電袋除塵器的發(fā)展與機理研究

趙 毅，王佳男

（華北電力大學環(huán)境科學與工程學院，河北 保定 071003）

電袋除塵器的發(fā)展與機理研究

趙 毅，王佳男

（華北電力大學環(huán)境科學與工程學院，河北 保定 071003）

隨著國家對細微顆粒物的排放標準要求日趨嚴格，除塵技術也在不斷發(fā)展與改進。電袋除塵器是將靜電除塵器和布袋除塵器有機結合起來的新型除塵設備，能有效提高除塵效率，降低壓力損失。文章對電袋除塵器的發(fā)展歷程進行了回顧，對其工作原理及除塵機理進行了分析研究，旨在為電袋除塵器的發(fā)展及推廣提供一定參考。

細微顆粒物；電袋除塵器；除塵效率；壓力損失；除塵機理

前言

我國煤炭資源豐富，是煤炭生產(chǎn)和消費大國。截至2012年初，我國火電裝機容量已超過7.6億kW，煤炭消耗量約為17億t，燃煤電廠粉塵年排放量約為300萬t，是空氣中粉塵污染物的主要來源[1]。隨著霧霾現(xiàn)象的嚴重，人們開始對PM2.5有了認識。PM2.5是指粒徑小于2.5μm的顆粒物，能夠進入人體肺泡甚至血液系統(tǒng)，嚴重威脅人體健康。新頒布的《火電廠大氣污染物排放標準》（GB13223-2011）對燃煤鍋爐的煙塵排放限值提高到30mg/m3[2]，諸多電廠因為除塵技術不完善等問題難以達標排放。

目前，燃煤電廠中較盛行的除塵設備是電除塵器。電除塵器具有高效穩(wěn)定、適應性強等優(yōu)點，但由于使用中易受煤種及粉塵性質等因素影響，人們在實際應用中逐漸發(fā)現(xiàn)電除塵器存在的種種不足。與電除塵器相比較，袋除塵器具有很多優(yōu)勢，但袋式除塵器由于阻力較大，濾袋成本較高等問題，使用也具有一定的局限。為了充分利用兩種除塵器的優(yōu)點，電袋除塵器應運而生。

1 電袋除塵器發(fā)展歷程

1.1 國外電袋除塵器的研究

電袋除塵技術是傳統(tǒng)電除塵技術和袋式除塵技術的有機結合。據(jù)資料顯示，美國是世界上最早對電袋除塵器進行研究的國家，早在20世紀60年代，F(xiàn)rederick就提出：織物、煙塵上的電荷會對織物過濾的除塵效率、過濾壓降有一定影響。

1970年，美國一家公司研發(fā)了一種預荷電脈噴清灰的除塵器Apitron，其是人們所知的第一臺電袋除塵器。

1980年后，國外科學家對靜電增強過濾除塵效率進行了理論與實驗研究，結果表明該技術能提高除塵效率、降低過濾壓降、改善清灰效果。

20世紀90年代，美國電力研究所的Ramsay Chang博士成功開發(fā)了一種名為COHPAC的電袋除塵器。由于電除塵器和袋式除塵器的連接形式不同，分為分體式（COHPAC I型）和一體式（COHPAC II型），結構如圖1所示。

圖1 COHPAC型電袋復合除塵器

COHPAC I型就是所謂“前電后袋”式復合型除塵器，實際上就是將電除塵器和袋式除塵器串聯(lián)在一起，各自獨立運行。首先在電除塵部分，電除塵能發(fā)揮其高效率、低阻力的特點，將大部分粉塵捕集，并對逃逸粉塵進行荷電；逃逸粉塵到達袋除塵器時，粉塵濃度已經(jīng)大大降低，同時荷電后的粉塵由于靜電作用，在濾袋表面能形成疏松的粉塵層，從而改善了過濾性能，提升了捕集效率。

COHPAC II型也是“前電后袋”式復合型除塵器的一種，但其是將電、袋兩部分共置一室，這種結構使得煙氣能在離開電除塵器后直接進入袋除塵器，同時降低了粉塵運動過程中電荷的丟失。

20世紀末，一種名為 AHPC（Advanced Hybrid Particulate Collector）的電袋除塵器在北達科他大學和美國能源環(huán)境研究中心的共同合作下開發(fā)成功。在AHPC除塵系統(tǒng)中，電除塵裝置和袋除塵裝置被放在同一個腔體內(nèi)，濾袋的兩側布置了多孔收塵極板，電極和濾袋交錯排列（見圖2）。

