生物質鍋爐煙氣高效除塵工藝技術研究

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　

生物質鍋爐煙氣高效除塵工藝技術研究

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，廣西 柳州 545006；2.廣西零到壹科技有限責任公司，廣西 南寧 530200；3.廣西科穗環境科技有限公司，廣西 貴港 537100；4.中國科技開發院廣西分院，廣西 南寧 530022；5.廣西壯族自治區產業技術研究院，廣西 南寧 530200）

文章分析了貴港市小型生物質鍋爐煙氣的特點及現有布袋除塵系統的缺陷，設計了一種并聯低阻雙筒旋風除塵+火星捕捉降溫+阻燃劑包裹+布袋除塵的處理系統，研究了該系統的工藝優化設計對大顆粒粉塵除去、火星捕捉以及氣化焦油包裹捕集效果的影響。以8 t/h生物質鍋爐煙氣處理為例，考察了煙氣除塵系統運行的穩定性和連續性，結果表明，除塵效率可達99.99%，煙塵排放濃度≤10 mg/m3，林格曼黑度＜1，能夠長期穩定超低值排放運行。

生物質鍋爐；煙氣凈化；火星捕捉；布袋除塵；超低排放

引言

生物質鍋爐因其經濟性，在我國得到大力推廣應用。據統計，2020年我國生物質熱能鍋爐產量大約占工業鍋爐產量的7%，生物質熱能鍋爐產量約為3.1萬蒸噸[1]。但由于生物質燃料質量參差不齊、現有鍋爐改造不規范等因素，導致燃料焚燒不穩定、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雜成為生物質鍋爐大氣污染治理的重點和難點，也是生物質鍋爐大氣污染排放濃度不穩定和“冒黑煙”關鍵影響因素。目前我國尚未出臺生物質鍋爐大氣污染物排放限值國家標準，其排放標準參考《鍋爐大氣污染物排放標準》GB13271—2014中煙塵排放限值在50 mg/m3以下，明顯高于其他工業領域。隨著國家環保要求的日益嚴格，對生物質鍋爐污染物減排的需求也愈加迫切[2,3]。

廣西生物質資源豐富，是我國木材加工的重要省份，區內生物質鍋爐得到廣范的應用。貴港市作為廣西木材加工集中地，現有木材加工企業2 680家，企業多使用生物鍋爐，其“冒黑煙”等問題也成為當地生態環境管理的一個痛點，2016—2019年貴港市連續三年未完成PM2.5等大氣約束性考核指標。因此，解決建成區生物質鍋爐“冒黑煙”問題成為區域大氣污染防治攻堅戰的重要工作內容。本文針對貴港市中小型生物質鍋爐煙氣排放現狀，開展高效除塵工藝技術研究，技術裝備在貴港市50多家企業進行推廣應用，設備運行穩定，粉塵實現超低排放，完全符合國內發達省份地方標準以及歐盟排放標準的要求。

1 實驗部分

1.1 生物質鍋爐煙氣特征

對貴港市多家木材加工企業使用的生物質鍋爐構造、使用條件、生物質燃料的種類、鍋爐污染物排放特性進行調查與分析檢測，發現所用生物質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℃。生物質燃料參數、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 生物質燃料參數

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

表2 貴港某企業生物質鍋爐排放煙氣特性（15噸）

項目主要結果單位主要問題影響 粉塵 粒徑＞58 μm20%（數濃度）粒徑跨度大，單一除塵技術效果不明顯 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

經過分析可知，生物質燃料熱值高、具有高揮發性、低硫、燃燒好的特性，其發熱量在13400～22000kJ/kg，燃燒溫度可達1 000℃以上，完全可以替代煤炭[4]。燃燒后產生的SO2、粉塵都遠低于煤炭、石油等，是一種環保清潔能源。但生物質鍋爐灰分中殘碳含量、揮發分以及水分含量均較高，表明生物質灰燼中易夾帶量大的火星、焦油和水分。

基于上述分析可見，常規干法袋式除塵技術應用于生物質鍋爐煙氣處理時，存在的難點主要在于：一是生物質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，甚至可導致火災，使得布袋更換頻繁，運營維護成本高；二是生物質燃料在450～500℃炭化過程中熱解生成大量的焦油并蒸發混合至煙氣中，遇冷易導致布袋除塵器出現糊袋現象，導致布袋透氣性下降，鍋爐通風量差，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，導致除塵器失效。

表3 生物質鍋爐灰分特性

檢測項目空氣干燥基高位發熱量/MJ·kg-1收到基低位發熱量/MJ·kg-1全水分/%空氣干燥基灰分/%空氣干燥基固定碳/%空氣干燥基揮發分/%焦渣特征空氣干燥基全硫含量/% 企業13.152.3713.460.148.1027.2120.02 企業23.232.669.663.776.8824.4320.01

