油棕櫚廠粉塵排放控制探討

1鍋爐簡介及其燃料

馬來西亞油棕櫚廠的鍋爐采用層燃爐,不設(shè)省煤器和空氣預(yù)熱器,在鍋爐尾部設(shè)置多管式旋風(fēng)除塵器,以控制粉塵排放在400mg/Nm3以內(nèi)。

油棕櫚廠的鍋爐燃料來自榨取棕櫚油的廢料,分別為空果串(EFB)、中果皮纖維(PalmFiber)、種子殼(Palmshell)3種。燃料工業(yè)分析和熱值如表1所示,燃料元素分析如表2所示。

由表1、表2可知,油棕櫚燃料的熱值都較低,揮發(fā)分都很高。其中油棕櫚種子殼的熱值最高,灰分含量最少,另外兩種燃料的水分都很高。

2飛灰的來源及形成

灰分來源有兩個(gè):(1）結(jié)合在生物質(zhì)含碳分子結(jié)構(gòu)中的內(nèi)在灰分:(2）在收割或運(yùn)輸過程中,從泥土中帶入的礦物質(zhì)。內(nèi)在灰分很容易揮發(fā)并在碳燃燒時(shí)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。在燃燒過程中,一部分生成灰分的化合物揮發(fā)成氣態(tài),并在碳燃燒的邊界層再次氧化并形成5～10nm的一次粒子,這些微小粒子在煙氣中通過凝結(jié),凝聚和凝結(jié)形成較大的粒子,并生成<1um飛灰的內(nèi)核。非揮發(fā)性灰分可能在燃燒的碳中融化、合并,其中一部分被帶入煙氣中,形成粗顆粒飛灰,一般大于5um,另一部分形成爐底灰。在煙氣冷卻過程中,氣態(tài)化合物會在飛灰表面冷凝或發(fā)生化學(xué)反應(yīng),由于細(xì)顆粒的比表面積大,冷凝和化學(xué)反應(yīng)多發(fā)生在細(xì)顆粒上。如果氣態(tài)無機(jī)物的濃度足夠高,且冷卻速度足夠大,由于過飽和,這些氣態(tài)無機(jī)物會通過成核作用生成新的飛灰。

3飛灰的化學(xué)組成及性質(zhì)

油棕櫚灰樣的化學(xué)組成及性質(zhì)如表3所示。

由表3可知,灰樣中si02和Al203的含量相較于正常值都很低,且si02和Al203含量越高,粉塵的比電阻越高,是造成粉塵高比電阻的主要原因。但灰樣中K20的成分較高,灰的黏度很大。

4各除塵方式比較

除塵方式主要包括自然沉降,采用旋風(fēng)除塵器、靜電除塵器、布袋除塵器和洗滌式除塵器。各種除塵方式的效率和對應(yīng)粒徑如表4所示。

由于鍋爐尾部已經(jīng)配置多管式旋風(fēng)除塵器,除塵器效率更低的方式已不用考慮。由表4可知,除塵器效率更高,能處理更小粒徑的是電除塵器、布袋除塵器和文丘里洗滌器。

馬來西亞某油棕櫚廠自制了濕式洗滌器,投運(yùn)初期,效率能達(dá)到要求的150mg/Nm3。但運(yùn)行3個(gè)月后,腐蝕嚴(yán)重,投運(yùn)近半年已經(jīng)不能使用。如果采用防腐性能更好的鋼材,也許可以減緩腐蝕,但造價(jià)昂貴。

布袋除塵器所采用的多數(shù)濾布材質(zhì)的極限溫度為250℃,而油棕櫚廠的排煙溫度一般都在280℃以上。如果采用高溫濾料,則造價(jià)昂貴,且可靠性還有待驗(yàn)證,濾布材質(zhì)的使用壽命一般不超過3年,運(yùn)行成本高昂。如果電除塵器能滿足排放要求并長期穩(wěn)定運(yùn)行,且不需要使用特殊材質(zhì),將是最好的選擇。

