生物質煙氣除塵技術實驗研究

夏少波, 段璐, 王建朋, 紀任山

(1.煤炭科學研究總院, 北京 100013; 2.北京天地融創科技股份有限公司, 北京 100013)

生物質能是一種重要的零碳可再生能源,種類多樣,分布廣泛,是人類賴以生存的重要能源之一,是促進資源可持續發展的有效途徑[1-2]。生物質燃燒過程中伴隨著粉塵等的產生,若不進行有效處置,會帶來一系列的環境問題[3]。因此,生物質燃燒煙氣凈化技術是生物質能應用發展過程中的關鍵。

生物質燃料與煤等化石燃料在成分組成上有很大區別,生物質的碳含量和密度較低,氫含量和揮發分含量較高,且不同生物質組分含量不同[4-5]。此外,生物質與其他燃料的混燃特性不同[6],混燃灰的黏附性、成分、形貌、比電阻等均較單一燃料飛灰也有很大區別[4]。生物質煙氣處理技術主要分為干法、濕法技術和復合凈化技術[7-8],干法技術主要包括旋風除塵器、靜電除塵器和布袋除塵器等;濕法技術主要包括洗滌塔[9],濕式電除塵器[10]等;復合凈化技術包括靜電旋風除塵器[11]、電袋結合除塵器等。生物質鍋爐機組容量大多偏小,除塵器的進口煙氣流速不宜設置過快,同時需考慮積灰和結渣等問題[12]。有學者針對生物質煙氣特點,分別開發了用于生物質除塵領域的多效煙氣凈化裝置和高溫過濾器[13-14],性能良好;曾慶瑞[15]對比了多種除塵工藝在生物質燃料鍋爐除塵領域的應用,發現生物質成型燃料鍋爐與二級布袋除塵技術的結合發展前景較好;李瑰萍[16]和楊福福等[17]研究了濕式電除塵器對生物質飛灰的脫除,發現濕式電除塵器在生物質飛灰捕集領域應用性能較好,但其效率主要受水壓、電場風速等影響。目前生物質煙氣凈化技術主要集中于單一除塵器的應用研究,而電袋除塵器性能優越,前景廣闊,在現階段其在工業應用中的研究較少,因此有必要探究電袋除塵器在生物質飛灰脫除領域中的應用。

現利用耦合電袋除塵器實驗平臺,探究不同電壓下耦合電袋除塵器的除塵性能、運行性能、能耗變化和綜合性能,對比最佳實驗電壓下不同結構除塵器的性能和濾料類型對耦合電袋除塵器的性能影響。研究可為電袋除塵器在生物質煙氣凈化領域中的應用和該領域除塵器的選型提供理論參考。

1 實驗系統與方法

1.1 實驗系統

圖1為耦合電袋除塵器實驗平臺示意圖,主要包括供氣、供料、供電、除塵器主體和測量系統等:①供氣部分采用英格索蘭空壓機提供壓縮空氣,帶動飛灰與主氣流混合后進入除塵器主體。②供料部分利用變頻控制器確保供料頻率一致,飛灰由供料倉落入進口管道。③供電部分選用了泰斯曼TD2202N20-400 (-20～0 kV, 400 W)負極性高壓電源,如圖2所示,提供實驗所需電壓。④除塵器主體部分即為耦合電袋除塵器,包括前區電場區和后區AHPC(advanced hybrid particulate collector)區,實物圖如圖2所示。前后區不同的加電組合方式對應不同結構的除塵器類型,電暈電極選用針形電極,濾袋為PPS(聚苯硫醚)材質。⑤測量系統部分主要包括testo無線迷你測量儀和Testo Smart Probes App、上下游等速采樣裝置、低壓靜電撞擊器(electrical low pressure impactor, ELPI)及其稀釋系統,實物圖均如圖2所示。

圖1 實驗系統圖Fig.1 Schematic of the experimental system

圖2 實驗系統實物圖Fig.2 Physical diagram of the experimental system

定量飛灰由供料倉上部加入,之后在螺旋桿的運作下落入進口管道,進而在壓縮空氣的帶動下與主氣流混合后進入除塵器主體,除塵器進口處布置有布風板,使的煙氣分布更均勻。煙氣依次經過除塵器前區和后區,飛灰被電極、集塵板和濾袋分別捕集,完成除塵過程。除塵器出口飛灰濃度由ELPI測得,實驗過程中煙氣流速、運行壓降、電暈電流分別由testo 405i無線迷你風速測量儀、testo 510i無線迷你壓差測量儀和高壓電源測得。

