2. 4煤粉锅炉飞灰高压静电脱碳的研究成果
       1.技术论证
       美国自1990年开始推行的清洁空气行动(the Clean Air Act)促进了低氮燃烧器(Low-NO} Burner)在煤粉锅炉中广泛使用。低氮燃烧器的采用使煤粉锅炉飞灰可燃碳含量普遍增加，原来可以用作建筑原料的煤粉锅炉飞灰只能填埋或者堆放。现在美国每填埋或者堆放一吨飞灰所需要的费用超过了30美兀，这间接限制了低氮燃烧器的推广使用。所以美国能源部国家能源研究室对具有工业应用前景的二种脱碳技术:高压静电脱碳技术(Triboelectrostatic Separation)·超声波团聚技术(Ultrasonic Agglomeration不I I浮选技术(Flotation)进行了技术论证，以确定技术可行、经济可以接受目‘环境允许的脱碳技术，作为美国未来脱碳技术的重点发展方向。样品是烧失量为17.7%的Shavwille电厂飞灰，其研究结果如表1-1所示。                                               表1-1高压静电脱碳技术论证结果               分离技术富碳飞灰烧失量(%)富碳飞灰比率(%)               ‘级高压静电27.5                                       50.0           一级高压静电35.0无               超声波团聚53.2                                       54.5                   浮选61.2                                       62.3
       虽然浮选法具有最好的脱碳效果，但是由十其会产生严重的粉尘二次污染，运行操作环境差等缺点Ifu不被推荐为重点研究方向。超声波团聚法的运行费用极高，也不被推荐为重点研究方向。高压静电脱碳技术相对十浮选法和超声波团聚法虽然脱碳效果差，但是其具有运行环境清洁，运行费用低廉和可以多级强化分离的优点，同时作为一个新兴技术，其还有发展的空间Ifu被推荐为重点研究方向，以解决由十清洁空气计划Ifu采用了低氮燃烧器的锅炉的高可燃碳含量飞灰的综合利用问题yob
       他们也对平板式高压静电脱碳器和百叶窗式高压静电脱碳器进行了比较。结果表明虽然百叶窗式高压静电脱碳器具有比平板式高压静电脱碳器稍高的效率，但是由十运行中极板间的放电对设备，尤其是高压直流电源的损害较大，所以其安装需要很严格的工艺【‘“]。
       2.运行参数和结构参数的影响
       中国河南农业大学能源与环境工程系的研究者们研究了摩擦分散给料器荷电、水平高压静电场分离的试验装置中:荷电装置内壁的金属材料、高压静电分离器的电压、高压静电分离器的极板间距、被分离的空气和飞灰的混合物的粉尘浓度对分离效果的影响。
       摩擦分散器内壁材料对粉煤灰高压静电脱碳效率的影响的实验结果如表1-2所示。
表1-2摩擦分散器材料对粉煤灰高压静电脱碳效率的影响
材丰
脱碳率(%)
钢66.63
48.59
83.54
铁铜
                                       全吕15.70
       实验工况:高压静电分离器电压90KV，高压静电分离器极板间距350mm,输送管道内粉尘浓度0. 6kg/m}，输送管道内气体流量0.43m}/s       由表1-2可见，摩擦分散器内壁材料以铜质效果最佳，铝质最差。原文没有对此实验现象作出解释。分析认为可以通过功函数理论解释此现象:飞灰中可燃碳颗粒较少，它们与矿物质颗粒有充分的机会接触，发生摩擦、碰撞，从Ifu带上正电荷。Ifu飞灰中的每个矿物质颗粒与飞灰可燃碳颗粒接触，摩擦、碰撞，荷电的机会相对就少的多，Ifu它们与摩擦分散器发生接触，摩擦、碰撞同样也可以带上负电荷，因为飞灰中矿物质颗粒功函数一般大十金属的功函数;所以摩擦分散器内壁材料通过影响矿物颗粒的荷电水平来影响分离装置的效率。这几种金属中，以铜的功函数为最小，铝次之，铁的功函数最大;如果铁中含
有杂质，将导致功函数增加，所以铁制摩擦分散器的效果要小十钢制摩擦分散器;Ifu铝在空气中会在表面形成致密的氧化铝保护膜，氧化铝的功函数远大十金属，所以铝制摩擦分散器的效果最差。这个试验结果对工业设计飞灰碳高压静电分离装置的荷电机构的选材，具有很大的指导意义，同时也间接表明，荷电过程中矿物质颗粒的荷电是提高飞灰碳高压静电分离效率的关键所在。                   表1-3高压静电分离器电压对粉煤灰高压静电脱碳效率的影响
