高铝煤飞灰与静电除尘性能：来自中国燃煤机组的矿物学证据

基于 ALSTOM Power Sweden 在 ICESP X（2006, Australia）的中国煤与 ESP 适应性系统研究解读

关键词
electrostatic precipitator,Chinese coals,fly ash resistivity,kaolinite,aluminosilicate,静电除尘器,高铝煤,工业烟气治理,ESP 升级改造

中国是全球煤炭资源最为丰富的国家之一，约三分之一的全球煤炭储量分布在中国，燃煤发电又贡献了近三分之二的一次能源供给[1]。在这样的能源结构下，静电除尘器（Electrostatic Precipitator, ESP）长期是燃煤机组粉尘控制的主力技术。早在 2003 年，中国境内近 90% 的火电机组已配套 ESP[4]。

随着煤源结构变化以及排放标准持续收紧，传统基于澳煤、南非煤等经验数据建立的 ESP 设计与性能预测方法，正越来越多地遭遇“中国煤不适用”的尴尬。这背后一个关键但常被忽视的因素，就是中国部分煤种在矿物组成和飞灰电学特性上的“高铝化”特征，对静电除尘性能带来系统性影响。

本文解读的是 ALSTOM Power Sweden AB 的 L. Lillieblad 等在 ICESP X（Australia, 2006）发表的一项系统研究[1]。该研究对 6 种国内用煤和 2 种中国出口煤进行了煤质、煤灰矿物组成、实验燃烧与实际电站 ESP 性能的综合分析，重点探讨高 Al₂O₃ 飞灰对静电除尘器性能的影响，并给出对策方向，对当前中国高铝煤、低硫煤条件下 ESP 升级改造仍具有现实启示意义。

研究由 ALSTOM Power Sweden AB 完成，作者为 Lena Lillieblad、Tobias Johansson 和 Kjell Porle，是典型的“设备商+实测机组+实验室”的联合研究范式。

在样本选择上，研究者从中国多台燃煤机组中选取了 6 种国内煤，以及 2 种在海外机组燃用的中国出口煤，以覆盖高灰分、高铝、高硫等几类典型工况。为便于对比，又引入了 11 种“非中国煤”的历史数据，涵盖波兰、印度、南非、澳大利亚等多来源煤种[8]，作为静电除尘工程中常用的对照基准。

分析方法上，研究并没有停留在常规煤质、煤灰成分，而是引入了计算机控制扫描电镜（CCSEM）技术对煤中矿物进行颗粒级别表征，配合落管炉（Drop Tube Furnace, DTF）模拟燃烧试验，系统跟踪“煤中矿物 → 燃烧后飞灰颗粒”的迁移与转化行为，这对理解飞灰粒径分布、灰熔融行为和电阻率特征及其对静电除尘的影响尤为关键。

从基本煤质来看，中国样本煤灰分普遍偏高，6 种国内煤的收到基灰分为 30%–42%，明显高于出口煤（11%–15%），意味着 ESP 入口粉尘浓度显著偏大，对电场比集尘面积和电源系统都提出了更高要求。硫分则从小于 0.3% 到 2.4% 不等，其中 China 4 和 China 6 属于高硫煤范畴[1]。考虑到 SO₂/SO₃ 对高比电阻飞灰具有一定“调质”作用，高硫煤在静电除尘性能上反而可能略占优势，这一点在后文对比中有所体现。

更具行业指向意义的是煤灰中的氧化物组成。8 种中国煤中有 6 种 Al₂O₃ 含量超过 30%，最高达到 40% 以上，而 Na₂O 含量多数低于 0.3%、Fe₂O₃ 部分样本低于 3%[1]。从 ESP 工程经验看，高 Al₂O₃ 和 SiO₂ 通常会推高飞灰比电阻并提高灰熔点，导致飞灰粒径更细，极易引发反电晕和电晕抑制；相反，Na 和 Fe 被普遍认为有利于提高飞灰导电性、增大颗粒粒径，从而提升静电除尘效率[3]。

