生物質(zhì)鍋爐煙氣高效除塵工藝技術(shù)研究

余慧群　李　栩　甘激文　梁　燕　唐亮東　戴錫建　張 錦　宋楚楚　李克光　黃瑞峰　

生物質(zhì)鍋爐煙氣高效除塵工藝技術(shù)研究

余慧群1,2李栩3甘激文4梁燕3唐亮東5戴錫建3張 錦3宋楚楚3李克光3黃瑞峰3

（1.廣西科技大學(xué)，廣西 柳州 545006；2.廣西零到壹科技有限責(zé)任公司，廣西 南寧 530200；3.廣西科穗環(huán)境科技有限公司，廣西 貴港 537100；4.中國(guó)科技開發(fā)院廣西分院，廣西 南寧 530022；5.廣西壯族自治區(qū)產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，廣西 南寧 530200）

文章分析了貴港市小型生物質(zhì)鍋爐煙氣的特點(diǎn)及現(xiàn)有布袋除塵系統(tǒng)的缺陷，設(shè)計(jì)了一種并聯(lián)低阻雙筒旋風(fēng)除塵+火星捕捉降溫+阻燃劑包裹+布袋除塵的處理系統(tǒng)，研究了該系統(tǒng)的工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)大顆粒粉塵除去、火星捕捉以及氣化焦油包裹捕集效果的影響。以8 t/h生物質(zhì)鍋爐煙氣處理為例，考察了煙氣除塵系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和連續(xù)性，結(jié)果表明，除塵效率可達(dá)99.99%，煙塵排放濃度≤10 mg/m3，林格曼黑度＜1，能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定超低值排放運(yùn)行。

生物質(zhì)鍋爐；煙氣凈化；火星捕捉；布袋除塵；超低排放

引言

生物質(zhì)鍋爐因其經(jīng)濟(jì)性，在我國(guó)得到大力推廣應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2020年我國(guó)生物質(zhì)熱能鍋爐產(chǎn)量大約占工業(yè)鍋爐產(chǎn)量的7%，生物質(zhì)熱能鍋爐產(chǎn)量約為3.1萬蒸噸[1]。但由于生物質(zhì)燃料質(zhì)量參差不齊、現(xiàn)有鍋爐改造不規(guī)范等因素，導(dǎo)致燃料焚燒不穩(wěn)定、煙氣易帶火星、焦油成分大、水分含量高等問題難以解決，大氣污染物排放濃度高和成分復(fù)雜成為生物質(zhì)鍋爐大氣污染治理的重點(diǎn)和難點(diǎn)，也是生物質(zhì)鍋爐大氣污染排放濃度不穩(wěn)定和“冒黑煙”關(guān)鍵影響因素。目前我國(guó)尚未出臺(tái)生物質(zhì)鍋爐大氣污染物排放限值國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，其排放標(biāo)準(zhǔn)參考《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》GB13271—2014中煙塵排放限值在50 mg/m3以下，明顯高于其他工業(yè)領(lǐng)域。隨著國(guó)家環(huán)保要求的日益嚴(yán)格，對(duì)生物質(zhì)鍋爐污染物減排的需求也愈加迫切[2,3]。

廣西生物質(zhì)資源豐富，是我國(guó)木材加工的重要省份，區(qū)內(nèi)生物質(zhì)鍋爐得到廣范的應(yīng)用。貴港市作為廣西木材加工集中地，現(xiàn)有木材加工企業(yè)2 680家，企業(yè)多使用生物鍋爐，其“冒黑煙”等問題也成為當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境管理的一個(gè)痛點(diǎn)，2016—2019年貴港市連續(xù)三年未完成PM2.5等大氣約束性考核指標(biāo)。因此，解決建成區(qū)生物質(zhì)鍋爐“冒黑煙”問題成為區(qū)域大氣污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)的重要工作內(nèi)容。本文針對(duì)貴港市中小型生物質(zhì)鍋爐煙氣排放現(xiàn)狀，開展高效除塵工藝技術(shù)研究，技術(shù)裝備在貴港市50多家企業(yè)進(jìn)行推廣應(yīng)用，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，粉塵實(shí)現(xiàn)超低排放，完全符合國(guó)內(nèi)發(fā)達(dá)省份地方標(biāo)準(zhǔn)以及歐盟排放標(biāo)準(zhǔn)的要求。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 生物質(zhì)鍋爐煙氣特征

