生物質(zhì)鍋爐多效煙氣凈化裝置設(shè)計(jì)與性能研究

王 毅 杜金宇 張全國(guó) 荊艷艷 趙緯莉 常建民

(1.北京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 北京 100083； 2.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)部可再生能源新材料與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 鄭州 450002；3.河南牧業(yè)經(jīng)濟(jì)學(xué)院食品工程系， 鄭州 450011)

0 引言

目前，我國(guó)城市擁有大量的燃煤鍋爐，其中大都分布在城區(qū)內(nèi)及城市周邊，由于使用的都是含硫量高的劣質(zhì)煤，鍋爐煙氣沒(méi)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(yán)重，直接影響了城市及周邊的空氣質(zhì)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(jià)昂貴，在城市熱力難以達(dá)到的區(qū)域，收效甚微[4-5]。用清潔的生物質(zhì)燃料替代煤，在城市鍋爐內(nèi)使用替代燃煤鍋爐就成為首選[6-7]。根據(jù)我國(guó)的生物質(zhì)資源條件，利用農(nóng)林剩余物作為鍋爐燃料使用則具有環(huán)境友好、可以再生的特點(diǎn)[8]。研究工業(yè)鍋爐生物質(zhì)燃燒技術(shù)，開(kāi)發(fā)生物質(zhì)燃料鍋爐，對(duì)節(jié)約常規(guī)能源、優(yōu)化我國(guó)能源結(jié)構(gòu)、減輕環(huán)境污染有著積極意義[9-11]。

目前我國(guó)已經(jīng)有相當(dāng)規(guī)模的生物質(zhì)燃料鍋爐研發(fā)使用，減少鍋爐排放污染尤其是大氣污染成為生物質(zhì)鍋爐研發(fā)人員和環(huán)境保護(hù)工作者必須直面的問(wèn)題[12]。然而針對(duì)生物質(zhì)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(fā)出一種除塵效果好、設(shè)備操作簡(jiǎn)單、凈化功能多樣、生產(chǎn)成本低的適用于中小型生物質(zhì)鍋爐使用的煙氣凈化設(shè)備[14-16]。本文針對(duì)中小型生物質(zhì)鍋爐煙氣排放實(shí)際情況，設(shè)計(jì)一種適用于中小型生物質(zhì)鍋爐煙氣除塵、凈化、脫硫于一體的煙氣凈化設(shè)備，研究該套設(shè)備的工藝設(shè)計(jì)、系統(tǒng)計(jì)算、運(yùn)行性能等。

1 設(shè)計(jì)依據(jù)

1.1 設(shè)計(jì)方案

(1)煙氣除塵、脫硫、余熱利用一體化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)煙氣多效凈化。煙氣除塵采用旋風(fēng)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(jí)換熱。

(2)煙氣除塵采用三級(jí)除塵設(shè)計(jì)。主煙道排出的煙氣第一步通過(guò)煙道旋風(fēng)分離器進(jìn)行初步除塵，初次除塵后煙氣進(jìn)入箱體箱實(shí)現(xiàn)氣液二次除塵，然后進(jìn)入副煙道利用霧化噴淋裝置進(jìn)行三次除塵。

(3)排煙煙道采用螺旋換熱、旋風(fēng)分離一體化設(shè)計(jì)。一次煙道中設(shè)立螺旋換熱盤(pán)管，一方面煙氣中的煙塵經(jīng)過(guò)螺旋旋風(fēng)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(pán)管進(jìn)行煙氣余熱換熱，通過(guò)控制盤(pán)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(shè)計(jì)原則

煙氣凈化裝置要求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，有較好的氣液、固液混合性能，可實(shí)現(xiàn)高效率的煙氣除塵、脫硫、凈化等功能，能實(shí)時(shí)進(jìn)行凈化系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的檢測(cè)及調(diào)控，可滿(mǎn)足中小型生物質(zhì)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(shè)計(jì)

2.1 整體結(jié)構(gòu)

