生物質鍋爐多效煙氣凈化裝置設計與性能研究

王 毅 杜金宇 張全國 荊艷艷 趙緯莉 常建民

(1.北京林業大學材料科學與技術學院， 北京 100083； 2.河南農業大學農業部可再生能源新材料與裝備重點實驗室, 鄭州 450002；3.河南牧業經濟學院食品工程系， 鄭州 450011)

0 引言

目前，我國城市擁有大量的燃煤鍋爐，其中大都分布在城區內及城市周邊，由于使用的都是含硫量高的劣質煤，鍋爐煙氣沒有脫硫裝置，加上操作、管理等因素，冒黑煙、硫污染等煙氣污染十分嚴重，直接影響了城市及周邊的空氣質量[1-3]。為此，許多城市采取取消煤鍋爐，采用煤改氣、煤改電等措施減少燃煤鍋爐污染，但由于氣源緊張、電價昂貴，在城市熱力難以達到的區域，收效甚微[4-5]。用清潔的生物質燃料替代煤，在城市鍋爐內使用替代燃煤鍋爐就成為首選[6-7]。根據我國的生物質資源條件，利用農林剩余物作為鍋爐燃料使用則具有環境友好、可以再生的特點[8]。研究工業鍋爐生物質燃燒技術，開發生物質燃料鍋爐，對節約常規能源、優化我國能源結構、減輕環境污染有著積極意義[9-11]。

目前我國已經有相當規模的生物質燃料鍋爐研發使用，減少鍋爐排放污染尤其是大氣污染成為生物質鍋爐研發人員和環境保護工作者必須直面的問題[12]。然而針對生物質燃料鍋爐煙氣凈化的裝置卻一直未有大的突破，較多的仍在沿用以往燃煤鍋爐煙氣凈化工藝和裝置[13]。為此，亟需研發出一種除塵效果好、設備操作簡單、凈化功能多樣、生產成本低的適用于中小型生物質鍋爐使用的煙氣凈化設備[14-16]。本文針對中小型生物質鍋爐煙氣排放實際情況，設計一種適用于中小型生物質鍋爐煙氣除塵、凈化、脫硫于一體的煙氣凈化設備，研究該套設備的工藝設計、系統計算、運行性能等。

1 設計依據

1.1 設計方案

(1)煙氣除塵、脫硫、余熱利用一體化設計，實現煙氣多效凈化。煙氣除塵采用旋風分離一次除塵和霧化噴淋二次除塵，煙氣脫硫采用堿性水洗滌脫硫和霧化噴淋脫硫，余熱利用采用高、低壓煙氣多級換熱。

(2)煙氣除塵采用三級除塵設計。主煙道排出的煙氣第一步通過煙道旋風分離器進行初步除塵，初次除塵后煙氣進入箱體箱實現氣液二次除塵，然后進入副煙道利用霧化噴淋裝置進行三次除塵。

(3)排煙煙道采用螺旋換熱、旋風分離一體化設計。一次煙道中設立螺旋換熱盤管，一方面煙氣中的煙塵經過螺旋旋風分離后沿著氣壁被煙氣吹入堿水箱中，另一方面利用換熱盤管進行煙氣余熱換熱，通過控制盤管液體流速控制一次排煙溫度，降低煙氣中有害金屬離子的排放。多效煙氣凈化裝置的工藝流程圖如圖1所示。

圖1 多效煙氣凈化裝置工藝流程圖Fig.1 Process flow chart of multifunction liquid and condensational purification device

1.2 設計原則

煙氣凈化裝置要求結構簡單，有較好的氣液、固液混合性能，可實現高效率的煙氣除塵、脫硫、凈化等功能，能實時進行凈化系統運行參數的檢測及調控，可滿足中小型生物質鍋爐煙氣凈化的工藝要求，易于放大。

2 多效煙氣凈化裝置的設計

2.1 整體結構

結合生物質鍋爐煙氣的排放特點以及煙氣脫硫、除塵凈化的需要，設計的生物質鍋爐多效煙氣凈化裝置結構如圖2所示，主要由一次煙道、換熱盤管、堿水箱、換熱排管、二次煙道、霧化噴淋器、逆向旋流板等組成。

