復(fù)合電袋除塵器與實(shí)驗(yàn)建設(shè)
——科研成果向教學(xué)的轉(zhuǎn)化成果

段鳳魁, 郝吉明, 李海波, 王書肖, 屈荷葉, 段 雷, 賀克斌, 馬永亮

(1. 清華大學(xué) 環(huán)境學(xué)院, 北京 100084; 2. 西安西礦環(huán)?？萍加邢薰? 陜西 西安 710075)

復(fù)合電袋除塵器與實(shí)驗(yàn)建設(shè)
——科研成果向教學(xué)的轉(zhuǎn)化成果

段鳳魁1, 郝吉明1, 李海波2, 王書肖1, 屈荷葉2, 段 雷1, 賀克斌1, 馬永亮1

(1. 清華大學(xué) 環(huán)境學(xué)院, 北京 100084; 2. 西安西礦環(huán)?？萍加邢薰? 陜西 西安 710075)

傳統(tǒng)的電除塵器和布袋除塵器對(duì)細(xì)顆粒物的除塵效率比較低,難以滿足國(guó)內(nèi)外日益加嚴(yán)的工業(yè)煙氣排放標(biāo)準(zhǔn)。為了緊跟當(dāng)前除塵技術(shù)的發(fā)展前沿,開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了適用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的復(fù)合電袋除塵器,并新增設(shè)了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,使學(xué)生不但掌握新技術(shù),更能啟發(fā)創(chuàng)新思維。該復(fù)合電袋除塵設(shè)備包括8大系統(tǒng):粉塵發(fā)生器、氣流分布板、靜電除塵區(qū)、布袋除塵區(qū)、高低壓電源控制系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、集塵系統(tǒng)、清灰系統(tǒng)。通過(guò)該設(shè)備及實(shí)驗(yàn),使學(xué)生對(duì)大氣污染控制產(chǎn)生了濃厚興趣,對(duì)于大氣實(shí)驗(yàn)課程建設(shè)和環(huán)境專業(yè)復(fù)合型拔尖創(chuàng)新人才的培養(yǎng)具有重要意義。

大氣污染控制工程實(shí)驗(yàn)； 實(shí)驗(yàn)課程建設(shè)； 電袋除塵器； 大氣細(xì)顆粒物

1 開(kāi)發(fā)復(fù)合電袋除塵器理由

隨著經(jīng)濟(jì)和城市化的快速發(fā)展,我國(guó)環(huán)境污染問(wèn)題日趨嚴(yán)重,大氣污染尤為嚴(yán)峻,呈現(xiàn)出區(qū)域性、復(fù)合型污染特征[1-2]。近些年來(lái),在我國(guó)中東部地區(qū)出現(xiàn)大范圍的霧霾天氣,其持續(xù)時(shí)間之長(zhǎng)、污染濃度之高、污染范圍之廣為歷史罕見(jiàn)。大氣顆粒物尤其是PM2.5(粒徑小于2.5 μm的顆粒)是導(dǎo)致霧霾污染的主要原因,它對(duì)人體健康、生態(tài)環(huán)境、氣候變化都能夠產(chǎn)生極大的負(fù)面效應(yīng),對(duì)其來(lái)源與控制的研究是當(dāng)前環(huán)境領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1-2]。大氣顆粒物既來(lái)自機(jī)動(dòng)車、燃煤等污染源的直接排放,又來(lái)自其前體物(如二氧化硫、氮氧化物等)的二次轉(zhuǎn)化。

目前,工業(yè)煙塵的凈化治理,主要以電除塵器和布袋除塵器為主,它們?cè)诓煌瑘?chǎng)合各自都發(fā)揮了重要作用,同時(shí)也存在各自的局限性,對(duì)于細(xì)小顆粒物的除塵效率卻很低,難以滿足國(guó)內(nèi)外日益加嚴(yán)的工業(yè)煙氣排放標(biāo)準(zhǔn)[3-4]。結(jié)合電除塵器和布袋收塵器各自優(yōu)缺點(diǎn),揚(yáng)長(zhǎng)避短,發(fā)揮最大潛能,將二者結(jié)合起來(lái)的技術(shù)成為大勢(shì)所趨。在這種背景下,復(fù)合電袋除塵設(shè)備獲得快速發(fā)展,在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越多,對(duì)粒徑范圍0.1～50 μm 的飛灰顆粒的除塵效率能達(dá)到99.99%[5-7]。盡管實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中,復(fù)合電袋除塵器仍然存在一些缺點(diǎn)待克服,如靜電區(qū)的除塵效率往往低于90%,導(dǎo)致后續(xù)布袋區(qū)的壓降增長(zhǎng)過(guò)快,布袋損壞率超過(guò)預(yù)期[8-10],然而隨著技術(shù)的不斷完善,其在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用將成為今后的主流。

