生物质锅炉烟气高效除尘工艺技术研究

余慧群　李　栩　甘激文　梁　燕　唐亮东　戴锡建　张 锦　宋楚楚　李克光　黄瑞峰　

生物质锅炉烟气高效除尘工艺技术研究

余慧群1,2李栩3甘激文4梁燕3唐亮东5戴锡建3张 锦3宋楚楚3李克光3黄瑞峰3

（1.广西科技大学，广西 柳州 545006；2.广西零到壹科技有限责任公司，广西 南宁 530200；3.广西科穗环境科技有限公司，广西 贵港 537100；4.中国科技开发院广西分院，广西 南宁 530022；5.广西壮族自治区产业技术研究院，广西 南宁 530200）

文章分析了贵港市小型生物质锅炉烟气的特点及现有布袋除尘系统的缺陷，设计了一种并联低阻双筒旋风除尘+火星捕捉降温+阻燃剂包裹+布袋除尘的处理系统，研究了该系统的工艺优化设计对大颗粒粉尘除去、火星捕捉以及气化焦油包裹捕集效果的影响。以8 t/h生物质锅炉烟气处理为例，考察了烟气除尘系统运行的稳定性和连续性，结果表明，除尘效率可达99.99%，烟尘排放浓度≤10 mg/m3，林格曼黑度＜1，能够长期稳定超低值排放运行。

生物质锅炉；烟气净化；火星捕捉；布袋除尘；超低排放

引言

生物质锅炉因其经济性，在我国得到大力推广应用。据统计，2020年我国生物质热能锅炉产量大约占工业锅炉产量的7%，生物质热能锅炉产量约为3.1万蒸吨[1]。但由于生物质燃料质量参差不齐、现有锅炉改造不规范等因素，导致燃料焚烧不稳定、烟气易带火星、焦油成分大、水分含量高等问题难以解决，大气污染物排放浓度高和成分复杂成为生物质锅炉大气污染治理的重点和难点，也是生物质锅炉大气污染排放浓度不稳定和“冒黑烟”关键影响因素。目前我国尚未出台生物质锅炉大气污染物排放限值国家标准，其排放标准参考《锅炉大气污染物排放标准》GB13271—2014中烟尘排放限值在50 mg/m3以下，明显高于其他工业领域。随着国家环保要求的日益严格，对生物质锅炉污染物减排的需求也愈加迫切[2,3]。

广西生物质资源丰富，是我国木材加工的重要省份，区内生物质锅炉得到广范的应用。贵港市作为广西木材加工集中地，现有木材加工企业2 680家，企业多使用生物锅炉，其“冒黑烟”等问题也成为当地生态环境管理的一个痛点，2016—2019年贵港市连续三年未完成PM2.5等大气约束性考核指标。因此，解决建成区生物质锅炉“冒黑烟”问题成为区域大气污染防治攻坚战的重要工作内容。本文针对贵港市中小型生物质锅炉烟气排放现状，开展高效除尘工艺技术研究，技术装备在贵港市50多家企业进行推广应用，设备运行稳定，粉尘实现超低排放，完全符合国内发达省份地方标准以及欧盟排放标准的要求。

1 实验部分

1.1 生物质锅炉烟气特征

对贵港市多家木材加工企业使用的生物质锅炉构造、使用条件、生物质燃料的种类、锅炉污染物排放特性进行调查与分析检测，发现所用生物质锅炉的燃料多以木材边角料、木屑为主，锅炉容量以20吨以下的小型锅炉为主，主炉膛温度800～1000℃，出口烟气温度180～350℃。生物质燃料参数、污染物排放浓度、烟气特性及灰分特性分别见表1、表2和表3。

表1 生物质燃料参数

类别应用基低位发热量/kJ·kg-1碳/C%氢/H%氧/O%硫/S%氮/N%水分/W%灰/分% 生物质燃料1 448539.575.1032.750.050.2121.850.48

表2 贵港某企业生物质锅炉排放烟气特性（15吨）

项目主要结果单位主要问题影响 粉尘 粒径＞58 μm20%（数浓度）粒径跨度大，单一除尘技术效果不明显 26～58 μm47 3～25 μm32 ＜3 μm1 颗粒物浓度＜700mg/m3浓度较高，易“冒黑烟” 烟气含湿量≥3.5%易造成布袋水解损坏 烟气温度180～350℃ 烟气带火星、焦油情况存在—易烧袋、糊袋

