工业设计论文发表期刊推荐：北大核心级期刊《价值工程》，《价值工程》创刊于1982年，是经国家新闻出版总署批准公开发行的经济综合性专业学术期刊，具有国际国内双刊号，国际刊号ISSN1006-4311国内刊号CN13-1085/N），邮发代号：18—2，主管单位：河北省科学技术协会，主办单位：中国技术经济研究会价值工程专业委员会、河北省技术经济管理现代化研究会。
摘要：本文结合除尘器的工作原理和分类特点，明确了生物质电厂除尘器的型式选择，并结合生物质电厂烟气和飞灰的特点，提出了生物质电厂除尘器选型设计时需要特别关注的注意事项，在此基础上提出了生物质电厂除尘器选型设计的意见和建议，相关结论可为后续同类工程提供专业的指导和建议。
关键词：生物质电厂,除尘器,设计选型
0引言
目前，我国生物质资源可转换为能源的潜力约5亿吨标准煤，今后随着造林面积的扩大和经济社会的发展，生物质资源转换为能源的潜力可达10亿吨标准煤；根据《可再生能源中长期发展规划》，到2020年，全国生物质发电总装机容量将达到3000万千瓦。随着社会和科技的迅速发展，人民生活水平的不断提高，对环境保护的要求也日益严格。本文结合除尘器的工作原理和分类特点，结合生物质电厂烟气和飞灰的特点，提出了生物质电厂除尘器选型设计时需要特别关注的注意事项，在此基础上提出了生物质电厂除尘器选型设计的意见和建议，相关结论可为后续同类工程提供专业的指导和建议。
1除尘器的工作机理和分类
1.1除尘器的工作机理
除尘设备是生物质电厂的重要设备，通过物理方式把大部分粉尘从烟气中分离出来，减少烟气中的粉尘浓度，以达到减小排放烟气含尘量满足环保要求、减小除尘器下游的设备磨损、捕集粉尘并回收进行综合利用等目的；其中达到环保排放要求及减小下游设备（主要是引风机）的磨损是电厂设置除尘器的主要目的。
除尘的机理包括重力分离、离心力惯性分离、碰撞惯性分离、接触阻留、静电力驱动、凝聚等几类，不同的粉尘特性适用于不同的除尘机理，除尘设备主要利用一种或者多种除尘机理进行除尘，以达到理想效果。
1.2除尘器的分类及主要特点
除尘器按照结构型式区分主要有机械式、水膜式、静电式、过滤式等几大类型。几种类型除尘器的主要特点如表1。
表1除尘设备主要类型和技术特点
类型机械式除尘器水膜式除尘器静电除尘器布袋除尘器
工作原理根据粉尘和气体的动量不同，利用惯性原理进行分离采用惯性分离大颗粒粉尘，细颗粒粉尘与水膜碰撞并被吸附采用高压电离，使粉尘荷电，在静电场的作用下粉尘向极板运动并被极板吸附采用孔径比粉尘小的滤料，使烟气通过而粉尘碰撞滤料的纤维被拦截下来
主要优点结构简单，维护少结构相对简单，维护少效率高，最高可达到99.8%；
大型化容易，而且能耐一定高温，烟气侧流通阻力较小效率高，最高可达到99.9%以上；
粉尘适应性好，性能较稳定
主要缺点效率低，一般不超过70%，只适合分离粗颗粒粉尘效率低，一般不超过90%，除尘后烟气含水分较高，容易对下游设备产生腐蚀耗钢材量较大，造价较高，结构复杂，部分比电阻特殊的粉尘不适合使用结构较复杂，维护工作较大，滤袋不能承受高温，流通阻力较大
排烟浓度较高100mg/m350mg/m330mg/m3以下
