生物质直燃烟气处理技术的研究进展

黄春超

(中国石油集团东北炼化工程有限公司吉林设计院，吉林吉林132000)

　　摘要：近年来，随着化石能源的日益枯竭以及环境污染的日益加剧，生物质逐渐成为具有前景的可再生能源之一。其中，直燃发电是利用生物质能源常见的一种方式，但由于生物质直燃过程中产生的烟气含有大量的污染性颗粒，制约了直燃发电技术的大规模应用，因此，开发经济有效的烟气净化技术可极大的促进生物质直燃利用的发展。本文对不同的生物质烟气净化技术进行了讨论，着重比较了各种净化技术的优缺点，以期为生物质能源的发展提供一定的参考。

　　近一个世纪，化石能源如石、煤炭等对世界经济社会的发展做出了极大的贡献，但随着近年来化石能源的枯竭以及化石能源的使用对环境造成的巨大污染，生物质能源作为一种最具前景的可再生能源之一，日益成为研究开发的热点。目前，生物质能源的利用方式主要有三种：生物质液化制取燃料乙醇或生物柴油；生物质气化或发酵制取可燃气以及生物质直燃发电。其中，生物质直燃发电以其技术门槛低，工业化容易等特点在我国发展迅速，如2004年以来，国家发改委先后批复江苏如东、山东单县与冠县和河北晋州等国家级秸秆发电示范项目，截至2013年底，通过国家发改委先后批复生物质直燃发电项目约80个，总装机容量超过8000MW，部分项目已经建成投产。但生物质直燃发电同样存在的环境污染问题，这是因为生物质直燃后产生的尾气中含有大量颗粒和其他污染物，如PM10和PM2.5，其中科学研究已证明空气中的人口死亡率与PM10的含量有关，肺癌发生率与PM2.5有关。尤其是近年来，大多数的北方城市都遭受到了雾霾的袭击，使生物质直燃烟气净化技术的研究与发展迫在眉睫。但是，到目前为止，对生物质直燃烟气的处理技术的归纳总结还相对缺乏。

　　本文对目前国内外的生物质直燃烟气的净化技术进行了分析讨论，重点对比当前各种技术的适用范围以及优缺点，以期为生物质直燃发电技术的发展提供一定的参考。

　　1生物质直燃烟气的成分

　　如表1所示，烟气的成分主要随生物质的种类与燃烧方式有关。此外，由于生物质的含水量不同，直燃后产生的烟气的湿度也不同。总的来说，烟气中的污染物主要分为两种，即颗粒和有毒气体。其中一些污染物具有水溶性，但是也有少数污染物无法被水溶解，需利用其他方式进行处理。鉴于生物质直燃烟气的成分复杂多变，目前，相关工作主要针对特定的燃烧方式和生物质种类，以及特定的成分展开研究。刘刚等人在不同燃烧条件下对稻草和玉米秸秆进行了燃烧试验，并测定了烟尘中正构脂肪醇的组成。蒋旭光等人在小型管式炉进行了含氯垃圾(木屑)中氯化物析出试验，研究了氯析出过程中的几个因素(燃烧温度、停留时间、燃烧气氛、烟气中水蒸气含量)对反应的影响，确定了木屑反应的动力学方程式。张婷婷对生物质与煤混合燃烧对烟气排放物成分的影响展开了研究。

　　2烟气处理技术

　　目前，依据生物质烟气处理过程中是否应用水或有机溶剂等液相的存在分为干法技术和湿法技术，下面针对两种处理技术的原理、优缺点进行详细阐述。

　　2.1干法技术

　　干法烟气处理技术主要是基于烟气中污染物成分之间的物理性质的不同，如基于惯性力不同的旋风分离器，基于带电性差异的静电式除尘器、基于粒径不同的袋式除尘器等。三种主流干法技术的对比如表2所示。