经过分析可知，生物质燃料热值高、具有高挥发性、低硫、燃烧好的特性，其发热量在13400～22000kJ/kg，燃烧温度可达1 000℃以上，完全可以替代煤炭[4]。燃烧后产生的SO2、粉尘都远低于煤炭、石油等，是一种环保清洁能源。但生物质锅炉灰分中残碳含量、挥发分以及水分含量均较高，表明生物质灰烬中易夹带量大的火星、焦油和水分。

基于上述分析可见，常规干法袋式除尘技术应用于生物质锅炉烟气处理时，存在的难点主要在于：一是生物质锅炉燃料固定碳含量低，极易燃烧，燃烧后灰分比较轻，烟气烟温过高（通常为180～350℃）极易随着烟道排出，夹带大量不完全燃烧的火星颗粒易引起布袋损坏，甚至可导致火灾，使得布袋更换频繁，运营维护成本高；二是生物质燃料在450～500℃炭化过程中热解生成大量的焦油并蒸发混合至烟气中，遇冷易导致布袋除尘器出现糊袋现象，导致布袋透气性下降，锅炉通风量差，燃烧效率低；三是烟气中含有大量的水分（含水量3.5%以上），高温高湿下易引起布袋水解，导致除尘器失效。

表3 生物质锅炉灰分特性

检测项目空气干燥基高位发热量/MJ·kg-1收到基低位发热量/MJ·kg-1全水分/%空气干燥基灰分/%空气干燥基固定碳/%空气干燥基挥发分/%焦渣特征空气干燥基全硫含量/% 企业13.152.3713.460.148.1027.2120.02 企业23.232.669.663.776.8824.4320.01

1.2 生物质锅炉烟气除尘工艺优化路线的确定

基于上述生物质锅炉烟气特点和存在的问题，设计了新的工艺路线“烟气预除尘（一级处理）—烟气火星捕捉、降温（二级处理）—阻燃添加剂包裹（三级处理）—布袋高效处理—实现超低排放”（见图1）。主要解决以下难题：捕捉生物质锅炉烟气中的火星颗粒，保证滤袋不受损坏；控制生物质锅炉烟气的温度和水分，避免因滤袋在高温高湿的环境下发生水解损坏；处理生物锅炉烟气中的焦油糊袋问题。

图1 生物质锅炉新型除尘技工艺术流程图

2 结果与讨论

2.1 烟气预除尘阶段工艺优化

在生物质锅炉的一级烟气预除尘时，常规技术是采用单筒旋风除尘装置除去大颗粒物，设计除尘器锥斗高度与筒体直径比为1.5，进气口切向流速设计为18.0～20.0 m/s，而在筒体内粉尘离心运动速度控制在小于2.0～3.0 m/s。但由于生物质锅炉烟尘颗粒很轻且带火星，常规旋风式除尘器难以将燃烧着的燃料颗粒全部捕捉，漏过的燃料颗粒进入布袋除尘器就可能点燃布袋引起燃烧，预除尘阶段除尘效果不理想，后续阶段布袋除尘负荷过高。

因此，对常规旋风除尘装置进行重新设计，主要体现在：采用并联双筒低阻旋风除尘器；除尘器锥斗高度与筒体直径的比值设计为大于2；进气口切向流速设计为10.0～14.0 m/s，而在筒体内粉尘离心运动速度控制在小于1.5 m/s。该设计可增加火星颗粒在旋风除尘器的停留时间，起到灭火星的作用，对轻质粉尘颗粒也有很好的分离作用。通过对比实验发现，采用新设计之后，旋风除尘器的除灰量提高了5倍，后续布袋除尘负荷减少1倍以上，烟气预除尘系统除尘量是最终布袋除尘量的5倍。

