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随着社会和经济的不断发展，人类面临着不可再生矿产资源濒临枯竭和环境污染日益加剧的双重压力，生物质能源作为世界第 4 大能源和屈指可数的可再生能源，已成为全球关注的焦点。生物质发电技术是近年来发展比较迅速且最具潜力的一种生物质能利用技术，生物质气化发电系统包括 3 个部分:气化炉、气体净化系统和气体发电机组。生物质原料在燃烧或气化过程中除了生成 CO、CH4、H2 等可燃气体外，还含有其他有害杂质，如焦油、H2 S、NH3、HCN、HCl 和灰分( 灰尘、碳粒、碱金属) 等。这些杂质容易造成气化设备、管道和阀门等部件的磨损和腐蚀，影响系统的运行，若排放到大气中，不仅会污染环境，还会对人体产生危害。因此，生物质气化燃气除尘是解决生物质气化发电技术应用中的关键技术之一。生物质气化燃气的净化方法主要有 3 种: 干式净化法、湿式净化法和干湿结合净化法。在干式净化系统中，旋风除尘器对细颗粒物的去除效率较低，除尘效率一般低于 80%。生物质气化燃气中的飞灰和焦油往往不利于袋式除尘器和陶瓷过滤器的寿命和过滤阻力，导致设备难以长期稳定运行。与此相反，湿式电除尘器对微细颗粒有很高的去除率，压力损失小，使用温度范围大，能够处理高温气体。并且，在洗涤水中添加化学试剂，还可去除燃气中的其他杂质。本文采用湿式电除尘器去除生物质粉尘，研究不同因素对其除尘效率的影响，为工业中生物质气化燃气净化工艺的设计和优化提供参考。
1 实验部分
1. 1 实验原理
湿式电除尘器的工作原理: 直接将水雾喷向放电极和电场区，雾滴在放电线与收尘极间形成的场强区被荷电，破碎后进一步雾化成细小的荷电雾滴; 另一方面，在直流高压作用下，气体发生电离，使粉尘荷电，然后通过电场力、荷电雾滴的碰撞拦截、吸附凝并，共同对粉尘粒子起捕集作用，最终粉尘粒子在电场力的驱动下到达收尘极而被捕获随洗涤水喷至收尘极上形成连续的水膜，流动水将捕获的粉尘冲刷到灰斗中随水排出。湿式电除尘器的除尘过程可分为四个阶段: 气体的电离; 粉尘获得离子而荷电; 荷电粉尘向收尘极运动; 清洗电极。
1. 2 实验装置
湿式电除尘除尘效率测定装置如图 1 所示，实验装置主要由给料机( 1) 、直流高压供电系统( 3) 、喷淋系统( 4) 、风机( 7) 和放电收尘系统( 8) 等组成。
2 结果与分析
2. 1 生物质粉尘的性质研究
2. 1. 1 生物质粉尘的化学成分分析
将生物质粉尘喷金处理后，利用 X 射线能谱分析( X-ray energy dispersive spectroscopy) 检测其化学成分，结果如表 1 所示。生物质粉尘主要含 C 元素、O 元素和 Mg、Al、Si、K、Ca、Fe 等无机元素，其中 Si、K元素在无机元素总构成中占有最大的比例，Ca、Mg、Fe 含量相对较低，Al 含量最低，仅为 0. 37% 。对于提高电除尘器除尘效率而言，Si、K、Fe 等元素为有利因素，而 Ca、Mg 含量过高则产生不利影响。
2. 1. 2 生物质粉尘的粒径分布
为了探究湿式电除尘器是否适用于生物质粉尘的去除，需对生物质粉尘粒径分布进行测量。本实验利用激光粒度分布仪对生物质粉尘的粒径分布进行测量，结果如图2 所示。
