油棕榈厂粉尘排放控制探讨

1锅炉简介及其燃料

马来西亚油棕榈厂的锅炉采用层燃炉,不设省煤器和空气预热器,在锅炉尾部设置多管式旋风除尘器,以控制粉尘排放在400mg/Nm3以内。

油棕榈厂的锅炉燃料来自榨取棕榈油的废料,分别为空果串(EFB)、中果皮纤维(PalmFiber)、种子壳(Palmshell)3种。燃料工业分析和热值如表1所示,燃料元素分析如表2所示。

由表1、表2可知,油棕榈燃料的热值都较低,挥发分都很高。其中油棕榈种子壳的热值最高,灰分含量最少,另外两种燃料的水分都很高。

2飞灰的来源及形成

灰分来源有两个:(1）结合在生物质含碳分子结构中的内在灰分:(2）在收割或运输过程中,从泥土中带入的矿物质。内在灰分很容易挥发并在碳燃烧时发生化学反应。在燃烧过程中,一部分生成灰分的化合物挥发成气态,并在碳燃烧的边界层再次氧化并形成5～10nm的一次粒子,这些微小粒子在烟气中通过凝结,凝聚和凝结形成较大的粒子,并生成<1um飞灰的内核。非挥发性灰分可能在燃烧的碳中融化、合并,其中一部分被带入烟气中,形成粗颗粒飞灰,一般大于5um,另一部分形成炉底灰。在烟气冷却过程中,气态化合物会在飞灰表面冷凝或发生化学反应,由于细颗粒的比表面积大,冷凝和化学反应多发生在细颗粒上。如果气态无机物的浓度足够高,且冷却速度足够大,由于过饱和,这些气态无机物会通过成核作用生成新的飞灰。

3飞灰的化学组成及性质

油棕榈灰样的化学组成及性质如表3所示。

由表3可知,灰样中si02和Al203的含量相较于正常值都很低,且si02和Al203含量越高,粉尘的比电阻越高,是造成粉尘高比电阻的主要原因。但灰样中K20的成分较高,灰的黏度很大。

4各除尘方式比较

除尘方式主要包括自然沉降,采用旋风除尘器、静电除尘器、布袋除尘器和洗涤式除尘器。各种除尘方式的效率和对应粒径如表4所示。

由于锅炉尾部已经配置多管式旋风除尘器,除尘器效率更低的方式已不用考虑。由表4可知,除尘器效率更高,能处理更小粒径的是电除尘器、布袋除尘器和文丘里洗涤器。

马来西亚某油棕榈厂自制了湿式洗涤器,投运初期,效率能达到要求的150mg/Nm3。但运行3个月后,腐蚀严重,投运近半年已经不能使用。如果采用防腐性能更好的钢材,也许可以减缓腐蚀,但造价昂贵。

布袋除尘器所采用的多数滤布材质的极限温度为250℃,而油棕榈厂的排烟温度一般都在280℃以上。如果采用高温滤料,则造价昂贵,且可靠性还有待验证,滤布材质的使用寿命一般不超过3年,运行成本高昂。如果电除尘器能满足排放要求并长期稳定运行,且不需要使用特殊材质,将是最好的选择。

4电除尘器在油棕榈厂的适用性探讨

4.1粉尘比电阻的影响

静电除尘器对粉尘的比电阻最为敏感,能否使用电除尘器收尘取决于粉尘比电阻的大小。适合使用电除尘器的粉尘比电阻值为104～1011Q·cm。当粉尘比电阻小于104Q·cm,粉尘的导电性能良好,在到达收尘极板后,会迅速释放反向电荷,由于同性相斥,带异种电荷的粉尘会返回气流中,和电场中荷电的粉尘中和,然后重新荷电,被迁移至收尘极板,如此反复,然后在末电场中被气流直接带出,降低了除尘效率。当粉尘比电阻大于1011Ω·cm,粉尘到达收尘极板后,不容易释放其电荷,在粉尘层和极板之间形成电场,降低电晕放电的电场强度,同时会发生反电晕,释放反向电荷,降低甚至中和荷电粉尘携带的电荷,也有可能使粉尘反向荷电,并使反向荷电的粉尘向放电极移动,粘污放电极线,进一步恶化收尘电场,导致除尘效率低下。

烟气中的水分对粉尘比电阻有影响。研究和经验表明,当烟气中的水分含量大于9%时,适于用电除尘器收尘。根据燃料的元素和工业分析,可以计算烟气中水分的体积含量。在1.6的空气过剩系数下,按完全燃烧计算,油棕榈空果串燃烧后烟气中水分含量为25%:油棕榈中果皮纤维燃烧后烟气中水分的含量为17%:油棕榈种子壳燃烧后烟气的水分含量为11%。无论燃料按哪种比例混合,烟气中的含水量在11%～25%,大于参考值9%。根据烟气中的水分分析,油棕榈厂适合用电除尘器收尘。

通过不同温度和含水量对粉尘比电阻的测试,当温度在250～300℃时,粉尘的比电阻介于108～1011Ω·cm:且美国和中国的测试结果有所不同,当温度大于250℃时,美国的测试结果显示,烟气中水分含量对粉尘比电阻没有影响,中国的测试结果表明含水量越大,比电阻越低[3]。而棕榈厂的排烟温度一般介于280～320℃。