1.2 實驗條件

實驗在室溫下進行,大致為15～20 ℃,除塵器出口管道煙氣流速為10 m/s,供料頻率為5 Hz,保證進口飛灰濃度一致,實驗運行時長為60 min。實驗在三種工況下進行:除塵器前后區均加電,即耦合電袋除塵器,電壓值分別為-10、-12、-14、-16、-18、-20 kV;除塵器前區施加最佳電壓,后區不加電,即前電后袋式除塵器;除塵器前后區均不加電,即布袋除塵器。

1.3 實驗飛灰

實驗選用生物質飛灰和燃煤飛灰,堆積密度分別為700 kg/m3和1 000 kg/m3,比電阻分別為 1.37×106Ω·cm和3.40×106Ω·cm,生物質原料為沙柳。兩種飛灰均為收到基,參考GB/T 1574—2007和GB/T 212—2008進行成分分析,依據GB/T 212—2008進行工業分析,分別如表1和表2所示。可知,兩種飛灰中SiO2、Al2O3、CaO及K2O含量相差較大,生物質飛灰的空氣干燥基水分(Mad)和干基揮發分(Vd)較燃煤飛灰高,干基灰分(Ad)較低。

表1 飛灰成分分析

表2 飛灰工業分析

實驗前利用馬爾文激光粒度儀(Mastersizer 3000)測定了兩種飛灰的粒徑分布,如圖3所示。生物質飛灰中值粒徑(Dv,50)為25.60 μm,呈單峰分布,燃煤飛灰為32.93 μm,呈雙峰分布。此外,生物質飛灰小粒徑顆粒較燃煤飛灰多。

圖3 飛灰粒徑分布Fig.3 Particle size distribution of dust

2 結果與討論

2.1 不同電壓下耦合電袋除塵器性能

2.1.1 除塵性能

耦合電袋除塵器在不同電壓下對生物質飛灰的分級脫除效率如圖4所示,除塵器在不同電壓下的穿透窗口不同,其中-10 kV和-14 kV下無明顯穿透窗口,但-10 kV下除塵器的分級脫除效率普遍較低,-12 kV和-16 kV下穿透窗口分別為0.15～0.38 μm、0.03～0.09 μm,-18 kV和 -20 kV 下除塵器有兩個相同穿透窗口,分別為0.03～0.09 μm、0.10～0.26 μm。由此可見,施加電壓能夠改變除塵器穿透窗口,且穿透窗口隨著電壓的增大基本上向著小粒徑范圍移動。隨著電壓的增加,電暈電流增大,耦合電袋除塵器對大粒徑范圍內飛灰脫除效率提升較大,且施加電壓高于 -14 kV 時,脫除效率基本高于99%。

圖4 不同電壓下耦合電袋除塵器分級脫除效率Fig.4 The classification removal efficiency of coupling reinforced electrostatic-fabric integrated precipitator under different voltages

不同電壓下耦合電袋除塵器對生物質飛灰的出口總塵質量濃度和整體脫除效率如圖5所示,電壓增大,除塵器出口總塵濃度逐漸降低,整體脫除效率逐漸提高,其中施加電壓由-12 kV增至 -14 kV 時,除塵性能提升最顯著。此外,電壓由 -10 kV 提高到-20 kV,出口總塵濃度由 12.24 mg/m3降至2.93 mg/m3,降低了76.04%,整體脫除效率由99.92%提高到了99.98%。施加電壓高于-14 kV時,除塵器出口總塵濃度低于 10 mg/m3,能滿足一般地區超低排放標準,高于 -16 kV 時,出口濃度低于5 mg/m3,可滿足重點地區超低排放標準。綜上,施加電壓增加,電暈電流增大,飛灰荷電增強,有效增強了耦合電袋除塵器對生物質飛灰的脫除,且荷電顆粒在布袋區堆積形成電場,電場力的存在也進一步提高了除塵器除塵性能。

圖5 不同電壓下耦合電袋除塵器出口總塵質量濃度和整體脫除效率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 運行性能

