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利用靜電增加對灰塵的沉積 概要： 這項研究的基本思想是，利用靜電沉淀來減少飛塵中重金屬的濃度。當重金屬的濃度很高時會妨礙利用飛塵作為肥料，并且這種濃度是可變化的。飛塵分餾法實驗是通過在四個發(fā)電站利用靜電沉淀裝置進行的?；趯嶒灲Y(jié)果，第一個收集裝置中重金屬的濃度處于它的最低值，而最后一個裝置中的濃度則是最高。鎘在作為肥料的飛塵中的濃度，可以通過應用靜電沉淀分餾法，使其降低70%。對重金屬的分餾情況相比之下沒有對鎘進行的分餾的效果明顯。結(jié)果顯示，靜電沉淀分餾法在分餾將成為肥料飛塵或改善土壤方面是很合適的一種方法。 導論： 芬蘭的熱能工廠和發(fā)電廠每年都會產(chǎn)生大約400，000公噸的原始生物燃料灰燼。這種灰燼的產(chǎn)生量在將來會隨著生物燃料使用量的增加而增加。木材和泥煤燃后的灰燼能夠作為肥料或土壤改良物質(zhì)而被應用在林地或耕地上。并且能夠達到給土壤“補鈣”的目的。對灰燼的利用一直受到它本身含塵量和重金屬濃度這些因素的局限：后者在很多情況下已經(jīng)超出了芬蘭在對使用土壤改良劑所規(guī)定的最高允許標準。 在2001年，燃煤灰燼的利用率（84%）相比泥煤和混合燃料灰燼的利用率（43%）高出相當多一部分。木材飛塵的利用率卻相當?shù)?，?997年大約是6%。從飛塵中提取出重金屬能夠使它更充分的被利用。通常，似乎操縱發(fā)電廠的燃料質(zhì)量是達到這一目的唯一可行的方法。這就意味著我們必須知道這些易燃燃料的精確密度和性質(zhì)，并且知道哪些物質(zhì)提高灰塵含量中鎘的濃度，進而篩選出含鎘物質(zhì)。 少量的飛塵在農(nóng)業(yè)和林產(chǎn)方面作為肥料已被應用。一般情況下，各種類型的灰燼在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中要比化學肥料更適合作為土壤的改良物質(zhì)，因為在灰燼中可溶的植物營養(yǎng)物質(zhì)量是很低的。泥煤主要作為一種磷酸鹽肥料被應用，木材燃料灰燼對于種植在含石灰的礦物質(zhì)土壤中的谷類糧食作物的生長中，主要作為一種基礎(chǔ)的營養(yǎng)肥料。土壤中灰燼的石灰和肥料效應取決于灰燼中鈣和營養(yǎng)物的濃度，灰燼中營養(yǎng)物質(zhì)的可溶性，土壤，土壤的性質(zhì)，如酸度，營養(yǎng)濃度。 表2顯示了四種類型灰燼的重金屬濃度。 灰燼中所含有的很多物質(zhì)都是極其難溶解的。由于灰燼中的很多重金屬（如鎘，鉛，鎳）都很難溶解，可以假定灰燼肥料并不會受到重金屬的顯著影響。比如說，在水系中，短時期之內(nèi)然后進行施肥。最后，一些有害的重金屬可能就會被從灰燼中以一種可溶的形式釋放出來，并且因此而轉(zhuǎn)移到植被中去。 灰燼中的石灰效應會降低土壤中重金屬的溶解程度。灰燼最初會提高直立樹木中的鎘的濃度，但是一旦樹木的生長提高了其中微量元素的濃度，重金屬的濃度就會下降到甚至比最初還要低的水平。一些植物物種中的鎘金屬濃度的升高可以持續(xù)很長一段時間。鎘被認為是所有重金屬中危害最大的金屬，因為它可以停留在土壤中，能夠在食物鏈中逐漸富集，并且會使生物體中毒。 