　　2.1.1旋风分离器

　　旋风分离器是一种常见的气固分离设备，在诸多工业领域中都十分普遍。此外，该设备也广泛的应用于生物质烟气处理系统，作为烟气的初步处理，以降低后续处理工序的负荷。相关研究表明，常温下，旋风分离器可有效的除掉烟气中粒径大于10mm的颗粒，在高温高压的条件下，甚至能去除粒径为2～3mm的颗粒，使旋风分离器在应用上更加经济。旋风分离器的结构如图1所示，其工作原理靠烟气流切向进入进气管造成的旋转运动，使具有较大惯性离心力的固体颗粒甩向外壁面，沿筒壁下落流出旋风管排灰管排出，旋转的烟气流在简体内收缩向中心流动，向上形成二次涡流经排气管排出。高效率的旋风分离器对5mm的颗粒的分离效率可达79％以上，但随颗粒粒径的减小，分离效率下降剧烈。许志军等人的综述对旋风分离器在烟气除尘方面的应用进行了更详细的总结和讨论，可供相关的研究者参考。

　　2.1.2静电除尘器

　　静电除尘器利用高压电场使烟气发生电离，烟气流中的污染颗粒荷电在电场作用下与烟气分离。静电除尘器的负极(即放电电极)由不同断面形状的金属导线制成。正极(即集尘电极)由不同几何形状的金属板制成。静电除尘器的性能受颗粒性质、设备构造和烟气流速等三个因素的影响。

　　静电除尘器与其他除尘设备相比，耗能少，除尘效率高，适用于除去烟气中0.01～50m的污染性颗粒，且可用于温度高、压力大的场合。实践表明，处理的烟气量越大，使用静电除尘器的投资和运行费用越经济。但静电除尘器不适用于高含氯的烟气，这是因为此种烟气产生的颗粒粒度较细，电阻率较高，从而降低了除尘效率，尤其是燃烧不经过处理的生物质原料，上述问题会更加严重。

　　2.1.3袋式除尘器

　　近年来，随着烟气排放标准的提高，涌现了诸多高效率的除尘设备，袋式除尘器便是其中的一种。袋式除尘器适用于捕集细小、干燥、非纤维性粉尘。滤袋采用纺织的滤布或非纺织的毡制成，利用纤维织物的过滤作用对含尘烟气进行过滤，当含尘烟气进入袋式除尘器后，颗粒大、比重大的粉尘，由于重力的作用沉降下来，落入灰斗，含有较细小粉尘的气体在通过滤料时，粉尘被阻留，使气体得到净化。袋式除尘器的分离效率较高，此外该技术还可用于脱除烟气中其他污染性的气体，如SO2，HCl等。但袋式除尘器要求所需处理的烟气必须干燥，否则脱除效率将大大降低。近二十年，研究者陆续开发出许多类型的袋式除尘器，如静电增强颗粒层除尘器，脉冲袋式除尘器，错流移动颗粒床过滤器，其中的一些新型的除尘器的除尘效率甚至可达99.97％。

　　2.2湿法技术

　　湿法烟气处理方法主要基于烟气中的污染性颗粒或组分可溶于水或有机溶剂的性质，使烟气与吸收剂紧密接触，将污染性颗粒或组分从烟气脱离出来。该方法的处理效率高，适用于各种污染性颗粒或组分，尤其适宜处理高温、易燃、易爆的烟气。但对管道和设备的防腐性要求高，处理后的烟气抬升高度减小，吸收液的回收利用困难。常用的生物质直燃烟气的处理装置有洗涤塔、湿式电除尘器等。

　　2.2.1洗涤塔

　　由于结构简单，易于操作，洗涤塔是去除生物质烟气中污染性颗粒、酸性气体和雾滴的应用最广泛的方法之一。但当水作为洗涤剂时，由于盐分的沉淀，长时间运行造成了水污染以及发臭，从而增加了水的回收利用成本。图2所示为常用的生物质直燃烟气洗涤塔的结构示意图。此外，在生物质燃烧尾气处理领域，还存在多种其他类型的洗涤塔，如文丘里洗涤塔、喷管式洗涤塔、冷凝式湿法洗涤塔等。Tobias等人利用洗涤塔对生物质烟气中的NH3、SO2以及焦油液滴的吸收效果进行了研究，并基于质量与能量守恒定律和气液平衡关系建立了相关的数学模型。其数学模型预测的结果与当地工厂的实际运行结果十分吻合。常加富等人利用流体力学模拟软件Fluent对文丘里洗涤器吸收生物质烟气中的焦油雾滴问题进行了数值模拟，得到了吸收过程中压力与速度分布特性，基于能量转化分析了文丘里洗涤器净化焦油过程中的流场演变规律。