結(jié)合生物質(zhì)鍋爐煙氣的排放特點(diǎn)以及煙氣脫硫、除塵凈化的需要，設(shè)計(jì)的生物質(zhì)鍋爐多效煙氣凈化裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由一次煙道、換熱盤(pán)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(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of multifunction gas purification device1.一次煙道 2.換熱盤(pán)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(fēng)機(jī)

鍋爐煙氣在一次煙道的旋流板以及煙道內(nèi)部導(dǎo)向、旋流、離心除塵等機(jī)構(gòu)作用下，煙塵沿氣壁在煙氣吹動(dòng)下進(jìn)入下方堿水箱內(nèi)，煙氣與堿水發(fā)生中和反應(yīng),并形成鼓泡作用,進(jìn)行初步脫硫，然后進(jìn)入二次煙道內(nèi)，二次煙道的霧化噴淋裝置以較高壓力將堿性水旋轉(zhuǎn)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(qiáng)烈氣流作用下，慣性力增大，被拋甩到筒內(nèi)壁水膜層中，流入液體凈化箱內(nèi)，煙氣中的硫氧化物氣體與霧化的堿性水滴接觸反應(yīng)生成亞硫酸和硫酸鹽隨水膜流入堿水箱內(nèi)，然后排入灰渣池[18]。堿水霧化噴淋洗滌過(guò)的煙氣經(jīng)百葉窗格柵阻擋分離水滴，進(jìn)行氣水分離，清潔的煙氣經(jīng)引風(fēng)機(jī)引入煙塔排出。

2.2 二次煙道設(shè)計(jì)

二次煙道是煙塵脫硫、除塵的主要區(qū)域，采用堿水霧化噴淋的方式，進(jìn)行脫硫和除塵。霧化噴淋除塵可分切向出風(fēng)和軸向出風(fēng)兩種類(lèi)型，實(shí)際的應(yīng)用和實(shí)驗(yàn)表明，軸向出風(fēng)式無(wú)論是氣流流動(dòng)的對(duì)稱(chēng)性還是穩(wěn)定性均優(yōu)于切向出風(fēng)式，因此采用軸向出風(fēng)方式，二次煙道結(jié)構(gòu)如圖3所示。以LEITH的邊界層分離理論為基礎(chǔ)，對(duì)軸向出風(fēng)的立式二次風(fēng)道進(jìn)行設(shè)計(jì)[19-20]。

圖3 二次煙道軸向出風(fēng)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(jù)LEITH的邊界層分離理論，假設(shè)空間內(nèi)氣流流場(chǎng)為準(zhǔn)自由渦場(chǎng)，煙氣在二次煙道空間內(nèi)氣流切向速度滿(mǎn)足

vtrn=const

(1)

式中vt——捕塵空間內(nèi)氣流的切向速度，m/s

r——捕塵空間內(nèi)任意一點(diǎn)的半徑，m

n——修正系數(shù)，一般取0.5～0.9

根據(jù)分級(jí)除塵效率計(jì)算式，結(jié)合實(shí)驗(yàn)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(fēng)速20 m/s。

2.3 霧化噴淋裝置設(shè)計(jì)

二次煙道內(nèi)霧化噴淋裝置噴淋量過(guò)小，在極板上易形成溝流，長(zhǎng)期運(yùn)行易造成極板結(jié)垢。而噴淋量過(guò)大時(shí)，則會(huì)造成水的浪費(fèi)，加重循環(huán)水處理系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，能耗也會(huì)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(shí)現(xiàn)液膜均勻分布。本研究噴淋裝置采用封閉循環(huán)系統(tǒng)，循環(huán)水泵揚(yáng)程為16～20 m，流量為10～68 L/min，電壓為220 V。循環(huán)水在噴嘴霧化作用下形成液滴，液滴在空間內(nèi)沉降速度計(jì)算參照顆粒計(jì)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(zhì)密度，kg/m3

g——重力加速度，m/s2

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和二次煙道高度，代入式(2)，當(dāng)噴淋量設(shè)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(nèi)水霧分布均勻，覆蓋面廣，形成的水膜能夠有效地覆蓋在陽(yáng)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(shè)計(jì)