圖一 靜電除塵器 靜電沉淀（圖一）是當前用于分離發(fā)電站廢氣中的固體物質(zhì)最普遍的一種方法，它的優(yōu)勢包括高效率收集（高達99.9%）和它在處理不同大小尺寸微粒（甚至大小小于1流明的粒子）的適用性，以及體積不定的廢氣。它的更進一步的優(yōu)勢是它的長期有效性，很好的使用可靠性和低廉的經(jīng)營維護費用。 靜電沉淀的機能很顯著的依賴于將要收集的飛塵的性質(zhì)特征。將要被分離的微粒的數(shù)量和顆粒大小的分布情況對靜電沉淀的機能有很大的影響。盡管靜電沉淀收集的高效性或多或少可以持續(xù)忽略微粒的量，但是它的有效遷動速度在微粒顆粒小的情況下會有所下降。由于微粒不同的專有特性，對微粒的收集效率根據(jù)微粒的大小而有變化。從分離的角度看，最難分離的顆粒大小是在0.2到0.5流明之間。 灰燼中的重金屬濃度可以通過多層靜電沉淀將廢氣中細小灰燼顆粒分餾出的方法來降低。沉淀的分餾工具會受到比如限制或振蕩電流這些方法的影響。我們的研究結(jié)果已經(jīng)顯示出，重金屬被濃縮聚集在細小灰塵顆粒中。根據(jù)Thun和Korhonen（1999）的結(jié)果，第三層電場的靜電沉淀已經(jīng)停止，依賴于它的運行條件，灰塵總量的84-95%在第一層次中，4-15%在第二層次中，大約1%的在最后一個層次中?；覊m中鎘的濃度可以通過靜電沉淀的分餾法，被降低至少15-25%。由于鍋爐受到議論和懷疑，來自于以樹皮為燃料和樹木碎屑為燃料的發(fā)電站（大鍋爐）的灰燼被劃分為以下重量百分比級別，底部灰燼70-90%，氣旋飛塵10-30%，靜電沉淀飛塵2-8%和粉塵排放0.1-0.3%。 在灰塵燃燒和流化床燃燒中，產(chǎn)生的飛塵所占份量為80-100%。多達75-90%的重金屬存在于飛塵通過靜電沉淀后的那些細顆粒中，圖二展示了在底部灰塵，氣旋灰塵和靜電沉淀喉飛塵中鋅，鉛，和鎘的含量（mg/kg and m-%）?；诒矶N的數(shù)據(jù)。 各種灰塵類型中的重金屬濃度 重金屬mg/kg 煤灰 泥煤灰 木材燃灰 樹皮燃灰 砷 (As) 2.3–200 2–200 0.2–60 7–28 鎘(Cd) 0.01–250 0.05–8 0.4–40 4–20 鉻 (Cr) 3.6–7400 15–250 15–250 40–81 銅 (Cu) 30–3000 20–400 15–300 57–144 汞 (Hg) 0.01–80 0.001–1 0.02–1 0.012–0.4 鎳 (Ni) 1.8–800 15–200 20–250 36–52 鉛 (Pb) 3.1–1800 5–150 15–1000 53–140 鋅 (Zn) 14–13,000 10–600 15–10,000 1100–5100 表一 土壤改良中允許的最大重金屬濃度 來自發(fā)電站A的飛塵中的物質(zhì) 元素 發(fā)電站A ：飛塵（mg/kg） 允許最大值 濃度（mg/kg） 2002年 2001年 1999年 汞(Hg) <2.5 0.31 – 2.0 鎘(Cd) 2.69 5.05 6.3 3.0 砷(As) 18.34 19.73 35 50 鎳(Ni ) – – 100 鉛(Pb) 56.59 106.5 52.7 150 銅(Cu ) 86.7 290.1 178 600 鋅(Zn) 189.7 376.9 706 1500 可以這樣確定，例如，靜電沉淀飛塵含鎘量要比氣旋灰塵高，這是部分由于和氣旋灰塵相比較，靜電沉淀飛塵分離了含大部分重金屬的細小顆粒。