1.2 生物質鍋爐煙氣除塵工藝優化路線的確定

基于上述生物質鍋爐煙氣特點和存在的問題，設計了新的工藝路線“煙氣預除塵（一級處理）—煙氣火星捕捉、降溫（二級處理）—阻燃添加劑包裹（三級處理）—布袋高效處理—實現超低排放”（見圖1）。主要解決以下難題：捕捉生物質鍋爐煙氣中的火星顆粒，保證濾袋不受損壞；控制生物質鍋爐煙氣的溫度和水分，避免因濾袋在高溫高濕的環境下發生水解損壞；處理生物鍋爐煙氣中的焦油糊袋問題。

圖1 生物質鍋爐新型除塵技工藝術流程圖

2 結果與討論

2.1 煙氣預除塵階段工藝優化

在生物質鍋爐的一級煙氣預除塵時，常規技術是采用單筒旋風除塵裝置除去大顆粒物，設計除塵器錐斗高度與筒體直徑比為1.5，進氣口切向流速設計為18.0～20.0 m/s，而在筒體內粉塵離心運動速度控制在小于2.0～3.0 m/s。但由于生物質鍋爐煙塵顆粒很輕且帶火星，常規旋風式除塵器難以將燃燒著的燃料顆粒全部捕捉，漏過的燃料顆粒進入布袋除塵器就可能點燃布袋引起燃燒，預除塵階段除塵效果不理想，后續階段布袋除塵負荷過高。

因此，對常規旋風除塵裝置進行重新設計，主要體現在：采用并聯雙筒低阻旋風除塵器；除塵器錐斗高度與筒體直徑的比值設計為大于2；進氣口切向流速設計為10.0～14.0 m/s，而在筒體內粉塵離心運動速度控制在小于1.5 m/s。該設計可增加火星顆粒在旋風除塵器的停留時間，起到滅火星的作用，對輕質粉塵顆粒也有很好的分離作用。通過對比實驗發現，采用新設計之后，旋風除塵器的除灰量提高了5倍，后續布袋除塵負荷減少1倍以上，煙氣預除塵系統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化

由于尾部煙氣污染物多、溫度高且夾帶火星，在常規的生物質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造成二次水污染。因此，在低阻雙旋風除塵器與布袋除塵器之間的煙道上，安裝新設計的“火星捕捉器”裝置（見圖2），用于煙氣一級旋風預處理過程后煙氣的降溫與火星捕捉。該裝置內部由多根管束排布制作而成，以冷卻水為冷卻介質通過管束進行熱交換，通過自動調節冷卻水流量控制煙氣溫度在100～150℃；同時當煙氣以一定風速撞擊在冷卻管束時，煙氣中顆粒火星撞擊后因損失能量直接熄滅或被破壞分解成若干細小顆粒火星冷卻而熄滅；經過工藝優化和系列實驗，冷卻管管束設計成“品”字型排列，相比于“田”字型排列，無死角積灰現象；設計煙氣以18～22 m/s的風速撞擊冷卻管束，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，火星捕捉裝置對顆粒火星的捕捉效率達到80%～90%。

1—進風口；2—出風口；3—捕火星管束；4—冷卻水進水；5—冷卻水出水。

2.3 阻燃添加劑包裹工藝優化

生物質鍋爐煙氣中存在氣化焦油，進入除塵設備后易出現液化糊袋現象。在三級處理階段進行工藝優化時，研究出吸水性強、噴射均勻性好、焦油團聚包裹性強的復配型鈣基煙氣阻燃添加劑。在設備運行時，通過優化設計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因火星復燃燒袋問題，又可吸附包裹氣化焦油，實現布袋除塵器持續高效運行。經多次應用測試，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，可做成有機肥料，用于茶樹、果樹等種植業，不增加新的污染源，實現廢物可循環利用。

為使阻燃添加劑與鍋爐煙氣充分接觸，在其進入布袋除塵器前有效將火星碳質和焦油包裹熄滅。設計了一種新型結構的阻燃添加劑噴粉裝置（見圖3）。阻燃添加劑從料倉通過自由重力進入到螺旋輸送機入口處，再由螺旋輸送機（轉速可根據處理風量、工況調整）將阻燃添加劑均勻噴灑、散開的投送到除塵器進風管道，提高了阻燃添加劑氣化焦油與煙氣水分的吸附效率。噴粉裝置可設置料位預警裝置，無需人工值守。

