生物质锅炉多效烟气净化装置设计与性能研究

王 毅 杜金宇 张全国 荆艳艳 赵纬莉 常建民

(1.北京林业大学材料科学与技术学院， 北京 100083； 2.河南农业大学农业部可再生能源新材料与装备重点实验室, 郑州 450002；3.河南牧业经济学院食品工程系， 郑州 450011)

0 引言

目前，我国城市拥有大量的燃煤锅炉，其中大都分布在城区内及城市周边，由于使用的都是含硫量高的劣质煤，锅炉烟气没有脱硫装置，加上操作、管理等因素，冒黑烟、硫污染等烟气污染十分严重，直接影响了城市及周边的空气质量[1-3]。为此，许多城市采取取消煤锅炉，采用煤改气、煤改电等措施减少燃煤锅炉污染，但由于气源紧张、电价昂贵，在城市热力难以达到的区域，收效甚微[4-5]。用清洁的生物质燃料替代煤，在城市锅炉内使用替代燃煤锅炉就成为首选[6-7]。根据我国的生物质资源条件，利用农林剩余物作为锅炉燃料使用则具有环境友好、可以再生的特点[8]。研究工业锅炉生物质燃烧技术，开发生物质燃料锅炉，对节约常规能源、优化我国能源结构、减轻环境污染有着积极意义[9-11]。

目前我国已经有相当规模的生物质燃料锅炉研发使用，减少锅炉排放污染尤其是大气污染成为生物质锅炉研发人员和环境保护工作者必须直面的问题[12]。然而针对生物质燃料锅炉烟气净化的装置却一直未有大的突破，较多的仍在沿用以往燃煤锅炉烟气净化工艺和装置[13]。为此，亟需研发出一种除尘效果好、设备操作简单、净化功能多样、生产成本低的适用于中小型生物质锅炉使用的烟气净化设备[14-16]。本文针对中小型生物质锅炉烟气排放实际情况，设计一种适用于中小型生物质锅炉烟气除尘、净化、脱硫于一体的烟气净化设备，研究该套设备的工艺设计、系统计算、运行性能等。

1 设计依据

1.1 设计方案

(1)烟气除尘、脱硫、余热利用一体化设计，实现烟气多效净化。烟气除尘采用旋风分离一次除尘和雾化喷淋二次除尘，烟气脱硫采用碱性水洗涤脱硫和雾化喷淋脱硫，余热利用采用高、低压烟气多级换热。

(2)烟气除尘采用三级除尘设计。主烟道排出的烟气第一步通过烟道旋风分离器进行初步除尘，初次除尘后烟气进入箱体箱实现气液二次除尘，然后进入副烟道利用雾化喷淋装置进行三次除尘。

(3)排烟烟道采用螺旋换热、旋风分离一体化设计。一次烟道中设立螺旋换热盘管，一方面烟气中的烟尘经过螺旋旋风分离后沿着气壁被烟气吹入碱水箱中，另一方面利用换热盘管进行烟气余热换热，通过控制盘管液体流速控制一次排烟温度，降低烟气中有害金属离子的排放。多效烟气净化装置的工艺流程图如图1所示。

图1 多效烟气净化装置工艺流程图Fig.1 Process flow chart of multifunction liquid and condensational purification device

1.2 设计原则

烟气净化装置要求结构简单，有较好的气液、固液混合性能，可实现高效率的烟气除尘、脱硫、净化等功能，能实时进行净化系统运行参数的检测及调控，可满足中小型生物质锅炉烟气净化的工艺要求，易于放大。

2 多效烟气净化装置的设计

2.1 整体结构

结合生物质锅炉烟气的排放特点以及烟气脱硫、除尘净化的需要，设计的生物质锅炉多效烟气净化装置结构如图2所示，主要由一次烟道、换热盘管、碱水箱、换热排管、二次烟道、雾化喷淋器、逆向旋流板等组成。

图2 多效烟气净化装置结构示意图Fig.2 Structure diagram of multifunction gas purification device1.一次烟道 2.换热盘管 3.碱水箱 4.换热排管 5.料渣分离斗 6.逆向旋流板 7.二次烟道 8.雾化喷淋器 9.涡轮引风机

锅炉烟气在一次烟道的旋流板以及烟道内部导向、旋流、离心除尘等机构作用下，烟尘沿气壁在烟气吹动下进入下方碱水箱内，烟气与碱水发生中和反应,并形成鼓泡作用,进行初步脱硫，然后进入二次烟道内，二次烟道的雾化喷淋装置以较高压力将碱性水旋转喷出，形成粒径约 100 μm的水雾，大大提高了液滴比表面积，与烟气充分接触，烟尘充分增湿、增重[17]。烟尘在强烈气流作用下，惯性力增大，被抛甩到筒内壁水膜层中，流入液体净化箱内，烟气中的硫氧化物气体与雾化的碱性水滴接触反应生成亚硫酸和硫酸盐随水膜流入碱水箱内，然后排入灰渣池[18]。碱水雾化喷淋洗涤过的烟气经百叶窗格栅阻挡分离水滴，进行气水分离，清洁的烟气经引风机引入烟塔排出。