研究表明,粉尘比电阻高的原因是因为sio2和Al2o3含量高。根据表3所示,sio2和Al2o3含量总共仅为18.3%,远低于一般的粉煤灰的含量。

有研究表明,电除尘器在生物质锅炉中运行良好,可达到10mg/Nm3的排放值。但有例外,当Cl含量高的燃料,如未处理过的稻草燃烧时会产生高比电阻的细微粉尘,电除尘器运行效果不好。但所有油棕榈燃料的Cl含量都很低。

综上所述表明,油棕榈厂粉尘的比电阻值适合用电除尘器收尘。

5.2烟气温度的影响

烟气温度越高,烟气的黏滞系数就越大,因此烟气的黏滞性也越强,密度也越低,电离效应增强,起晕电压和击穿电压都下降,不利于电除尘器的收尘[4]。但由于油棕榈燃料生成的烟气中水分含量较高,氧含量也较高,这些负电性气体的浓度增加会增加空间电荷的影响,抑制放电的发展,一定程度上可以抵消一部分烟气温度高带来的负面影响:也可以通过采用放电性能弱的阴极线增加极间距来改善电除尘器的运行状况,保证收尘效率。

5.3粉尘粒径的影响

粉尘粒径对驱进速度有直接影响,这是由于电荷与质量(粒径与质量呈正比）的比值不同所致。粒径大于约0.5μm的微粒,主要是电场荷电:粒径小于0.2μm的微粒,主要是扩散荷电:粒径在0.2～0.5μm的微粒,两种荷电机理都起作用。已经证明,粒径在0.2～0.5μm的粉尘驱进速度最小[5]。

有研究表明,燃烧木材燃料的粉尘在经过多管式旋风除尘器后,粉尘粒径主要集中在0.1～1μm,1～10μm只占少部分。此粒径区间正是粉尘的驱进速度较小的区间。可以大致推断油棕榈厂的粉尘经过多管式旋风除尘器后,粉尘粒径主要分布在0.1～1μm。

静电除尘器对于粒径在0.1～1μm微粒的除尘效率介于90%～99%。对于粒径<1μm的粉尘,典型的除尘效率为96.5%。

马来西亚油棕榈厂原粉尘排放要求为400mg/Nm3,现粉尘排放要求为150mg/Nm3,核算效率为62.5%,远低于90%,即使所有进入电除尘器的粉尘粒径<1μm,出口也能满足150mg/Nm3要求,且可以通过增加收尘电场强度和离子密度,或者延长粉尘颗粒在电场的停留时间来提升粉尘的驱进速度。

5.4高K20的影响

在燃煤电厂中,当灰分中的Na2o和K2o含量超过2%时,粉尘的黏度很大,不易清灰,当灰分中的Na2o和K2o含量超过2.5%时,应特别注意。通过燃料的分析对比可知,油棕榈厂的燃料中K含量在生物质燃料中并不算高。目前,有上千台生物质锅炉配备了静电除尘器,运行状况良好。因此,即使灰分中的K2o偏高,也不会影响静电除尘器的稳定运行。

5.5腐蚀

由于油棕榈厂的燃料中含有少量Cl,所以烟气有一定腐蚀性。这也是油棕榈厂锅炉一般不设置空气预热器等的原因。但烟道采用普通碳钢,并没有明显的内部腐蚀现象,有些烟道甚至没有保温。据此推断,在有激烈热交换时,油棕榈厂的烟气具有较强的腐蚀性,但没有热交换时,并不具有强腐蚀性。所以若采用电除尘器,只需注意不要局部漏风率过大,采用普通碳钢即可避免腐蚀。

综上所述,在马来西亚油棕榈厂增设电除尘器以达到粉尘排放150mg/Nm3的要求是完全可行的。

6油棕榈厂使用电除尘器的注意事项

(1）马来西亚属于热带气候,暴风雨较多,室外电气应注意满足防雨等级要求。

(2）由于灰分较黏,应注意保证足够的震打力,注意控制极板的高度。

(3）保温层,特别是灰斗的保温层应加厚,以保证灰的流动性。

(4）灰斗的下灰角度应该比燃煤电厂的大:卸灰口可适当加大:灰斗加热器的功率要合理,要比燃煤电厂的大:应采用密封性能好的卸灰阀:灰斗的气化板或振动器功率应适当加大。

(5）应采用密封性能较好的双层人孔门,圆形人孔门是不错的选择。

(6）由于粉尘粒径较小,电场风速不宜过高。

(7）安装完成后,应特别注意气密性检查,避免局部漏风过大,造成腐蚀。

(8）由于锅炉启停频繁,绝缘子应采用气封系统,并适当加大绝缘子加热器的功率,以保护绝缘子。

(9）除尘器应设置防爆装置。最好在除尘器前烟道设置Co检测器,并与高压电源联锁控制,避免爆炸。

7结语

电除尘器作为控制粉尘排放的传统手段已经成功应用于工业生产中。马来西亚油棕榈厂的粉尘排放要求较低,效率要求不高,主要介于62.5%～81.25%,电除尘器完全可以满足要求。对静电除尘器做适当调整后,可以保证其安全稳定地运行。

马来西亚某油棕榈厂的电除尘器已经安全稳定地运行了近一年,同样在印度尼西亚、非洲等排放要求高的地区,电除尘器也是很好的选择。