻特性分析

劉含笑，酈建國，姚宇平，沈志昂，朱少平，方小偉，楊浩鋒

(浙江菲達環保科技股份有限公司，浙江 諸暨 311800)

基于Bickelhaupt R模型的飛灰比電阻特性分析

劉含笑，酈建國，姚宇平，沈志昂，朱少平，方小偉，楊浩鋒

(浙江菲達環保科技股份有限公司，浙江 諸暨 311800)

飛灰比電阻的計算模型對于預測電除塵性能至關重要。闡述了飛灰工況比電阻計算方法，并通過數學模型預測方式，探討了煙氣溫度、SO3含量及飛灰成分等對飛灰工況比電阻的影響，旨在為研究飛灰特性與電除塵器性能關系提供借鑒。

燃煤電廠；工況比電阻；電除塵器

飛灰比電阻指的是面積為1 cm2、厚度為1 cm的飛灰粉塵層的電阻值，又稱為電阻率[1]。據統計，飛灰比電阻小于104Ω·cm 的被稱為低比電阻粉塵，大于1011Ω·cm(有時是1012Ω·cm)被稱為高比電阻粉塵，104～1011Ω·cm 的飛灰粉塵稱為中比電阻粉塵[2]。飛灰比電阻直接影響其荷電特性，飛灰比電阻過低時，易產生二次揚塵；飛灰比電阻過高時，易產生反電暈，均會導致除塵效率低下，唯有中比電阻粉塵可實現較好的電除塵除塵效果。

三菱重工對不同溫度條件下煤種類型與飛灰比電阻的關系進行了大量研究，如圖1所示[3-4]，低低溫狀態下，飛灰比電阻均在反電暈臨界比電阻值以下。靳星[5]研究了飛灰工況比電阻與溫度的關系，如圖2所示。對于工況比電阻，相同煤種，低低溫工況時比電阻值明顯低于常溫工況。

圖1 不同煤種粉塵比電阻與煙氣溫度的關系

圖2 工況比電阻與溫度的關系

1 飛灰比電阻計算模型

飛灰比電阻的計算模型對于預測電除塵性能至關重要。煙氣溫度、濕度及飛灰成分對比電阻皆有影響，通常在150℃以內，溫度越高，飛灰比電阻越高；濕度越高，飛灰比電阻就越低；飛灰成分對飛灰比電阻的影響較為復雜。根據飛灰比電阻的影響因素，其計算模型主要對飛灰主要的化學成分、煙氣濕度和電場強度等參數進行歸一化處理后擬合而成[6-13]。

R.E.Bickelhaupt等基于實驗室模擬工況條件下測試的多組飛灰比電阻數據，通過統計分析方法，建立了一套較為完整的飛灰比電阻計算模型。這里采用Bickelhaupt R計算模型分析飛灰比電阻值的影響因素，該計算模型對飛灰表面比電阻、體積比電阻分別進行計算，涉及飛灰成分、場強和煙氣條件等因素。飛灰體積比電阻、表面比電阻的計算公式為

ρv=exp(-1.891 6lnX-0.969 6lnY+1.237lnZ+
3.628 76-0.069 078E+9 980.58/T)

(1)

ρs=exp(27.597 74-2.233 348lnX-0.00176W-
0.069 078E-0.000 738 95Wexp(2 303.3/T))

(2)

式中ρv、ρs——飛灰體積比電阻、表面比電阻；X、Y、Z——Li+Na、Fe、Mg+Ca的原子質量分數；E——電場強度；T——溫度；W——水汽含量。

當Z>3.5%或K<1.0%時(K為鉀元素的原子質量分數)，總比電阻計算公式為

(3)

工況比電阻需考慮飛灰表面沉積的硫酸霧對其比電阻的影響時，其修正量公式為

ρa=exp(59.067 7-0.854 72CSO3-
13 049.47/T-0.069 078E)

(4)

此時，工況比電阻計算公式為

(5)

2 飛灰成分及飛灰比電阻計算值

選取華能長興電廠660 MW機組的設計煤種為研究對象，經分析，其飛灰主要成分如表1所示。另外，根據控制冷凝法實測數據表明，當煙氣冷卻器退出運行時，電除塵器入口煙氣中SO3含量為5.04 mg/L。