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(duì)噴霧液滴粒徑的影響，結(jié)果如圖 6所示。

圖6 不同噴淋高度對(duì)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(dāng)噴淋高度較大時(shí)，噴霧液滴平均粒徑較小，噴霧分布也較均勻。而當(dāng)噴淋高度較小時(shí)，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(dāng)噴嘴位置于處1 500 mm時(shí)，噴淋波動(dòng)較小，噴霧液滴均勻，水利用率高。

2.5 水循環(huán)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

水循環(huán)系統(tǒng)工作原理是以堿性循環(huán)水吸收 SO2，主要在二次煙道旋流霧化噴淋和下水箱中進(jìn)行。吸收液用石灰乳化再生，在反應(yīng)池和沉灰池中完成,生成灰渣共沉在沉灰池中[23]。當(dāng)水箱中水質(zhì)惡化，由清水池補(bǔ)加水，水循環(huán)處理系統(tǒng)工藝流程如圖7所示。

圖7 水循環(huán)處理系統(tǒng)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(cè)試實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)依據(jù)

鍋爐煙氣排放檢測(cè)采用GB13271—2014《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》來(lái)計(jì)算。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用在線儀表計(jì)量與現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量。

3.2 實(shí)驗(yàn)裝置

采用的實(shí)驗(yàn)裝置主要有一套小型生物質(zhì)鍋爐(包括爐膛、蒸發(fā)器、煙道、風(fēng)道等)，一套煙氣凈化裝置，溫度測(cè)試系統(tǒng)(包括溫度計(jì)和熱電偶)，煙氣分析儀器等。圖8 為煙氣凈化裝置樣機(jī)。

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

3.3 實(shí)驗(yàn)材料

生物質(zhì)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(zhǎng)度20～30 mm，密度800 kg/m3，顆粒燃料含水率4.85%，灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)5.66%，揮發(fā)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)71.84%，碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)43.21%，氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)5.35%，氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)37.85%，硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.12%，燃料熱值14 654 kJ/kg。

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

3.4 實(shí)驗(yàn)儀器

質(zhì)量稱(chēng)量采用XK3190-A12E型電子落地臺(tái)秤(北京萬(wàn)眾機(jī)械制造有限公司)，精度10 g。煙氣速度測(cè)定采用風(fēng)速儀(石家莊力克風(fēng)力設(shè)備有限公司)，測(cè)量范圍0～10 m/s，精度為0～5 m/s。溫度測(cè)定采用鎳鉻-鎳硅K型熱電偶(北京綠能溫度測(cè)量設(shè)備有限公司)，測(cè)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(jī)電設(shè)備有限公司)。

3.5 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)在室內(nèi)進(jìn)行，環(huán)境溫度為25℃，相對(duì)濕度小于85%，室內(nèi)風(fēng)速小于1.0 m/s，測(cè)試工質(zhì)為常溫水，實(shí)驗(yàn)樣機(jī)和測(cè)試儀器遠(yuǎn)離其他熱源，引燃物為干燥的棉花秸稈。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行3次，取其平均值為測(cè)試結(jié)果。

3.6 結(jié)果與分析

生物質(zhì)鍋爐多效煙氣凈化裝置經(jīng)過(guò)超過(guò)200 h的連續(xù)運(yùn)行，設(shè)備整體運(yùn)行穩(wěn)定。運(yùn)行過(guò)程中各單元內(nèi)測(cè)定參數(shù)的變化情況如圖9～11所示。