在這種情況下，一部分飛塵根據(jù)它在氣旋灰塵的殘余和它的濃度密度等情況適合于作為肥料。 在一個機械分類器在灰塵到達沉淀器之前被連接的情況下，靜電沉淀法比傳統(tǒng)的方法更能有效地分餾飛塵。數(shù)據(jù)三顯示了一個以燃燒生物燃料的發(fā)電站的基本規(guī)劃設(shè)計圖，并且其中在靜電沉淀之前提供了多級旋風分離器裝置。飛塵中所含的多達75-90%的重金屬（鎘和鋅）一定要通過靜電沉淀法分離出并會存在于微粒的一小部分中。合適的設(shè)計規(guī)劃和調(diào)整過的靜電沉淀裝置在原則上，是能夠?qū)⒛遣糠治⒘ｏw塵從廢氣中分離出來的，而那部分飛塵含有最大量的重金屬，但是卻只是全部飛塵量的一個小部分。飛塵中主要部分的重金屬濃度也因而能夠被降低到所允許的濃度最大值以下。 2.原料和方法 飛塵的分餾試驗是在4個發(fā)電站進行的（A B C D ）。發(fā)電站的靜電沉淀是在不同的電壓水平下進行的，并且樣品是來自于電壓穩(wěn)定程序。 從靜電沉淀裝置中提取的所有樣品都來自于在灰塵被放入筒倉之前安置在靜電沉淀裝置之下的灰塵進料裝置中。通過石墨法分析樣品中的鉛，銅，鋅，砷，和鎘的存在情況，并且應用Malvern裝置來決定粒子顆粒大小。發(fā)電站A使用泥煤，樹木碎片和石油以及機械木材工業(yè)中的副產(chǎn)品作為燃料。發(fā)電站的鍋爐有效燃料容量是150兆瓦。分餾試驗室利用當前發(fā)電站的3層靜電除塵裝置進行的。發(fā)電站B使用兩個鍋爐，一個是泡沫焦性石墨循環(huán)流化床鍋爐（燃料容量55兆瓦），另一個是單流化床鍋爐（燃料容量42兆瓦）。試驗的實施是利用單流化床鍋爐進行。 該發(fā)電站的主要燃料是碾碎的泥煤塊和木材燃料，煤煙和鋁的氧化物的混合物。來自兩個鍋爐中的飛塵是通過2層的靜電除塵被傳送到共同的灰塵筒倉之中。發(fā)電站C 裝備兩個鍋爐，鍋爐1是一個單流化床，它的燃料容量是267兆瓦。鍋爐2是一個泡沫焦性石墨循環(huán)流化床，燃料容量是315兆瓦。試驗是通過利用泡沫焦性石墨循環(huán)流化床鍋爐進行的。發(fā)電站所用的燃料主要是碾碎的泥煤塊和各種木材燃料。兩個鍋爐都被安裝了3層的靜電沉淀裝置，使鍋爐中的飛塵能夠由空氣作用被吹到一個共同的灰塵筒倉。D發(fā)電站的流化床鍋爐設(shè)備所產(chǎn)生的電能是77兆瓦，它的熱容量是246兆瓦。流化床鍋爐中所使用的燃料主要是碾碎的泥煤塊和木材廢物。廢氣中的飛塵通過一個3層的靜電沉淀裝置來進行分離。 3.結(jié)果 在A發(fā)電站的靜電沉淀試驗中（試驗1-7），所使用的燃料是由49%的泥煤和61%的木材燃料構(gòu)成。靜電沉淀裝置1-3層的灰塵過濾煙窗被取樣并且進行了分析。（圖表4） 基于結(jié)果，靜電沉淀裝置第一層鎘的濃度處于它的最低值，而在第三層中則是最高值。這是由于較大顆粒的飛塵微粒在第一層中積聚，而第三層中則容納了含有最小微粒的飛塵。第一層中鎘濃度的變化范圍在2.2-3.6mg/kg之間，同時第三層中的鎘濃度變化范圍則是在7.2-12.4之間。這些濃度受很多種性質(zhì)情況的影響，比如電子穩(wěn)定程序，燃料質(zhì)量、性質(zhì)，和廢氣的流動率。