圖2 AHPC型電袋復合除塵器俯視圖

AHPC的內(nèi)部結構與COHPAC完全不同。煙氣從入口直接到達電除塵區(qū)。大部分粉塵會被捕集，剩余的粉塵通過收塵板由濾袋完成捕集。AHPC中的多孔板有兩個作用：一是捕集荷電粉塵；二是防止濾袋被電暈放電破壞。

在濾袋清灰時，揚起的粉塵能通過多孔極板進入電場區(qū)，由于粉塵凝并后粒徑較大，所以能再次被收塵極板捕集，有效解決了清灰時的二次揚塵問題。

1.2 國內(nèi)電袋除塵器的研究

1990年后，我國開始了對靜電增強纖維除塵技術的研究，劉德彰等人[3]在管式電除塵器的基礎上，將不銹鋼濾袋作為極板來設計除塵裝置（見圖3）。

祁君田[4]設計出一種電袋除塵器（見圖4），將帶有高壓負電的電暈極設置在濾袋內(nèi)部。粉塵在電暈極線附近荷負電，由于同性電荷排斥，所以粉塵在濾袋表面分布疏松，降低壓降，延長濾袋壽命。

圖3 袋式電除塵器示意圖

圖4 典型濾袋內(nèi)設置電暈極線示意圖

清華大學與同方環(huán)境共同研發(fā)了DDH系列電袋除塵器，清華同方自主研發(fā)的EF型電袋除塵器和龍凈環(huán)保設計的FE型電袋除塵器都是電、袋除塵技術有機結合的典范。

隨著科學技術的進步，國內(nèi)科學家對電袋除塵技術不斷探索，研發(fā)了一種新型電袋一體化除塵裝置[5]，該裝置結構上由兩塊同心圓的收塵極板、電暈極線、濾袋和導流板所組成（如圖5所示）。

圖5 新型電袋除塵裝置結構圖

2 電袋除塵器特點

電袋除塵器是電除塵器和袋除塵器的有機結合體，這種組合式裝置綜合了兩者的優(yōu)點。電除塵器作為捕集煙氣粉塵的前級設備，能捕集80%左右的粉塵量。經(jīng)電場荷電的逃逸粉塵到達后級濾袋進行過濾，與電、袋除塵器相比，在性能上具有明顯優(yōu)勢（見下表）。

電、袋除塵器和電袋除塵器的比較表

3 電袋除塵器除塵機理

電袋除塵器能在高效除塵的同時，降低壓降減少阻力損失，其性能優(yōu)越的主要原因在于應用了靜電增強纖維過濾技術。通常包括對來流顆粒預荷電[8]、預極化[9]、采用靜電預處理纖維（荷電或駐極體纖維）[10]、施加外電場[11]等。其中最常用的是顆粒預荷電技術，該技術的基本原理是使含塵氣體流經(jīng)預荷電場，塵粒荷電后隨氣流一起運動到纖維層，在靜電感應下，纖維層也帶上電荷，最終塵粒沉積在其表面，從而進一步提高纖維層除塵效果。

3.1 靜電增強纖維過濾的理論研究

靜電力能有效增強纖維過濾器對亞微米級細微粒子的捕集效率，Zhang[12]提出了電場作用下求解纖維過濾效率的公式。在強電場作用下，粒子的擴散效應可忽略，所以只考慮靜電作用和攔截作用的情況下，潔凈纖維過濾器的過濾效率可用下面的公式表示：

式中：ηS為單纖維過濾總效率，ηD為截留效率，無量綱；KE為靜電力參數(shù)，無量綱；Cm為康寧漢姆修正系數(shù)，無量綱；dp為顆粒直徑，單位m；df為粒子直徑，單位m；Z為濾料厚度，單位m；αf為填充系數(shù)，無量綱；α為過濾器半徑，單位m。

從公式可看出過濾效率與濾料厚度，填充系數(shù)和顆粒物直徑有關。靜電作用能使粉塵顆粒發(fā)生凝并作用而增大粒徑，同時可在濾料表面形成疏松的粉塵層，所以能提高除塵效率。

戴日俊[13]等人對細粒子的電袋捕集技術進行了理論分析，研究表明，靜電作用能明顯改善過濾性能，能在保證高效捕集的同時降低壓降。圖6為定性分析圖。

圖6 荷電粉塵層對壓力損失的定性分析

定量分析：過濾層的壓力損失由3部分組成，分別是未使用的清潔濾料自身的壓力損失ΔP0，用過的濾料在清灰后保留著殘余粉塵的壓力損失ΔPR，隨著過濾過程的進行，粉塵層不斷累積的壓力損失ΔPd，過濾期間的總壓力損失ΔPf可以如下表示：

