電—袋復(fù)合除塵器捕集微細(xì)粒子的理論淺析

戴日俊，李 偉

(1.內(nèi)蒙古能源發(fā)電投資有限公司，內(nèi)蒙古呼和浩特 010020;2.國(guó)電環(huán)境保護(hù)研究院，江蘇南京 210031)

電—袋復(fù)合除塵器捕集微細(xì)粒子的理論淺析

戴日俊1，李 偉2

(1.內(nèi)蒙古能源發(fā)電投資有限公司，內(nèi)蒙古呼和浩特 010020;2.國(guó)電環(huán)境保護(hù)研究院，江蘇南京 210031)

燃煤鍋爐煙氣排放進(jìn)入空氣中PM10微細(xì)粒子對(duì)人體呼吸道健康存在極大的威脅［1］。袋式除塵器的除塵性能不受粉塵比電阻影響，對(duì)PM10粉塵的控制效果比電除塵器好，在電廠燃煤鍋爐煙塵凈化方面，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)形成比較成熟的燃煤電廠袋式除塵工藝路線和安全保護(hù)措施。近年來(lái)，隨著濾袋材質(zhì)、清灰裝置和運(yùn)行管理等關(guān)鍵技術(shù)問題的逐步解決，國(guó)內(nèi)燃煤電廠特別是燃用低硫煤的城市熱電廠采用袋式除塵器，尤其是將現(xiàn)役電除塵器改造為袋式除塵器或者電—袋復(fù)合除塵器的比例迅速提高［2］。實(shí)質(zhì)上，在電除塵器具備“電改袋”條件下，改造成為電—袋復(fù)合除塵器的基本途徑是將電除塵器末端電場(chǎng)改造為袋式除塵單元，保留前端電場(chǎng)，并且在兩者之間增設(shè)合理的氣流分布裝置。這樣，既能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)原有電除塵器最大限度地再利用，又可以降低投資成本［3］。

“前電后袋”電—袋復(fù)合除塵器集電除塵技術(shù)和袋式除塵技術(shù)優(yōu)點(diǎn)于一身，這種除塵器是在粉塵進(jìn)入袋式除塵器之前先經(jīng)過一級(jí)電場(chǎng)預(yù)除塵單元，除去煙氣中的粗顆粒粉塵，并使含塵氣體在過濾之前，經(jīng)過一個(gè)電暈荷電過程;然后利用二級(jí)袋式除塵單元除去剩余的微細(xì)顆粒。本文主要針對(duì)靜電力對(duì)于降低濾袋表面粉塵層的壓力損失，增強(qiáng)濾袋對(duì)亞微米微細(xì)粒子捕集進(jìn)行分析和討論。

1 靜電力對(duì)袋式除塵器壓力損失的影響

電—袋復(fù)合除塵器壓力損失由除塵器箱體流通阻力和過濾層的壓力損失構(gòu)成。它不但決定著除塵器能耗，還決定著除塵效率和清灰周期［3］。除塵器箱體流通阻力為定值，過濾層的壓力損失由未用過的清潔濾料的壓力損失、用過的濾料在清灰后保留著殘余粉塵的壓力損失、隨著過濾的進(jìn)行不斷增加的粉塵層的壓力損失三部分組成［4］。對(duì)于清潔濾料未用過的清潔濾料的壓力損失ΔP0為:

式中:K0為清潔濾料的阻力系數(shù)，m－1;μ為氣體粘度，Pa·s; ν0為過濾速度，m/s。

K0是濾料的透氣度，其值只決定于濾料的成分和結(jié)構(gòu)。所以，對(duì)于同一種濾料，在過濾風(fēng)速不變的情況下，ΔP0為定值。

用過的濾料在清灰后保留著殘余粉塵的壓力損失ΔPR(含濾料本身)為:

式中:KR為殘留粉塵的比阻力系數(shù)，1/m。KR可以反映清灰后殘留粉塵和濾料組合系統(tǒng)的特性，同時(shí)也反映了清灰和循環(huán)方式的特性。濾料使用若干個(gè)循環(huán)，濾料上的殘留粉塵量達(dá)到一定平衡后，KR則變化不大。隨著過濾的不斷進(jìn)行增加的粉塵層壓力損失ΔPd為:

