生物质飞灰在电除尘器中的行为与分级效率

Scheuch GmbH 与 BIOS BIOENERGIESYSTEME 的实测研究：未燃烧碳颗粒、电阻率与ESP分离效率分析

关键词
静电除尘, 生物质燃烧, 未燃烧颗粒, 燃烧不良, 烟气治理, 除尘器运维

随着生物质能源在民用与工业供热中的广泛应用，静电除尘（ESP）在生物质燃烧烟气治理中扮演重要角色。本文基于奥地利Scheuch GmbH 与 BIOS BIOENERGIESYSTEME GmbH 的联合研发，对在燃烧不良条件下生物质飞灰（含未燃烧颗粒）在ESP中的行为、颗粒组成、灰电阻率以及分级分离效率进行了系统分析，并结合行业应用提出工程对策，旨在为中国浆纸、钢铁、水泥与化工等重点行业的烟气治理与除尘器运维提供参考。静电除尘、生物质燃烧、未燃烧颗粒、燃烧不良、烟气治理等关键词贯穿全文。

研究以一座典型的2.5 MW热水锅炉（Plant B）为对象，锅炉在高过量空气（O2 12–18%）和高CO峰值（约3000 mg/Nm3 @8% O2）的条件下运行以模拟燃烧不良情形。采用VDI 2066等温动力学等速取样测定TSP，并用8级低压冲击器获得粒径分布；同时对粗净气样品进行元素分析与PM1成分分析，并对ESP内部取样灰进行电阻率测量（环境空气，露点48°C）。现场ESP参数：风量约11 500 Am3/h，净气温度165°C，场长/场高≈1.02，气速0.54 m/s。

试验结果显示总体除尘效率优秀：TSP由粗气1987 mg/Nm3降至净气10.7 mg/Nm3，效率约99.5%；PM1由65 mg/Nm3降至2.8 mg/Nm3，效率95.7%。颗粒成分方面，粗气以Ca、K为主，净气中K、S、Ca占比较高，粗气TSP碳含量6.0%升至净气11.2%，表明含碳较多的未燃烧颗粒更易通过ESP，且这种贯穿性在粒径>1 μm的粗颗粒中更明显。电阻率测定显示灰电阻率处于中等范围2·10^9至6·10^10 Ω·cm；在接近或超过1.5·10^10 Ω·cm时，测量出现类似反电晕（back corona）行为，伴随电压、电流波动，这与文献报道一致[6,9]。

综合分析可见：一方面，低场速（<0.5 m/s）与较高纵横比设计有助于降低细颗粒及粗颗粒的再悬落，因此本案例在总体效率上表现良好（并受设计风量低于标定值约20%影响）；另一方面，含碳粗颗粒（>1 μm）在ESP中更易再进入烟道并可能诱发局部放电或电阻率相关波动，尤其当灰电阻率分布极不均一时更为明显。Flue gas conditioning（如氨注入）可提高灰粘结性并减少再悬落，但对小于20 MW的生物质锅炉经济性不足[5]。

对中国行业的启示：浆纸、钢铁、水泥与化工等行业在采用生物质或生物质混烧时，应关注燃烧控制以减少未燃碳产生，同时在ESP设计上优先保证较低的场气速与合适的场长/场高比以降低再悬落风险。艾尼科（Enelco）在极板极线布局、电场优化与在线电阻率监测方面具有成熟技术，可通过优化电极配置、改良放电器与增加在线灰电阻率与颗粒谱监测，实现对燃烧波动的快速响应与运维成本降低。对于需达更严排放标准（尤其PM1）的企业，建议结合预净化（高效旋风或布袋）与ESP低速大比设计的混合策略，并考虑定期在线清灰与电极维护以保持高效率与低能耗。

结论：本研究表明，在燃烧不良条件下未燃烧碳颗粒对ESP的影响主要集中在粗颗粒（>1 μm）层面，可能引发电阻率相关的波动现象，但在合适的低场速与合理ESP几何比情况下，整体除尘效率仍可维持较高水平。面向中国市场，结合艾尼科的电场设计与运维解决方案，可在保证排放达标的同时实现节能与运维成本优化。后续工作应针对不同生物质燃料类型与更细粒级（PM1以下）开展更大样本的灰电阻率与再悬落机理研究，以支撑ESP的精细化设计与智能运维。

参考文献
[1] K. Porle and K. R. Parker, “Dry type precipitator applications,” in Applied Electrostatic Precipitation, London, Blackie Academic & Professional, 1997, pp. 349-381.
[2] L. Lilleblad, M. Strand and K. Porle, “Conditions for Electrostatic Precipitators after Biomass Fired Boilers,” in 9th International Conference on Electrostatic Precipitation, Mpumalanga, South Africa, 2004.
[3] D. Steiner, “Fly ash resistivity and aerosol formation for non-woody biomass combustion,” in 14th International Conference on Electrostatic Precipitation (ICESP XIV), Wroclaw, Poland, 2016.
[4] I. Obernberger, “Strategy for the Application of Novel Characterization Methods for Biomass Fuels: Case Study of Straw,” Energy & Fuels, Nr. 28, pp. 1041-1052, 2014.
[5] K. Porle, S. L. Francis and K. M. Bradburn, Eds., Electrostatic Precipitators for industrial applications, 2. Edition ed., vol. REHVA Guidebook Cost G3, Federation of European Heating and Air-conditioning Associations, 2007.
[6] C. Lanzerstorfer and D. Steiner, “Characterization of sintering dust collected in various field of the electrostatic precipitator,” Environmental Technology, Bd. 37, Nr. 12, pp. 1559-1567, 2016.
[7] Energy research Centre of the Netherlands, “Phyllis2 – database for biomass and waste,” https://www.ecn.nl/phyllis2. [Accessed 29 June 2018].
[8] K. Porle and K. R. Parker, “The physical and chemical properties of particles and their effect on performance,” in Applied Electrostatic Precipitation, London, Blackie Academic & Professional, 1997, pp. 153 – 179.
[9] D. Steiner and C. Lanzerstorfer, “Investigation of dust resistivity for a fractioned biomass fly ash sample during poor combustion conditions with regard to electrostatic precipitation,” FUEL, vol. 227, pp. 59-66, 2018.