式中：KR為殘余粉塵的比阻力系數(shù)，m-1；Kd為平均比阻力系數(shù)，m/kg；C1為粉塵濃度，g/m3；t為過濾時間，s；μ為氣體粘度，Pa·s；v0為過濾風速，m/s。

由于靜電力對ΔP0和ΔPR影響較小，因此該實驗主要考察靜電作用對粉塵層結構的影響，即ΔPd的改變。根據(jù)柯茲尼-卡曼理論公式，粉塵層的比阻力系數(shù)Kd主導粉塵層結構。

式中：ξ為粉塵層孔隙率；ρP為粉塵的真密度，kg/m3；d為粉塵的平均直徑，m。

公式表明，粉塵層的壓力損失主要受顆粒層的孔隙率和粉塵平均直徑影響，而靜電作用能使荷電孔隙率變大，同時能使細微粒子產(chǎn)生凝并作用，使其平均粒徑增大，從而減小了粉塵層的比阻力系數(shù)，降低了粉塵層的壓力損失。

3.2 靜電增強纖維過濾的實驗研究

朱永超[14]設計了一種電袋除塵器模型，通過與普通袋除塵器的對比實驗研究，總結出過濾風速、電場強度、除塵效率等參數(shù)的變化規(guī)律。實驗表明：在相同的工況下，電袋復合除塵器可提高在較高過濾風速下的除塵效率，同時除塵效率隨電場強度的增加而升高。

唐敏康[15]運用靜電學理論，結合電、袋除塵機理，從理論和實驗兩方面研究了荷電顆粒在濾袋表面的堆積機理。研究表明：荷電顆粒由于斥力的作用，在濾袋表面堆積疏松，從而降低了過濾阻力。同時發(fā)現(xiàn)影響煙塵粒子在濾袋表面堆積的主要因素有粒徑和過濾風速等。

邵華[16]在電袋除塵器去除PM2.5的基礎實驗研究中考察了電場強度對粉塵的平均粒徑和分級效率的影響，研究結果如圖7（a）（b）所示。

圖7 粉塵的平均粒徑（a）、分級效率（b）隨電場強度的變化

從圖7可知，電場強度增大時，粉塵的平均粒徑會隨之增大，同時分級效率也會提升，對于粒徑處于0～2.5μm區(qū)間的細顆粒物尤為明顯。

Tu[17]等人研究了在顆粒荷電量不同情況下，顆粒的穿透率和壓降隨過濾纖維上粉塵質量的變化情況，結果表明：荷電粉塵在纖維濾布上的穿透率隨濾布上粉塵質量和顆粒荷電量的增大而減??；壓降隨顆粒荷電量的增大而減小，隨濾布上粉塵質量的增大而增大。

Feng[18]等人對一種由電除塵器和纖維過濾器結合而成的混合靜電過濾系統(tǒng)（HEFS）進行了性能實驗，并探究了系統(tǒng)參數(shù)對性能的影響。實驗結果如圖8所示：隨著電壓的增加，過濾系統(tǒng)的除塵效率也在提升，而電壓對除塵效率幾乎無影響。實驗還發(fā)現(xiàn)電除塵器與纖維過濾器之間的距離對除塵效率幾乎無影響，同時系統(tǒng)的臭氧產(chǎn)生量也很少。

圖8 電壓對除塵效率的影響

東北大學通過實驗系統(tǒng)研究了粉塵層的荷電情況、細微顆粒物在靜電場中的凝并機制；不同荷電粉塵對阻力、除塵效率和殘余阻力的影響以及荷電狀態(tài)下不同濾料的動態(tài)過濾特性。研究表明：粉塵在荷電條件下發(fā)生凝并，并隨電壓的增加凝并現(xiàn)象越明顯；在相同的粉塵負荷條件下，阻力值和阻力上升速率隨著電壓的增加而減小，電袋除塵器的除塵效率升高，且?guī)缀醪皇芊蹓m比電阻的影響；在相同的定壓噴吹次數(shù)下，殘余阻力、殘留粉塵負荷和噴吹周期持續(xù)時間隨著電壓的增加而增大。

4 研究熱點

目前，電袋除塵器作為一種較新的除塵技術，應用的實例并不多，同時也存在許多問題需要改進與完善。

（1）對電袋除塵器的機理研究，尤其是對離子風和氣流等作用機理的綜合性影響探討[19]。

（2）電袋除塵器內(nèi)部的氣流均布問題及靜電除塵單元和布袋除塵單元的負荷分配問題。

（3）對電袋除塵器在不同工況、不同煙氣成分下的適應性進行研究[20]。

5 結論

電袋除塵技術以優(yōu)越的除塵性能正引起越來越多的關注，本文在分析了靜電除塵器和袋除塵器特點的基礎上，從發(fā)展過程和性能研究兩方面闡述了電袋除塵技術，并說明其應用的可行性和優(yōu)越性。同時從理論上和實驗上對電袋除塵器的優(yōu)越性能本質——靜電增強纖維過濾技術進行分析，荷電粉塵對濾袋過濾特性的影響有利于提高除塵效率、降低阻力損失以及清灰工作。目前應加強對電袋除塵機理的研究，從而使電袋除塵器得以更好地推廣和應用，為顆粒物的節(jié)能減排事業(yè)做出貢獻。