圖2 多效煙氣凈化裝置結構示意圖Fig.2 Structure diagram of multifunction gas purification device1.一次煙道 2.換熱盤管 3.堿水箱 4.換熱排管 5.料渣分離斗 6.逆向旋流板 7.二次煙道 8.霧化噴淋器 9.渦輪引風機

鍋爐煙氣在一次煙道的旋流板以及煙道內部導向、旋流、離心除塵等機構作用下，煙塵沿氣壁在煙氣吹動下進入下方堿水箱內，煙氣與堿水發生中和反應,并形成鼓泡作用,進行初步脫硫，然后進入二次煙道內，二次煙道的霧化噴淋裝置以較高壓力將堿性水旋轉噴出，形成粒徑約 100 μm的水霧，大大提高了液滴比表面積，與煙氣充分接觸，煙塵充分增濕、增重[17]。煙塵在強烈氣流作用下，慣性力增大，被拋甩到筒內壁水膜層中，流入液體凈化箱內，煙氣中的硫氧化物氣體與霧化的堿性水滴接觸反應生成亞硫酸和硫酸鹽隨水膜流入堿水箱內，然后排入灰渣池[18]。堿水霧化噴淋洗滌過的煙氣經百葉窗格柵阻擋分離水滴，進行氣水分離，清潔的煙氣經引風機引入煙塔排出。

2.2 二次煙道設計

二次煙道是煙塵脫硫、除塵的主要區域，采用堿水霧化噴淋的方式，進行脫硫和除塵。霧化噴淋除塵可分切向出風和軸向出風兩種類型，實際的應用和實驗表明，軸向出風式無論是氣流流動的對稱性還是穩定性均優于切向出風式，因此采用軸向出風方式，二次煙道結構如圖3所示。以LEITH的邊界層分離理論為基礎，對軸向出風的立式二次風道進行設計[19-20]。

圖3 二次煙道軸向出風方式Fig.3 Secondary pipe axial gas outlet1.二次煙道 2.旋流霧化噴淋器 3.煙氣入口

根據LEITH的邊界層分離理論，假設空間內氣流流場為準自由渦場，煙氣在二次煙道空間內氣流切向速度滿足

vtrn=const

(1)

式中vt——捕塵空間內氣流的切向速度，m/s

r——捕塵空間內任意一點的半徑，m

n——修正系數，一般取0.5～0.9

根據分級除塵效率計算式，結合實驗條件，二次煙道捕塵空間尺寸為：筒體高度1 800 mm，捕塵空間高度917.5 mm，筒體直徑600 mm，入口高度125 mm，出口直徑125 mm，入口風速20 m/s。

2.3 霧化噴淋裝置設計

二次煙道內霧化噴淋裝置噴淋量過小，在極板上易形成溝流，長期運行易造成極板結垢。而噴淋量過大時，則會造成水的浪費，加重循環水處理系統的負擔，能耗也會增大[21]。合理的噴嘴排布方式及噴嘴選型可在較小水量下實現液膜均勻分布。本研究噴淋裝置采用封閉循環系統，循環水泵揚程為16～20 m，流量為10～68 L/min，電壓為220 V。循環水在噴嘴霧化作用下形成液滴，液滴在空間內沉降速度計算參照顆粒計算公式

(2)

式中v——顆粒沉降速度，m/s

d—— 煙塵顆粒直徑，m

ρs——煙塵顆粒密度，kg/m3

ρ——水介質密度，kg/m3

g——重力加速度，m/s2

根據實驗數據和二次煙道高度，代入式(2)，當噴淋量設定為13.7 L/min，噴嘴噴霧分布情況如圖4、5所示。可以看出該范圍內水霧分布均勻，覆蓋面廣，形成的水膜能夠有效地覆蓋在陽極板之上。