不同電壓下耦合電袋除塵器運行壓降變增長速率如圖6所示,電壓增加,壓降增長速率有明顯的降低趨勢,且最終壓降值減小,這與王建朋研究結果相似[18]。最終壓降從-10 kV對應的920 Pa減小至-20 kV下的317 Pa,減小了65.54%,這是因為電壓增加,電暈電流增大,電除塵增強,濾袋部分處理的飛灰量降低,表面堆積的飛灰量進而減少,使得壓降增長速率減緩。此外,荷電顆粒被捕集后沉積在濾袋上,由于顆粒荷同種電荷,相互排斥,堆積結構較為疏松,且電壓增加,顆粒荷電量增多,斥力增大,能有效降低運行壓降。

圖6 不同電壓下耦合電袋除塵器壓降增長速率Fig.6 The rate of increase in pressure drop of coupling reinforced electrostatic-fabric integrated precipitator under different voltages

不同電壓下耦合電袋除塵器實驗過程中電流變化如圖7所示,不同電壓下電流整體均呈下降趨勢,因為飛灰被電暈電極和集塵板捕集后,沉積于兩者上形成粉塵層,粉塵層會隨時間的推移逐漸變厚,整體電阻逐漸增大,電暈電流逐漸降低。此外,實驗初期(0～10 min)電流減小速率最快,之后變緩,由此可見實驗初期電暈電極和集塵板對飛灰的捕集較快。除塵器起暈電流隨施加電壓增大而增大,電壓為-10 kV時,電暈電流在15 min后不再變化,為0.03 mA。不同電壓下實驗初始電流與最終電流差值隨電壓增加而增大,分別為0.07、0.41、0.63、1.13、1.37、1.31 mA。

圖7 不同電壓下耦合電袋除塵器電暈電流變化Fig.7 The variation of current of coupling reinforced electrostatic-fabric integrated precipitator under different voltages

2.1.3 能耗分析

耦合電袋除塵器的能耗主要包括電耗和壓降耗能,實驗過程中記錄電流和運行壓降,電耗和壓降耗能[19]的計算公式為

Echarge=UIt

(1)

E=(P2-P1)Afitert

(2)

式中:Echarge、E分別為電耗、系統壓降耗能,J;U為電壓,V;I為電流,A;P1、P2分別為除塵器始、終壓降,Pa;Afiter為過濾面積,m2;t為實驗用時,s,實驗時長為60 min。

圖8為耦合電袋除塵器的能耗變化,不同電壓下除塵器的總能耗分別為0.076、0.059、0.053、0.054、0.063、0.078 kW·h。施加電壓增加,除塵器運行壓降變化較小,壓降耗能降低,但電流隨電壓增加而增大,會使得電耗增加,當電壓超過 -16 kV 時,電耗增加量已大于壓降耗能減小量,因此除塵器總能耗呈先減后增趨勢,在電壓-16 kV時出現最小值。此外,除塵器電耗及其在總能耗中的占比隨電壓增加而逐漸增大,占比由-10 kV下的0.60%增至-20 kV下的58.01%;壓降耗能隨電壓增大逐漸降低。

圖8 不同電壓下耦合電袋除塵器能耗圖Fig.8 The energy consumption of coupling reinforced electrostatic fabric integrated precipitator under different voltages

2.1.4 性能綜合評價

除塵器性能在不同角度對比有不同結果,電壓為-20 kV時,除塵性能最好,而電壓為-16 kV時,運行能耗最低,因此需對除塵器性能進行綜合評價。質量因子(quality factor,QF)參數綜合考慮了除塵器的除塵性能和運行能耗,可用于綜合性能的評價,公式[20]具體為

(3)

式(3)中:QF為質量因子,該值越大,除塵器綜合性能就越好;ET為除塵器整體除塵效率;ΔP為壓降損失,Pa;Q為煙氣流量,m3/s;η為風機效率。

不同電壓下耦合電袋除塵器的質量因子如圖9所示,施加電壓增加,質量因子增大,除塵器的綜合性能提升。在-16 kV和-18 kV下,除塵器的綜合性能相差較少,且電壓低于-16 kV時,質量因子呈線性增加趨勢。較高的電壓下會額外增加電耗,但整體脫除效率的提升和最終壓降的降低仍使得除塵器的綜合性能更好。

