生物质烟气除尘技术实验研究

夏少波, 段璐, 王建朋, 纪任山

(1.煤炭科学研究总院, 北京 100013; 2.北京天地融创科技股份有限公司, 北京 100013)

生物质能是一种重要的零碳可再生能源,种类多样,分布广泛,是人类赖以生存的重要能源之一,是促进资源可持续发展的有效途径[1-2]。生物质燃烧过程中伴随着粉尘等的产生,若不进行有效处置,会带来一系列的环境问题[3]。因此,生物质燃烧烟气净化技术是生物质能应用发展过程中的关键。

生物质燃料与煤等化石燃料在成分组成上有很大区别,生物质的碳含量和密度较低,氢含量和挥发分含量较高,且不同生物质组分含量不同[4-5]。此外,生物质与其他燃料的混燃特性不同[6],混燃灰的黏附性、成分、形貌、比电阻等均较单一燃料飞灰也有很大区别[4]。生物质烟气处理技术主要分为干法、湿法技术和复合净化技术[7-8],干法技术主要包括旋风除尘器、静电除尘器和布袋除尘器等;湿法技术主要包括洗涤塔[9],湿式电除尘器[10]等;复合净化技术包括静电旋风除尘器[11]、电袋结合除尘器等。生物质锅炉机组容量大多偏小,除尘器的进口烟气流速不宜设置过快,同时需考虑积灰和结渣等问题[12]。有学者针对生物质烟气特点,分别开发了用于生物质除尘领域的多效烟气净化装置和高温过滤器[13-14],性能良好;曾庆瑞[15]对比了多种除尘工艺在生物质燃料锅炉除尘领域的应用,发现生物质成型燃料锅炉与二级布袋除尘技术的结合发展前景较好;李瑰萍[16]和杨福福等[17]研究了湿式电除尘器对生物质飞灰的脱除,发现湿式电除尘器在生物质飞灰捕集领域应用性能较好,但其效率主要受水压、电场风速等影响。目前生物质烟气净化技术主要集中于单一除尘器的应用研究,而电袋除尘器性能优越,前景广阔,在现阶段其在工业应用中的研究较少,因此有必要探究电袋除尘器在生物质飞灰脱除领域中的应用。

现利用耦合电袋除尘器实验平台,探究不同电压下耦合电袋除尘器的除尘性能、运行性能、能耗变化和综合性能,对比最佳实验电压下不同结构除尘器的性能和滤料类型对耦合电袋除尘器的性能影响。研究可为电袋除尘器在生物质烟气净化领域中的应用和该领域除尘器的选型提供理论参考。

1 实验系统与方法

1.1 实验系统

图1为耦合电袋除尘器实验平台示意图,主要包括供气、供料、供电、除尘器主体和测量系统等:①供气部分采用英格索兰空压机提供压缩空气,带动飞灰与主气流混合后进入除尘器主体。②供料部分利用变频控制器确保供料频率一致,飞灰由供料仓落入进口管道。③供电部分选用了泰斯曼TD2202N20-400 (-20～0 kV, 400 W)负极性高压电源,如图2所示,提供实验所需电压。④除尘器主体部分即为耦合电袋除尘器,包括前区电场区和后区AHPC(advanced hybrid particulate collector)区,实物图如图2所示。前后区不同的加电组合方式对应不同结构的除尘器类型,电晕电极选用针形电极,滤袋为PPS(聚苯硫醚)材质。⑤测量系统部分主要包括testo无线迷你测量仪和Testo Smart Probes App、上下游等速采样装置、低压静电撞击器(electrical low pressure impactor, ELPI)及其稀释系统,实物图均如图2所示。

图1 实验系统图Fig.1 Schematic of the experimental system

图2 实验系统实物图Fig.2 Physical diagram of the experimental system

定量飞灰由供料仓上部加入,之后在螺旋杆的运作下落入进口管道,进而在压缩空气的带动下与主气流混合后进入除尘器主体,除尘器进口处布置有布风板,使的烟气分布更均匀。烟气依次经过除尘器前区和后区,飞灰被电极、集尘板和滤袋分别捕集,完成除尘过程。除尘器出口飞灰浓度由ELPI测得,实验过程中烟气流速、运行压降、电晕电流分别由testo 405i无线迷你风速测量仪、testo 510i无线迷你压差测量仪和高压电源测得。