                           电压(KV)脱碳率(%)
                                                   60                                                                 25.85
                                               70                                                                 38.92
                                               80                                                                 59.43
                                               90                                                                 83.54
                                               100                                                               86.29
       高压静电分离器电压对粉煤灰高压静电脱碳效率的影响的实验结果如表1-3所示。
       实验工况:高压静电分离器极板间距350mm，输送管道内粉尘浓度0.6kg/m}，输送管道内气体流量0.43m}/s}摩擦分散器材质:铜。       由十直接影响颗粒在高压静电分离器内运动的是高压静电分离器内的外电场强度，Ifu高压静电分离器外电场强度E与高压静电分离器电压Y的关系为:E=Tl l L(1-6)
       其中L为高压静电分离器极板间距。在高压静电分离器极板间距不变的情况下，高压静电分离器电场强度与高压静电分离器电压成正比，所以实验结果具有一定的指导意义。从表中可以看出，高压静电分离器分离效率是高压静电分离器电压的单调递增函数，但是高压静电分离器分离效率不是随着高压静电分离器电压的增加成线性增加的，当高压静电分离器电压达到一定的数值后，高压静电分离器分离效率增加较为缓慢。
       高压静电分离器极板间距对粉煤灰高压静电脱碳效率的影响的实验结果如表1-4所示。
       实验工况:高压静电分离器电压90KV，输送管道内粉尘浓度0. 6kg/m}，输送管道内气体流量0.43 m}/s摩擦分散器材质:铜。
               表1-4高压静电分离器极板间距对粉煤灰高压静电脱碳效率的影响极板间距(mm脱碳率(%)30035040045031.4383.5484.867.79表1-5输送管道内粉尘浓度对粉煤灰高压静电脱碳效率的影粉尘浓度(Kg/m})脱碳率(%)                   0.04                                                             46.520.060.0883.5475.030.10                                                             3448由十影响颗粒在高压静电分离器内运动的直接因素是高压静电分离器的电场强度，高压静电分离器电压不变时，随着高压静电分离器极板间距的增加，高压静电分离器电场强度应该下降，高压静电分离器的分离效率应该下降。从表中可见，在高压静电分离器极板间距很小时，高压静电分离器的分离效率大幅度下降。作者认为这是由十颗粒因为自然弥散}fU勃附十极板造成的。分析认为气固两相流流出喷口后，存在一定程度的湍动扩散，但是湍动扩散的作用是否可以让颗粒克服电场力的作用，从}fU改变高压静电分离器的分离效率尚缺乏实验验证。同时也不能排除由十高电场强度作用，导致极板表面某些缺陷的地方发生尖端放电，导致高压静电分离器分离效率下降和出口颗粒密度太大，裹胁了部分带异性电的颗粒后，勃附在极板上，从}fU降低了高压静电分离器的分离效率。同时，从表中可以发现，当高压静电分离器极板间距增加到某一数值时，即高压静电分离器电场强度降低到某一数值时，高压静电分离器分离效率发生了骤降，由十骤降幅度很大，单纯用高压静电分离器电场强度的降低，恐
