湿式静电除尘器在机制竹炭制备废气治理中的应用

卢建湘 丘佳锐

1.龙岩学院 2.福建龙兰环保科技有限公司

中国竹资源丰富，是世界上产竹量最多的国家之一，竹产业是林业重点发展的十大绿色富民产业之一。竹材因低水分、低灰分、高挥发份、高半纤维素、纤维素含量，以及低木质素含量而被认为是制备生物质炭的最适合的原料之一。工厂机器批量生产竹炭逐步取代传统木炭生产。在生产竹炭过程中，因对竹粉原料需进行烘干，成型后的炭棒需进行碳化处理，生产过程产生大量含尘含竹焦油废气。原来废气治理采用水膜除尘设备，随着经济社会的发展，国家对环保排放限值的不断提高，水膜除尘对废气中的颗粒物无法达标处理。需采取新的环保治理设施。

某机制竹炭厂竹炭制备废气选用湿式静电除尘器进行净化，通过合理设计静电除尘器各系统，除尘器投运后，设备运转正常，使污染物达标稳定排放，达到良好的社会效益和环境效益。

1 机制竹炭制备生产工艺及废气来源

1.1 机制竹炭制备的生产工艺

机制竹炭生产过程中主要有原材料的固化成型和成型棒的炭化两个流程。

固化成型：竹粉经过粉碎、烘干、分选，然后使用固化成型机械通过加压方式挤压成中空棒状半成品。

炭化过程：在600℃左右的温度下，成型棒中的竹纤维素和竹焦油被分解，并蒸发棒中水分，使炭固定下来。炭化一般有慢速热解、中速热解、和快速热解等方式，其中因慢速热解因产率高、产品理化性质更理想等优点成为生物质炭的主要制备工艺。

1.2 机制竹炭制备废气来源

竹炭一般含有C、H、O、S、N等主要元素以及K、S、Cl、Mg、P、Al、Na等微量元素，具体种类和数量与竹材的产地和品种等有关。在机制竹炭制备过程中其主要废气由两个方面产生：①在烘干分选环节产生竹屑粉尘，挤压成型环节由于机械压力作用产生烟尘；②在炭化环节来自高分子有机化合物的热解过程，原料中的竹纤维素和半纤维素等受热分解为小分子化合物。炭化过程产生的烟气主要是CO2、CO、CH4、C2H4、水蒸气及少量挥发出的未分解竹焦油和烟尘；以蒸汽存在的物质主要有水汽、竹醋酸、甲醇、竹焦油。竹焦油成份很复杂，主要化合物有竹醋酸、甲醇为主的醇类、醋酸甲酯为主的酯类、丙酮为主的酮类，另外竹焦油还含有一定量的单元酚、二元酚及三元酚。

2 旋风、布袋、水膜、湿电除尘方式性能比较

旋风除尘：靠粉尘的惯性分离，采用多管旋风由于粉尘轻无法被旋风惯性抛离，除尘效率较低，平均80%左右，只能作为初级除尘使用。本项目烟气含竹焦油不适合采用。

布袋除尘：适合干烟气工况，除尘效率高，可以达到99.99%，但是烟气湿度大时容易糊袋。

水膜除尘：水膜除尘可以洗涤烟尘有害物质，除尘效率80%～90%。优点是造价低；缺点为针对颗粒细、重量轻的粉尘去除率低，只能作为初级除尘设施使用。

湿式静电除尘：利用静电原理，用喷水等方式使集尘极表面形成一层流动水膜，将吸附在集尘极上的粉尘冲走的电除尘装置。主要优点：除尘效率高，甚至对亚微米的粉尘都有较高的去除率；结构简单，占地面积小，操作维护方便；能有效处理高温、高湿的含尘气体；废气中的气态污染物可同时去除。

3 机制竹炭制备废气治理系统设计

3.1 机制竹炭制备废气治理工艺选择

机制炭制备废气湿度大、烟尘含竹焦油、竹醋液及颗粒物，旋风除尘由于除尘效率低，不适合使用。生产过程烟气湿度大，烘干环节控制不好时火星会带入后面管道，因此采用布袋除尘容易糊袋及烧袋，也无法使用。水膜除尘只能洗涤粗颗粒粉尘，微细粉尘无法去除，环保排放标准比较低时大部分工厂采用水膜除尘可以满足环保要求，但是新的环保标准出台后由于水膜除尘无法去除微细颗粒物，粉尘会超标排放。而湿式静电除尘攻克了许多技术难题，通过蒸汽相变促进实现PM2.5高效脱除，对PM2.5的去除效率高达93%以上，结合以上分析，在本项目治理工艺采用水膜除尘+湿法静电除尘治理方式。在湿式电除尘前面增加一级水膜除尘，用于洗涤去除大部分竹焦油和粗颗粒粉尘，减轻后级湿电除尘的负荷。采用此工艺可以实现机制炭制备废气烟尘的达标排放，工艺流程见图1。