對(duì)貴港市多家木材加工企業(yè)使用的生物質(zhì)鍋爐構(gòu)造、使用條件、生物質(zhì)燃料的種類、鍋爐污染物排放特性進(jìn)行調(diào)查與分析檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)所用生物質(zhì)鍋爐的燃料多以木材邊角料、木屑為主，鍋爐容量以20噸以下的小型鍋爐為主，主爐膛溫度800～1000℃，出口煙氣溫度180～350℃。生物質(zhì)燃料參數(shù)、污染物排放濃度、煙氣特性及灰分特性分別見表1、表2和表3。

表1 生物質(zhì)燃料參數(shù)

類別應(yīng)用基低位發(fā)熱量/kJ·kg-1碳/C%氫/H%氧/O%硫/S%氮/N%水分/W%灰/分% 生物質(zhì)燃料1 448539.575.1032.750.050.2121.850.48

表2 貴港某企業(yè)生物質(zhì)鍋爐排放煙氣特性（15噸）

項(xiàng)目主要結(jié)果單位主要問題影響 粉塵 粒徑＞58 μm20%（數(shù)濃度）粒徑跨度大，單一除塵技術(shù)效果不明顯 26～58 μm47 3～25 μm32 ＜3 μm1 顆粒物濃度＜700mg/m3濃度較高，易“冒黑煙” 煙氣含濕量≥3.5%易造成布袋水解損壞 煙氣溫度180～350℃ 煙氣帶火星、焦油情況存在—易燒袋、糊袋

經(jīng)過分析可知，生物質(zhì)燃料熱值高、具有高揮發(fā)性、低硫、燃燒好的特性，其發(fā)熱量在13400～22000kJ/kg，燃燒溫度可達(dá)1 000℃以上，完全可以替代煤炭[4]。燃燒后產(chǎn)生的SO2、粉塵都遠(yuǎn)低于煤炭、石油等，是一種環(huán)保清潔能源。但生物質(zhì)鍋爐灰分中殘?zhí)己?、揮發(fā)分以及水分含量均較高，表明生物質(zhì)灰燼中易夾帶量大的火星、焦油和水分。

基于上述分析可見，常規(guī)干法袋式除塵技術(shù)應(yīng)用于生物質(zhì)鍋爐煙氣處理時(shí)，存在的難點(diǎn)主要在于：一是生物質(zhì)鍋爐燃料固定碳含量低，極易燃燒，燃燒后灰分比較輕，煙氣煙溫過高（通常為180～350℃）極易隨著煙道排出，夾帶大量不完全燃燒的火星顆粒易引起布袋損壞，甚至可導(dǎo)致火災(zāi)，使得布袋更換頻繁，運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本高；二是生物質(zhì)燃料在450～500℃炭化過程中熱解生成大量的焦油并蒸發(fā)混合至煙氣中，遇冷易導(dǎo)致布袋除塵器出現(xiàn)糊袋現(xiàn)象，導(dǎo)致布袋透氣性下降，鍋爐通風(fēng)量差，燃燒效率低；三是煙氣中含有大量的水分（含水量3.5%以上），高溫高濕下易引起布袋水解，導(dǎo)致除塵器失效。

表3 生物質(zhì)鍋爐灰分特性

檢測(cè)項(xiàng)目空氣干燥基高位發(fā)熱量/MJ·kg-1收到基低位發(fā)熱量/MJ·kg-1全水分/%空氣干燥基灰分/%空氣干燥基固定碳/%空氣干燥基揮發(fā)分/%焦渣特征空氣干燥基全硫含量/% 企業(yè)13.152.3713.460.148.1027.2120.02 企業(yè)23.232.669.663.776.8824.4320.01