“大氣污染控制工程”是高校環(huán)境專業(yè)核心課程之一,通過(guò)該課程極大推動(dòng)了我國(guó)高校環(huán)境專業(yè)實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐課程體系的建設(shè),為大氣污染控制工程專業(yè)人才的培養(yǎng)打下了良好基礎(chǔ)[11-12]。我校大氣污染控制工程課程于1999年被評(píng)為國(guó)家級(jí)精品課程,目前是我校的環(huán)境專業(yè)的本科生必修課。清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院自上世紀(jì)80年代開(kāi)始一直從事大氣污染控制相關(guān)研究與應(yīng)用,早期開(kāi)展了大量的電除塵器與布袋除塵器方面的相關(guān)研究與設(shè)計(jì)[13-15]。然而受場(chǎng)地及經(jīng)費(fèi)限制,這方面的研究成果難以在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中得到體現(xiàn)。作為配套實(shí)驗(yàn)課程,大氣污染控制工程實(shí)驗(yàn)僅開(kāi)設(shè)了傳統(tǒng)的旋風(fēng)-布袋除塵實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)內(nèi)容單一,且設(shè)備老化嚴(yán)重,實(shí)驗(yàn)效果不理想。因此,設(shè)計(jì)研發(fā)專用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的電袋除塵器,并在本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中開(kāi)設(shè)復(fù)合電袋除塵技術(shù)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,不僅能夠緊跟當(dāng)前國(guó)內(nèi)外除塵技術(shù)的最新進(jìn)展,更重要的是能夠把科研的有關(guān)研究成果轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)教學(xué),使科研、教學(xué)成為一體,培養(yǎng)具備復(fù)合型大氣污染治理專業(yè)人才。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路與建設(shè)內(nèi)容

為了完善環(huán)境專業(yè)的實(shí)驗(yàn)課程體系,使大氣實(shí)驗(yàn)課程更好地與大氣理論課程內(nèi)容相銜接,并體現(xiàn)大氣科學(xué)和技術(shù)的前沿,我們基于“大氣污染控制工程”理論課程中的關(guān)于除塵技術(shù)的相關(guān)教學(xué)內(nèi)容,結(jié)合實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地有限、風(fēng)量小的特點(diǎn),聯(lián)合知名設(shè)備廠家設(shè)計(jì)并研制了針對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的復(fù)合電袋除塵器,并以此開(kāi)設(shè)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。通過(guò)該系統(tǒng),能夠顯著提高學(xué)生的科研興趣與自主學(xué)習(xí)和科研能力,更好地適應(yīng)建設(shè)世界一流的環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)科人才培養(yǎng)的需要。該實(shí)驗(yàn)的目的如下:

(1) 深入理解電除塵器和布袋除塵器的構(gòu)造及運(yùn)行機(jī)理、過(guò)程；

(2) 掌握兩種除塵器性能測(cè)定的主要內(nèi)容和方法,并對(duì)影響除塵器性能的主要因素有較全面的了解；

(3) 掌握對(duì)煙塵采樣儀、畢托管、傾斜壓力計(jì)等儀器的使用。

我們?cè)O(shè)計(jì)制備的復(fù)合電袋除塵器由粉塵發(fā)生器、氣流分布板、靜電除塵區(qū)、布袋除塵區(qū)、高低壓電源控制系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、集塵系統(tǒng)、清灰系統(tǒng)構(gòu)成，見(jiàn)圖1。

圖1 復(fù)合電袋除塵器結(jié)構(gòu)示意

電區(qū)采用最佳的極配方式和整體型電暈線。前者是通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)獲得了最佳電極間距；后者則是整根極線用圓鋼一次軋制而成,連接螺桿不需要焊接,運(yùn)行中不會(huì)斷線、掉線。袋區(qū)的煙氣經(jīng)電區(qū)除塵后分兩路進(jìn)入袋區(qū),一路沿水平方向(設(shè)置有氣流隔柵墻),另一路從下部進(jìn)入濾袋區(qū),并且袋區(qū)順氣流方向各室呈階梯狀布置,整個(gè)袋區(qū)氣流分布均衡；每室設(shè)置有提升閥,完全可以實(shí)現(xiàn)在線分室檢修和換袋。高壓電源控制采用三相高壓直流電源,其輸出功率與輸入功率之比的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到95%,可提高轉(zhuǎn)換效率,大大減少電網(wǎng)供電的負(fù)荷空損率,有利于節(jié)約能源。

3 工作原理與特點(diǎn)