1—阻燃添加劑料倉；2—螺旋輸送機；3—氣動閥碟；4—阻燃添加劑下料口；5—料位計。

2.4 生物質鍋爐煙氣高效除塵系統的性能指標

經過三級除塵工藝技術參數優化和系列實驗，煙氣處理系統各階段均取得了良好的處理效果：并聯低阻雙筒旋風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預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煙氣處理階段捕集焦油氣、部分水分以及小部分細小火星。以貴港市某某木業有限公司8t/h 生物質鍋爐煙氣系統為實驗對象，在該公司生物質鍋爐煙氣主管上引入生物質鍋爐煙氣除塵系統如圖所示（見圖4）。生物質鍋爐除塵系統運行安全穩定、出口煙氣排放濃度滿足超低排放標準。三級除塵的工藝優化與創新設計，使后續布袋除塵器高效率長壽命運轉，達到生物質鍋爐高效除塵、穩定超低排放的目的。整套裝備的性能指標見表4。

圖4 貴港市某木業有限公司8t/h生物質鍋爐煙氣處理系統

表4 生物質鍋爐高效除塵技術主要性能指標參數

指標名稱指標性能 運行溫度≤240℃ 清灰模式離線低壓脈沖清灰（設計成多倉格并聯形式，以滿足除塵器本體臨時檢修時，機組仍能繼續運行） 出口排放濃度<10mg/m3（符合歐盟標準以及絕大多數發達省份地標） 除塵效率≥99.9% 林格曼黑度＜1 本體的漏風率≤1.0% 運行阻力≤1200 Pa 設計耐壓力-8 KPa/+8 KPa 正常運行氣/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備，閥門的噪音在距離設備外殼1 m處不大于85db(A)

2.5 生物質鍋爐煙氣處理系統運行實際效果

生物質鍋爐煙氣高效除塵工藝技術與設備在廣西貴港51家木業公司生物質鍋爐煙氣除塵領域推廣應用，最終除塵效率可達99.99%，煙塵排放濃度≤10 mg/m3，林格曼黑度＜1，能夠長期穩定超低值排放運行（表5）。顆粒物排放濃度完全符合我國發達省份生物質鍋爐地方標準限值要求[5]（見表6）以及歐盟限值要求[6]（見表7）。

表5 生物質鍋爐除塵設備運行情況表

序號鍋爐型號實測出口顆粒物濃度/mg·m-3煙氣出口溫度/℃布袋除塵器 進口溫度/℃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 我國部分地方標準生物質鍋爐顆粒物排放限值

區域說明排放限值/mg·m-3 北京市高污染燃料禁燃區（在用）5 高污染燃料禁燃區外（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）

表7 歐盟關于燃燒固體生物質向空氣中排放顆粒物限值

排放限值/mg·m-3說明 現有：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現有鍋爐排放限值 30*額定輸入功率＞5 MW現有鍋爐排放限值 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 結論

通過采用并聯低阻雙筒旋風除塵＋火星捕捉降溫＋阻燃劑包裹＋布袋高效除塵處理系統，解決了傳統布袋除塵在高溫易粘結生物質鍋爐煙氣工況運行時存在的火星燒袋、焦油糊袋、水分蝕袋的難題，使生物質鍋爐煙氣粉塵實現了超低排放。回收的粉塵還可做成有機肥料，用于茶樹、果樹等種植業，不增加新的污染源，實現廢物可循環利用。整體技術在貴港市51家企業生物質鍋爐煙氣治理項目中進行推廣應用，取得顯著的經濟效益和環境效益。

[1]前瞻產業研究院. 2023—2028年中國生物質鍋爐行業市場前瞻與投資戰略規劃分析報告[R]. 深圳: 前瞻產業研究院，2023.

[2]樊靜麗，李佳，晏水平，等. 我國生物質能-碳捕集與封存技術應用潛力分析[J]. 熱力發電，2021，50(1): 7-17.

[3]方平，唐子君，黃建航，等. 生物質鍋爐煙氣污染物排放特性及其控制對策[J]. 環境科學與技術，2016，39(10): 155-160.

[4]倪維斗. 生物質能利用的現狀、前景及應用指標[J]. 電力技術經濟，2009，21(2): 1-6．

[5]GB 13271-2014. 鍋爐大氣污染物排放標準[S]. 北京: 中國標準出版社，2014.

[6]歐洲議會和理事會指令2010/75/EU，工業排放 (綜合污染預防和控制)[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

貴港市科學研究與技術開發計劃項目（貴科攻2001001）；廣西科技計劃項目（桂科AB22080003）；廣西自然科學基金項目（2021GXNSFAA96073）；南寧市科學研究與技術開發計劃項目（20223231）。

余慧群（1974－），女，廣西科技大學正高級工程師，博士，從事聚合物復合材料結構與調控改性研究。

唐亮東（1966－），男（壯族），廣西壯族自治區產業技術研究院副研究員，從事科技開發、技術中介、項目評估、成果推廣及科技管理工作。