[发明专利]减少气流中的微粒

说明书

关于联邦政府资助的研究的声明

实现本专利申请中描述的本发明的工作是在政府的支持下根据能源部，国家能源技术实验室授予的合同DE-FC26-05NT42308号完成的。政府对于本发明具有一定的权利。

技术领域

本发明涉及降低含颗粒气流被引导通过的静电除尘器中的火花率。

发明背景

存在关于颗粒排放的环境问题。静电除尘器通常用于通过收集气流中的至少部分颗粒来减少含颗粒气流的颗粒排放。特别是从燃烧源(诸如发电厂)排放颗粒的问题。在美国，发电厂的排放由联邦、州和(在一些情况下)地方政府管制。已知关于由燃烧(尤其是燃烧煤)引起的颗粒排放的环境问题。

如上所述，减少颗粒排放的一种方法是使用静电除尘器。静电除尘器(ESP)具有至少一对带有相反电荷的电极或板，其创建了含颗粒气流通过的电场；通常，使用一系列电极和板。气流中的带电粒子在带有相反电荷的电极或板上聚集。通过物理上(例如，通过轻敲或敲打)或通过声音手段(例如，吹动喇叭)使电极或板振动，周期性地从电极或板上去除所聚集的粒子。

在高电压下操作静电除尘器以创建强电场。电场越强，被电离且然后聚集于ESP的集电板上的颗粒的量越大。因此，优选在实际最强电场(最高电压)下操作静电除尘器。通常以如下方式操作ESP：逐渐增大输入功率直到收集板上生成火花，或达到预设最大输入功率。以此方式进行的操作可提供最大量的功率输入，且通常产生最高的颗粒收集效率，这反过来减少了气流中的颗粒排放。

当被用于从燃气流中去除颗粒时，ESP可在空气加热器的上游或空气加热器的下游。在空气加热器上游的ESP通常被称为热侧静电除尘器，且其通常在高于400°F(204℃)的温度的环境中运行。在空气加热器下游的ESP通常被称为冷侧静电除尘器，且其通常在低于400°F(204℃)的温度的环境中运行。

在具有运行于320°F(160℃)的温度下的ESP的燃煤发电厂的机组内进行的试验中首先观察到溴化含碳基质对ESP收集效率的影响。只监控不透明度，而非颗粒物排放。观察到排放气体的不透明度降低；特别是，在试验期间通过注入溴化含碳基质而非SO₃使不透明度保持在平均值21％。通常，在对比期，在该系统中(添加有SO₃)测量出的不透明度为20％至30％。就此，参见R.Landreth等人于2007年12月在Pittsburgh，PA的美国能源部/国家能源技术实验室水银控制技术会议上会议所做Brominated Sorbents for Small Cold-Side ESPs，Hot-Side ESPs，and Fly Ash Use in Concrete.

影响静电除尘器的收集效率的因素之一是所收集的颗粒的电阻率。ESP的收集板上具有高电阻率的颗粒集结呈现出性能问题。一个此问题(有时称为“背电晕”放电)是由收集板上的颗粒层两端的电压梯度增大引起的横跨电场的火花或弧光。如果由于颗粒层的高电阻率而使电压变得过大，则截留在颗粒层中的气体可电离并引起火花。每当这种情况发生时，一“股”颗粒流从收集板释放，且该流增加了退出气流中的颗粒排放，这随着气体的不透明度增加而被观察到。增加的火花率要求降低施加的电压，这反过来降低了ESP的收集效率。

为了通过ESP提高颗粒收集，可将一种或多种调节剂添加至ESP上游的含颗粒气流中，以增加颗粒对ESP收集的敏感性。通常，认为调节剂能改变气流中的颗粒的电阻率。使用调节剂允许在ESP运行过程中增加电压，从而提高ESP的收集效率。

一种此调节剂为SO₃。虽然有利于ESP收集颗粒，但是已观察到SO₃对水银吸附剂的效力有很大的负面影响。为了抵消SO₃的负面影响，可在适当的时间点将镁或钙吸附剂注入烟道气流中以去除SO₃。然而，这些镁和钙吸附剂增加了烟道气中的粉煤灰的电阻率，其反过来负面地影响了静电除尘器对颗粒的收集。此外，使用SO₃可增加硫的排放。

硫酸或磷酸还可用作调节剂来增强颗粒收集。由于这些酸的危害性，因此需要特殊的设备和处理，除非这些酸被吸附到惰性颗粒载体上(例如，硅酸钙、硅藻土、蛭石、硅酸镁钠蒙脱石或碳黑)。其它用于控制颗粒、NO_x和SO_x排放的烟道气调节剂包括氨和氨基化合物，诸如硫酸铵和磷酸铵，硫酸氢铵和磷酸钠。这些调节剂的添加通常要小心控制，这些调节剂可污染下游设备，和/或是气流中不良的排放成分。