3.1 工作原理

復(fù)合電袋式除塵器是將電除塵器和布袋除塵器進(jìn)行有機(jī)結(jié)合的一種高效、新型的除塵設(shè)備。其中,靜電除塵器是一級(jí)除塵單元,其原理是:利用高壓電場(chǎng)使煙氣發(fā)生電離,氣流中的粉塵荷電在電場(chǎng)作用下與氣流分離。含塵氣體通過(guò)氣流分布裝置進(jìn)入電區(qū)(1～2個(gè)電場(chǎng)),靜電除塵器將煙氣中較為粗大、容易荷電的煙塵顆粒進(jìn)行捕集,可除去80%～90%的高濃度、大顆粒粉塵(利用電除塵效率按指數(shù)變化的規(guī)律)。布袋除塵器是電袋除塵器的二級(jí)除塵單元,其中的濾袋采用紡織的濾布或非紡織的氈制成,利用纖維織物的過(guò)濾作用對(duì)含塵氣體進(jìn)行過(guò)濾,含塵煙氣孔通過(guò)過(guò)濾層時(shí),氣流中的塵粒被濾層阻截捕集下來(lái),從而實(shí)現(xiàn)氣固分離。電袋除塵器中的含塵氣流經(jīng)電區(qū)除塵之后,剩余的10%～20%帶電的粉塵進(jìn)入袋區(qū)并被高效捕集。

3.2 技術(shù)及運(yùn)行特點(diǎn)

復(fù)合電袋除塵器并不是電除塵器和袋除塵器的簡(jiǎn)單組合疊加,實(shí)際上是攻克了很多難題才使這兩種不同原理的除塵技術(shù)得以有效結(jié)合。因此,在技術(shù)與運(yùn)行上都具有明顯特點(diǎn):效率長(zhǎng)期穩(wěn)定,不受煙氣工況影響,對(duì)粉塵比電阻有很寬的適應(yīng)范圍,煙塵排放濃度可以長(zhǎng)期穩(wěn)定在30 mg/m3(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下)以下；運(yùn)行阻力低,一般≤1 200 Pa；利用荷電粉塵在濾袋上沉積成有序排列、過(guò)濾阻力小、粉塵層疏松、易清灰；荷電粉塵同性排斥,強(qiáng)化了氣溶膠效應(yīng),使粉塵濃度分布均勻；靜電凝聚使小顆粒變成大顆粒,減少PM2.5顆粒數(shù)量,提高了濾袋過(guò)濾效率；袋區(qū)清灰周期長(zhǎng),氣源消耗小,節(jié)能效果顯著；由于濾袋收集的粉塵量少,阻力上升緩慢,清灰周期是純布袋除塵器的2倍以上,壓縮空氣耗氣量不到純袋除塵器的1/3；復(fù)合電袋除塵器的濾袋使用壽命長(zhǎng)，運(yùn)行阻力低,濾袋負(fù)荷差壓小，延長(zhǎng)了濾袋使用壽命，而且清灰周期長(zhǎng)、清灰次數(shù)少延長(zhǎng)了濾袋使用壽命,在相同運(yùn)行條件下電袋的使用壽命可長(zhǎng)達(dá)30 000 h；運(yùn)行及維護(hù)費(fèi)用低，因?yàn)閺?fù)合電袋除塵器的濾袋、袋籠及脈沖閥等關(guān)鍵配件數(shù)少,濾袋使用壽命長(zhǎng),可大幅降低濾袋及配件的更換維護(hù)費(fèi)用。

4 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

仔細(xì)檢查高壓電源和線路等處的接線和接地裝置,確認(rèn)無(wú)誤后方能通電。打開(kāi)高壓電源控制柜上的電源開(kāi)關(guān)，先按下高壓?jiǎn)?dòng)按鈕,調(diào)節(jié)輸出調(diào)整旋鈕,如控制柜發(fā)生跳閘報(bào)警時(shí),則關(guān)閉電源開(kāi)關(guān)。檢查電場(chǎng)內(nèi)放電極是否短路,穿壁和拉線絕緣子部分是否有積灰或安裝不合理處,排除故障后,再試運(yùn)行。如不能再次開(kāi)機(jī),則控制柜內(nèi)部空氣開(kāi)關(guān)掉閘,合閘后即可開(kāi)機(jī)。根據(jù)板間距和表1中的參數(shù)選擇合適的二次電壓值,調(diào)整旋鈕至所需的電壓值。啟動(dòng)引風(fēng)機(jī),通過(guò)發(fā)生裝置向系統(tǒng)加入粉塵,注意應(yīng)盡量保持發(fā)塵量一定。待發(fā)塵后幾分鐘,根據(jù)高壓電源控制柜的顯示值,記錄二次電壓和二次電流值。測(cè)定煙氣溫度、濕度和壓力、以及煙氣流速,計(jì)算流量。按照等動(dòng)力采樣的要求在電袋除塵器進(jìn)出口處的采樣孔(A點(diǎn)、B點(diǎn))同時(shí)采樣,測(cè)定煙氣中含塵濃度。將上述采集的樣品稱重,獲得前后質(zhì)量差,計(jì)算除塵器總效率。

