夏少波, 段璐, 王建朋, 紀(jì)任山

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

生物質(zhì)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(jìn)資源可持續(xù)發(fā)展的有效途徑[1-2]。生物質(zhì)燃燒過程中伴隨著粉塵等的產(chǎn)生,若不進(jìn)行有效處置,會(huì)帶來一系列的環(huán)境問題[3]。因此,生物質(zhì)燃燒煙氣凈化技術(shù)是生物質(zhì)能應(yīng)用發(fā)展過程中的關(guān)鍵。

生物質(zhì)燃料與煤等化石燃料在成分組成上有很大區(qū)別,生物質(zhì)的碳含量和密度較低,氫含量和揮發(fā)分含量較高,且不同生物質(zhì)組分含量不同[4-5]。此外,生物質(zhì)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(qū)別[4]。生物質(zhì)煙氣處理技術(shù)主要分為干法、濕法技術(shù)和復(fù)合凈化技術(shù)[7-8],干法技術(shù)主要包括旋風(fēng)除塵器、靜電除塵器和布袋除塵器等;濕法技術(shù)主要包括洗滌塔[9],濕式電除塵器[10]等;復(fù)合凈化技術(shù)包括靜電旋風(fēng)除塵器[11]、電袋結(jié)合除塵器等。生物質(zhì)鍋爐機(jī)組容量大多偏小,除塵器的進(jìn)口煙氣流速不宜設(shè)置過快,同時(shí)需考慮積灰和結(jié)渣等問題[12]。有學(xué)者針對(duì)生物質(zhì)煙氣特點(diǎn),分別開發(fā)了用于生物質(zhì)除塵領(lǐng)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(duì)比了多種除塵工藝在生物質(zhì)燃料鍋爐除塵領(lǐng)域的應(yīng)用,發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)成型燃料鍋爐與二級(jí)布袋除塵技術(shù)的結(jié)合發(fā)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(duì)生物質(zhì)飛灰的脫除,發(fā)現(xiàn)濕式電除塵器在生物質(zhì)飛灰捕集領(lǐng)域應(yīng)用性能較好,但其效率主要受水壓、電場(chǎng)風(fēng)速等影響。目前生物質(zhì)煙氣凈化技術(shù)主要集中于單一除塵器的應(yīng)用研究,而電袋除塵器性能優(yōu)越,前景廣闊,在現(xiàn)階段其在工業(yè)應(yīng)用中的研究較少,因此有必要探究電袋除塵器在生物質(zhì)飛灰脫除領(lǐng)域中的應(yīng)用。

現(xiàn)利用耦合電袋除塵器實(shí)驗(yàn)平臺(tái),探究不同電壓下耦合電袋除塵器的除塵性能、運(yùn)行性能、能耗變化和綜合性能,對(duì)比最佳實(shí)驗(yàn)電壓下不同結(jié)構(gòu)除塵器的性能和濾料類型對(duì)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(zhì)煙氣凈化領(lǐng)域中的應(yīng)用和該領(lǐng)域除塵器的選型提供理論參考。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

圖1為耦合電袋除塵器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意圖,主要包括供氣、供料、供電、除塵器主體和測(cè)量系統(tǒng)等:①供氣部分采用英格索蘭空壓機(jī)提供壓縮空氣,帶動(dòng)飛灰與主氣流混合后進(jìn)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(jìn)口管道。③供電部分選用了泰斯曼TD2202N20-400 (-20～0 kV, 400 W)負(fù)極性高壓電源,如圖2所示,提供實(shí)驗(yàn)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(qū)電場(chǎng)區(qū)和后區(qū)AHPC(advanced hybrid particulate collector)區(qū),實(shí)物圖如圖2所示。前后區(qū)不同的加電組合方式對(duì)應(yīng)不同結(jié)構(gòu)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(zhì)。⑤測(cè)量系統(tǒng)部分主要包括testo無線迷你測(cè)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(tǒng),實(shí)物圖均如圖2所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖Fig.1 Schematic of the experimental system

圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)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(yùn)作下落入進(jìn)口管道,進(jìn)而在壓縮空氣的帶動(dòng)下與主氣流混合后進(jìn)入除塵器主體,除塵器進(jìn)口處布置有布風(fēng)板,使的煙氣分布更均勻。煙氣依次經(jīng)過除塵器前區(qū)和后區(qū),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(cè)得,實(shí)驗(yàn)過程中煙氣流速、運(yùn)行壓降、電暈電流分別由testo 405i無線迷你風(fēng)速測(cè)量儀、testo 510i無線迷你壓差測(cè)量儀和高壓電源測(cè)得。