圖9 煙氣凈化裝置進(jìn)、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(jìn)出口溫度變化曲線。設(shè)備連續(xù)運(yùn)行過(guò)程中，室外最低溫度為16.3℃，最高溫度達(dá)到38.6℃，溫度波動(dòng)顯著，而煙氣凈化裝置進(jìn)、出口煙氣溫度變化幅度均較小，進(jìn)口溫度浮動(dòng)在(161±3)℃范圍內(nèi)，出口溫度波動(dòng)在(62±3)℃范圍內(nèi)，說(shuō)明溫度調(diào)節(jié)裝置尤其是余熱換熱裝置可以很好地調(diào)節(jié)裝置高壓區(qū)和低壓區(qū)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(jìn)、出口煙塵質(zhì)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(jìn)、出口煙塵質(zhì)量濃度和去除率的變化曲線。可以看出，煙氣凈化裝置連續(xù)運(yùn)行時(shí)，進(jìn)、出口煙塵質(zhì)量濃度波動(dòng)范圍均較小，入口煙塵質(zhì)量濃度波動(dòng)在48.7～51.1 mg/m3范圍內(nèi)，出口煙塵質(zhì)量濃度波動(dòng)在4.2～5.1 mg/m3范圍內(nèi)。原料一次煙道旋風(fēng)除塵、堿水箱液體洗滌除塵、霧化噴淋除塵三級(jí)除塵后，煙塵質(zhì)量濃度顯著下降，煙塵去除率在90.2%～90.8%的范圍內(nèi)小幅度波動(dòng)，平均煙塵去除率為90.57%。出口煙塵質(zhì)量濃度波動(dòng)較小，說(shuō)明系統(tǒng)具有較好的煙塵去除能力和連續(xù)運(yùn)行能力，整體穩(wěn)定性較好。

圖11 煙氣凈化裝置進(jìn)、出口SO2質(zhì)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(jìn)、出口SO2質(zhì)量濃度和去除率的變化曲線?？梢钥闯?，煙氣凈化裝置續(xù)運(yùn)行時(shí)，排煙煙氣SO2質(zhì)量濃度平穩(wěn)，進(jìn)口煙氣SO2質(zhì)量濃度波動(dòng)在13.9～14.6 mg/m3范圍內(nèi)，出口煙氣SO2質(zhì)量濃度波動(dòng)在3.7～4.6 mg/m3范圍內(nèi)，SO2去除率波動(dòng)在70.1%～71.2%,波動(dòng)范圍非常小，平均SO2去除率為70.6%，說(shuō)明設(shè)備連續(xù)運(yùn)行過(guò)程中SO2去除穩(wěn)定性較好。

綜合來(lái)看，生物質(zhì)鍋爐多效液相冷凝煙氣凈化裝置經(jīng)過(guò)連續(xù)性運(yùn)行，整體運(yùn)行穩(wěn)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(shù)和運(yùn)行指標(biāo)均較為平穩(wěn)，出口煙氣溫度控制在(62±3)℃范圍內(nèi)，平均出口煙氣SO2質(zhì)量濃度為4.2 mg/m3，平均SO2去除率達(dá)到70.6%。平均出口煙塵質(zhì)量濃度為4.6 mg/m3，平均煙塵去除率達(dá)到90.57%，具有較好的運(yùn)行穩(wěn)定性和較高的除塵脫硫效率。排放指標(biāo)遠(yuǎn)低于《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中燃?xì)忮仩t的排放標(biāo)準(zhǔn)，煙氣凈化裝置性能測(cè)試如表1所示。

表1 多效煙氣凈化裝置性能測(cè)試結(jié)果Tab.1 Performance test results of multifunction gas purification device

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)中小型生物質(zhì)鍋爐煙氣排放特點(diǎn)，設(shè)計(jì)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(jīng)過(guò)200 h的連續(xù)性運(yùn)行，整體運(yùn)行穩(wěn)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(shù)和運(yùn)行指標(biāo)均較為平穩(wěn)，出口煙氣溫度控制在(62±3)℃范圍內(nèi)，平均出口煙氣SO2質(zhì)量濃度為4.2 mg/m3，平均SO2去除率達(dá)到70.6%。平均出口煙塵質(zhì)量濃度4.6 mg/m3，平均煙塵去除率達(dá)到90.57%，具有較好的運(yùn)行穩(wěn)定性和較高的除塵脫硫效率。煙氣凈化裝置性能指標(biāo)均達(dá)到或超過(guò)同類(lèi)型設(shè)備水平，污染物排放低于GB13271—2014《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中燃?xì)忮仩t的排放標(biāo)準(zhǔn)。

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