將高壓電源控制柜上的輸出調(diào)節(jié)旋鈕調(diào)至表1中的另兩種操作電壓,重復(fù)上述步驟,測(cè)定不同電壓條件下的總除塵效率:通過(guò)流量調(diào)節(jié)閥將煙氣流量增大和減小各一次,重夏上述步驟,測(cè)定不同流量下的總除塵效率(此時(shí)應(yīng)注意發(fā)塵量需相應(yīng)增減,以保持入口粉塵濃度一定)。根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù),繪制操作電壓與總除塵效率關(guān)系曲線、粉塵驅(qū)進(jìn)速度與除塵效率的關(guān)系曲線。當(dāng)各項(xiàng)煙氣參數(shù)的測(cè)定和粉塵采樣工作結(jié)束后,按下高壓電源控制柜上的高壓停止按鈕,關(guān)閉電源開(kāi)關(guān)。

實(shí)驗(yàn)中要注意人身安全,不要靠近高壓電源、高壓進(jìn)線箱等處,以免發(fā)生意外。已通過(guò)高壓后,在調(diào)整放電極間距前,應(yīng)通過(guò)接地棒將放電極上的電荷放掉,以免靜電傷人。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間實(shí)驗(yàn)后,應(yīng)將放電極、收塵極和灰斗中的粉塵清理干凈,以保證前后實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可比性。

表1 二次電壓值的選擇表

5 結(jié)束語(yǔ)

由于占地面積大、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)計(jì)加工費(fèi)用昂貴,在國(guó)內(nèi)高校中開(kāi)設(shè)電袋除塵教學(xué)實(shí)驗(yàn)的極少,目前已知的僅有華北電力大學(xué)早期研發(fā)了電袋除塵設(shè)備并開(kāi)設(shè)了這一教學(xué)實(shí)驗(yàn)[16],因此,我們是國(guó)內(nèi)為數(shù)不多的、最早設(shè)計(jì)研發(fā)專用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備并開(kāi)設(shè)相關(guān)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的高校之一。該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開(kāi)設(shè)幾年來(lái),深受學(xué)生歡迎,使課堂上所學(xué)的關(guān)于除塵技術(shù)的抽象理論知識(shí)通過(guò)該實(shí)驗(yàn)得到了具體驗(yàn)證。在國(guó)內(nèi)高校中也起到了很好的輻射示范作用。該實(shí)驗(yàn)將工業(yè)領(lǐng)域最先進(jìn)的除塵技術(shù)設(shè)計(jì)成專用于實(shí)驗(yàn)的復(fù)合系統(tǒng),并把環(huán)境學(xué)院幾十年來(lái)在電袋除塵技術(shù)、大氣污染控制領(lǐng)域的研究成果結(jié)合起來(lái),在大氣污染控制領(lǐng)域人才培養(yǎng)中具有重要意義。

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Development of hybrid precipitator of electrostatic and fabric filter and experimental construction

Duan Fengkui1, Hao Jiming1, Li Haibo2, Wang Shuxiao1, Qu Heye2,Duan Lei1, He Kebin1, Ma Yongliang1

(1. School of Environment,Tsinghua University,Beijing 100084, China;2. Xi’an Xikuang Environmental Protection Co.,LTD,Xi’an 710075, China)

The dust removal efficiency of traditional electrostatic precipitators and the bag dust collector is lower,and these two methods are difficult to meet the increasingly tightened industrial flue gas emission standards. In order to keep up with the front of the current dust removal technology development,and combined with the research fruits in research in the field of air pollution control, the hybrid hybrid precipitator system of electrostatic and fabric filter being suitable for the experimental teaching is developed and designed, and the new experiment item is added accordingly. With this system and experiment item,the undergraduate students can not only verify the theoretical knowledge what they learned on the classroom,but also master the new technology,then inspiring the innovative sense so as to develop the dust removal technology. The designed hybrid precipitator includes the following eight systems: dust generator,air distribution plate,electrostatic dust removal,cloth bag dust removal,high and low voltage power supply control system,ventilation system, dust collection system, and ash removal system. Through the equipment and experiment,the students increase their interests in air pollution control,which is of great significance for the atmosphere experiment curriculum construction and professional environment of top innovative talents cultivation.

air pollution control engineering experiment; construction of experimental course; electrostatic bag dust collector; air fine particulate matter

2015- 01- 18 修改日期：2015- 03- 15

2009年國(guó)家實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)項(xiàng)目(教高函[2009]28號(hào))

段鳳魁(1973—)，女，山東濰坊，博士，高級(jí)工程師，主要從事大氣污染控制、環(huán)境分析化學(xué)科研及教學(xué)工作.

E-mail：duanfk@tsinghua.edu.cn

X702.2;G484

A

1002-4956(2015)10- 0087- 03