氨法调质降低飞灰电阻率：高比电阻工况ESP升级路径

基于Bharat Heavy Electricals Ltd.的飞灰电阻率实验研究与工程启示

关键词
fly ash resistivity, ammonia conditioning, electrostatic precipitator, ESP performance, industrial flue gas treatment, 高比电阻飞灰, 静电除尘改造

静电除尘器（ESP）在燃煤电厂烟气治理中已经是“标配”设备，但在高灰分、低硫分煤种广泛应用的地区，ESP往往面临一个顽固问题——飞灰比电阻过高。飞灰电阻率不仅直接影响荷电与捕集效率，还决定了ESP本体尺寸、供电策略乃至后续提效改造的技术路线。围绕这一核心指标，印度 Bharat Heavy Electricals Ltd.（BHEL, Ranipet）Suresh Kumar V.S.、E. Arulselvi 和 Vivek Philip John 通过系统试验，深入研究了氨气（NH₃）调质对飞灰电阻率的影响，为高比电阻工况下的ESP优化提供了可量化的技术依据。

从行业背景看，印度煤炭与我国部分中西部煤种具有高度相似性：高灰分、低硫、低钠，这类煤燃烧后生成的飞灰电阻率常落在 10¹¹–10¹⁴ Ω·cm 的高位区间。在这样的电阻率下，ESP内会出现典型的高比电阻问题：一是粉尘层导电性差，限制了电晕电流，导致颗粒荷电不足、电场强度受限；二是粉尘对极板的粘附力增加，振打时难以脱落且易产生严重二次飞扬；三是在粉尘层孔隙中易发生“反电晕”现象，气隙在低电流密度下即产生放电，进一步压制工作电压。结果就是：设计阶段不得不放大除尘器截面积与电场数，既推高投资，又增加运行难度。

在机理上，飞灰电阻率受体积导电与表面导电两种机制共同支配。体积导电与飞灰本身的晶格结构、电子跃迁能力相关，受温度影响较大；表面导电则更多取决于气相成分、水分、SO₃ 以及表面吸附层特性。在电厂常见的 150 ℃ 左右ESP入口温度下，表面导电往往占主导。随温度升高，飞灰表面的水分和某些可导电组分析出，表面电导先降低，导致电阻率上升；再继续升温，体积导电增强、电阻率又开始下降，因此会出现一个与应用工况密切相关的“电阻率峰值温区”。BHEL 指出，印度火电ESP多数工作在接近这一峰值的温度区间，使得高比电阻问题尤为突出。

针对高电阻率飞灰，工程界常用的解决策略包括：将ESP布置在空预器之前以提高运行温度、采用间歇供电以缓和反电晕、以及在烟气中喷入SO₃、NH₃或其组合改变飞灰表面特性和电阻率。本文所关注的氨法调质，即通过精确控制NH₃的ppm级掺入量，改变飞灰表面导电与吸湿性，从而降低飞灰电阻率并改善ESP工况。

在试验方法上，BHEL 设计了一套带氨气注入功能的飞灰电阻率测量装置，对多个电厂来源的飞灰样品进行系统对比。装置由调质腔体、空气泵、蒸汽锅炉、油浴露点控制系统和氨气注入系统构成，可同时控制气流量、温度和湿度，并精确调节NH₃浓度至数ppm至数十ppm范围。核心测量单元为平行板电极型电阻率测试池，底电极为不锈钢基底压接薄层碳，上电极为多孔碳圆盘，飞灰样品填充在其间，通过高压直流电源施加电压，利用皮安级电流计测量通过粉层的电流，从而按标准方法换算出体积电阻率。

湿度控制方面，系统利用蒸汽锅炉向调质腔体持续供汽，通过设置于油浴中的反射冷凝面并配合光电传感器，实时检测露点是否达到设定值（典型为40 ℃）。一旦腔内水汽含量达到所需露点，蒸汽发生器自动停止工作，实现对相对湿度的闭环控制。整个测试过程中，腔体内总空气流量约为4 L/min，保证飞灰样品所处气氛在温度、湿度和NH₃浓度上的均一性和可重复性。