1.2 生物質(zhì)鍋爐煙氣除塵工藝優(yōu)化路線的確定

基于上述生物質(zhì)鍋爐煙氣特點(diǎn)和存在的問題，設(shè)計(jì)了新的工藝路線“煙氣預(yù)除塵（一級(jí)處理）—煙氣火星捕捉、降溫（二級(jí)處理）—阻燃添加劑包裹（三級(jí)處理）—布袋高效處理—實(shí)現(xiàn)超低排放”（見圖1）。主要解決以下難題：捕捉生物質(zhì)鍋爐煙氣中的火星顆粒，保證濾袋不受損壞；控制生物質(zhì)鍋爐煙氣的溫度和水分，避免因?yàn)V袋在高溫高濕的環(huán)境下發(fā)生水解損壞；處理生物鍋爐煙氣中的焦油糊袋問題。

圖1 生物質(zhì)鍋爐新型除塵技工藝術(shù)流程圖

2 結(jié)果與討論

2.1 煙氣預(yù)除塵階段工藝優(yōu)化

在生物質(zhì)鍋爐的一級(jí)煙氣預(yù)除塵時(shí)，常規(guī)技術(shù)是采用單筒旋風(fēng)除塵裝置除去大顆粒物，設(shè)計(jì)除塵器錐斗高度與筒體直徑比為1.5，進(jìn)氣口切向流速設(shè)計(jì)為18.0～20.0 m/s，而在筒體內(nèi)粉塵離心運(yùn)動(dòng)速度控制在小于2.0～3.0 m/s。但由于生物質(zhì)鍋爐煙塵顆粒很輕且?guī)Щ鹦牵Ｒ?guī)旋風(fēng)式除塵器難以將燃燒著的燃料顆粒全部捕捉，漏過的燃料顆粒進(jìn)入布袋除塵器就可能點(diǎn)燃布袋引起燃燒，預(yù)除塵階段除塵效果不理想，后續(xù)階段布袋除塵負(fù)荷過高。

因此，對(duì)常規(guī)旋風(fēng)除塵裝置進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，主要體現(xiàn)在：采用并聯(lián)雙筒低阻旋風(fēng)除塵器；除塵器錐斗高度與筒體直徑的比值設(shè)計(jì)為大于2；進(jìn)氣口切向流速設(shè)計(jì)為10.0～14.0 m/s，而在筒體內(nèi)粉塵離心運(yùn)動(dòng)速度控制在小于1.5 m/s。該設(shè)計(jì)可增加火星顆粒在旋風(fēng)除塵器的停留時(shí)間，起到滅火星的作用，對(duì)輕質(zhì)粉塵顆粒也有很好的分離作用。通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采用新設(shè)計(jì)之后，旋風(fēng)除塵器的除灰量提高了5倍，后續(xù)布袋除塵負(fù)荷減少1倍以上，煙氣預(yù)除塵系統(tǒng)除塵量是最終布袋除塵量的5倍。

2.2 煙氣降溫與火星捕捉階段工藝優(yōu)化

由于尾部煙氣污染物多、溫度高且夾帶火星，在常規(guī)的生物質(zhì)鍋爐煙氣水膜除塵中除塵效率約為90%，且煙氣直接接觸冷卻水會(huì)造成二次水污染。因此，在低阻雙旋風(fēng)除塵器與布袋除塵器之間的煙道上，安裝新設(shè)計(jì)的“火星捕捉器”裝置（見圖2），用于煙氣一級(jí)旋風(fēng)預(yù)處理過程后煙氣的降溫與火星捕捉。該裝置內(nèi)部由多根管束排布制作而成，以冷卻水為冷卻介質(zhì)通過管束進(jìn)行熱交換，通過自動(dòng)調(diào)節(jié)冷卻水流量控制煙氣溫度在100～150℃；同時(shí)當(dāng)煙氣以一定風(fēng)速撞擊在冷卻管束時(shí)，煙氣中顆?；鹦亲矒艉笠驌p失能量直接熄滅或被破壞分解成若干細(xì)小顆粒火星冷卻而熄滅；經(jīng)過工藝優(yōu)化和系列實(shí)驗(yàn)，冷卻管管束設(shè)計(jì)成“品”字型排列，相比于“田”字型排列，無死角積灰現(xiàn)象；設(shè)計(jì)煙氣以18～22 m/s的風(fēng)速撞擊冷卻管束，火星捕集與淬滅效果最佳。有效解決了大顆粒火星燒袋難題，火星捕捉裝置對(duì)顆?；鹦堑牟蹲叫蔬_(dá)到80%～90%。