圖4 噴嘴噴霧分布情況Fig.4 Water spray distribution of nozzle

圖5 噴嘴噴霧極板分布特性Fig.5 Distribution characteristics of nozzle spray on positive plate

2.4 噴淋高度設計

噴淋高度是決定噴淋水霧分布的重要因素，在保證水霧噴淋均勻，水膜完整形成的條件下，噴淋高度越低，越有利于降低能耗[22]。本研究選用1 000、1 500 mm 2種噴淋高度，研究不同噴淋高度對噴霧液滴粒徑的影響，結果如圖 6所示。

圖6 不同噴淋高度對霧化液滴粒徑的影響Fig.6 Effect of different spray heights on particle size of atomized liquid

由圖6可以看出，當噴淋高度較大時，噴霧液滴平均粒徑較小，噴霧分布也較均勻。而當噴淋高度較小時，噴霧液滴平均粒徑則增大，粒徑分布均勻性也降低，不利于液滴的均勻分布和液膜的形成。因此，當噴嘴位置于處1 500 mm時，噴淋波動較小，噴霧液滴均勻，水利用率高。

2.5 水循環處理系統設計

水循環系統工作原理是以堿性循環水吸收 SO2，主要在二次煙道旋流霧化噴淋和下水箱中進行。吸收液用石灰乳化再生，在反應池和沉灰池中完成,生成灰渣共沉在沉灰池中[23]。當水箱中水質惡化，由清水池補加水，水循環處理系統工藝流程如圖7所示。

圖7 水循環處理系統工藝流程圖Fig.7 Process flow chart of water recycle treatment

3 煙氣凈化裝置的性能測試實驗

3.1 實驗依據

鍋爐煙氣排放檢測采用GB13271—2014《鍋爐大氣污染物排放標準》來計算。實驗數據采用在線儀表計量與現場計量。

3.2 實驗裝置

采用的實驗裝置主要有一套小型生物質鍋爐(包括爐膛、蒸發器、煙道、風道等)，一套煙氣凈化裝置，溫度測試系統(包括溫度計和熱電偶)，煙氣分析儀器等。圖8 為煙氣凈化裝置樣機。

圖8 多效煙氣凈化裝置Fig.8 Picture of multifunction gas purification device

3.3 實驗材料

生物質鍋爐燃料為玉米秸稈顆粒成型燃料，顆粒燃料的粒徑為5～15 mm，長度20～30 mm，密度800 kg/m3，顆粒燃料含水率4.85%，灰分質量分數5.66%，揮發分質量分數71.84%，碳質量分數43.21%，氫質量分數5.35%，氧質量分數37.85%，硫質量分數0.12%，燃料熱值14 654 kJ/kg。

生物質鍋爐熱效率42.9%，火力強度14.1 kW，鍋爐排放煙氣中SO2質量濃度14.3 mg/m3,CO質量濃度0.087 mg/m3,NO質量濃度0.087 mg/m3, NO2質量濃度0.087 mg/m3, 林格曼黑度小于1。

3.4 實驗儀器

質量稱量采用XK3190-A12E型電子落地臺秤(北京萬眾機械制造有限公司)，精度10 g。煙氣速度測定采用風速儀(石家莊力克風力設備有限公司)，測量范圍0～10 m/s，精度為0～5 m/s。溫度測定采用鎳鉻-鎳硅K型熱電偶(北京綠能溫度測量設備有限公司)，測溫范圍-200～1 200℃。煙氣成分分析采用KM Quintox 9106 型煙氣分析儀(鄭州東陸機電設備有限公司)。

3.5 實驗方法

實驗在室內進行，環境溫度為25℃，相對濕度小于85%，室內風速小于1.0 m/s，測試工質為常溫水，實驗樣機和測試儀器遠離其他熱源，引燃物為干燥的棉花秸稈。實驗進行3次，取其平均值為測試結果。

3.6 結果與分析

生物質鍋爐多效煙氣凈化裝置經過超過200 h的連續運行，設備整體運行穩定。運行過程中各單元內測定參數的變化情況如圖9～11所示。

圖9 煙氣凈化裝置進、出口煙氣溫度曲線Fig.9 Import and export temperature curves of multifunction gas purification device