具体测试流程为：首先在无氨条件下，将来自 Vijayawada、North Chennai、Badarpur、Jamnagar、Ukai、Kothagudem、Chandrapur、Santaldih、Mejia 等多家电厂的飞灰样品依次装入电阻率池，在设定露点（典型为40 ℃）下，从 60 ℃ 起按一定步长升温至 240 ℃，并在每一稳定温度点施加直流电压，测量电流、计算电阻率，获得温度–电阻率曲线。随后，在相同温湿条件和气流量下，开启氨气钢瓶（1% NH₃/N₂混合气，出口压力约1 psi），通过转子流量计调节NH₃流量，使腔体内氨浓度维持在预定ppm区间，再次对同批飞灰进行升温和降温过程测量，形成“无氨 vs 含氨”的曲线对比。为排除热滞后效应，研究团队在升温和降温两个方向都进行记录，确保数据趋势可靠。

从结果来看，不同电厂飞灰在温度–电阻率曲线形态上有一定差异，但有几个规律在样本间具有一致性：首先，相比无氨工况，引入NH₃后，飞灰电阻率在全温区段都有不同程度的下降，且在120–180 ℃这一典型ESP运行温区附近降低最为显著，说明氨法调质在实际电厂入口温度条件下具有较高的实用价值。其次，在更高温区（接近240 ℃）时，有无氨之间的电阻率差异明显收窄，提示在高温条件下，体积导电增强对总电阻率的主导作用提升，氨气对表面导电的改善作用相对减弱。第三，在针对Badarpur等典型样品的详细分析中，研究者发现，当NH₃浓度提升至一定水平后，继续增加氨量，对电阻率的进一步降低效果十分有限，呈现明显的“临界剂量”现象。这一发现直接指向工程应用中的“最优掺氨量”问题：过量喷氨不仅性价比低，还会引入氨逃逸、下游脱硝与湿法脱硫协同控制等新的环保议题。

从ESP性能角度解读，电阻率在10¹¹–10¹² Ω·cm量级区间是除尘效率与运行稳定性的“敏感段”。BHEL 的试验表明，在无氨条件下，多数印度电厂飞灰的电阻率峰值远高于这一区间，而经过ppm级氨调质后，尤其在120–180 ℃范围内，电阻率明显向有利于电晕放电和粉尘层导电的方向移动。这意味着在保持现有设备布置和入口温度不变的前提下，通过在线氨调质有望提升ESP的有效比集尘面积利用率，降低反电晕发生频次，从而在相同电场结构下实现更高的出口排放控制水平。这对于已投运机组的ESP提效改造、以及与SCR脱硝、烟气余热利用一体化设计，都具有直接的工程启示。

从行业风向来看，随着中国和印度等煤电大国环保标准持续趋严，高比电阻飞灰工况下的ESP稳定达标已成为设计方、总包商和运营单位的共同焦点。传统的“加大设备尺寸”路径在投资约束、场地条件、改造停机窗口等多种因素限制下，边际收益日益降低，化学调质（包括SO₃调质和氨法调质）正在成为ESP精细化控制的重要技术选项。BHEL 这项研究在实验条件下明确量化了氨气对飞灰电阻率的影响规律和温度窗口，并验证了“存在最优掺量上限”的工程经验判断，对当前国内正在推进的老旧机组ESP提效、近零排放改造提供了可借鉴的基础数据和方法路径。

未来在工程应用中，如何将这类实验室级别的电阻率测量结果，与锅炉燃烧工况、煤质波动、SCR脱硝喷氨、湿法脱硫系统氨逃逸控制和低低温电除尘技术集成起来，形成一套可在线调节、可闭环优化的“全流程烟气调质+静电除尘协同控制方案”，将是ESP技术与工业烟气治理领域值得重点关注的方向。

参考文献
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