黃春超

(中國石油集團(tuán)東北煉化工程有限公司吉林設(shè)計院，吉林吉林132000)

　　摘要：近年來，隨著化石能源的日益枯竭以及環(huán)境污染的日益加劇，生物質(zhì)逐漸成為具有前景的可再生能源之一。其中，直燃發(fā)電是利用生物質(zhì)能源常見的一種方式，但由于生物質(zhì)直燃過程中產(chǎn)生的煙氣含有大量的污染性顆粒，制約了直燃發(fā)電技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用，因此，開發(fā)經(jīng)濟(jì)有效的煙氣凈化技術(shù)可極大的促進(jìn)生物質(zhì)直燃利用的發(fā)展。本文對不同的生物質(zhì)煙氣凈化技術(shù)進(jìn)行了討論，著重比較了各種凈化技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，以期為生物質(zhì)能源的發(fā)展提供一定的參考。

　　近一個世紀(jì)，化石能源如石、煤炭等對世界經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展做出了極大的貢獻(xiàn)，但隨著近年來化石能源的枯竭以及化石能源的使用對環(huán)境造成的巨大污染，生物質(zhì)能源作為一種最具前景的可再生能源之一，日益成為研究開發(fā)的熱點(diǎn)。目前，生物質(zhì)能源的利用方式主要有三種：生物質(zhì)液化制取燃料乙醇或生物柴油；生物質(zhì)氣化或發(fā)酵制取可燃?xì)庖约吧镔|(zhì)直燃發(fā)電。其中，生物質(zhì)直燃發(fā)電以其技術(shù)門檻低，工業(yè)化容易等特點(diǎn)在我國發(fā)展迅速，如2004年以來，國家發(fā)改委先后批復(fù)江蘇如東、山東單縣與冠縣和河北晉州等國家級秸稈發(fā)電示范項(xiàng)目，截至2013年底，通過國家發(fā)改委先后批復(fù)生物質(zhì)直燃發(fā)電項(xiàng)目約80個，總裝機(jī)容量超過8000MW，部分項(xiàng)目已經(jīng)建成投產(chǎn)。但生物質(zhì)直燃發(fā)電同樣存在的環(huán)境污染問題，這是因?yàn)樯镔|(zhì)直燃后產(chǎn)生的尾氣中含有大量顆粒和其他污染物，如PM10和PM2.5，其中科學(xué)研究已證明空氣中的人口死亡率與PM10的含量有關(guān)，肺癌發(fā)生率與PM2.5有關(guān)。尤其是近年來，大多數(shù)的北方城市都遭受到了霧霾的襲擊，使生物質(zhì)直燃煙氣凈化技術(shù)的研究與發(fā)展迫在眉睫。但是，到目前為止，對生物質(zhì)直燃煙氣的處理技術(shù)的歸納總結(jié)還相對缺乏。

　　本文對目前國內(nèi)外的生物質(zhì)直燃煙氣的凈化技術(shù)進(jìn)行了分析討論，重點(diǎn)對比當(dāng)前各種技術(shù)的適用范圍以及優(yōu)缺點(diǎn)，以期為生物質(zhì)直燃發(fā)電技術(shù)的發(fā)展提供一定的參考。

　　1生物質(zhì)直燃煙氣的成分

　　如表1所示，煙氣的成分主要隨生物質(zhì)的種類與燃燒方式有關(guān)。此外，由于生物質(zhì)的含水量不同，直燃后產(chǎn)生的煙氣的濕度也不同。總的來說，煙氣中的污染物主要分為兩種，即顆粒和有毒氣體。其中一些污染物具有水溶性，但是也有少數(shù)污染物無法被水溶解，需利用其他方式進(jìn)行處理。鑒于生物質(zhì)直燃煙氣的成分復(fù)雜多變，目前，相關(guān)工作主要針對特定的燃燒方式和生物質(zhì)種類，以及特定的成分展開研究。劉剛等人在不同燃燒條件下對稻草和玉米秸稈進(jìn)行了燃燒試驗(yàn)，并測定了煙塵中正構(gòu)脂肪醇的組成。蔣旭光等人在小型管式爐進(jìn)行了含氯垃圾(木屑)中氯化物析出試驗(yàn)，研究了氯析出過程中的幾個因素(燃燒溫度、停留時間、燃燒氣氛、煙氣中水蒸氣含量)對反應(yīng)的影響，確定了木屑反應(yīng)的動力學(xué)方程式。張婷婷對生物質(zhì)與煤混合燃燒對煙氣排放物成分的影響展開了研究。