圖9給出了多效液相冷凝煙氣凈化裝置進出口溫度變化曲線。設備連續運行過程中，室外最低溫度為16.3℃，最高溫度達到38.6℃，溫度波動顯著，而煙氣凈化裝置進、出口煙氣溫度變化幅度均較小，進口溫度浮動在(161±3)℃范圍內，出口溫度波動在(62±3)℃范圍內，說明溫度調節裝置尤其是余熱換熱裝置可以很好地調節裝置高壓區和低壓區的煙氣排放溫度，保證鍋爐煙氣的出口溫度低于62℃，降低煙氣中有害物的排放。

圖10 煙氣凈化裝置進、出口煙塵質量濃度和去除率曲線Fig.10 Import and export dust concentration curves of multifunction gas purification device

圖10給出了煙氣凈化裝置進、出口煙塵質量濃度和去除率的變化曲線。可以看出，煙氣凈化裝置連續運行時，進、出口煙塵質量濃度波動范圍均較小，入口煙塵質量濃度波動在48.7～51.1 mg/m3范圍內，出口煙塵質量濃度波動在4.2～5.1 mg/m3范圍內。原料一次煙道旋風除塵、堿水箱液體洗滌除塵、霧化噴淋除塵三級除塵后，煙塵質量濃度顯著下降，煙塵去除率在90.2%～90.8%的范圍內小幅度波動，平均煙塵去除率為90.57%。出口煙塵質量濃度波動較小，說明系統具有較好的煙塵去除能力和連續運行能力，整體穩定性較好。

圖11 煙氣凈化裝置進、出口SO2質量濃度和去除率曲線Fig.11 Import and export SO2 concentration curves of multifunction gas purification device

圖11給出了多效液相冷凝煙氣凈化裝置進、出口SO2質量濃度和去除率的變化曲線。可以看出，煙氣凈化裝置續運行時，排煙煙氣SO2質量濃度平穩，進口煙氣SO2質量濃度波動在13.9～14.6 mg/m3范圍內，出口煙氣SO2質量濃度波動在3.7～4.6 mg/m3范圍內，SO2去除率波動在70.1%～71.2%,波動范圍非常小，平均SO2去除率為70.6%，說明設備連續運行過程中SO2去除穩定性較好。

綜合來看，生物質鍋爐多效液相冷凝煙氣凈化裝置經過連續性運行，整體運行穩定，煙氣溫度、煙氣SO2含量、煙塵含量、SO2去除率、煙塵去除率等工藝參數和運行指標均較為平穩，出口煙氣溫度控制在(62±3)℃范圍內，平均出口煙氣SO2質量濃度為4.2 mg/m3，平均SO2去除率達到70.6%。平均出口煙塵質量濃度為4.6 mg/m3，平均煙塵去除率達到90.57%，具有較好的運行穩定性和較高的除塵脫硫效率。排放指標遠低于《鍋爐大氣污染物排放標準》中燃氣鍋爐的排放標準，煙氣凈化裝置性能測試如表1所示。

表1 多效煙氣凈化裝置性能測試結果Tab.1 Performance test results of multifunction gas purification device

4 結束語

針對中小型生物質鍋爐煙氣排放特點，設計了一種具有除塵、脫硫、余熱利用于一體的多效煙氣凈化裝置。煙氣凈化裝置經過200 h的連續性運行，整體運行穩定，煙氣溫度、煙氣SO2含量、煙塵含量、SO2去除率、煙塵去除率等工藝參數和運行指標均較為平穩，出口煙氣溫度控制在(62±3)℃范圍內，平均出口煙氣SO2質量濃度為4.2 mg/m3，平均SO2去除率達到70.6%。平均出口煙塵質量濃度4.6 mg/m3，平均煙塵去除率達到90.57%，具有較好的運行穩定性和較高的除塵脫硫效率。煙氣凈化裝置性能指標均達到或超過同類型設備水平，污染物排放低于GB13271—2014《鍋爐大氣污染物排放標準》中燃氣鍋爐的排放標準。