1.2 實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)在室溫下進(jìn)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(jìn)口飛灰濃度一致,實(shí)驗(yàn)運(yùn)行時(shí)長為60 min。實(shí)驗(yàn)在三種工況下進(jìn)行:除塵器前后區(qū)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(qū)施加最佳電壓,后區(qū)不加電,即前電后袋式除塵器;除塵器前后區(qū)均不加電,即布袋除塵器。

1.3 實(shí)驗(yàn)飛灰

實(shí)驗(yàn)選用生物質(zhì)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(zhì)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(jìn)行成分分析,依據(jù)GB/T 212—2008進(jìn)行工業(yè)分析,分別如表1和表2所示?？芍?兩種飛灰中SiO2、Al2O3、CaO及K2O含量相差較大,生物質(zhì)飛灰的空氣干燥基水分(Mad)和干基揮發(fā)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(yè)分析

實(shí)驗(yàn)前利用馬爾文激光粒度儀(Mastersizer 3000)測(cè)定了兩種飛灰的粒徑分布,如圖3所示。生物質(zhì)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(zhì)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(jié)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(duì)生物質(zhì)飛灰的分級(jí)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(jí)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(gè)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(dòng)。隨著電壓的增加,電暈電流增大,耦合電袋除塵器對(duì)大粒徑范圍內(nèi)飛灰脫除效率提升較大,且施加電壓高于 -14 kV 時(shí),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(jí)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(duì)生物質(zhì)飛灰的出口總塵質(zhì)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(shí),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(shí),除塵器出口總塵濃度低于 10 mg/m3,能滿足一般地區(qū)超低排放標(biāo)準(zhǔn),高于 -16 kV 時(shí),出口濃度低于5 mg/m3,可滿足重點(diǎn)地區(qū)超低排放標(biāo)準(zhǔn)。綜上,施加電壓增加,電暈電流增大,飛灰荷電增強(qiáng),有效增強(qiáng)了耦合電袋除塵器對(duì)生物質(zhì)飛灰的脫除,且荷電顆粒在布袋區(qū)堆積形成電場(chǎng),電場(chǎng)力的存在也進(jìn)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(zhì)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(yùn)行性能

不同電壓下耦合電袋除塵器運(yùn)行壓降變?cè)鲩L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(shì),且最終壓降值減小,這與王建朋研究結(jié)果相似[18]。最終壓降從-10 kV對(duì)應(yīng)的920 Pa減小至-20 kV下的317 Pa,減小了65.54%,這是因?yàn)殡妷涸黾?電暈電流增大,電除塵增強(qiáng),濾袋部分處理的飛灰量降低,表面堆積的飛灰量進(jìn)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(jié)構(gòu)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(yùn)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(shí)驗(yàn)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(shì),因?yàn)轱w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(huì)隨時(shí)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(shí)驗(yàn)初期(0～10 min)電流減小速率最快,之后變緩,由此可見實(shí)驗(yàn)初期電暈電極和集塵板對(duì)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(shí),電暈電流在15 min后不再變化,為0.03 mA。不同電壓下實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)過程中記錄電流和運(yùn)行壓降,電耗和壓降耗能[19]的計(jì)算公式為

Echarge=UIt

(1)

E=(P2-P1)Afitert

(2)

式中:Echarge、E分別為電耗、系統(tǒng)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(shí)驗(yàn)用時(shí),s,實(shí)驗(yàn)時(shí)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(yùn)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(huì)使得電耗增加,當(dāng)電壓超過 -16 kV 時(shí),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(shì),在電壓-16 kV時(shí)出現(xiàn)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(píng)價(jià)

除塵器性能在不同角度對(duì)比有不同結(jié)果,電壓為-20 kV時(shí),除塵性能最好,而電壓為-16 kV時(shí),運(yùn)行能耗最低,因此需對(duì)除塵器性能進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。質(zhì)量因子(quality factor,QF)參數(shù)綜合考慮了除塵器的除塵性能和運(yùn)行能耗,可用于綜合性能的評(píng)價(jià),公式[20]具體為

(3)