　　2煙氣處理技術(shù)

　　目前，依據(jù)生物質(zhì)煙氣處理過程中是否應(yīng)用水或有機(jī)溶劑等液相的存在分為干法技術(shù)和濕法技術(shù)，下面針對兩種處理技術(shù)的原理、優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)闡述。

　　2.1干法技術(shù)

　　干法煙氣處理技術(shù)主要是基于煙氣中污染物成分之間的物理性質(zhì)的不同，如基于慣性力不同的旋風(fēng)分離器，基于帶電性差異的靜電式除塵器、基于粒徑不同的袋式除塵器等。三種主流干法技術(shù)的對比如表2所示。

　　2.1.1旋風(fēng)分離器

　　旋風(fēng)分離器是一種常見的氣固分離設(shè)備，在諸多工業(yè)領(lǐng)域中都十分普遍。此外，該設(shè)備也廣泛的應(yīng)用于生物質(zhì)煙氣處理系統(tǒng)，作為煙氣的初步處理，以降低后續(xù)處理工序的負(fù)荷。相關(guān)研究表明，常溫下，旋風(fēng)分離器可有效的除掉煙氣中粒徑大于10mm的顆粒，在高溫高壓的條件下，甚至能去除粒徑為2～3mm的顆粒，使旋風(fēng)分離器在應(yīng)用上更加經(jīng)濟(jì)。旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其工作原理靠煙氣流切向進(jìn)入進(jìn)氣管造成的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，使具有較大慣性離心力的固體顆粒甩向外壁面，沿筒壁下落流出旋風(fēng)管排灰管排出，旋轉(zhuǎn)的煙氣流在簡體內(nèi)收縮向中心流動，向上形成二次渦流經(jīng)排氣管排出。高效率的旋風(fēng)分離器對5mm的顆粒的分離效率可達(dá)79％以上，但隨顆粒粒徑的減小，分離效率下降劇烈。許志軍等人的綜述對旋風(fēng)分離器在煙氣除塵方面的應(yīng)用進(jìn)行了更詳細(xì)的總結(jié)和討論，可供相關(guān)的研究者參考。

　　2.1.2靜電除塵器

　　靜電除塵器利用高壓電場使煙氣發(fā)生電離，煙氣流中的污染顆粒荷電在電場作用下與煙氣分離。靜電除塵器的負(fù)極(即放電電極)由不同斷面形狀的金屬導(dǎo)線制成。正極(即集塵電極)由不同幾何形狀的金屬板制成。靜電除塵器的性能受顆粒性質(zhì)、設(shè)備構(gòu)造和煙氣流速等三個因素的影響。

　　靜電除塵器與其他除塵設(shè)備相比，耗能少，除塵效率高，適用于除去煙氣中0.01～50m的污染性顆粒，且可用于溫度高、壓力大的場合。實(shí)踐表明，處理的煙氣量越大，使用靜電除塵器的投資和運(yùn)行費(fèi)用越經(jīng)濟(jì)。但靜電除塵器不適用于高含氯的煙氣，這是因?yàn)榇朔N煙氣產(chǎn)生的顆粒粒度較細(xì)，電阻率較高，從而降低了除塵效率，尤其是燃燒不經(jīng)過處理的生物質(zhì)原料，上述問題會更加嚴(yán)重。

　　2.1.3袋式除塵器

　　近年來，隨著煙氣排放標(biāo)準(zhǔn)的提高，涌現(xiàn)了諸多高效率的除塵設(shè)備，袋式除塵器便是其中的一種。袋式除塵器適用于捕集細(xì)小、干燥、非纖維性粉塵。濾袋采用紡織的濾布或非紡織的氈制成，利用纖維織物的過濾作用對含塵煙氣進(jìn)行過濾，當(dāng)含塵煙氣進(jìn)入袋式除塵器后，顆粒大、比重大的粉塵，由于重力的作用沉降下來，落入灰斗，含有較細(xì)小粉塵的氣體在通過濾料時，粉塵被阻留，使氣體得到凈化。袋式除塵器的分離效率較高，此外該技術(shù)還可用于脫除煙氣中其他污染性的氣體，如SO2，HCl等。但袋式除塵器要求所需處理的煙氣必須干燥，否則脫除效率將大大降低。近二十年，研究者陸續(xù)開發(fā)出許多類型的袋式除塵器，如靜電增強(qiáng)顆粒層除塵器，脈沖袋式除塵器，錯流移動顆粒床過濾器，其中的一些新型的除塵器的除塵效率甚至可達(dá)99.97％。