表1 華能長興電廠設計煤種飛灰成分析 %

根據式(1)～式(5)及表1中飛灰成分分析數據，計算得到飛灰工況比電阻計算數據如圖3所示。結果表明，煙氣中SO3可有效降低飛灰比電阻，并且溫度越低，SO3濃度對飛灰比電阻的影響程度越大，飛灰比電阻值越低。

圖3 長興電廠設計煤種飛灰工況比電阻計算值

3 飛灰比電阻計算結果的影響分析

以華能長興電廠660 MW機組的設計煤種的飛灰分成為基準，在不考慮SO3修正時，探討不同的X(Li+Na原子質量分數)、Y(Fe原子質量分數)、Z(Mg+Ca原子質量分數)、電場強度E(kV/cm)、水汽含量W時對飛灰比電阻ρvs的影響，計算結果如圖4所示。不同成分變化情況下，在煙氣溫度低于150℃時，飛灰比電阻均隨著煙氣溫度的降低而降低。

X增加可較大幅度的降低飛灰比電阻，這是因Li2O、Na2O均具有離子導電性，在表面導電和體積導電兩方面均有明顯作用。相關研究用化學傳遞實驗的方式，在給定電場條件下，煙氣溫度控制在表面傳導有效溫度時，經一段時間后發現Li、Na在陽極和陰極的重量，質量變化規律表明Li、Na離子向陰極移動，并且Na的遷移更為明顯，證實了Li、Na的導電性。

在150℃以下時，Y對飛灰比電阻影響不大，但煙氣溫度較高時，影響較為明顯，Fe原子質量分數越高，飛灰比電阻越低。Y會影響飛灰熔融性，一般飛灰中氧化鐵含量越高，飛灰顆粒越粗大，有利于降低比電阻；且氧化鐵屬于磁性物質，外加電壓可使顆粒帶電產生磁性，吸引周圍帶電磁粒，產生所謂“導電通徑”，降低比電阻；另有研究表明，在較高煙氣溫度下，飛灰玻璃體中鐵可以改變該相的結構，可強化Li、Na等離子遷移，降低飛灰比電阻。

Z越高，飛灰比電阻越高。這主要是因為Ca、Mg均為高嶺土成份，煤粉高嶺土含量越高，燃燒過程中灰不易聚結，導致飛灰粒度變細，提高了飛灰比電阻值。飛灰中Ca、Mg還會削弱與SO3和水生成硫酸鹽，降低了煙氣自我調質作用。

電場強度E(kV/cm)對飛灰比電阻在各個溫度段的影響均不大。水汽含量W(%)對飛灰比電阻影響較大，且溫度越低，影響越大。水分容易在飛灰表面吸附，可導致灰中一些氧化物溶解其水解產物可與SO3一起構成酸比電阻，提高飛灰導電特性。

圖4 未考慮SO3修正時飛灰比電阻計算值

根據式(4)、式(5)，對飛灰比電阻ρvs進行修正，計算工況比電阻ρvsa結果如圖5所示。煙氣中SO3含量對飛灰比電阻的影響至關重要，含量越高，比電阻越低，SO3含量相差一個數量級時，飛灰比電阻可相差3個數量級以上。

圖5 考慮SO3修正時飛灰比電阻計算值

4 測試與計算結果的比對分析

采用華北電力大學研制的飛灰工況比電阻測試儀器對長興電廠飛灰比電阻進行現場實測，測試數據及與計算結果對比如圖6所示。隨著煙氣溫度降低規律是一致的，但絕對值是實測值高于計算值，可能是因為現場采樣過程中圓形電極內飛灰較為松散所致，或該計算公式基于國外煤種擬合而成，以此預測國內煤種飛灰比電阻，會有較大偏差。