幾乎在每個靜電沉淀裝置第一層中鎘的濃度都低于為灰塵作為肥料使用所規(guī)定的允許濃度的最大值極限（3.0mg/kg） 在試驗進展過程中，靜電沉淀裝置層中的運轉(zhuǎn)中循環(huán)周期阻滯比率被控制在0-2之內(nèi)。 0值是指被討論的裝置層所有的半循環(huán)周期在通常情況下都能正?；钴S。2值是指只有半周期的三分之一起作用。因此運轉(zhuǎn)循環(huán)周期阻滯的這個評價闡述了有多少連續(xù)的半周期已經(jīng)關(guān)閉，也就是，分離器的補充電流的跳動頻率是多少。 在當前的研究中，運轉(zhuǎn)循環(huán)周期阻滯價值由微觀kraft（牛皮紙）控制器來操控，它的主要任務就是將電壓保持在靠近擊穿電壓值附近。最重要的就是能夠影響和改變靜電沉淀裝置第一層中的性能。第一層能夠使飛塵產(chǎn)物中含有的重金屬的濃度水平達到適合作為肥料的標準，例如，圖表5顯示了靜電沉淀裝置的運轉(zhuǎn)循環(huán)周期阻滯比率在第一層中對飛塵中鎘濃度水平的影響。在其他的情況之中，靜電沉淀場的閃絡(luò)數(shù)量的增加或減少則不在此控制之內(nèi)。 有越多的半周期場發(fā)生無效，就會導致所產(chǎn)生的飛塵中重金屬含量越低。鎘的濃度變化也是由燃料質(zhì)量和性質(zhì)變化引起的，除了控制本身，還存在其他因素之中。 圖表6顯示了靜電沉淀裝置的過濾器電壓是如何影響在第一層的鎘濃度水平重金屬濃度水平隨著電壓的升高而升高。這是由于較高的電壓能夠更加有效的分離也含有重金屬的優(yōu)質(zhì)微粒。過濾器電壓水平比運轉(zhuǎn)周期阻滯比率風有效的顯示了電場的真實情況。在其他情況中，同時也要考慮任何一種電場中發(fā)生通電擊穿的情況。 表7顯示了從試驗5.6.7種得出的結(jié)果，它的一到三層電場中微粒的大小等級在直徑10流明到50流明之間的情況。直徑10流明大小是指關(guān)于樣品的90%我微粒都較大，而10%的較小。直徑50流明是一個二等分的微粒大小等級，或者說關(guān)于樣品中的微粒大小較大的和較小的二者比例為1：1。 根據(jù)這些數(shù)據(jù)，較小的微粒傾向于集中在靜電沉淀裝置的第三個電場中，而較大的微粒傾向于集中在第一個電場中。這些小微粒含有最高的重金屬濃度（表8）。數(shù)據(jù)顯示可作為肥料的鎘濃度水平在微粒大小種類方面超過小于16流明的微粒。 鎘濃度在D發(fā)電站中處于最高值。這是由于在與其他的發(fā)電站所用燃料的比較中，該發(fā)電站的木材燃料占較大的比重。在分餾之后，靜電沉淀裝置第三層電場中的灰塵中鎘的濃度逐漸累積，至少要為第一層電場中的濃度的5倍。除此之外，在這些試驗中，在D發(fā)電站，有效地分餾灰塵是不可能的。 根據(jù)得出的結(jié)果，鉛，銅，和鎳的濃度從分餾的角度看并沒有什么問題。至于這些金屬，飛塵不經(jīng)過分餾而直接作為肥料應用是可以的。鋅，砷和鎘的濃度可能超過允許的最大極限時，如果將飛塵 當作肥料使用就會因此引起很多的問題。對于這些金屬，將飛塵作為肥料應用時，就要取決于燃料的成分和分餾的效力。 表10顯示了對B，C，D發(fā)電站各種不同大小的微粒的分析?；谶@些數(shù)據(jù)，可以這樣說，在靜電沉淀裝置的第一層電場中仍有粗糙的灰塵。 在發(fā)電站BCD，靜電沉淀裝置是通過調(diào)節(jié)電流值來控制的。然而，靜電沉淀裝置的生產(chǎn)力容量取決于它的電壓水平。