　　2.2濕法技術(shù)

　　濕法煙氣處理方法主要基于煙氣中的污染性顆粒或組分可溶于水或有機(jī)溶劑的性質(zhì)，使煙氣與吸收劑緊密接觸，將污染性顆粒或組分從煙氣脫離出來。該方法的處理效率高，適用于各種污染性顆粒或組分，尤其適宜處理高溫、易燃、易爆的煙氣。但對管道和設(shè)備的防腐性要求高，處理后的煙氣抬升高度減小，吸收液的回收利用困難。常用的生物質(zhì)直燃煙氣的處理裝置有洗滌塔、濕式電除塵器等。

　　2.2.1洗滌塔

　　由于結(jié)構(gòu)簡單，易于操作，洗滌塔是去除生物質(zhì)煙氣中污染性顆粒、酸性氣體和霧滴的應(yīng)用最廣泛的方法之一。但當(dāng)水作為洗滌劑時，由于鹽分的沉淀，長時間運(yùn)行造成了水污染以及發(fā)臭，從而增加了水的回收利用成本。圖2所示為常用的生物質(zhì)直燃煙氣洗滌塔的結(jié)構(gòu)示意圖。此外，在生物質(zhì)燃燒尾氣處理領(lǐng)域，還存在多種其他類型的洗滌塔，如文丘里洗滌塔、噴管式洗滌塔、冷凝式濕法洗滌塔等。Tobias等人利用洗滌塔對生物質(zhì)煙氣中的NH3、SO2以及焦油液滴的吸收效果進(jìn)行了研究，并基于質(zhì)量與能量守恒定律和氣液平衡關(guān)系建立了相關(guān)的數(shù)學(xué)模型。其數(shù)學(xué)模型預(yù)測的結(jié)果與當(dāng)?shù)毓S的實(shí)際運(yùn)行結(jié)果十分吻合。常加富等人利用流體力學(xué)模擬軟件Fluent對文丘里洗滌器吸收生物質(zhì)煙氣中的焦油霧滴問題進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了吸收過程中壓力與速度分布特性，基于能量轉(zhuǎn)化分析了文丘里洗滌器凈化焦油過程中的流場演變規(guī)律。

　　2.2.2濕式靜電除塵器

　　濕式靜電除塵器簡稱WESP，是一種煙氣處理的新型設(shè)備，主要用來除去濕煙氣中的污染性顆粒、酸霧、氣溶膠、PM2.5、污染性有機(jī)組分等有害物質(zhì)。盡管WESP的基本原理與傳統(tǒng)的干式靜電除塵器類似，但在集塵區(qū)捕集到的污染物的清除方式上有較大區(qū)別，傳統(tǒng)的干式靜電除塵器一般采用機(jī)械振動或超聲波等方式，而WESP則采用定期沖洗的方式清除污染性顆粒或組分。因此，濕式靜電除塵器不但具有更高的處理效率，還能有效收集微細(xì)顆粒物(PM2.5、SO2酸霧、氣溶膠)、重金屬(Hg、As、Se、Pb、cr)、有機(jī)污染物(多環(huán)芳烴、二惡英)等。近年來，許多研究者對濕式靜電除塵器進(jìn)行了改進(jìn)，如集塵電極采用膜材料、硅或碳纖維等。盡管目前濕式靜電除塵器在生物質(zhì)煙氣的處理還未見文獻(xiàn)報道，但生物質(zhì)燃燒后產(chǎn)生的煙氣的污染成分更為復(fù)雜，因此WESP有望在該領(lǐng)域取得良好的應(yīng)用。

　　2.3組合處理技術(shù)