为了超越“总氧化物含量”层面的粗略判断，研究团队借助 CCSEM 对煤中矿物进行了颗粒级别的识别与统计。结果显示，中国煤中石英（SiO₂）含量普遍低于非中国煤，而含铝矿物——尤其是高岭石、各类铝硅酸盐以及独立的氧化铝矿物——明显偏高。这一点与基于常规灰分析得到的高 Al₂O₃ 结论高度吻合，也解释了中国部分煤种 SiO₂/Al₂O₃ 比值偏低（约 0.9–1.5），而澳大利亚等煤种可以达到 1.5–3.5 以上[1]。

值得静电除尘工程师特别关注的是铁和钠的“存在形态”问题。Fe 在煤中既可能以黄铁矿（FeS₂）存在，也可能与铝、硅形成 Fe–Al–silicate 复合矿物。研究表明，部分 Fe₂O₃ 含量不低的中国煤样中，黄铁矿含量却明显偏低，更多铁被包裹在铝硅酸盐结构中[1]。而从 ESP 视角看，黄铁矿在燃烧中分解既提供 Fe₂O₃，也释放硫形成 SO₂/SO₃，两者叠加通常会显著改善飞灰导电性；如果铁被“锁定”在 Fe–Al–silicate 中，则对飞灰电性改善的作用很可能被削弱。

钠的情况类似。已有美国煤化学分级研究表明，煤中 Na 大约有三分之一以上是水溶或弱酸溶形态，以盐类或可交换阳离子形式存在，易挥发并在燃烧后冷却过程中冷凝于飞灰表面，从而改变表面导电性和颗粒黏结特性；而与蒙脱石、Na–Al–silicate 等矿物结合的钠则难以挥发，多数留在矿物骨架中[2][5]。在 8 种中国煤中，一些样本 Na–Al–silicate 含量偏高，而蒙脱石反而不多，说明相当一部分钠被固定在矿物晶格内。研究提示，如要精确评估这类中国煤对静电除尘器的真实影响，需要进一步做钠的化学分级实验，这对 ESP 方案优化、烟气调质乃至煤源掺配策略都有重要意义[1]。

为了模拟锅炉实际燃烧环境下的矿物迁移行为，研究选取 China 1、China 2 和 China 4 三种具有代表性的中国煤，在落管炉中以可重复的温度–时间轨迹进行燃烧实验。之后对所得灰样再次进行 CCSEM 分析，并将“燃前煤中矿物粒径分布”与“燃后飞灰中矿物粒径分布”进行比较。

结果呈现出三种不同的典型模式：

– China 1：燃烧后灰颗粒明显变粗，矿物在高温下发生聚结、熔融并重组为较大颗粒，对 ESP 而言是相对有利的情形。但该煤整体高铝、高比电阻属性仍需通过电源与控制策略弥补。

– China 2：燃前燃后矿物粒径分布几乎重合，表现为“一个矿物颗粒对应一个飞灰颗粒”，聚结与熔融程度有限，最终飞灰偏细。结合电站实测粒径分布，China 2 的实际飞灰 d(0.5) 约 48 μm，粗灰比例较高，但细微颗粒仍然占有相当比重，对电晕抑制敏感。

– China 4：煤中矿物更像松散团聚体，进入炉膛后易破碎为更细的灰粒，燃后粒径分布向小颗粒方向明显偏移，这直接拉高静电除尘难度，对电场比集尘面积、配电方式及振打控制提出更严格要求[1]。

与 DTF 模拟相比，实际机组取样飞灰的粒径分布更具工程参考价值。研究中各电站 ESP 不同电场、不同位置的飞灰粒度分析表明：China 1 的飞灰最细，d(0.5) 仅约 6.3 μm；而 China 2、China 4、China 5 等煤种飞灰中 >125 μm 颗粒质量分数可达 20%–30%，但细颗粒尾部依然显著。结合实验室测得的电阻率结果——所有样本在 150 ℃ 下体积电阻率均超过 10¹² Ω·cm——可以看出：高比电阻+高细颗粒浓度的组合，是中国高铝煤 ESP 性能受限的关键机制之一[3][7]。

该研究中，至少两台机组的 ESP 实际排放达不到设计预期：

– 某机组配套 300 mm 极距、比集尘面积接近 150 m²/(m³/s) 的 ESP，设计指标本应远超 99.5% 收尘效率，实测仅约 99.15%。
– 另一台配 300 mm 极距、SCA 约 100 m²/(m³/s) 的 ESP，实测 99.6% 收尘效率仍低于原设计假设。