怕不足以解释这一现象。
       输送管道内粉尘浓度对粉煤灰高压静电脱碳效率的影响的实验结果如表1-5所示。
       实验工况:高压静电分离器电压90KV，高压静电分离器极板间距350mm,输送管道内气体流量0.43 m}/s ,摩擦分散器材质:铜。
       作者认为，由十该实验装置中颗粒荷电的主要过程是摩擦分散器内壁与颗粒之间的摩擦、碰撞，粉尘浓度低时，摩擦分散器内壁与颗粒之间的摩擦、碰撞不充分，颗粒荷电不足，高压静电分离器分离效率低。但是在高粉尘浓度时，高压静电分离器分离效率也急剧下降，原因可能有两个:一是高粉尘浓度时，飞灰中矿物质颗粒与壁面发生摩擦、碰撞的几率变小，矿物质颗粒带电不充分，所以高压静电分离器分离效率低，二是在高压静电分离器内，高粉尘浓度时，会发生颗粒团聚，裹胁带异性电荷的颗粒，然后勃附在极板上，导致高压静电分离器分离效率降低。至十哪个原因起主要作用，亦或都起着主要作用，需要实验验证[Zlfgl
       3.分离效果的表征
       无论何种荷电方式，如果属十高压静电场水平布置的分离方式，其高压静电分离器底部飞灰碳和飞灰矿物质浓度具有连续分布的特点，所以中间的分隔板向正极方向偏移，所得到的高飞灰碳回收物中，飞灰碳百分比增加，矿物百分比减少，飞灰碳总回收率降低;同时低飞灰碳回收物中，飞灰碳含量增加，矿物含量减少，矿物回收率增加。反之飞灰碳百分比减小，矿物百分比增加，飞灰碳总回收率升高;同时低飞灰碳回收物中，飞灰碳含量减小，矿物含量增加，矿物回收率降低。这就是说，抛开飞灰碳或者飞灰矿物质的回收率，单纯用飞灰碳含量或者飞灰矿物质含量来表征高压静电分离器的分离效果，是没有意义的。所以美国肯塔基大学的研究者提出用飞灰碳回收率一飞灰碳含量曲线或者飞灰矿物质回收率一飞灰矿物质含量曲线来表征高压静电脱碳装置的分离效果[15]
       4.飞灰不同组分的荷电分离行为
       美国肯塔基大学的研究人员分析了分隔板、正负极二处收集到的混合物中，各个组分所占比例。其X射线衍射分析结果如表1-6所示。
       原文没有对表中数据进行分析，根据功函数理论对表中数据分析如下:首先计算每个煤种的玻璃态物质，多铝红柱石，尖晶石，石英，各向同性碳，各向异性碳，惰性碳的阴极侧收集物和l泪极侧收集物的比值，我们发现除了玻璃态物质，其他各物质均是阴极多余阳极的。两物质摩擦起电时荷电的极性与物质的功函数有关系。功函数大的物质，得到电子，荷负电，在高压静电分离器内，在电场力的作用下，在l泪极侧聚集;功函数小的物质，失去电子，荷正电，在高压静电分离器内，在电场力的作用下，在阴极侧聚集。在煤粉锅炉飞灰中，主要物质为玻璃状硅酸盐基合物，在玻璃状硅酸盐混合物的表面会有各类晶体析出，沉积。低铁玻璃珠火杂的晶体矿物最少，主要是多铝红柱石，石英和更少量的磁铁矿和尖晶石;高铁玻璃珠除含铁玻璃体外，火杂有一定量的结晶度差的磁铁矿和赤铁矿;多孔玻璃体内主要火杂的是多铝红柱石和尖晶石。多孔可燃碳粒内一般粘连着一定量的硅酸盐矿物:多铝红柱石，石英，方解石，刚玉，以及极微量的玻璃体，磁铁矿和长石。玻璃状混合物是各种物质高温熔融的产物，在形成过程中，形成很多晶格缺陷，尤其是在颗粒表面。这些位十颗粒表面的晶格缺陷具有很大的局部势垒，构成电子陷阱。在玻璃态物质颗粒与晶体或者可燃碳颗粒摩擦、碰撞时，更容易吸附电子，带上负电。同时，由十这样的玻璃态物质颗粒是飞灰中的主要物质，其颗粒与表面析有多铝红柱石，石英，尖晶石的颗粒摩擦、碰撞，从}fu带上负电，}fU使表面析有多铝红柱石，石英，尖晶石等晶体的颗粒带上正电的几率大十表面析有多铝红柱石，石英，尖晶石等晶体的颗粒与可燃碳颗粒摩擦、碰撞带上负电的几率。所以表面析有更多的多铝红柱石，石英，尖晶石等晶体的颗粒更多的带上正电，在负极侧聚集。
       同日寸我们发现虽然惰性碳，各向同性碳，各向异性碳的石墨化程度不同，即他们的功函数与石墨的功函数的差值不同，但是他们的荷电能力没有太大的区别，主要原因还是由十大量的高功函数的玻璃态物质颗粒的存在。
       美国国家能源技术研究所则对中间隔板处，两极处收集物中铁，铝和硅二种飞灰的主要兀素做了定量的分析，结果发现在阴极收集物中铁含量的增加}fu铝、硅含量的减少，和阳极收集物中铁含量的减少和硅、铝含量的增加。原因很可能是低铁玻璃珠和多孔玻璃体在与高铁玻璃珠和可燃碳颗粒或者金属内壁面的摩擦中，更容易获得电子，荷上负电荷，从}fu被阳极吸附;}fU高铁玻璃珠和I炭颗粒在与低铁玻璃珠和多孔玻璃体的摩擦中，更容易失去电子，荷上正电荷，从}fu被阴极吸附所致【m}}m}