2.2 烟气降温与火星捕捉阶段工艺优化

由于尾部烟气污染物多、温度高且夹带火星，在常规的生物质锅炉烟气水膜除尘中除尘效率约为90%，且烟气直接接触冷却水会造成二次水污染。因此，在低阻双旋风除尘器与布袋除尘器之间的烟道上，安装新设计的“火星捕捉器”装置（见图2），用于烟气一级旋风预处理过程后烟气的降温与火星捕捉。该装置内部由多根管束排布制作而成，以冷却水为冷却介质通过管束进行热交换，通过自动调节冷却水流量控制烟气温度在100～150℃；同时当烟气以一定风速撞击在冷却管束时，烟气中颗粒火星撞击后因损失能量直接熄灭或被破坏分解成若干细小颗粒火星冷却而熄灭；经过工艺优化和系列实验，冷却管管束设计成“品”字型排列，相比于“田”字型排列，无死角积灰现象；设计烟气以18～22 m/s的风速撞击冷却管束，火星捕集与淬灭效果最佳。有效解决了大颗粒火星烧袋难题，火星捕捉装置对颗粒火星的捕捉效率达到80%～90%。

1—进风口；2—出风口；3—捕火星管束；4—冷却水进水；5—冷却水出水。

2.3 阻燃添加剂包裹工艺优化

生物质锅炉烟气中存在气化焦油，进入除尘设备后易出现液化糊袋现象。在三级处理阶段进行工艺优化时，研究出吸水性强、喷射均匀性好、焦油团聚包裹性强的复配型钙基烟气阻燃添加剂。在设备运行时，通过优化设计的喷射装置添加阻燃添加剂，捕捉烟气中的焦油、水分，可杜绝未充分燃烧碳质因火星复燃烧袋问题，又可吸附包裹气化焦油，实现布袋除尘器持续高效运行。经多次应用测试，该阻燃添加剂均匀喷洒后，可将粒径3 μm以下粉尘良好的包裹并团聚，有效降低颗粒物浓度；阻燃剂的吸水性还可将烟气水分从3.5%以上降低至2%以下；通过布袋除尘回收该添加剂与烟气粉尘混合物，可做成有机肥料，用于茶树、果树等种植业，不增加新的污染源，实现废物可循环利用。

为使阻燃添加剂与锅炉烟气充分接触，在其进入布袋除尘器前有效将火星碳质和焦油包裹熄灭。设计了一种新型结构的阻燃添加剂喷粉装置（见图3）。阻燃添加剂从料仓通过自由重力进入到螺旋输送机入口处，再由螺旋输送机（转速可根据处理风量、工况调整）将阻燃添加剂均匀喷洒、散开的投送到除尘器进风管道，提高了阻燃添加剂气化焦油与烟气水分的吸附效率。喷粉装置可设置料位预警装置，无需人工值守。

1—阻燃添加剂料仓；2—螺旋输送机；3—气动阀碟；4—阻燃添加剂下料口；5—料位计。

2.4 生物质锅炉烟气高效除尘系统的性能指标

经过三级除尘工艺技术参数优化和系列实验，烟气处理系统各阶段均取得了良好的处理效果：并联低阻双筒旋风除尘主要除去大颗粒烟尘，起到熄灭火星的作用；火星捕捉器完成一级预除尘阶段漏掉的带火星的烟尘的降温和淬灭；阻燃添加剂及其喷粉装置用在三级烟气处理阶段捕集焦油气、部分水分以及小部分细小火星。以贵港市某某木业有限公司8t/h 生物质锅炉烟气系统为实验对象，在该公司生物质锅炉烟气主管上引入生物质锅炉烟气除尘系统如图所示（见图4）。生物质锅炉除尘系统运行安全稳定、出口烟气排放浓度满足超低排放标准。三级除尘的工艺优化与创新设计，使后续布袋除尘器高效率长寿命运转，达到生物质锅炉高效除尘、稳定超低排放的目的。整套装备的性能指标见表4。