再叠加 China Export 2 在海外机组上表现出的偏高排放，可以确认：如果仍沿用基于“普通澳煤/南非煤”的经验模型去设计或评估以高铝、低硫中国煤为主燃料的 ESP，很容易出现“纸面性能足够、实机却不达标”的情况。这也是近年来不少机组在更换煤源或降低硫分后，突然出现反电晕、二次扬尘、电场电流抬不起来的深层原因之一。

针对这些高铝、高比电阻飞灰带来的挑战，研究提出的应对思路主要包括两大类：

一是“电源与控制”侧升级。对于入口粉尘浓度高、细微颗粒比例大、电晕抑制明显的 ESP，可在前端电场尝试采用高频电源，利用更好的波形控制和更窄的瞬态放电来提高单位电场体积内的有效荷电密度[6]。同时，引入具备间歇充电（Intermittent Charging）与功率控制振打（Power Controlled Rapping, PCR）功能的现代 ESP 控制系统，对高比电阻灰饼的剥离与再荷电过程进行精细化管理，有助于缓解反电晕与二次扬尘问题。

二是“燃料与烟气条件”侧调整。考虑到硫、钠等组分对飞灰电学性质的显著影响，研究建议结合化学分级深入评估中国煤中钠的形态与释放特征，以便在煤源掺配、添加剂调质（如适当补充 SO₃ 或 Na 盐）等方面提供更定量的决策依据。同时，利用 CCSEM、灰熔融特性测试等更精细的煤灰诊断工具，可以在 ESP 初步设计阶段，对“粒径分布+比电阻+灰熔点”的综合风险做前置评估，而不再仅依赖常规灰分析中的氧化物百分比。

从行业风向角度看，这项 2006 年的工作有两层长期价值：一是率先系统揭示了中国高铝煤在矿物学层面与传统经验煤种的根本差异，为后续“针对中国煤的 ESP 专用模型”奠定了数据基础；二是明确指出，ESP 性能预测必须从“总成分”走向“存在形态+粒级分布+燃烧迁移路径”的综合视角，这在当前“双碳”背景下机组深度调峰、复杂掺烧、脱硫脱硝耦合运行的现实环境中，愈发重要。

对今天的电力和环保工程行业而言，这项研究释放的信号非常清晰：凡是使用高铝、低硫或非传统煤源的机组，在进行静电除尘器新建或改造时，都应将煤灰矿物学特性、钠和铁的化学形态、以及细颗粒比例等因素纳入前期诊断与设计假设；同时在设备选型上，优先考虑可支持高频供电、间歇充电与智能振打控制的现代化 ESP 平台，以给系统预留足够的“兼容中国煤”的工程余量。

参考文献
[1] Lillieblad L, Johansson T, Porle K. Electrostatic Precipitator Performance with Chinese Coals[C]//Proceedings of ICESP X. Australia, 2006.
[2] Baxter L. Chemical fractionation of coal[EB/OL]. Brigham Young University, 2005.
[3] White H. Electrostatic precipitation of fly ash[M]. Pittsburgh: APCA Reprint Series, 1977.
[4] Wang L, Dexuan Z, Xiuyun Y. Electrostatic precipitators, bag filters and emission standards for coal-fired power plants in China[C]//Proceedings of ICESP IX. Kruger Park, South Africa, 2004.
[5] Benson S, Holm P. Comparison of inorganic constituents in three low rank coals[J]. Ind. Eng. Chem. Prod. Res. Dev., 1985, 24:145-149.
[6] Ranstad R, Mauritzson C, Kirsten M, Ridgeway R. On experience of the application of high-frequency power converters for ESP energisation[C]//Proceedings of ICESP IX. Kruger Park, South Africa, 2004.
[7] Wang L, Rongbao L. Typical kinds of coal in China and some special coals with their fly ash difficult to precipitate by ESP[C]//Proceedings of ICESP VIII. Birmingham, USA, 2001.
[8] Srinivasachar S, Porle K, Samuelsson I-L, et al. Impact of ash characteristics on precipitator performance[C]//Proceedings of ICESP VI. Budapest, Hungary, 1996.

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