　　上文涉及的各種技術(shù)均具有相應(yīng)的優(yōu)勢和不第7期黃春超：生物質(zhì)直燃煙氣處理技術(shù)的研究進(jìn)展足，為達(dá)到較好的煙氣處理效果，研究者通常采用組合處理技術(shù)。常用的組合工藝有以下幾種。

　　2.3.1靜電旋風(fēng)除塵器

　　通常情況下，旋風(fēng)除塵器的分離原理主要是基于污染性顆粒之間的離心力不同，但該技術(shù)只適用于較大的顆粒，對于小顆粒的分離效率較低。而電場力主要與顆粒的帶電性有關(guān)，可有效的解決上述問題。為此，研究者將靜電力分離與離,力分離相結(jié)合，開發(fā)出靜電旋風(fēng)除塵器，其基本結(jié)構(gòu)如圖3所示，在傳統(tǒng)的旋風(fēng)分離器的中軸位置增加一根帶電電極，煙氣中的污染性顆粒受到電場力和離心力的共同作用而分離，因此該裝置的除塵效率較高，不但能夠清除較大的顆粒，還能有效的清除傳統(tǒng)旋風(fēng)除塵器無法清除的顆粒。

　　2.3.2靜電袋式組合除塵裝置

　　靜電袋式組合除塵裝置結(jié)合靜電除塵器與布袋除塵器的優(yōu)點(diǎn)所開發(fā)的一種組合式高效除塵裝置。該裝置具有操作穩(wěn)定、除塵效率高等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)靜電除塵器與布袋除塵器結(jié)合方式不同。可將該裝置分為兩類：一類是生物質(zhì)煙氣中的污染性大顆粒先由靜電場捕集，然后再經(jīng)過布袋除塵器收集剩余細(xì)微顆粒的一種組合方式，目前該方式是最常用的靜電袋式組合除塵裝置運(yùn)行穩(wěn)定，其綜合除塵效率高，性能穩(wěn)定。第二種組合方式是靜電除塵和布袋除塵平行進(jìn)行，不分先后對煙氣處理，但煙氣必須通過布袋除塵過濾才能排放，該組合方式主要優(yōu)點(diǎn)是靜電與袋式除塵能相互彌補(bǔ)，可有效的解決二次揚(yáng)塵問題，但該方法目前還處于研究階段，工業(yè)化應(yīng)用的較少。

　　3煙氣處理技術(shù)展望

　　近年生物質(zhì)直燃電廠的蓬勃發(fā)展，要求我們必須規(guī)劃好未來環(huán)保型生物質(zhì)直燃電廠煙氣處理工藝的發(fā)展路線，使工藝技術(shù)發(fā)展?jié)M足國家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)要求，并領(lǐng)先于國家標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展。根據(jù)生物質(zhì)種類以及燃燒方式的不同，探索環(huán)保型生物質(zhì)直燃電廠設(shè)計技術(shù)發(fā)展的內(nèi)在規(guī)律，使之具有可靠性和環(huán)境特性，并能達(dá)到運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性好且節(jié)省能源的目標(biāo)。開發(fā)生物質(zhì)直燃煙氣的技術(shù)及工藝，形成一個生物質(zhì)直燃電廠的綜合環(huán)保工藝概念(稱為高效煙氣處理系統(tǒng))，包括煙氣除塵、脫除酸性氣體、復(fù)雜有機(jī)物等多種工藝的組合，確定前瞻性研究目標(biāo)，通過技術(shù)研發(fā)在高效煙氣處理系統(tǒng)的概念下實(shí)現(xiàn)技術(shù)掌握、實(shí)施和發(fā)展。

　　4結(jié)論

　　隨著石油及煤炭資源的枯竭，社會在大力發(fā)展生物質(zhì)能源的同時也對環(huán)境造成了新的污染，尤其是排出的PM2.5和PM10等顆粒是近年來中國霧霾天氣的成因之一。本文通過分析和討論各生物質(zhì)直燃煙氣的凈化技術(shù)的特點(diǎn)，對各種傳統(tǒng)的凈化技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了比較，同時介紹了組合凈化技術(shù)的形式與應(yīng)用，以期為開發(fā)適合于生物質(zhì)，經(jīng)濟(jì)成本低、凈化效率高的煙氣處理技術(shù)提供參考，進(jìn)而為生物質(zhì)能源技術(shù)的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。