1.2 实验条件

实验在室温下进行,大致为15～20 ℃,除尘器出口管道烟气流速为10 m/s,供料频率为5 Hz,保证进口飞灰浓度一致,实验运行时长为60 min。实验在三种工况下进行:除尘器前后区均加电,即耦合电袋除尘器,电压值分别为-10、-12、-14、-16、-18、-20 kV;除尘器前区施加最佳电压,后区不加电,即前电后袋式除尘器;除尘器前后区均不加电,即布袋除尘器。

1.3 实验飞灰

实验选用生物质飞灰和燃煤飞灰,堆积密度分别为700 kg/m3和1 000 kg/m3,比电阻分别为 1.37×106Ω·cm和3.40×106Ω·cm,生物质原料为沙柳。两种飞灰均为收到基,参考GB/T 1574—2007和GB/T 212—2008进行成分分析,依据GB/T 212—2008进行工业分析,分别如表1和表2所示。可知,两种飞灰中SiO2、Al2O3、CaO及K2O含量相差较大,生物质飞灰的空气干燥基水分(Mad)和干基挥发分(Vd)较燃煤飞灰高,干基灰分(Ad)较低。

表1 飞灰成分分析

表2 飞灰工业分析

实验前利用马尔文激光粒度仪(Mastersizer 3000)测定了两种飞灰的粒径分布,如图3所示。生物质飞灰中值粒径(Dv,50)为25.60 μm,呈单峰分布,燃煤飞灰为32.93 μm,呈双峰分布。此外,生物质飞灰小粒径颗粒较燃煤飞灰多。

图3 飞灰粒径分布Fig.3 Particle size distribution of dust

2 结果与讨论

2.1 不同电压下耦合电袋除尘器性能

2.1.1 除尘性能

耦合电袋除尘器在不同电压下对生物质飞灰的分级脱除效率如图4所示,除尘器在不同电压下的穿透窗口不同,其中-10 kV和-14 kV下无明显穿透窗口,但-10 kV下除尘器的分级脱除效率普遍较低,-12 kV和-16 kV下穿透窗口分别为0.15～0.38 μm、0.03～0.09 μm,-18 kV和 -20 kV 下除尘器有两个相同穿透窗口,分别为0.03～0.09 μm、0.10～0.26 μm。由此可见,施加电压能够改变除尘器穿透窗口,且穿透窗口随着电压的增大基本上向着小粒径范围移动。随着电压的增加,电晕电流增大,耦合电袋除尘器对大粒径范围内飞灰脱除效率提升较大,且施加电压高于 -14 kV 时,脱除效率基本高于99%。

图4 不同电压下耦合电袋除尘器分级脱除效率Fig.4 The classification removal efficiency of coupling reinforced electrostatic-fabric integrated precipitator under different voltages

不同电压下耦合电袋除尘器对生物质飞灰的出口总尘质量浓度和整体脱除效率如图5所示,电压增大,除尘器出口总尘浓度逐渐降低,整体脱除效率逐渐提高,其中施加电压由-12 kV增至 -14 kV 时,除尘性能提升最显著。此外,电压由 -10 kV 提高到-20 kV,出口总尘浓度由 12.24 mg/m3降至2.93 mg/m3,降低了76.04%,整体脱除效率由99.92%提高到了99.98%。施加电压高于-14 kV时,除尘器出口总尘浓度低于 10 mg/m3,能满足一般地区超低排放标准,高于 -16 kV 时,出口浓度低于5 mg/m3,可满足重点地区超低排放标准。综上,施加电压增加,电晕电流增大,飞灰荷电增强,有效增强了耦合电袋除尘器对生物质飞灰的脱除,且荷电颗粒在布袋区堆积形成电场,电场力的存在也进一步提高了除尘器除尘性能。

图5 不同电压下耦合电袋除尘器出口总尘质量浓度和整体脱除效率Fig.5 The total dust concentration and dust removal efficiency at the outlet of coupling reinforced electrostatic-fabric integrated precipitator under different voltages