适用范围冶金、化工等工艺流程中原料的初步分选，电站锅炉很少单独采用对排放要求不高的地区适用，电力行业已淘汰，较早容量在130t/h以下的蔗渣炉有一定的应用适合大型化，排放要求高的火力发电厂，但少部分粉尘收尘效果不理想，最大单机容量达到1000MW等级适合大型化，排放要求高的火力发电厂，基本不受粉尘特性影响，最大单机容量达到300MW等级
为满足国家和地区现行环保要求，目前电站机组使用的除尘设备主要有静电式除尘器和滤袋式除尘器两种。这两种除尘器通过引进国外技术消化吸收，目前国内已经形成自主设计制造能力。
1.3主要型式除尘器的工作原理
（1）静电除尘器
静电除尘器的除尘原理是通过电极在烟气中放电，使粉尘荷上电荷，并且在电场力的作用下向电极移动，被集尘极捕获并收集。在静电除尘器壳体内设有很多组阴极线和与之对应的阳极板，给阴、阳极施加高压直流电，阴极（放电极）附近空气被电离，形成电晕。电晕区的范围较小，正离子很快流向放电极，电子则扩散到电晕外区域。烟气流过电极区间时，大部分粉尘带上负极性，在电场力的作用下向阳极板（收尘极）移动，与阳极板接触后放出电荷，通过振打落入灰斗。
（2）布袋除尘器
布袋式除尘器是一种干式的高效除尘器，它利用纤维织物的过滤作用，通过筛滤、碰撞惯性分离、接触等方式进行除尘，效率高达99.9%以上，且效率基本不受粉尘特性的影响，与静电除尘器相比，袋式除尘器能更好地捕捉超微细颗粒。
布袋除尘器的除尘效率是变化的，新滤袋由于网眼较大，在运行初期除尘效率不是最高，随着滤袋上的粉尘层增加，粉尘填充了一部分网眼间隙，除尘效率逐步提高。当粉尘积累到一定厚度时候，滤袋的空隙太小，气流通过时候阻力迅速上升，气流通过空隙时候流速增加，会带走一部分粉尘，此时应对滤袋进行清灰，以降低阻力和保证除尘效率。
2生物质电厂除尘器的选择
生物质燃料的灰分较低，对除尘器效率的要求不高，除尘器效率达到99.7%左右即可满足环保要求，一般静电除尘器和布袋除尘器在燃煤电厂上都能轻松地达到。但实际上，目前已经投运和正在建设的生物质电厂除尘器几乎都是采用了布袋除尘器。
2.1技术原理
原先的行业观念认为生物质灰的比电阻超过了静电除尘器的最佳适用范围（104~1011Ω·cm），但从一些实验的数据看，在常规的锅炉排烟温度（120~150℃）时，生物质灰比电阻在108~1011Ω·cm之间，非常适合采用静电除尘器。
从除尘器的收尘机理上分析，除了灰比电阻外，粉尘的颗粒度、粘接性和比重对静电除尘器效果也有较大影响：粗颗粒的粉尘受到的重力和电场的静电力远大于烟气的流体粘性力，因此较容易被静电除尘器收集，在壁板振打时候大部分在重力作用下落入灰斗，而较细的粉尘受烟气流体的粘性力大于电场施加的静电力，很难被静电除尘器收集，即使被收集后，极板振打造成的二次扬尘细粉尘更容易重新逃逸到烟气中；若灰的粘接性强，灰颗粒被吸附到极板上后相互粘接，需要采用更大的振打力才能落入灰斗，但若加大振打力，二次扬尘会加重；灰的比重轻，振打时二次扬尘同样会很严重。所以虽然灰比电阻适合采用静电除尘器，但是生物质灰的特点是颗粒度小、粘接性大、比重轻，非常不利于静电除尘器的收尘。而布袋除尘器采用的是过滤的原理，灰尘附上滤袋后，即使在清灰时出现扬尘，也会留在滤袋上游，还会再次被滤袋收集，不会出现类似于静电除尘器二次扬尘会随烟气流向下一级电场甚至逃出除尘器的情况，因此收尘效果较好。