4電除塵器在油棕櫚廠的適用性探討

4.1粉塵比電阻的影響

靜電除塵器對粉塵的比電阻最為敏感,能否使用電除塵器收塵取決于粉塵比電阻的大小。適合使用電除塵器的粉塵比電阻值為104～1011Q·cm。當(dāng)粉塵比電阻小于104Q·cm,粉塵的導(dǎo)電性能良好,在到達(dá)收塵極板后,會迅速釋放反向電荷,由于同性相斥,帶異種電荷的粉塵會返回氣流中,和電場中荷電的粉塵中和,然后重新荷電,被遷移至收塵極板,如此反復(fù),然后在末電場中被氣流直接帶出,降低了除塵效率。當(dāng)粉塵比電阻大于1011Ω·cm,粉塵到達(dá)收塵極板后,不容易釋放其電荷,在粉塵層和極板之間形成電場,降低電暈放電的電場強(qiáng)度,同時(shí)會發(fā)生反電暈,釋放反向電荷,降低甚至中和荷電粉塵攜帶的電荷,也有可能使粉塵反向荷電,并使反向荷電的粉塵向放電極移動,粘污放電極線,進(jìn)一步惡化收塵電場,導(dǎo)致除塵效率低下。

煙氣中的水分對粉塵比電阻有影響。研究和經(jīng)驗(yàn)表明,當(dāng)煙氣中的水分含量大于9%時(shí),適于用電除塵器收塵。根據(jù)燃料的元素和工業(yè)分析,可以計(jì)算煙氣中水分的體積含量。在1.6的空氣過剩系數(shù)下,按完全燃燒計(jì)算,油棕櫚空果串燃燒后煙氣中水分含量為25%:油棕櫚中果皮纖維燃燒后煙氣中水分的含量為17%:油棕櫚種子殼燃燒后煙氣的水分含量為11%。無論燃料按哪種比例混合,煙氣中的含水量在11%～25%,大于參考值9%。根據(jù)煙氣中的水分分析,油棕櫚廠適合用電除塵器收塵。

通過不同溫度和含水量對粉塵比電阻的測試,當(dāng)溫度在250～300℃時(shí),粉塵的比電阻介于108～1011Ω·cm:且美國和中國的測試結(jié)果有所不同,當(dāng)溫度大于250℃時(shí),美國的測試結(jié)果顯示,煙氣中水分含量對粉塵比電阻沒有影響,中國的測試結(jié)果表明含水量越大,比電阻越低[3]。而棕櫚廠的排煙溫度一般介于280～320℃。

研究表明,粉塵比電阻高的原因是因?yàn)閟io2和Al2o3含量高。根據(jù)表3所示,sio2和Al2o3含量總共僅為18.3%,遠(yuǎn)低于一般的粉煤灰的含量。

有研究表明,電除塵器在生物質(zhì)鍋爐中運(yùn)行良好,可達(dá)到10mg/Nm3的排放值。但有例外,當(dāng)Cl含量高的燃料,如未處理過的稻草燃燒時(shí)會產(chǎn)生高比電阻的細(xì)微粉塵,電除塵器運(yùn)行效果不好。但所有油棕櫚燃料的Cl含量都很低。

綜上所述表明,油棕櫚廠粉塵的比電阻值適合用電除塵器收塵。

5.2煙氣溫度的影響

煙氣溫度越高,煙氣的黏滯系數(shù)就越大,因此煙氣的黏滯性也越強(qiáng),密度也越低,電離效應(yīng)增強(qiáng),起暈電壓和擊穿電壓都下降,不利于電除塵器的收塵[4]。但由于油棕櫚燃料生成的煙氣中水分含量較高,氧含量也較高,這些負(fù)電性氣體的濃度增加會增加空間電荷的影響,抑制放電的發(fā)展,一定程度上可以抵消一部分煙氣溫度高帶來的負(fù)面影響:也可以通過采用放電性能弱的陰極線增加極間距來改善電除塵器的運(yùn)行狀況,保證收塵效率。

5.3粉塵粒徑的影響

粉塵粒徑對驅(qū)進(jìn)速度有直接影響,這是由于電荷與質(zhì)量(粒徑與質(zhì)量呈正比）的比值不同所致。粒徑大于約0.5μm的微粒,主要是電場荷電:粒徑小于0.2μm的微粒,主要是擴(kuò)散荷電:粒徑在0.2～0.5μm的微粒,兩種荷電機(jī)理都起作用。已經(jīng)證明,粒徑在0.2～0.5μm的粉塵驅(qū)進(jìn)速度最小[5]。

有研究表明,燃燒木材燃料的粉塵在經(jīng)過多管式旋風(fēng)除塵器后,粉塵粒徑主要集中在0.1～1μm,1～10μm只占少部分。此粒徑區(qū)間正是粉塵的驅(qū)進(jìn)速度較小的區(qū)間?？梢源笾峦茢嘤妥貦皬S的粉塵經(jīng)過多管式旋風(fēng)除塵器后,粉塵粒徑主要分布在0.1～1μm。