2.1.2 运行性能

不同电压下耦合电袋除尘器运行压降变增长速率如图6所示,电压增加,压降增长速率有明显的降低趋势,且最终压降值减小,这与王建朋研究结果相似[18]。最终压降从-10 kV对应的920 Pa减小至-20 kV下的317 Pa,减小了65.54%,这是因为电压增加,电晕电流增大,电除尘增强,滤袋部分处理的飞灰量降低,表面堆积的飞灰量进而减少,使得压降增长速率减缓。此外,荷电颗粒被捕集后沉积在滤袋上,由于颗粒荷同种电荷,相互排斥,堆积结构较为疏松,且电压增加,颗粒荷电量增多,斥力增大,能有效降低运行压降。

图6 不同电压下耦合电袋除尘器压降增长速率Fig.6 The rate of increase in pressure drop of coupling reinforced electrostatic-fabric integrated precipitator under different voltages

不同电压下耦合电袋除尘器实验过程中电流变化如图7所示,不同电压下电流整体均呈下降趋势,因为飞灰被电晕电极和集尘板捕集后,沉积于两者上形成粉尘层,粉尘层会随时间的推移逐渐变厚,整体电阻逐渐增大,电晕电流逐渐降低。此外,实验初期(0～10 min)电流减小速率最快,之后变缓,由此可见实验初期电晕电极和集尘板对飞灰的捕集较快。除尘器起晕电流随施加电压增大而增大,电压为-10 kV时,电晕电流在15 min后不再变化,为0.03 mA。不同电压下实验初始电流与最终电流差值随电压增加而增大,分别为0.07、0.41、0.63、1.13、1.37、1.31 mA。

图7 不同电压下耦合电袋除尘器电晕电流变化Fig.7 The variation of current of coupling reinforced electrostatic-fabric integrated precipitator under different voltages

2.1.3 能耗分析

耦合电袋除尘器的能耗主要包括电耗和压降耗能,实验过程中记录电流和运行压降,电耗和压降耗能[19]的计算公式为

Echarge=UIt

(1)

E=(P2-P1)Afitert

(2)

式中:Echarge、E分别为电耗、系统压降耗能,J;U为电压,V;I为电流,A;P1、P2分别为除尘器始、终压降,Pa;Afiter为过滤面积,m2;t为实验用时,s,实验时长为60 min。

图8为耦合电袋除尘器的能耗变化,不同电压下除尘器的总能耗分别为0.076、0.059、0.053、0.054、0.063、0.078 kW·h。施加电压增加,除尘器运行压降变化较小,压降耗能降低,但电流随电压增加而增大,会使得电耗增加,当电压超过 -16 kV 时,电耗增加量已大于压降耗能减小量,因此除尘器总能耗呈先减后增趋势,在电压-16 kV时出现最小值。此外,除尘器电耗及其在总能耗中的占比随电压增加而逐渐增大,占比由-10 kV下的0.60%增至-20 kV下的58.01%;压降耗能随电压增大逐渐降低。

图8 不同电压下耦合电袋除尘器能耗图Fig.8 The energy consumption of coupling reinforced electrostatic fabric integrated precipitator under different voltages

2.1.4 性能综合评价

除尘器性能在不同角度对比有不同结果,电压为-20 kV时,除尘性能最好,而电压为-16 kV时,运行能耗最低,因此需对除尘器性能进行综合评价。质量因子(quality factor,QF)参数综合考虑了除尘器的除尘性能和运行能耗,可用于综合性能的评价,公式[20]具体为

(3)

式(3)中:QF为质量因子,该值越大,除尘器综合性能就越好;ET为除尘器整体除尘效率;ΔP为压降损失,Pa;Q为烟气流量,m3/s;η为风机效率。

不同电压下耦合电袋除尘器的质量因子如图9所示,施加电压增加,质量因子增大,除尘器的综合性能提升。在-16 kV和-18 kV下,除尘器的综合性能相差较少,且电压低于-16 kV时,质量因子呈线性增加趋势。较高的电压下会额外增加电耗,但整体脱除效率的提升和最终压降的降低仍使得除尘器的综合性能更好。