图1 机制竹炭制备废气治理工艺

3.2 湿式静电除尘器设计参数

根据废气工况，本项目湿式静电除尘器设计参数如表1。

表1 湿式静电除尘器设计参数

3.3 本体材料的选则

由于机制竹炭制备废气含大量的竹醋液，烟气呈酸性，腐蚀性大，壳体选用316L材料，保证外壳长期不腐蚀。

3.4 放电极及收尘极的选择

内部电场是湿式静电除尘器的关键系统，正确选择放电极系统和收尘极系统是使用好湿式静电除尘器的主要因素。由于机制竹炭制备废气湿度高，含有竹醋的烟气具有较强的腐蚀性，极板选择316L材质。大多数传统的湿式静电除尘器使用鱼骨针作为放电极，此种电晕线由于只有针尖放电，初始电晕电压相对比较低，放电性能较弱。鉴于烟气湿度大需要电流大的特性，本项目采用整体管状三角型大芒刺线，由于此种电晕线针尖及两端棱角都能放电，具有低起晕电压和强放电性能的特点。

3.5 喷淋方式的确定

喷雾效果的好坏直接决定了湿式静电除尘器的清灰效果及保证电场能否长期高效、稳定运行。根据粉尘特性，极板清灰采用性能优良的雾化喷嘴，保证水膜的均匀连续性。

3.6 控制系统

湿式静电除尘控制系统由两部分组成：中频脉冲高压电源和喷雾、加热组成的低压控制系统。控制系统功能描述如下：

3.6.1 低压控制系统见

低压控制系统由喷雾、加热模块组成（见图2）。系统采用西门子1500 PLC作为控制系统，西门子PLC作为工业控制系统，高可靠性高，对环境适应性强；强大的控制功能和丰富的通讯协议满足不同控制要求；系统快速的运算速度，保证了对复杂程序的快速处理；模块功能丰富，可处理各种模拟信号。

图2 低压控制系统

低压喷雾、加热系统可通过触摸屏进行参数设定，喷雾、加热的时间和温度参数可以根据不同烟气工作情况进行修改，以满足现场控制要求。喷雾系统可以设置喷雾运行时间、喷雾间隔时间、喷雾循环周期时间、定时打开和关闭时间。加热系统通过风机的热风吹扫绝缘瓷瓶，确保绝缘瓷瓶干燥，避免绝缘子高压爬电问题。加热器工作状态通过温度传感器反馈给PLC，通过PLC控制使得保温箱温度恒定在设定的温度范围内。系统运行状态通过PLC反馈给触摸屏。通过触摸屏显示的系统状态可以清楚的知道各个单元的工作状态。

3.6.2 高压控制系统

高压控制系统采用三相中频脉冲调制电源，此电源作为一种先进的新一代电除尘器高压电源，通过交-直-交工作模式以IGBT 功率管作为逆变控制器件，采用 SPWM 调制原理，可以调制出从几十到几千赫兹的脉冲电流，载波频率可高达3.2kHz。通过调整中频脉冲电源系统工作频率可以为不同工况下的电场提供最高的电晕功率，能够最大限度地激发电场的收尘潜能，与传统的可控硅调压控制的电源相比是最先进、可靠的电源，适用于同电除尘器本体及其它特殊用途的电极结构配套，可为除尘、除雾、除焦油、脱水和回收物料等各种应用中提供高压直流电源。

4 效果评价

该系统于2021年12月施工完成并负载运行，经过168负载调试，除尘器各控制系统稳定正常运行，设备运行良好，尾气颗粒物达标排放。

5 结语

机制竹炭是将竹材加工废弃物转变为生物质燃料的可再生能源，不仅可以改善农村环境，而且可增加农民收入，在处理生产制备过程中产生的废气时，只要选择合适的环保处理设施，能够使污染物稳定达标排放，即减排节能，对周围环境造成的影响也大幅减少，具有极高的经济效益和社会效益。

表2 烟尘排放检测结果