2.2 二次烟道设计

二次烟道是烟尘脱硫、除尘的主要区域，采用碱水雾化喷淋的方式，进行脱硫和除尘。雾化喷淋除尘可分切向出风和轴向出风两种类型，实际的应用和实验表明，轴向出风式无论是气流流动的对称性还是稳定性均优于切向出风式，因此采用轴向出风方式，二次烟道结构如图3所示。以LEITH的边界层分离理论为基础，对轴向出风的立式二次风道进行设计[19-20]。

图3 二次烟道轴向出风方式Fig.3 Secondary pipe axial gas outlet1.二次烟道 2.旋流雾化喷淋器 3.烟气入口

根据LEITH的边界层分离理论，假设空间内气流流场为准自由涡场，烟气在二次烟道空间内气流切向速度满足

vtrn=const

(1)

式中vt——捕尘空间内气流的切向速度，m/s

r——捕尘空间内任意一点的半径，m

n——修正系数，一般取0.5～0.9

根据分级除尘效率计算式，结合实验条件，二次烟道捕尘空间尺寸为：筒体高度1 800 mm，捕尘空间高度917.5 mm，筒体直径600 mm，入口高度125 mm，出口直径125 mm，入口风速20 m/s。

2.3 雾化喷淋装置设计

二次烟道内雾化喷淋装置喷淋量过小，在极板上易形成沟流，长期运行易造成极板结垢。而喷淋量过大时，则会造成水的浪费，加重循环水处理系统的负担，能耗也会增大[21]。合理的喷嘴排布方式及喷嘴选型可在较小水量下实现液膜均匀分布。本研究喷淋装置采用封闭循环系统，循环水泵扬程为16～20 m，流量为10～68 L/min，电压为220 V。循环水在喷嘴雾化作用下形成液滴，液滴在空间内沉降速度计算参照颗粒计算公式

(2)

式中v——颗粒沉降速度，m/s

d—— 烟尘颗粒直径，m

ρs——烟尘颗粒密度，kg/m3

ρ——水介质密度，kg/m3

g——重力加速度，m/s2

根据实验数据和二次烟道高度，代入式(2)，当喷淋量设定为13.7 L/min，喷嘴喷雾分布情况如图4、5所示。可以看出该范围内水雾分布均匀，覆盖面广，形成的水膜能够有效地覆盖在阳极板之上。

图4 喷嘴喷雾分布情况Fig.4 Water spray distribution of nozzle

图5 喷嘴喷雾极板分布特性Fig.5 Distribution characteristics of nozzle spray on positive plate

2.4 喷淋高度设计

喷淋高度是决定喷淋水雾分布的重要因素，在保证水雾喷淋均匀，水膜完整形成的条件下，喷淋高度越低，越有利于降低能耗[22]。本研究选用1 000、1 500 mm 2种喷淋高度，研究不同喷淋高度对喷雾液滴粒径的影响，结果如图 6所示。

图6 不同喷淋高度对雾化液滴粒径的影响Fig.6 Effect of different spray heights on particle size of atomized liquid

由图6可以看出，当喷淋高度较大时，喷雾液滴平均粒径较小，喷雾分布也较均匀。而当喷淋高度较小时，喷雾液滴平均粒径则增大，粒径分布均匀性也降低，不利于液滴的均匀分布和液膜的形成。因此，当喷嘴位置于处1 500 mm时，喷淋波动较小，喷雾液滴均匀，水利用率高。

2.5 水循环处理系统设计

水循环系统工作原理是以碱性循环水吸收 SO2，主要在二次烟道旋流雾化喷淋和下水箱中进行。吸收液用石灰乳化再生，在反应池和沉灰池中完成,生成灰渣共沉在沉灰池中[23]。当水箱中水质恶化，由清水池补加水，水循环处理系统工艺流程如图7所示。

图7 水循环处理系统工艺流程图Fig.7 Process flow chart of water recycle treatment

3 烟气净化装置的性能测试实验

3.1 实验依据

锅炉烟气排放检测采用GB13271—2014《锅炉大气污染物排放标准》来计算。实验数据采用在线仪表计量与现场计量。

3.2 实验装置

采用的实验装置主要有一套小型生物质锅炉(包括炉膛、蒸发器、烟道、风道等)，一套烟气净化装置，温度测试系统(包括温度计和热电偶)，烟气分析仪器等。图8 为烟气净化装置样机。

图8 多效烟气净化装置Fig.8 Picture of multifunction gas purification device

3.3 实验材料

生物质锅炉燃料为玉米秸秆颗粒成型燃料，颗粒燃料的粒径为5～15 mm，长度20～30 mm，密度800 kg/m3，颗粒燃料含水率4.85%，灰分质量分数5.66%，挥发分质量分数71.84%，碳质量分数43.21%，氢质量分数5.35%，氧质量分数37.85%，硫质量分数0.12%，燃料热值14 654 kJ/kg。