1 ALATTAB K A, HO J C, ZAINAL Z A.Experimental investigation of submerged flame in packed bed porousmedia burner fueled by low heating value producer gas[J]. Experiment Thermal and Fluid Science, 2015, 62(3): 1-8．

2 李大中, 王晨穎, 婁云. 垃圾與煤、秸稈混燃鍋爐污染物排放優化[J/OL]. 農業機械學報, 2012, 43(7): 117-123. http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20120722&flag=1.DOI:10.6041/j.issn.1000-1298.2012.07.022.

LI Dazhong, WANG Chenying, LOU Yun. Pollutant emission optimization of boiler burning waste mixed with coal and straw[J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2012, 43(7): 117-123. (in Chinese)

3 HOSSEINI S, URBANSKI S P, DIXIT P, et al. Laboratory characterization of PM emissions from combustion of wildland biomass fuels[J]. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 2013, 118(17): 9914-9929.

4 歐春華, 李蜀慶, 張軍, 等. 重慶市煤改氣及其環境效益分析[J]. 重慶大學學報:自然科學版, 2004, 27(11): 100-104.

OU Chunhua, LI Shuqing, ZHANG Jun, et al. Boiler transforming from using coal into using natural gas in Chongqing and analysis of its environmental benefits[J]. Journal of Chongqing University：Natural Science Edition, 2004, 27(11): 100-104. (in Chinese)

5 CHANG Guanqin , SONG Cunyi , WANG Li . A modeling and experimental study of flue gas desulfurization in a dense phase tower [J]. Journal of Hazardous Materials, 2011, 189(1-2):134-140.

6 劉聯勝,趙榮煊,王高月,等. 基于ASPEN PLUS 的煙氣氣氛下生物質氣化模擬[J/OL]. 農業機械學報, 2017, 48(6): 278-283.http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20170636&flag=1.DOI:10.6041/j.issn.1000-1298.2017.06.036.

LIU Liansheng, ZHAO Rongxuan, WANG Gaoyue, et al. Simulation on pyrolysis gasification of biomass in flue gas based on ASPEN PLUS [J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2017, 48(6): 278-283. (in Chinese)

7 KENDRY P M．Energy production from biomass(part2)：conversion technologies[J]. Bioresource Technology, 2002, 83: 47-54．

8 JOHANSSON L S，TULLIN C，LEEKNER B, et al．Particle emissions from biomass combustion in small combustors[J]. Biomass and Bioenergy, 2003, 25(4): 435-446．

9 龔彬, 余春江, 王準, 等. 生物質爐排鍋爐飛灰特性及影響因素分析[J]. 太陽能學報, 2016, 37(7): 1671-1676.

GONG Bin, YU Chunjiang, WANG Zhun, et al. Study on abnormities and influencing factors of fly a biomass-fired grate boiler[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2016, 37(7): 1671-1676. (in Chinese)

10 翟萬里, 劉圣勇, 管澤運, 等. 生物質成型燃料鏈條蒸汽鍋爐的研制[J]. 農業工程學報, 2016, 32(1): 243-249.

ZHAI Wanli, LIU Shengyong, GUAN Zeyun, et al. Development of chain-steam boiler for biomass briquette[J]. Transactions of the CSAE, 2016, 32(1): 243-249. (in Chinese)

11 蘇俊林, 王震坤, 矯振偉. 高效潔凈生物質鍋爐的開發及應用[J]. 農機化研究, 2009, 31(8): 202-208.

SU Junlin, WANG Zhenkun, JIAO Zhenwei. The exploitation and application on biomass boiler by high efficiency and clean combustion[J].Journal of Agricultural Mechanization Research, 2009, 31(8): 202-208. (in Chinese)

12 余有芳, 尚鵬鵬, 盛奎川. 生物質燃燒煙氣排放特性與污染物控制[J]. 農業工程, 2017, 7(2): 50-54.