由图2 可知: 生物质粉尘的粒径分布较宽，粒径在68. 26 μm 以下的占90% 左右，平均粒径D50 =26. 05 μm，其中约有10% 的粉尘粒径在6 μm 以下，湿式电除尘器可去除粒径为0. 1 ～ 100 μm 的粒子。
2. 2 生物质粉尘在电除尘器中的收集效率
2. 2. 1 极配型式对除尘效率的影响
放电线是电除尘器产生电晕电流的主要部件，由于每种放电线都有各自的优缺点，对于不同的烟气性质应该选择不同的放电线与极板匹配。例如当含尘浓度较高，容易发生电晕闭塞时，应选RS 芒刺线或鱼骨线，而飞灰比电阻很高时则应选用星形线等。为了确定何种放电线与480C 板组合适合于生物质粉尘的去除，本实验选择3 种放电线( RS 二刺芒刺线、鱼骨针刺线和星形线) 进行实验。实验条件:入口粉尘浓度为200 mg /m3，水压为0. 4 MPa，电场风速为1. 0 m/s，电压为火花追踪电压，实验结果如表2所示。当极配型式为480C—RS 二刺芒刺线时，除尘效率最高，为99. 21%。其次是480C—鱼骨针刺线，当放电线为星形线时除尘效率最低。其原因是: 星形线形成的电场属于二维电场，起晕电压高，电流密度低，生物质粉尘得不到很有效的荷电，因此除尘效率不是很高。虽然鱼骨针刺线的放电性能优于RS 二刺芒刺线，但其电流密度分布不均匀，对微细颗粒物的收集效果不及RS 二刺芒刺线。而RS 二刺芒刺线在高压电场的作用下，其尖端放电形成的电场属于三维电场，能产生强烈的电晕放电，强烈的粒子流可以破坏负空间电荷效应，避免电晕闭塞现象的产生，与此同时，强烈的粒子流还能产生高速电风，电风能促进带电粉尘向收尘极运动，显著地增加了粉尘的驱进速度，从而提高除尘效率。
2. 2. 2 水压对除尘效率的影响
2. 2. 3 电场风速对除尘效率的影响
在其他条件一定的情况下，改变风速，分别在电场风速值为0. 6， 0. 8， 1. 0， 1. 2， 1. 4 m/s 5 个等级下测定湿式电除尘器对生物质粉尘的去除效率。如图4所示，对于3 种极配型式，湿式电除尘器对生物质粉尘的去除率都是随着电场风速的增大而减小，并且在电场风速较高时除尘效率降低的程度比电场风速低时大。以极配形式为480C—RS 二刺芒刺线为例，当电场风速从0. 6 m/s 增加到1. 4 m/s 时，除尘效率也由99. 79%降低到94. 96%。其原因是当电场风速过大时，荷电粉尘在电除尘器内停留的时间较短，有些荷电粉尘还没来得及收下，也有少部分尘粒未来得及荷电或荷电不充分，就被气流带出除尘器。
2. 2. 4 焦油干扰对除尘效率的影响
在生物质气化过程中，焦油是不可避免的副产物。其在高温时呈气态，与可燃气完全混合，而在低温时凝结为液态，容易和水、颗粒物等结合在一起。在其他条件一定的情况下，在生物质粉尘中分别掺杂浓度为0， 10，20，30， 40，50 mg /m3 的焦油，模拟生物质粉尘与焦油黏附现象，测定除尘效率。从图5 得出，在焦油浓度较低时对除尘效率的影响较小，随着焦油的浓度逐渐增大，除尘效率逐渐降低。因为在湿式电除尘器中，粒子的比电阻已不再是影响其捕集效率的主要因素，替代它的是介电常数，介电常数越大捕集效率越高。焦油的介电常数一般在2. 3 左右，较之水滴的78 仍小得多，因此当粉尘中掺杂焦油时，对除尘效率有一定的影响。并且，焦油的黏度较大，一旦黏附在电极上，较难清洗，从而影响了放电线的放电，导致除尘效率降低。