圖6 長興電廠飛灰實驗室比電阻計算值與測試值對比

5 結語

本文通過Bickelhaupt R計算模型對飛灰比電阻進行預測分析，并探討了煙氣溫度、SO3含量及飛灰成分等對對飛灰工況比電阻的影響。

(1) 飛灰比電阻隨著煙氣溫度的降低而降低。

(2)X增加可較大幅度的降低飛灰比電阻，這是因Li2O、Na2O均具有離子導電性，在表面導電和體積導電兩方面均有明顯作用。

(3)Y越高，飛灰比電阻越低。Y影響飛灰顆粒力度，并且氧化鐵屬于磁性物質，外加電壓可使顆粒帶電產生磁性，降低比電阻

(4)Z越高，飛灰比電阻越高。Z影響飛灰顆粒粒度，且降低煙氣自我調質作用。

(5) 電場強度對飛灰比電阻在各個溫度段的影響均不大，水汽含量W(%)對飛灰比電阻影響較大，且溫度越低，影響越大。

(6) 煙氣中SO3含量對飛灰比電阻的影響至關重要，含量越高，比電阻越低，SO3含量相差一個數量級時，飛灰比電阻可相差3個數量級以上。

(7) 還需在本文基礎上進一步積累工況比電阻實測數據，建立數據庫，對比電阻預測公式進行修正。

[1]劉含笑, 酈建國, 姚宇平, 等. 燃煤電廠粉塵比電阻及其測試方法研究[J]. 電力與能源, 2015, 36(4): 558-561.

LIU Hanxiao, LI Jianguo. YAO Yuping, et al. Dust specific resistance and its test method in coal-fired power plants[J]．Power & Energy，2015, 36(4)：558-561.

[2]全國環保產品標準化技術委員會環境保護機械分技術委員會, 浙江菲達環保科技股份有限公司. 電除塵器[M]. 北京:中國電力出版社, 2011.

[3]YOSHIO N，SATOSHI N，YASUHIRO T，et al. MHI High Efficiency System-Proven technology for multi pollutant removal[R].Hiroshima Research & Development Center. 2011：1-11.

[4]MASAMI K，TADASHI T，YASUKI N，et al. Method and system for handling exhaust gas in a boiler.USA 5282429[P].1994-02-01.

[5]靳星. 靜電除塵器內細顆粒物脫除特性的技術基礎研究[D]. 清華大學，2013.

[6]BICKELHAUPT R E, SPARKS L E. Predicting fly ash resistivity—an evaluation[J]. Environment International, 1981, 6(1): 211-218.

[7]趙毅, 原永濤. 影響飛灰比電阻因素的探討[J].電力環境保護, 1996, 12(4)：1-6.

[8]BICKELHAUPT R. A technique for predicting fly ash resistivity: final report, November 1975—May 1979[R]. Birmingham,USA: Southern Research Institute, 1979.

[9]ARRONDEL V, SALVI J, GALLIMBERTI I, et al. ORCHIDEE: efficiency optimisation of coal ash collection in electrostatic precipita-tors[C]∥9th International Conference on Electrostatic Precipitation. Mpumalanga, South Africa, 2004.

[10]張緒輝. 低低溫電除塵器對細顆粒物及三氧化硫的協同脫除研究[D]. 北京：清華大學，2015.

[11]閆克平，李樹然，馮衛強，等. 高電壓環境工程應用研究關鍵技術問題分析及展望[J].高電壓技術，2015，41(8)：2528-2544.

YAN Keping, LI Shuran, FENG Weiqiang, et al. Analysis and prospect on key technology of high-voltage discharge for environmental engineering study and application[J]．High Voltage Engineering，2015, 41( 8)：2528-2544.

[12]中國環境保護產業協會電除塵委員會. 燃煤電廠煙氣超低排放技術[M]. 北京:中國電力出版社,2015.

(本文編輯：趙艷粉)

Research of Ash Resistivity Based on Bickelhaupt R Model

LIU Hanxiao, LI Jianguo, YAO Yuping, SHEN Zhiang, ZHU Shaoping, FANG Xiaowei, YANG Haofeng

(Feida Environmental Protection Technology Co., Ltd., Zhejiang 311800, China)

This paper expounds the calculation method for ash working condition specific resistance. And through mathematical model prediction method, it probes into the impacts of flue gas temperature, SO3content and ash composition on ash working condition specific resistance, providing reference to studying the relationship of ash features and electrical precipitator performance.

coal-fired power plant; working condition specific resistance; ESP

s：National High-tech R&D Program of China (2013AA065002); National Project of International S&T Cooperation of China(2014DFA90620)；National Key R&D Program of China (2016YFC0203704, 2016YFC0209107)

10.11973/dlyny201703027

國家高技術研究發展計劃(2013AA065002)；國家國際科技合作專項(2014DFA90620)；國家重點研發計劃(2016YFC0203704)；國家重點研發計劃(2016YFC0209107)

劉含笑(1987—)，男，碩士，工程師，從事電除塵技術研究工作。

TK229.66

A

2095-1256(2017)03-0339-04

2017-03-15