1—進(jìn)風(fēng)口；2—出風(fēng)口；3—捕火星管束；4—冷卻水進(jìn)水；5—冷卻水出水。

2.3 阻燃添加劑包裹工藝優(yōu)化

生物質(zhì)鍋爐煙氣中存在氣化焦油，進(jìn)入除塵設(shè)備后易出現(xiàn)液化糊袋現(xiàn)象。在三級(jí)處理階段進(jìn)行工藝優(yōu)化時(shí)，研究出吸水性強(qiáng)、噴射均勻性好、焦油團(tuán)聚包裹性強(qiáng)的復(fù)配型鈣基煙氣阻燃添加劑。在設(shè)備運(yùn)行時(shí)，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)的噴射裝置添加阻燃添加劑，捕捉煙氣中的焦油、水分，可杜絕未充分燃燒碳質(zhì)因火星復(fù)燃燒袋問題，又可吸附包裹氣化焦油，實(shí)現(xiàn)布袋除塵器持續(xù)高效運(yùn)行。經(jīng)多次應(yīng)用測(cè)試，該阻燃添加劑均勻噴灑后，可將粒徑3 μm以下粉塵良好的包裹并團(tuán)聚，有效降低顆粒物濃度；阻燃劑的吸水性還可將煙氣水分從3.5%以上降低至2%以下；通過布袋除塵回收該添加劑與煙氣粉塵混合物，可做成有機(jī)肥料，用于茶樹、果樹等種植業(yè)，不增加新的污染源，實(shí)現(xiàn)廢物可循環(huán)利用。

為使阻燃添加劑與鍋爐煙氣充分接觸，在其進(jìn)入布袋除塵器前有效將火星碳質(zhì)和焦油包裹熄滅。設(shè)計(jì)了一種新型結(jié)構(gòu)的阻燃添加劑噴粉裝置（見圖3）。阻燃添加劑從料倉(cāng)通過自由重力進(jìn)入到螺旋輸送機(jī)入口處，再由螺旋輸送機(jī)（轉(zhuǎn)速可根據(jù)處理風(fēng)量、工況調(diào)整）將阻燃添加劑均勻噴灑、散開的投送到除塵器進(jìn)風(fēng)管道，提高了阻燃添加劑氣化焦油與煙氣水分的吸附效率。噴粉裝置可設(shè)置料位預(yù)警裝置，無需人工值守。

1—阻燃添加劑料倉(cāng)；2—螺旋輸送機(jī)；3—?dú)鈩?dòng)閥碟；4—阻燃添加劑下料口；5—料位計(jì)。

2.4 生物質(zhì)鍋爐煙氣高效除塵系統(tǒng)的性能指標(biāo)

經(jīng)過三級(jí)除塵工藝技術(shù)參數(shù)優(yōu)化和系列實(shí)驗(yàn)，煙氣處理系統(tǒng)各階段均取得了良好的處理效果：并聯(lián)低阻雙筒旋風(fēng)除塵主要除去大顆粒煙塵，起到熄滅火星的作用；火星捕捉器完成一級(jí)預(yù)除塵階段漏掉的帶火星的煙塵的降溫和淬滅；阻燃添加劑及其噴粉裝置用在三級(jí)煙氣處理階段捕集焦油氣、部分水分以及小部分細(xì)小火星。以貴港市某某木業(yè)有限公司8t/h 生物質(zhì)鍋爐煙氣系統(tǒng)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，在該公司生物質(zhì)鍋爐煙氣主管上引入生物質(zhì)鍋爐煙氣除塵系統(tǒng)如圖所示（見圖4）。生物質(zhì)鍋爐除塵系統(tǒng)運(yùn)行安全穩(wěn)定、出口煙氣排放濃度滿足超低排放標(biāo)準(zhǔn)。三級(jí)除塵的工藝優(yōu)化與創(chuàng)新設(shè)計(jì)，使后續(xù)布袋除塵器高效率長(zhǎng)壽命運(yùn)轉(zhuǎn)，達(dá)到生物質(zhì)鍋爐高效除塵、穩(wěn)定超低排放的目的。整套裝備的性能指標(biāo)見表4。