[1]聶孝峰，李東陽，郭斌.燃煤電廠電袋復合除塵器技術優(yōu)勢[J].電力科技與環(huán)保，2013，29（1）：24-27.

[2]GB13223-2011，火電廠大氣污染物排放標準[S].

[3]劉德彰，蘇曉旭.不銹鋼纖維濾袋式電除塵器的技術研究[J].航空軍轉民技術與產(chǎn)品，1996（6）：22 -23.

[4]祁君田.現(xiàn)代煙氣除塵技術[M].北京：化學工業(yè)出版社，2008：447-448.

[5]王麗麗.電袋復合除塵器的工業(yè)化應用研究[J].電力環(huán)境保護，2008（5）：1-4.

[6]郭小玲，唐曉飛，趙海峰，等.電袋復合式除塵器的發(fā)展趨勢分析[J].華北電力技術，2008（9）：50-54.

[7]唐敏康，馬艷玲，郭海萍.電袋除塵技術的研究進展[J].有色金屬科學與工程，2011， 2（5）：53-56.

[8] Huang B，Yao Q，Li S Q，et al. Experimental investigation on the particle capture by a single fiber using microscopic image technique.Powder Technology，2006，163:125-133.

[9]黃斌，姚強，宋薔，等.靜電對纖維濾料過濾飛灰顆粒的影響[J].中國電機工程學報，2006（26）：106-110.

[10]Fjeld R A，Owens T M.The effect of particle charge on penetration in an electret filter.IEEE Transactions on Industry Applications，1988，24:725-731.

[11]Wu Z，Walters J K，Thomas D W P.The deposition of particles from an air flow on a fiber cylinderical fiber in a uniform electrical field. Aerosol Science and Technology，1999，30:62-70.

[12]Feng Z，Long Z，Yu T.Filtration characteristics of fibrous filter following an electrostatic precipitator[J].Journal of Electrostatics，2016，83:52-62.

[13]戴日俊，李偉.電-袋復合除塵器捕集微細粒子的理論淺析[J].電力科技與環(huán)保，2011，27（2）：22-24.

[14]朱永超，李堅，徐鵬.新型電袋復合除塵器性能研究[J].環(huán)境工程，2011，5（9）：2091-2094.

[15]唐敏康，余駿斌，賀玲，等.電袋除塵器中荷電煙塵粒子在濾袋表面的堆積機理[J].工業(yè)安全與環(huán)保，2015（11）：79-83.

[16]邵華.電袋復合除塵器去除PM2.5的基礎實驗研究[D].北京工業(yè)大學，2009.

[17]Tu G，Song Q，Yao Q.Relationship between particle charge and electrostatic enhancement of filter performance[J].Powder Technology，2016，301:665-673.

[18]Feng Z，Long Z，Yu T.Filtration characteristics of fibrous filter following an electrostatic precipitator[J].Journal of Electrostatics, 2016，83:52-62.

[19]Chun Y N，Dong S Y.On the modeling of electro-hydrodynamic flow in a wire-plate electrostatic precipitator[J]. Korean Journal of Chemical Engineering，2006，23（4）: 560-565.

[20]Choi H K，Chang L，Lee H K，et al.Gaseous mercury removal in a hybrid particulate collector[J].Korean Journal of Chemical Engineering，2007，24（2）: 361-367.

Development and Mechanism Study on Electrical Bag Hose Precipitator

ZHAO Yi, WANG Jia-nan
(Institute of Environmental Science and Engineering of North China Electric Power University, Hebei Baoding 071003, China)

With the increasing stringent demand of the national emission standards for the fine particulate matters, the dust removal technology exits in a constant development and improvement. The electrostatic-bag—precipitators (EBP), as a relatively new technology, integrates ESP with bag-filters. It can improve the dust removal efficiency and reduce the pressure loss effectively. The paper reviews the development of EBP, and makes the research on the working principle and dust removal mechanism, so as to provide a certain reference for the development and popularization of EBP technology.

fine particulate matters; EBP; dust removal efficiency; pressure loss; dust removal mechanism

X701

A

1006-5377（2017）06-0058-05