電壓和電流的比例并不是均衡對稱的。當電流大小被降低50%的時候，電壓僅僅會降低10-20%。而且，當電流的給定值降低時，就會有相當?shù)母俚膿舸┣闆r。 在各種實驗之間，平均電壓值并沒有改變并達到一個足夠的值是有很多原因的，以致于影響到靜電沉淀裝置的分離效率。這就意味著對靜電沉淀裝置中的電流不同的調(diào)整并沒有對實驗期間的重金屬濃度產(chǎn)生很大的影響。 4.結(jié)論。 燃燒后產(chǎn)生的灰燼，它的化學性質(zhì)和物理性質(zhì)，還有作為最后結(jié)果的灰燼的體積，都取決于易燃燃料的成分和性質(zhì)。燃燒技術(shù)和參數(shù)（相關(guān)因素），例如溫度，燃燒效率，補給空氣體積，還有鍋爐的燃燒環(huán)境以及以灰燼的恢復防御體系，都對最終得到的結(jié)果灰燼的性質(zhì)有影響。從飛塵性質(zhì)的角度來看，分離灰燼的裝置尤其重要，因為在灰燼的構(gòu)成上，它的廢氣中的細顆粒部分是至關(guān)重要的， 飛塵中的微粒經(jīng)常被重金屬富集并濃縮強化。飛塵中重金屬濃度水平的較大變化范圍是飛塵在實際應用中受到質(zhì)疑。飛塵中含的重金屬濃度會超過可作肥料使用的法定要求局限。木材燃燒灰燼中最讓人質(zhì)疑的重金屬就是鎘。在芬蘭，當前的有效法令規(guī)定的極限值是3mg/kg。而木材灰燼則超過了這個極限值。在若干情況中，重金屬的發(fā)射性可以通過科技加工方法來降低。這些包括瓦斯瀉出體積的最小值，廢氣收集，空氣流通的利用，原料和能源的有效利用，以及含有最小重金屬濃度的原料和燃料的利用。并且，飛塵的性質(zhì)可以通過分餾而被改變。 分餾的目的是將高密度和重金屬濃度的細小微粒部分從適合實際應用的那部分中分離出來。分餾實驗證明了在靜電沉淀裝置第一層電場中重金屬的濃度處于最低值，而在第三層中則是最高值。重金屬在飛塵微粒中會得到富集和增多。含有最大顆粒的飛塵微粒會在第一層電場中積累，而在第三層電場中則主要更多是細小含塵微粒。由于這樣，第一層中積累的灰塵含有較少的重金屬?；覊m中的重金屬濃度會受到如電壓穩(wěn)定程序，燃料性質(zhì)，和廢氣的流動率的影響。 鎳，鉛和銅是重金屬，他們的濃度不超過對木材和泥煤燃灰作為肥料使用所規(guī)定的極限值。至于這些金屬，在考慮到當前許可條件要求的情況下，沒有必要使用分餾法。然而，分餾明顯的降低了飛塵中這些金屬的濃度。 基于測試得到的結(jié)果，可以說，靜電沉淀裝置可能會增加運轉(zhuǎn)循環(huán)周期阻滯的比率的特性，這樣為了好的性能將會降低在分離細微顆粒方面的效果。 重金屬的濃度的增長是與電壓的增加相聯(lián)系的。這是由于高電壓能夠更有效的分離那些含有重金屬的細微顆粒，這就意味著靜電沉淀裝置的分離效果可能就要受使用的最大電壓值和運轉(zhuǎn)循環(huán)周期阻滯的時間的影響。這些調(diào)整可能會減少電場一的分離效果，這樣就使得重金屬濃度的最小值能夠在最終的灰燼中積累增加。 相對地，重金屬在細微顆粒中具有的發(fā)射性將會由于通過加強靜電沉淀裝置最后一層電場的效果而被減弱。 對于靜電沉淀法在分餾上的參數(shù)我們并不能給出全面評價和估計。使用后的燃料中的重金屬濃度能夠出現(xiàn)很大的差距和不同，并且很難決定所要求的合適分餾方法，除非使用的問題燃料已經(jīng)被加以分析過。