靜電除塵器對于粒徑在0.1～1μm微粒的除塵效率介于90%～99%。對于粒徑<1μm的粉塵,典型的除塵效率為96.5%。

馬來西亞油棕櫚廠原粉塵排放要求為400mg/Nm3,現(xiàn)粉塵排放要求為150mg/Nm3,核算效率為62.5%,遠(yuǎn)低于90%,即使所有進(jìn)入電除塵器的粉塵粒徑<1μm,出口也能滿足150mg/Nm3要求,且可以通過增加收塵電場強(qiáng)度和離子密度,或者延長粉塵顆粒在電場的停留時(shí)間來提升粉塵的驅(qū)進(jìn)速度。

5.4高K20的影響

在燃煤電廠中,當(dāng)灰分中的Na2o和K2o含量超過2%時(shí),粉塵的黏度很大,不易清灰,當(dāng)灰分中的Na2o和K2o含量超過2.5%時(shí),應(yīng)特別注意。通過燃料的分析對比可知,油棕櫚廠的燃料中K含量在生物質(zhì)燃料中并不算高。目前,有上千臺生物質(zhì)鍋爐配備了靜電除塵器,運(yùn)行狀況良好。因此,即使灰分中的K2o偏高,也不會影響靜電除塵器的穩(wěn)定運(yùn)行。

5.5腐蝕

由于油棕櫚廠的燃料中含有少量Cl,所以煙氣有一定腐蝕性。這也是油棕櫚廠鍋爐一般不設(shè)置空氣預(yù)熱器等的原因。但煙道采用普通碳鋼,并沒有明顯的內(nèi)部腐蝕現(xiàn)象,有些煙道甚至沒有保溫。據(jù)此推斷,在有激烈熱交換時(shí),油棕櫚廠的煙氣具有較強(qiáng)的腐蝕性,但沒有熱交換時(shí),并不具有強(qiáng)腐蝕性。所以若采用電除塵器,只需注意不要局部漏風(fēng)率過大,采用普通碳鋼即可避免腐蝕。

綜上所述,在馬來西亞油棕櫚廠增設(shè)電除塵器以達(dá)到粉塵排放150mg/Nm3的要求是完全可行的。

6油棕櫚廠使用電除塵器的注意事項(xiàng)

(1）馬來西亞屬于熱帶氣候,暴風(fēng)雨較多,室外電氣應(yīng)注意滿足防雨等級要求。

(2）由于灰分較黏,應(yīng)注意保證足夠的震打力,注意控制極板的高度。

(3）保溫層,特別是灰斗的保溫層應(yīng)加厚,以保證灰的流動性。

(4）灰斗的下灰角度應(yīng)該比燃煤電廠的大:卸灰口可適當(dāng)加大:灰斗加熱器的功率要合理,要比燃煤電廠的大:應(yīng)采用密封性能好的卸灰閥:灰斗的氣化板或振動器功率應(yīng)適當(dāng)加大。

(5）應(yīng)采用密封性能較好的雙層人孔門,圓形人孔門是不錯(cuò)的選擇。

(6）由于粉塵粒徑較小,電場風(fēng)速不宜過高。

(7）安裝完成后,應(yīng)特別注意氣密性檢查,避免局部漏風(fēng)過大,造成腐蝕。

(8）由于鍋爐啟停頻繁,絕緣子應(yīng)采用氣封系統(tǒng),并適當(dāng)加大絕緣子加熱器的功率,以保護(hù)絕緣子。

(9）除塵器應(yīng)設(shè)置防爆裝置。最好在除塵器前煙道設(shè)置Co檢測器,并與高壓電源聯(lián)鎖控制,避免爆炸。

7結(jié)語

電除塵器作為控制粉塵排放的傳統(tǒng)手段已經(jīng)成功應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。馬來西亞油棕櫚廠的粉塵排放要求較低,效率要求不高,主要介于62.5%～81.25%,電除塵器完全可以滿足要求。對靜電除塵器做適當(dāng)調(diào)整后,可以保證其安全穩(wěn)定地運(yùn)行。

馬來西亞某油棕櫚廠的電除塵器已經(jīng)安全穩(wěn)定地運(yùn)行了近一年,同樣在印度尼西亞、非洲等排放要求高的地區(qū),電除塵器也是很好的選擇。