圖9 質量因子Fig.9 Quality factor

2.2 不同結構除塵器的性能對比

表3為不同結構除塵器的除塵性能、運行性能、能耗和質量因子的對比,其中耦合電袋除塵器和前電后袋式電袋除塵器所加電壓均為-20 kV。就除塵性能而言,電袋除塵器較布袋除塵器有明顯優勢,這是因為顆粒在荷電后會出現凝并,粒徑增大,增強了濾袋的過濾效果[21],且荷電顆粒被濾袋捕集后在其表面堆積并形成電場,電場力的存在也進一步提升了除塵性能。耦合電袋除塵器和前電后袋除塵器的出口總塵濃度均低于5 mg/m3,能夠達到重點地區的超低排放標準。耦合電袋除塵器的出口總塵質量濃度較前電后袋除塵器低,除塵效率高,這是因為顆粒荷電量與其運動時間呈現指數負相關關系[22],而耦合電袋除塵器后區為AHPC區,該區域對顆粒進行了再次荷電脫除,同時縮短了荷電顆粒到達濾袋的時間與路徑,荷電量衰減較前電后袋除塵器少,因此除塵性能更好。就能耗而言,電袋除塵器較布袋除塵有較大降低,一方面因為顆粒荷同種電荷,在濾袋上堆積時相互排斥,結構疏松,大大降低了運行壓降增長速率,壓降能耗降低量遠大于所增加的電耗;另一方面,由于電場區的存在,進入布袋區飛灰量減少,進一步降低了濾袋運行壓降上升速率。此外,同一電壓下,耦合電袋除塵器的電暈電流遠高于前電后袋除塵器,運行中壓降耗能降低值低于電耗增加值,因此其能耗較高。

表3 不同結構除塵器性能對比

綜合而言,電袋除塵器較布袋除塵器在除塵性能、運行性能及能耗等方面有明顯優勢,是能夠實現生物質煙氣超低排放的方式之一。耦合電袋除塵器除塵性能和運行性能較前電后袋除塵器好,但其能耗較高,因此可以根據不同實際需要選擇不同結構的電袋除塵器。

2.3 燃料種類對耦合電袋除塵器性能影響

由2.1節結果分析可知,施加電壓為-20 kV時,耦合電袋除塵器的綜合性能最好,因此在此電壓下分析燃料種類對耦合電袋除塵器性能的影響,結果如表4所示。耦合電袋除塵器對生物質飛灰整

表4 耦合電袋除塵器對不同飛灰的性能對比

體脫除效率較燃煤飛灰高,出口總塵質量濃度低。雖然燃煤飛灰粒徑較大,能更好地荷電,有利于電除塵,但飛灰中SiO2、Al2O3含量過多,比電阻較大,會對電除塵產生不利影響[23-24],兩者綜合作用下,耦合電袋除塵器對燃煤飛灰的脫除性能較差,但其能耗較低,質量因子較大,綜合性能較好。

3 結論

基于耦合電袋除塵器實驗平臺研究了不同電壓下耦合電袋除塵器在生物質飛灰脫除領域的性能,對比了最佳實驗電壓下不同結構的除塵器性能和濾料種類對耦合電袋除塵器性能的影響,得到如下結論。

(1)電壓增加,耦合電袋除塵器對大粒徑生物質飛灰脫除效率提升明顯,小粒徑范圍存在波動,穿透窗口基本上向小粒徑范圍內移動。電壓增加,耦合電袋除塵器出口總塵濃度降低,整體脫除效率提高,均高于99.90%。電壓由-10 kV提高到-20 kV時,出口總塵濃度由12.24 mg/m3降至2.93 mg/m3,降低了76.04%。電壓高于-16 kV時,出口總塵濃度低于 5 mg/m3,可滿足重點地區超低排放標準。

(2)電壓增加,耦合電袋除塵器壓降增長速率和最終壓降降低,起始電流增大,初始與最終電流差值增大,能耗先減后增,質量因子增大,綜合性能提高。電壓由-10 kV增至-20 kV時,壓降最終值由920 Pa降至317 Pa,降低了65.54%;不同電壓下除塵器總能耗分別為0.076、0.059、0.053、0.054、0.063、0.078 kWh。

(3)耦合電袋除塵器除塵性能和運行性能均優于前電后袋式除塵器,但能耗較高;電袋除塵器在除塵性能、運行性能及能耗等方面較布袋除塵器有顯著優勢。此外,耦合電袋除塵器質量因子最大,綜合性能最好。

(4)相較燃煤飛灰,耦合電袋除塵器針對生物質飛灰的整體脫除效率較高,出口總塵濃度較低,但其能耗較高,綜合性能較低。