图9 质量因子Fig.9 Quality factor

2.2 不同结构除尘器的性能对比

表3为不同结构除尘器的除尘性能、运行性能、能耗和质量因子的对比,其中耦合电袋除尘器和前电后袋式电袋除尘器所加电压均为-20 kV。就除尘性能而言,电袋除尘器较布袋除尘器有明显优势,这是因为颗粒在荷电后会出现凝并,粒径增大,增强了滤袋的过滤效果[21],且荷电颗粒被滤袋捕集后在其表面堆积并形成电场,电场力的存在也进一步提升了除尘性能。耦合电袋除尘器和前电后袋除尘器的出口总尘浓度均低于5 mg/m3,能够达到重点地区的超低排放标准。耦合电袋除尘器的出口总尘质量浓度较前电后袋除尘器低,除尘效率高,这是因为颗粒荷电量与其运动时间呈现指数负相关关系[22],而耦合电袋除尘器后区为AHPC区,该区域对颗粒进行了再次荷电脱除,同时缩短了荷电颗粒到达滤袋的时间与路径,荷电量衰减较前电后袋除尘器少,因此除尘性能更好。就能耗而言,电袋除尘器较布袋除尘有较大降低,一方面因为颗粒荷同种电荷,在滤袋上堆积时相互排斥,结构疏松,大大降低了运行压降增长速率,压降能耗降低量远大于所增加的电耗;另一方面,由于电场区的存在,进入布袋区飞灰量减少,进一步降低了滤袋运行压降上升速率。此外,同一电压下,耦合电袋除尘器的电晕电流远高于前电后袋除尘器,运行中压降耗能降低值低于电耗增加值,因此其能耗较高。

表3 不同结构除尘器性能对比

综合而言,电袋除尘器较布袋除尘器在除尘性能、运行性能及能耗等方面有明显优势,是能够实现生物质烟气超低排放的方式之一。耦合电袋除尘器除尘性能和运行性能较前电后袋除尘器好,但其能耗较高,因此可以根据不同实际需要选择不同结构的电袋除尘器。

2.3 燃料种类对耦合电袋除尘器性能影响

由2.1节结果分析可知,施加电压为-20 kV时,耦合电袋除尘器的综合性能最好,因此在此电压下分析燃料种类对耦合电袋除尘器性能的影响,结果如表4所示。耦合电袋除尘器对生物质飞灰整

表4 耦合电袋除尘器对不同飞灰的性能对比

体脱除效率较燃煤飞灰高,出口总尘质量浓度低。虽然燃煤飞灰粒径较大,能更好地荷电,有利于电除尘,但飞灰中SiO2、Al2O3含量过多,比电阻较大,会对电除尘产生不利影响[23-24],两者综合作用下,耦合电袋除尘器对燃煤飞灰的脱除性能较差,但其能耗较低,质量因子较大,综合性能较好。

3 结论

基于耦合电袋除尘器实验平台研究了不同电压下耦合电袋除尘器在生物质飞灰脱除领域的性能,对比了最佳实验电压下不同结构的除尘器性能和滤料种类对耦合电袋除尘器性能的影响,得到如下结论。

(1)电压增加,耦合电袋除尘器对大粒径生物质飞灰脱除效率提升明显,小粒径范围存在波动,穿透窗口基本上向小粒径范围内移动。电压增加,耦合电袋除尘器出口总尘浓度降低,整体脱除效率提高,均高于99.90%。电压由-10 kV提高到-20 kV时,出口总尘浓度由12.24 mg/m3降至2.93 mg/m3,降低了76.04%。电压高于-16 kV时,出口总尘浓度低于 5 mg/m3,可满足重点地区超低排放标准。

(2)电压增加,耦合电袋除尘器压降增长速率和最终压降降低,起始电流增大,初始与最终电流差值增大,能耗先减后增,质量因子增大,综合性能提高。电压由-10 kV增至-20 kV时,压降最终值由920 Pa降至317 Pa,降低了65.54%;不同电压下除尘器总能耗分别为0.076、0.059、0.053、0.054、0.063、0.078 kWh。

(3)耦合电袋除尘器除尘性能和运行性能均优于前电后袋式除尘器,但能耗较高;电袋除尘器在除尘性能、运行性能及能耗等方面较布袋除尘器有显著优势。此外,耦合电袋除尘器质量因子最大,综合性能最好。

(4)相较燃煤飞灰,耦合电袋除尘器针对生物质飞灰的整体脱除效率较高,出口总尘浓度较低,但其能耗较高,综合性能较低。