式中:Kd為平均比阻力系數(shù)，m/kg;C1為粉塵濃度，g/m3;t為過濾時(shí)間，s;m為粉塵負(fù)荷，kg/m2。

所以，在整個(gè)過濾期間，過濾層的總壓力損失(不考慮清潔濾料)可表示為:

從式(4)可以看出，過濾層的總壓力損失受殘留粉塵的比阻力系數(shù)KR，粉塵層的平均比阻力系數(shù)Kd、過濾風(fēng)速、過濾時(shí)間、粉塵濃度、氣體黏度的共同影響。殘余粉塵的比阻力系數(shù)KR主導(dǎo)濾料殘留阻力，影響濾料的壽命;堆積粉塵層的平均比阻力系數(shù)Kd主導(dǎo)粉塵層的結(jié)構(gòu)，影響過濾層壓力損失上升，清灰周期和運(yùn)行阻力。本文討論靜電力對(duì)壓力損失的影響暫不考慮殘留阻力的影響，主要考慮靜電力是否引起Kd的變化。

把堆積粉塵層看作粒子充填層，采用柯茲尼－卡曼理論公式計(jì)算比阻力系數(shù)Kd［5］:

從圖1可知，在電—袋復(fù)合除塵器工作過程中，氣流中的粉塵首先在電除塵單元中被荷電，隨著荷電粒子逐漸沉積于濾料表面，中性濾料會(huì)帶上與荷電粒子極性相同的電荷，從而在濾料表面形成靜電場(chǎng)。靜電場(chǎng)的形成會(huì)使粉塵層在濾料表面的排列更為有序，結(jié)構(gòu)更為疏松，增大了粉塵層的孔隙率ε，降低粉塵層壓力損失［6］。

另外，荷電粉塵層形成之后，可以認(rèn)為，整個(gè)濾袋是一個(gè)帶電的圓柱體。這樣，一方面，荷電粒子就會(huì)受到這個(gè)“帶電圓柱體”的排斥力，靜電場(chǎng)產(chǎn)生的靜電排斥力將削弱粒子進(jìn)入濾料內(nèi)部的慣性力，可以使得粒子不易滲入濾料的深處，粉塵的堆積區(qū)域?qū)⑾蛑c氣流方向相反的區(qū)域移動(dòng)［7］，因而粉塵層透氣性好，氣流通過時(shí)壓力損失也就減小;另一方面，靜電力的存在會(huì)加速粉塵，尤其是微細(xì)粉塵在濾料表面的電凝并作用，使得粉塵的直徑增大，同樣降低粉塵層壓力損失［6］。

圖1 荷電粉塵層對(duì)其壓力損失的影響定性分析

電鏡掃描濾料表面未荷電粉塵層和荷電粉塵層對(duì)比照片可以看出，相比未荷電粉塵層，荷電粉塵層的結(jié)構(gòu)更加疏松，并且產(chǎn)生明顯的凝聚作用。

2 靜電力對(duì)袋式除塵器捕集微細(xì)粒子影響

2.1 袋式除塵器的捕集機(jī)制

袋式除塵器的過濾機(jī)制包括篩分、慣性碰撞、攔截、擴(kuò)散和靜電吸引等作用。篩分作用是袋式除塵器的主要過濾機(jī)制之一［4］。當(dāng)粉塵粒徑大于濾料中纖維間孔隙或?yàn)V料上沉積的塵粒間的孔隙時(shí)，粉塵即被篩濾下來(lái)。由于一般濾料纖維間的孔隙遠(yuǎn)大于粉塵粒徑，所以剛開始過濾時(shí)，篩分作用很小，主要是靠慣性碰撞、攔截、擴(kuò)散和靜電等作用。但是當(dāng)濾料上逐漸形成粉塵初層后，則碰撞、擴(kuò)散等作用變得很小，而是主要靠篩分作用。