2.2应用业绩
经与除尘器设备厂家交流，生物质电厂普遍未采用静电除尘器，除了技术原因外，与其装机规模有很大的关系。国内配套电站锅炉的静电除尘器厂家只有几家，其供应的设备主要面向大中性机组（300MW及以上），技术方案优化的重点，更多地放在提高大容量燃煤机组的除尘效率以满足日益严格的环保要求，以及降低运行电耗上。生物质电厂单机容量都在50MW等级以下，绝大部分都是15MW和25MW等级，除尘器设备投资价格低，国内静电除尘器设备制造厂对其兴趣一直都不是很大，也基本没有去做这方面的技术研究和市场开发，可以说是主动放弃这部分市场，这种现象，与目前国内几个大的锅炉制造商都没有涉足生物质锅炉领域较为相似。
因此，从技术原理和应用业绩上分析，生物质电厂适合采用布袋除尘器。
3生物质电厂布袋除尘器设计需重点关注的问题
生物质电厂布袋除尘器的设计和运行，与常规燃煤电厂相似，但由于生物质电厂锅炉运行灰成分和烟气参数的特点，除了需要注意避免超温烧袋应设置喷水减温装置或烟气旁路、注意保温及防漏风措施以免结露、合理设置吹扫空气点及吹灰周期避免滤袋损坏等，除尘器设计和运行时也有一些不同，需要予以重点关注。
3.1滤料的选择
滤料作为袋式除尘器的核心部件之一，其发展及应用越来越受到关注。在选择滤料之前,首先必须掌握锅炉的工作特性、煤质指标、烟气参数的详细资料；滤料的理化性能方面应保证滤料满足生产条件和除尘工艺的一般要求和特殊要求，例如满足烟气温度、湿度以及抗酸碱腐蚀、耐氧化水解方面的要求；滤料的机械性能方面要保证滤料有一定的抗拉伸强度和刚度，以及耐磨性，确保滤料一定的使用寿命；从滤料的过滤性能来看，过滤效率应能够达到国家烟尘排放标准要求，尽量选择高效低阻滤料，降低运行阻力，减小能耗[1]。
滤袋材质的选择是否合理直接影响布袋除尘器的除尘效果、运行适应性和设备寿命。电站锅炉的排烟温度一般在120～180°C之间，使用较多的材质及主要特点如下：
（1）PPS（聚苯硫醚）
耐酸、耐碱、耐水性能都较好，其连续使用温度为170℃，最高使用温度为190℃[2]，但在200℃以上便会发生热缩现象，耐氧化性差，在高温时变硬且伴有不同程度的老化。
（2）P84（聚亚酰胺）
耐高温性能好，可达200℃左右，瞬时耐温260℃，同时具有优良的耐酸性和良好的耐碱性，并且因纤维不规则的截面，其表面过滤效果佳，且清灰效果好；其缺点是水解稳定性差，容易水解老化[3]。
（3）PTFE（聚四氟乙烯）
商品名特氟龙，表面化学稳定性较好，耐高温，具有良好的清灰效果，其抗氧化、抗酸碱腐蚀能力也很强，具有全面最优综合性能，但是抗拉、耐磨、耐折性较差，并且价格较高。
（4）Nomex（芳纶）
滤料耐温204～240℃，机械强度高、耐磨、耐折性好，对弱酸及弱碱具有非常好的抵抗力，但在高温烟气中，如水分含量较大，且含较多酸碱废气及杂质，如硫氧化物、氮氧化物、盐酸、氢氧化钙等，这些酸碱废气及杂质将会加速布的水解，尤其当整个集尘室处于酸碱露点下，此水解破坏效应更为严重[4]。
（5）玻璃纤维
是传统的耐高温无机滤料，耐温可达260℃，但是其耐折、耐磨性能较差，在高过滤风速下，滤料寿命大幅度降低[5]，当前较少单独使用在电站锅炉。