2. 2. 5 喷淋碱液对除尘效率的影响
在其他条件一定的情况下，在洗涤水中分别加入溶液体积分数为0%、2%、3%、4%、5%和6%的氢氧化钠溶液，测定除尘效率，结果如图6 所示。
由图6 可知: 当在生物质气化燃气颗粒物中掺杂焦油时，在洗涤水中加入少量的碱液，有利于除尘效率的提高，并且随着NaOH 溶液体积分数为1% 增加到6%。除尘效率逐渐增加，当增加到一定程度时，又呈现下降趋势。一方面，由于焦油呈弱酸性，在洗涤水中添加少量的碱液可与之发生中和反应，减少其含量。另一方面，根据液滴饱和荷电量公式( 1) 可知，液滴饱和电量随相对介电常数的不同而发生变化。不同溶液的相对介电常数随体积配比不同而存在差异，导致了不同体积配比溶液液滴的饱和电量值大小不同，而液滴荷电量会对电晕放电电流产生影响，进而影响除尘效率。
并且，生物质气化燃气中含有一些酸性杂质气体，连续喷淋碱液，可调整生物质气化燃气的pH 值，延缓酸性气体对设备的腐蚀和减少焦油对电极的黏附。总之，在洗涤水中添加少量的碱液有利于提高湿式电除尘器对生物质粉尘的去除效率。
2. 3 干法、湿法除尘效率的对比
在水压为0. 4 MPa，电压为火花追踪电压，极配型式为480C—RS 二刺芒刺线条件下，分别在电场风速值为0. 6， 0. 8， 1. 0， 1. 2， 1. 4 m/s 5 个等级下测定干式、湿式电除尘器对生物质粉尘的去除效率。如图7 所示，对于生物质粉尘的去除，湿式电除尘器的除尘效率比干式静电除尘器除尘效率高，主要原因是: 湿式电除尘除了具有与干式电除尘相同的除尘机理外，其喷淋形成的大量雾滴，在电场作用下，与负离子和自由电子作用而带上电荷，形成荷电雾滴，高度荷电的雾滴具有很高的荷质比，可显著增强与之结合的颗粒物的静电凝并和动力凝并效应，尤其是可增强电除尘器对粒径为2 μm 以下的微细颗粒物的捕集能力。此外，雾滴荷电后，表面张力下降，颗粒物更容易黏附在其表面上。同时，喷淋后粉尘表面润湿,其亲水性增强，使得颗粒物与颗粒物之间、颗粒物与雾滴之间更容易发生团聚，使颗粒物的粒径增大，更易于脱除。并且，与干式电除尘器相比，湿式电除尘器受颗粒物特性、灰成分、比电阻的影响较小，有利于除尘。
本文利用湿式电除尘器对生物质气化燃气所含粉尘进行了除尘实验，通过改变极配型式、水压、电场风速、焦油干扰和添加碱液等条件，考察了上述因素对湿式电除尘器对生物质粉尘的除尘性能的影响，得到以下结论:
1) 极配型式、水压和电场风速的改变均会影响除尘效率。随着水压的增大，除尘效率逐渐增大，合适的水压范围为0. 3 ～ 0. 4 MPa; 反之除尘效率随着电场风速的增大而减小，当电场风速为1. 0 m/s 时，既达到较高的除尘效率又可节约制造成本。
2) 当有少量焦油与生物质粉尘黏附时，除尘效率有所降低，但影响不大，在洗涤水中添加少量的碱液即可排除少量焦油对除尘效率的干扰。
3) 当极配型式为480C—RS 二刺芒刺线，水压为0. 4 MPa，电场风速为1. 0 m/s，除尘效率为99. 21%。
4) 对于去除生物质气化燃气中的粉尘而言，湿式电除尘器除尘效率比干式电除尘器除尘效率高。使用湿式电除尘器可使出口气含尘浓度降至10 mg /m3 以下，可满足内燃机等发电机组对生物质气化燃气含尘量的要求。
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