2.2 靜電力能增強(qiáng)袋式除塵器捕集微細(xì)粒子

對(duì)袋式除塵的幾種過濾機(jī)制來(lái)說(shuō)，靜電力很小，可以忽略不計(jì)，但在電—袋復(fù)合過濾過程中，靜電力變得顯著且重要。國(guó)內(nèi)外研究成果表明，對(duì)粒徑小于0.5μm的塵粒，擴(kuò)散碰撞起主導(dǎo)作用;對(duì)粒徑大于2μm的粉塵粒子，慣性碰撞起主導(dǎo)作用;對(duì)于粒徑為0.5～2μm左右的粒子，由于這一粒徑范圍已處于慣性碰撞和攔截作用的下限，擴(kuò)散作用的上限，而使得在任何情況下袋式除塵器對(duì)這一粒徑粒子的捕集效率皆為最低［4］。各種捕集機(jī)制下的單靶捕集效率見表1。其計(jì)算條件為:纖維直徑為16μm，流速為0.031m/s，溫度293K，1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。

表1 各種捕集機(jī)制下的單靶捕集效率

但是電—袋復(fù)合除塵器捕集0.5～2μm這一粒徑范圍的微細(xì)粒子效果則比較明顯［8］。東北大學(xué)的隋鵬程、張國(guó)權(quán)等人曾通過理論計(jì)算，分析比較了單一纖維靠慣性碰撞與攔截作用、布朗擴(kuò)散機(jī)制以及靜電作用捕集粒徑為0.5～10μm的單位密度球形粒子的相對(duì)重要性，并且實(shí)測(cè)對(duì)比了粉塵荷電和未荷電條件下通過濾袋的分級(jí)效率。

理論計(jì)算和試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果均表明，當(dāng)粉塵粒徑在1μm左右時(shí)，靜電作用使得濾袋對(duì)此粒徑范圍內(nèi)粒子的捕集效率遠(yuǎn)大于其他的捕集作用?？梢婌o電作用對(duì)于捕集微細(xì)粒子具有積極的意義。分析原因，主要是因?yàn)榉蹓m特別是微細(xì)粉塵通過結(jié)構(gòu)更為疏松的粉塵層時(shí)停留時(shí)間更長(zhǎng)，使得袋式除塵各種捕集機(jī)制，特別是主導(dǎo)微細(xì)粒子捕集的擴(kuò)散作用變得更強(qiáng)，從而大大增加了這一粒徑范圍內(nèi)微細(xì)粒子的捕集幾率［9］。另一方面，靜電場(chǎng)產(chǎn)生的微細(xì)粉塵凝聚作用，使得其更加不易穿過濾料。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)從上述分析結(jié)果可以看出，與袋式除塵器相比，電—袋復(fù)合除塵器具對(duì)微細(xì)粒子的捕集效率增加;相同條件下，濾袋表面粉塵層的壓力損失降低;可以減少除塵器運(yùn)行阻力(或者延長(zhǎng)了濾袋的清灰周期，從而延長(zhǎng)濾袋的使用壽命);可以適當(dāng)提高除塵器過濾風(fēng)速，減少濾袋投資費(fèi)用等特點(diǎn)［10］。

(2)研究靜電力的作用對(duì)于電—袋復(fù)合除塵器捕集亞微米微細(xì)粒子能力的顯著增強(qiáng)以及對(duì)于濾袋表面粉塵層壓力損失的降低產(chǎn)生的機(jī)制，對(duì)于進(jìn)一步深入研究電—袋復(fù)合除塵器過濾機(jī)制具有一定的指導(dǎo)意義。

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Study on mechanism of trapping fine particulate by electrostatic－bag precipitator

依據(jù)袋式除塵器的捕集機(jī)理，定性分析了靜電力對(duì)增強(qiáng)電—袋復(fù)合除塵器捕集亞微米微細(xì)粒子能力以及降低袋式除塵器壓力損失的影響，為進(jìn)一步研究電—袋復(fù)合除塵器過濾機(jī)制提供參考。

電—袋復(fù)合除塵器;靜電力;微細(xì)粒子;壓力損失

In term of the basic trapping mechanism of bag filter，the reason of the ability of catching submicron fine particulate which were distinct strengthened of EBP by electrostatic force，and the reason of the Pressure drop of the surface of the dust cake which were reduced by the electrostatic force were qualitatively analyzed.The conclusion was significative for further studying on the trapping mechanism of EBP.

EBP;electrostatic force;fine particulate;pressure drop

X701.2

B

1674－8069(2011)02－022－03

2010-10-26;

2011-01-21

戴日俊(1963-)，男，工程碩士，高級(jí)工程師，從事電力安全生產(chǎn)及環(huán)境保護(hù)工作。E－mail:dairijun@imeic.com.cn