式(3)中:QF為質(zhì)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(fēng)機(jī)效率。

不同電壓下耦合電袋除塵器的質(zhì)量因子如圖9所示,施加電壓增加,質(zhì)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(shí),質(zhì)量因子呈線性增加趨勢(shì)。較高的電壓下會(huì)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(zhì)量因子Fig.9 Quality factor

2.2 不同結(jié)構(gòu)除塵器的性能對(duì)比

表3為不同結(jié)構(gòu)除塵器的除塵性能、運(yùn)行性能、能耗和質(zhì)量因子的對(duì)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(yōu)勢(shì),這是因?yàn)轭w粒在荷電后會(huì)出現(xiàn)凝并,粒徑增大,增強(qiáng)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(chǎng),電場(chǎng)力的存在也進(jìn)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(dá)到重點(diǎn)地區(qū)的超低排放標(biāo)準(zhǔn)。耦合電袋除塵器的出口總塵質(zhì)量濃度較前電后袋除塵器低,除塵效率高,這是因?yàn)轭w粒荷電量與其運(yùn)動(dòng)時(shí)間呈現(xiàn)指數(shù)負(fù)相關(guān)關(guān)系[22],而耦合電袋除塵器后區(qū)為AHPC區(qū),該區(qū)域?qū)︻w粒進(jìn)行了再次荷電脫除,同時(shí)縮短了荷電顆粒到達(dá)濾袋的時(shí)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?yàn)轭w粒荷同種電荷,在濾袋上堆積時(shí)相互排斥,結(jié)構(gòu)疏松,大大降低了運(yùn)行壓降增長速率,壓降能耗降低量遠(yuǎn)大于所增加的電耗;另一方面,由于電場(chǎng)區(qū)的存在,進(jìn)入布袋區(qū)飛灰量減少,進(jìn)一步降低了濾袋運(yùn)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(yuǎn)高于前電后袋除塵器,運(yùn)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(jié)構(gòu)除塵器性能對(duì)比

綜合而言,電袋除塵器較布袋除塵器在除塵性能、運(yùn)行性能及能耗等方面有明顯優(yōu)勢(shì),是能夠?qū)崿F(xiàn)生物質(zhì)煙氣超低排放的方式之一。耦合電袋除塵器除塵性能和運(yùn)行性能較前電后袋除塵器好,但其能耗較高,因此可以根據(jù)不同實(shí)際需要選擇不同結(jié)構(gòu)的電袋除塵器。

2.3 燃料種類對(duì)耦合電袋除塵器性能影響

由2.1節(jié)結(jié)果分析可知,施加電壓為-20 kV時(shí),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(duì)耦合電袋除塵器性能的影響,結(jié)果如表4所示。耦合電袋除塵器對(duì)生物質(zhì)飛灰整

表4 耦合電袋除塵器對(duì)不同飛灰的性能對(duì)比

體脫除效率較燃煤飛灰高,出口總塵質(zhì)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(huì)對(duì)電除塵產(chǎn)生不利影響[23-24],兩者綜合作用下,耦合電袋除塵器對(duì)燃煤飛灰的脫除性能較差,但其能耗較低,質(zhì)量因子較大,綜合性能較好。

3 結(jié)論

基于耦合電袋除塵器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)研究了不同電壓下耦合電袋除塵器在生物質(zhì)飛灰脫除領(lǐng)域的性能,對(duì)比了最佳實(shí)驗(yàn)電壓下不同結(jié)構(gòu)的除塵器性能和濾料種類對(duì)耦合電袋除塵器性能的影響,得到如下結(jié)論。

(1)電壓增加,耦合電袋除塵器對(duì)大粒徑生物質(zhì)飛灰脫除效率提升明顯,小粒徑范圍存在波動(dòng),穿透窗口基本上向小粒徑范圍內(nèi)移動(dòng)。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(shí),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(shí),出口總塵濃度低于 5 mg/m3,可滿足重點(diǎn)地區(qū)超低排放標(biāo)準(zhǔn)。

(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(zhì)量因子增大,綜合性能提高。電壓由-10 kV增至-20 kV時(shí),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(yùn)行性能均優(yōu)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(yùn)行性能及能耗等方面較布袋除塵器有顯著優(yōu)勢(shì)。此外,耦合電袋除塵器質(zhì)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(duì)生物質(zhì)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。