YU Youfang, SHANG Pengpeng, SHENG Kuichuan. Emission characteristics and pollutant control of biomass combustion[J]. Agricultural Engineering, 2017, 7(2): 50-54. (in Chinese)

13 ROY M M, DUTTA A, CORSCADDEN K W．An experimental study of combustion and emissions of biomass pellets in a prototype pellet furnace[J]．Applied Energy, 2013, 108(8): 298-307．

14 姚宗路, 趙立欣, RONNBACK M, 等. 生物質顆粒燃料特性及其對燃燒的影響分析[J]. 農業機械學報, 2010, 41(10):97-102．

YAO Zonglu, ZHAO Lixin, RONNBACK M, et al. Comparison on effect of characterization of biomass pellet fuels on combustion behavior[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2010, 41(10): 97-102. (in Chinese)

15 解海衛．城市生活垃圾與生物質混燒發電及煙氣凈化的研究[D]. 天津: 天津大學, 2007．

JIE Haiwei. Study on co-combustion power generation of municipal solid waste with biomass and flue gas purification[D]. Tianjin: Tianjin University, 2007. (in Chinese)

16 TAO Min, JIN Baosheng, ZHONG Wenqi, et al. Modeling and experimental study on mufti-level humidifying of the under feed circulating spouted bed for flue gas desulfurization [J]. Powder Technology, 2010, 198(1): 93-100.

17 鐘瑾, 朱庚富. 垃圾焚燒發電過程中的二次污染物控制處理技術[J]．污染防治技術，2007，20(3)：56—60．

ZHONG Jin, ZHU Gengfu. Control and disposal technology of secondary pollutant from power generation by incineration of rubbish [J]．Pollution Control Technology, 2007, 20(3): 56-60．(in Chinese)

18 陳國金. 中小型燃煤鍋爐脫硫除塵及節能技術[J]. 動力工程, 2003, 23(2): 2330-2332.

CHEN Guojin. Research on technology of desulphurizing, dedusting and energy-saving of middle and small-sized coal fired boilers[J]. Power Engineering, 2003, 23(2): 2330-2332. (in Chinese)

19 張鵬．卡爾指數法在評價煤粉粉體特性中的應用[J]．中國粉體技術, 2000, 10(5)：33-36．

ZHANG Peng．Application of Carr index method in comprehensive evaluating properties of coal powder[J]．China Powder Science and Technology，2000，10(5)：33-36．(in Chinese)

20 錢付平, 章名耀. 基于邊界層理論旋風分離器分離效率的改進模型[J]. 中國電機工程學報, 2007, 27(5): 71-75.

QIAN Fuping, ZHANG Mingyao. An extended model for determining the separation efficiency of a cyclone with boundary layer theory[J]. Proceedings of the Chinese Society for Electrical Engineering, 2007, 27(5): 71-75. (in Chinese)

21 岳煥煥. 煙氣及排煙系統對噴淋系統的影響分析[J]. 山東農業大學學報:自然科學版, 2012, 43(3): 449-452.

YUE Huanhuan. Impact analysis of smoke and exhaust system for the sprinkler syetem[J]. Journal of Shandong Agricultural University:Natural Science, 2012, 43(3): 449-452. (in Chinese)

22 趙增慧, 于力, 梁存珍. 提高濕法煙氣脫硫噴淋塔脫硫和除塵效率的探討[J]. 北京石油化工學院學報, 2014, 22(3): 18-23.

ZHAO Zenghui, YU Li, LIANG Cunzhen. A study on improving the efficiency of wet flue gas desulphurization and dust removal[J]. Journal of Beijing Institute of Petro-chemical Technology, 2014,22 (3): 18-23. (in Chinese)

23 魏宏鴿, 葉偉平, 柴磊, 等. 濕法脫硫系統除塵效果分析與提效措施[J]. 中國電力, 2015, 48(8): 33-35.

WEI Hongge, YE Weiping, CHAI Lei, et al. Analysis of dust removal effect in wet-FGD system and its efficiency-enhancement techniques[J]. Electric Power, 2015, 48(8): 33-35. (in Chinese)