　　2.2.2湿式静电除尘器

　　湿式静电除尘器简称WESP，是一种烟气处理的新型设备，主要用来除去湿烟气中的污染性颗粒、酸雾、气溶胶、PM2.5、污染性有机组分等有害物质。尽管WESP的基本原理与传统的干式静电除尘器类似，但在集尘区捕集到的污染物的清除方式上有较大区别，传统的干式静电除尘器一般采用机械振动或超声波等方式，而WESP则采用定期冲洗的方式清除污染性颗粒或组分。因此，湿式静电除尘器不但具有更高的处理效率，还能有效收集微细颗粒物(PM2.5、SO2酸雾、气溶胶)、重金属(Hg、As、Se、Pb、cr)、有机污染物(多环芳烃、二恶英)等。近年来，许多研究者对湿式静电除尘器进行了改进，如集尘电极采用膜材料、硅或碳纤维等。尽管目前湿式静电除尘器在生物质烟气的处理还未见文献报道，但生物质燃烧后产生的烟气的污染成分更为复杂，因此WESP有望在该领域取得良好的应用。

　　2.3组合处理技术

　　上文涉及的各种技术均具有相应的优势和不第7期黄春超：生物质直燃烟气处理技术的研究进展足，为达到较好的烟气处理效果，研究者通常采用组合处理技术。常用的组合工艺有以下几种。

　　2.3.1静电旋风除尘器

　　通常情况下，旋风除尘器的分离原理主要是基于污染性颗粒之间的离心力不同，但该技术只适用于较大的颗粒，对于小颗粒的分离效率较低。而电场力主要与颗粒的带电性有关，可有效的解决上述问题。为此，研究者将静电力分离与离,力分离相结合，开发出静电旋风除尘器，其基本结构如图3所示，在传统的旋风分离器的中轴位置增加一根带电电极，烟气中的污染性颗粒受到电场力和离心力的共同作用而分离，因此该装置的除尘效率较高，不但能够清除较大的颗粒，还能有效的清除传统旋风除尘器无法清除的颗粒。

　　2.3.2静电袋式组合除尘装置

　　静电袋式组合除尘装置结合静电除尘器与布袋除尘器的优点所开发的一种组合式高效除尘装置。该装置具有操作稳定、除尘效率高等优点。根据静电除尘器与布袋除尘器结合方式不同。可将该装置分为两类：一类是生物质烟气中的污染性大颗粒先由静电场捕集，然后再经过布袋除尘器收集剩余细微颗粒的一种组合方式，目前该方式是最常用的静电袋式组合除尘装置运行稳定，其综合除尘效率高，性能稳定。第二种组合方式是静电除尘和布袋除尘平行进行，不分先后对烟气处理，但烟气必须通过布袋除尘过滤才能排放，该组合方式主要优点是静电与袋式除尘能相互弥补，可有效的解决二次扬尘问题，但该方法目前还处于研究阶段，工业化应用的较少。

　　3烟气处理技术展望

　　近年生物质直燃电厂的蓬勃发展，要求我们必须规划好未来环保型生物质直燃电厂烟气处理工艺的发展路线，使工艺技术发展满足国家环保标准要求，并领先于国家标准的发展。根据生物质种类以及燃烧方式的不同，探索环保型生物质直燃电厂设计技术发展的内在规律，使之具有可靠性和环境特性，并能达到运行经济性好且节省能源的目标。开发生物质直燃烟气的技术及工艺，形成一个生物质直燃电厂的综合环保工艺概念(称为高效烟气处理系统)，包括烟气除尘、脱除酸性气体、复杂有机物等多种工艺的组合，确定前瞻性研究目标，通过技术研发在高效烟气处理系统的概念下实现技术掌握、实施和发展。

　　4结论

　　随着石油及煤炭资源的枯竭，社会在大力发展生物质能源的同时也对环境造成了新的污染，尤其是排出的PM2.5和PM10等颗粒是近年来中国雾霾天气的成因之一。本文通过分析和讨论各生物质直燃烟气的净化技术的特点，对各种传统的净化技术的优缺点进行了比较，同时介绍了组合净化技术的形式与应用，以期为开发适合于生物质，经济成本低、净化效率高的烟气处理技术提供参考，进而为生物质能源技术的发展奠定基础。