圖4 貴港市某木業(yè)有限公司8t/h生物質(zhì)鍋爐煙氣處理系統(tǒng)

表4 生物質(zhì)鍋爐高效除塵技術(shù)主要性能指標(biāo)參數(shù)

指標(biāo)名稱指標(biāo)性能 運(yùn)行溫度≤240℃ 清灰模式離線低壓脈沖清灰（設(shè)計(jì)成多倉(cāng)格并聯(lián)形式，以滿足除塵器本體臨時(shí)檢修時(shí)，機(jī)組仍能繼續(xù)運(yùn)行） 出口排放濃度<10mg/m3（符合歐盟標(biāo)準(zhǔn)以及絕大多數(shù)發(fā)達(dá)省份地標(biāo)） 除塵效率≥99.9% 林格曼黑度＜1 本體的漏風(fēng)率≤1.0% 運(yùn)行阻力≤1200 Pa 設(shè)計(jì)耐壓力-8 KPa/+8 KPa 正常運(yùn)行氣/布比（過濾速度）≤0.8m/min 使用壽命濾袋壽命＞30 000 h；脈沖閥使用壽命＞100萬次 噪聲布袋除塵器及其輔助設(shè)備，閥門的噪音在距離設(shè)備外殼1 m處不大于85db(A)

2.5 生物質(zhì)鍋爐煙氣處理系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)際效果

生物質(zhì)鍋爐煙氣高效除塵工藝技術(shù)與設(shè)備在廣西貴港51家木業(yè)公司生物質(zhì)鍋爐煙氣除塵領(lǐng)域推廣應(yīng)用，最終除塵效率可達(dá)99.99%，煙塵排放濃度≤10 mg/m3，林格曼黑度＜1，能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定超低值排放運(yùn)行（表5）。顆粒物排放濃度完全符合我國(guó)發(fā)達(dá)省份生物質(zhì)鍋爐地方標(biāo)準(zhǔn)限值要求[5]（見表6）以及歐盟限值要求[6]（見表7）。

表5 生物質(zhì)鍋爐除塵設(shè)備運(yùn)行情況表

序號(hào)鍋爐型號(hào)實(shí)測(cè)出口顆粒物濃度/mg·m-3煙氣出口溫度/℃布袋除塵器 進(jìn)口溫度/℃差壓/Pa噴吹壓力/MPa處理后顆粒物濃度/mg·m-3 12t/h ≥850 180～250112 ＜1 300 0.3～0.46.85 24t/h1238.31 36t/h1187.7 48t/h1258.45 510t/h1209.02

表6 我國(guó)部分地方標(biāo)準(zhǔn)生物質(zhì)鍋爐顆粒物排放限值

區(qū)域說明排放限值/mg·m-3 北京市高污染燃料禁燃區(qū)（在用）5 高污染燃料禁燃區(qū)外（在用）10 新建5 上海市在用10 新建10 廣東省在用20 新建20 特別排放限值10

表6（續(xù)）

表7 歐盟關(guān)于燃燒固體生物質(zhì)向空氣中排放顆粒物限值

排放限值/mg·m-3說明 現(xiàn)有：30新建：20總熱輸入功率50～100 MW鍋爐排放限值 50額定輸入功率1～5 MW現(xiàn)有鍋爐排放限值 30*額定輸入功率＞5 MW現(xiàn)有鍋爐排放限值 20#歐盟新建鍋爐排放限值