生物质电厂锅炉排烟温度较一般的燃煤电厂要高，多在140~150℃，烟气湿度大，且可能含有HCl气体，滤袋材质可采用PPS；但从实际运行情况看，由于生物质电厂燃料水分不易控制，经常使用一些高水分的燃料，锅炉运行排烟温度超过设计值，达到160℃甚至更高，虽然PPS滤袋也能适应，但长期下来，滤袋寿命得不到保证，需要经常更换。目前生物质电厂除尘器滤袋多采用复合型材质，即PTFE基布+PPS纤维针刺布，外加PTFE浸渍覆膜，充分利用了PTFE材质化学稳定性较好、耐高温的特点，又可以有效控制设备投资，建议优先选用，并在运行时严格控制锅炉排烟温度以延长滤袋适用寿命，建议长期排烟温度不超过150℃，瞬时不超过170℃。
3.2过滤风速
过滤风速是影响布袋除尘器性能的主要设计参数之一：过滤风速高，除尘器的体积较小，节省设备投资；过滤风速低，烟尘容易被捕捉，清灰时不容易形成二次扬尘，并且除尘器运行阻力较低，因此，设计时需要综合考虑，选定合理的过滤风速。相对于燃煤电厂，生物质电厂飞灰比重较轻，为了保证良好的除尘效率，过滤风速一般较燃煤电厂低，大多在0.9m/min。
3.3预除尘装置
国内有些生物质电厂在常规布袋除尘器前设置一套预除尘装置，一般采用旋风式除尘器，主要是为了防止锅炉排烟中夹带少量未燃烬的火星颗粒进入布袋除尘器后烧坏布袋，另外也可以清除烟气中较大的颗粒，减轻对布袋的机械磨损。
关于布袋除尘器前是否需要设置旋风式除尘器，不同的除尘器厂家意见有所不同。实际上，应该从锅炉炉型及燃烧角度进行分析：对于炉排锅炉，入炉的燃料尺寸相对较大，燃料不容易完全燃烧，飞灰含碳量相对较高，一部分未燃烬的燃料携带火星通过排烟进入布袋除尘器，烧坏滤袋；而对于CFB锅炉，一方面，进入锅炉的燃料尺寸相对较小，燃烧较完全，另一方面，CFB锅炉本身就已经带有高效率的旋风分离器，其对固体颗粒的分离原理与旋风式除尘器相同，且分离效率要高出很多，可以达到99.5%，绝大部分大尺寸的固体颗粒包括火星都能被捕捉下来重新进入炉膛燃烧或者通过锅炉灰渣方式排出，极少会被烟气中携带；除此之外，若在布袋除尘器前设置预除尘装置，虽然可以有效地减少“烧袋”的现象，但会对电厂的投资和运行带来增加占地和投资、增加运行电耗和厂用电率等一定的不利因素。因此，对于炉排炉，建议设置预除尘装置，对于CFB锅炉，可以不用设置。
4生物质电厂除尘器设计选型意见和建议
（1）除尘器采用布袋除尘器；
（2）烟气过滤风速大多在0.9m/min；
（3）对于炉排锅炉，建议设置预除尘装置，主要用于保护布袋除尘器；对于CFB锅炉，可不设置预除尘装置；
（4）根据生物质电厂排烟温度选择滤料，由于通常排烟温度较高，建议采用复合型材质，即PTFE基布+PPS纤维针刺布，外加PTFE浸渍覆膜。
参考文献
[1]张殿印.除尘技术手册.北京:冶金工业出版社,2002
[2]包林初.PPS(Ryton)针刺滤料的研制和应用,产业用纺织品,2002,20(1):1822
[3]GriesserH.P284聚酰亚胺纤维在非制造业的应用.见:SINCE99论文集,上海:CNTA,1999
[4]宋丽贞.耐高温针刺非制造布滤料.产业用纺织品,2000,18(5):1215
[5]周维真.几种玻纤滤料的特性以及正确合理的应用.玻璃纤维,2000,(4):1622