生物质锅炉热效率42.9%，火力强度14.1 kW，锅炉排放烟气中SO2质量浓度14.3 mg/m3,CO质量浓度0.087 mg/m3,NO质量浓度0.087 mg/m3, NO2质量浓度0.087 mg/m3, 林格曼黑度小于1。

3.4 实验仪器

质量称量采用XK3190-A12E型电子落地台秤(北京万众机械制造有限公司)，精度10 g。烟气速度测定采用风速仪(石家庄力克风力设备有限公司)，测量范围0～10 m/s，精度为0～5 m/s。温度测定采用镍铬-镍硅K型热电偶(北京绿能温度测量设备有限公司)，测温范围-200～1 200℃。烟气成分分析采用KM Quintox 9106 型烟气分析仪(郑州东陆机电设备有限公司)。

3.5 实验方法

实验在室内进行，环境温度为25℃，相对湿度小于85%，室内风速小于1.0 m/s，测试工质为常温水，实验样机和测试仪器远离其他热源，引燃物为干燥的棉花秸秆。实验进行3次，取其平均值为测试结果。

3.6 结果与分析

生物质锅炉多效烟气净化装置经过超过200 h的连续运行，设备整体运行稳定。运行过程中各单元内测定参数的变化情况如图9～11所示。

图9 烟气净化装置进、出口烟气温度曲线Fig.9 Import and export temperature curves of multifunction gas purification device

图9给出了多效液相冷凝烟气净化装置进出口温度变化曲线。设备连续运行过程中，室外最低温度为16.3℃，最高温度达到38.6℃，温度波动显著，而烟气净化装置进、出口烟气温度变化幅度均较小，进口温度浮动在(161±3)℃范围内，出口温度波动在(62±3)℃范围内，说明温度调节装置尤其是余热换热装置可以很好地调节装置高压区和低压区的烟气排放温度，保证锅炉烟气的出口温度低于62℃，降低烟气中有害物的排放。

图10 烟气净化装置进、出口烟尘质量浓度和去除率曲线Fig.10 Import and export dust concentration curves of multifunction gas purification device

图10给出了烟气净化装置进、出口烟尘质量浓度和去除率的变化曲线。可以看出，烟气净化装置连续运行时，进、出口烟尘质量浓度波动范围均较小，入口烟尘质量浓度波动在48.7～51.1 mg/m3范围内，出口烟尘质量浓度波动在4.2～5.1 mg/m3范围内。原料一次烟道旋风除尘、碱水箱液体洗涤除尘、雾化喷淋除尘三级除尘后，烟尘质量浓度显著下降，烟尘去除率在90.2%～90.8%的范围内小幅度波动，平均烟尘去除率为90.57%。出口烟尘质量浓度波动较小，说明系统具有较好的烟尘去除能力和连续运行能力，整体稳定性较好。

图11 烟气净化装置进、出口SO2质量浓度和去除率曲线Fig.11 Import and export SO2 concentration curves of multifunction gas purification device

图11给出了多效液相冷凝烟气净化装置进、出口SO2质量浓度和去除率的变化曲线。可以看出，烟气净化装置续运行时，排烟烟气SO2质量浓度平稳，进口烟气SO2质量浓度波动在13.9～14.6 mg/m3范围内，出口烟气SO2质量浓度波动在3.7～4.6 mg/m3范围内，SO2去除率波动在70.1%～71.2%,波动范围非常小，平均SO2去除率为70.6%，说明设备连续运行过程中SO2去除稳定性较好。

综合来看，生物质锅炉多效液相冷凝烟气净化装置经过连续性运行，整体运行稳定，烟气温度、烟气SO2含量、烟尘含量、SO2去除率、烟尘去除率等工艺参数和运行指标均较为平稳，出口烟气温度控制在(62±3)℃范围内，平均出口烟气SO2质量浓度为4.2 mg/m3，平均SO2去除率达到70.6%。平均出口烟尘质量浓度为4.6 mg/m3，平均烟尘去除率达到90.57%，具有较好的运行稳定性和较高的除尘脱硫效率。排放指标远低于《锅炉大气污染物排放标准》中燃气锅炉的排放标准，烟气净化装置性能测试如表1所示。

表1 多效烟气净化装置性能测试结果Tab.1 Performance test results of multifunction gas purification device

4 结束语

针对中小型生物质锅炉烟气排放特点，设计了一种具有除尘、脱硫、余热利用于一体的多效烟气净化装置。烟气净化装置经过200 h的连续性运行，整体运行稳定，烟气温度、烟气SO2含量、烟尘含量、SO2去除率、烟尘去除率等工艺参数和运行指标均较为平稳，出口烟气温度控制在(62±3)℃范围内，平均出口烟气SO2质量浓度为4.2 mg/m3，平均SO2去除率达到70.6%。平均出口烟尘质量浓度4.6 mg/m3，平均烟尘去除率达到90.57%，具有较好的运行稳定性和较高的除尘脱硫效率。烟气净化装置性能指标均达到或超过同类型设备水平，污染物排放低于GB13271—2014《锅炉大气污染物排放标准》中燃气锅炉的排放标准。

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