注：*表示額定熱輸入大于5 MW且小于或等于20 MW的，為50 mg/m3；#表示總額定熱輸入大于等于1 MW且小于等于5 MW的，為50 mg/m3；對(duì)于總額定熱輸入大于5 MW且小于等于20 MW的，為30 mg/m3。

3 結(jié)論

通過采用并聯(lián)低阻雙筒旋風(fēng)除塵＋火星捕捉降溫＋阻燃劑包裹＋布袋高效除塵處理系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)布袋除塵在高溫易粘結(jié)生物質(zhì)鍋爐煙氣工況運(yùn)行時(shí)存在的火星燒袋、焦油糊袋、水分蝕袋的難題，使生物質(zhì)鍋爐煙氣粉塵實(shí)現(xiàn)了超低排放。回收的粉塵還可做成有機(jī)肥料，用于茶樹、果樹等種植業(yè)，不增加新的污染源，實(shí)現(xiàn)廢物可循環(huán)利用。整體技術(shù)在貴港市51家企業(yè)生物質(zhì)鍋爐煙氣治理項(xiàng)目中進(jìn)行推廣應(yīng)用，取得顯著的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。

[1]前瞻產(chǎn)業(yè)研究院. 2023—2028年中國(guó)生物質(zhì)鍋爐行業(yè)市場(chǎng)前瞻與投資戰(zhàn)略規(guī)劃分析報(bào)告[R]. 深圳: 前瞻產(chǎn)業(yè)研究院，2023.

[2]樊靜麗，李佳，晏水平，等. 我國(guó)生物質(zhì)能-碳捕集與封存技術(shù)應(yīng)用潛力分析[J]. 熱力發(fā)電，2021，50(1): 7-17.

[3]方平，唐子君，黃建航，等. 生物質(zhì)鍋爐煙氣污染物排放特性及其控制對(duì)策[J]. 環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2016，39(10): 155-160.

[4]倪維斗. 生物質(zhì)能利用的現(xiàn)狀、前景及應(yīng)用指標(biāo)[J]. 電力技術(shù)經(jīng)濟(jì)，2009，21(2): 1-6．

[5]GB 13271-2014. 鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)[S]. 北京: 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2014.

[6]歐洲議會(huì)和理事會(huì)指令2010/75/EU，工業(yè)排放 (綜合污染預(yù)防和控制)[EB/OL]. (2010-12-17)[2022-11.29]. http://www.gdzjtbt.com/eu_law/2020-06-13/449067.html.

Research on High-Efficiency Dust Removal Technology for Biomass Boiler Flue Gas

This paper analyzes the characteristics of the flue gas of small biomass boilers in Guigang city and the defects of the existing bag dust removal system, and designs a parallel low-resistance double-barrel cyclone dust removal + spark capture cooling + flame retardant wrapping + bag dust removal treatment system. The influence of the process optimization design of the system on the removal of large particles of dust, the capture of sparks and the capture gasification tar wrapping is studied. Taking the flue gas treatment of an 8t/h biomass boiler as an example, the stability and continuity of the operation of the flue gas dust removal system are investigated. The results show that the dust removal efficiency can reach 99.99%, the dust emission concentration is ≤10 mg/m3, and the Ringelmann blackness is < 1, which can stabilize the ultra-low emission operation for a long time.

biomass boiler; flue gas purification; spark capture; bag dust removal; ultra-low emissions

TK22

A

1008-1151(2023)07-0104-05

2023-03-23

貴港市科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（貴科攻2001001）；廣西科技計(jì)劃項(xiàng)目（桂科AB22080003）；廣西自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2021GXNSFAA96073）；南寧市科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（20223231）。

余慧群（1974－），女，廣西科技大學(xué)正高級(jí)工程師，博士，從事聚合物復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與調(diào)控改性研究。

唐亮東（1966－），男（壯族），廣西壯族自治區(qū)產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院副研究員，從事科技開發(fā)、技術(shù)中介、項(xiàng)目評(píng)估、成果推廣及科技管理工作。