图4 贵港市某木业有限公司8t/h生物质锅炉烟气处理系统

表4 生物质锅炉高效除尘技术主要性能指标参数

指标名称指标性能 运行温度≤240℃ 清灰模式离线低压脉冲清灰（设计成多仓格并联形式，以满足除尘器本体临时检修时，机组仍能继续运行） 出口排放浓度<10mg/m3（符合欧盟标准以及绝大多数发达省份地标） 除尘效率≥99.9% 林格曼黑度＜1 本体的漏风率≤1.0% 运行阻力≤1200 Pa 设计耐压力-8 KPa/+8 KPa 正常运行气/布比（过滤速度）≤0.8m/min 使用寿命滤袋寿命＞30 000 h；脉冲阀使用寿命＞100万次 噪声布袋除尘器及其辅助设备，阀门的噪音在距离设备外壳1 m处不大于85db(A)

2.5 生物质锅炉烟气处理系统运行实际效果

生物质锅炉烟气高效除尘工艺技术与设备在广西贵港51家木业公司生物质锅炉烟气除尘领域推广应用，最终除尘效率可达99.99%，烟尘排放浓度≤10 mg/m3，林格曼黑度＜1，能够长期稳定超低值排放运行（表5）。颗粒物排放浓度完全符合我国发达省份生物质锅炉地方标准限值要求[5]（见表6）以及欧盟限值要求[6]（见表7）。

表5 生物质锅炉除尘设备运行情况表

序号锅炉型号实测出口颗粒物浓度/mg·m-3烟气出口温度/℃布袋除尘器 进口温度/℃差压/Pa喷吹压力/MPa处理后颗粒物浓度/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 我国部分地方标准生物质锅炉颗粒物排放限值

区域说明排放限值/mg·m-3 北京市高污染燃料禁燃区（在用）5 高污染燃料禁燃区外（在用）10 新建5 上海市在用10 新建10 广东省在用20 新建20 特别排放限值10

表6（续）

表7 欧盟关于燃烧固体生物质向空气中排放颗粒物限值

排放限值/mg·m-3说明 现有：30新建：20总热输入功率50～100 MW锅炉排放限值 50额定输入功率1～5 MW现有锅炉排放限值 30*额定输入功率＞5 MW现有锅炉排放限值 20#欧盟新建锅炉排放限值

注：*表示额定热输入大于5 MW且小于或等于20 MW的，为50 mg/m3；#表示总额定热输入大于等于1 MW且小于等于5 MW的，为50 mg/m3；对于总额定热输入大于5 MW且小于等于20 MW的，为30 mg/m3。

3 结论

通过采用并联低阻双筒旋风除尘＋火星捕捉降温＋阻燃剂包裹＋布袋高效除尘处理系统，解决了传统布袋除尘在高温易粘结生物质锅炉烟气工况运行时存在的火星烧袋、焦油糊袋、水分蚀袋的难题，使生物质锅炉烟气粉尘实现了超低排放。回收的粉尘还可做成有机肥料，用于茶树、果树等种植业，不增加新的污染源，实现废物可循环利用。整体技术在贵港市51家企业生物质锅炉烟气治理项目中进行推广应用，取得显著的经济效益和环境效益。

[1]前瞻产业研究院. 2023—2028年中国生物质锅炉行业市场前瞻与投资战略规划分析报告[R]. 深圳: 前瞻产业研究院，2023.

[2]樊静丽，李佳，晏水平，等. 我国生物质能-碳捕集与封存技术应用潜力分析[J]. 热力发电，2021，50(1): 7-17.

[3]方平，唐子君，黄建航，等. 生物质锅炉烟气污染物排放特性及其控制对策[J]. 环境科学与技术，2016，39(10): 155-160.

[4]倪维斗. 生物质能利用的现状、前景及应用指标[J]. 电力技术经济，2009，21(2): 1-6．

[5]GB 13271-2014. 锅炉大气污染物排放标准[S]. 北京: 中国标准出版社，2014.

[6]欧洲议会和理事会指令2010/75/EU，工业排放 (综合污染预防和控制)[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

贵港市科学研究与技术开发计划项目（贵科攻2001001）；广西科技计划项目（桂科AB22080003）；广西自然科学基金项目（2021GXNSFAA96073）；南宁市科学研究与技术开发计划项目（20223231）。

余慧群（1974－），女，广西科技大学正高级工程师，博士，从事聚合物复合材料结构与调控改性研究。

唐亮东（1966－），男（壮族），广西壮族自治区产业技术研究院副研究员，从事科技开发、技术中介、项目评估、成果推广及科技管理工作。