電袋結合除塵器技術綜述
摘要：由于可吸入性粉塵直徑小（一般小于10 微米）并能在空氣中長久懸浮，對人的健康帶來危害，最近北京市對汽車尾氣排放的可吸入性粉塵提高了要求。實際上，國外很多國家對鍋爐排放的可吸入性粉塵也很關注。美國在這方面就開展了許多研究。為更好的捕集細顆粒粉塵，電和濾袋相結合不失為一種好而可行的方法。本文就此介紹一些國外在這方面開展的研究和實踐。
關鍵詞： 靜電,布袋,除塵器,復合
早在 1961 年Frederick 就在其文章中指出，織物、煙塵上的靜電荷對織物過濾的除塵率、阻力以及清灰難易有影響。
1970 年美國精密工業公司試驗生產了一種名為Apitron 的除塵器。其原始的設計是在金屬絲網做成的圓筒形管子中心放一根電暈線，管子外面套一個濾袋。軸向進入管子的粉塵因電暈作用而荷電，一部分被接地的金屬絲網管電極捕集，在轉變為徑向流動后，其余荷電粉塵最終為最外層的濾袋捕集。但是，這種早期的設計后來被廢棄了，因為高壓電暈放電有時會損壞濾袋。第二種Apitron 的構造型式是將金屬極線和鋼板圓管組成的荷電器與濾袋分開，移往濾袋的下端，與濾袋相接。含塵氣體從下端進入荷電器內，塵粒荷電后一部分被管狀電極捕集，然后含塵氣體向上流動，穿過濾袋流出去，此時濾袋又將剩下的粉塵捕集。實際上它就相當于普通的管式電除塵器和袋式除塵器二級串聯。Apitron 也是用脈沖噴吹清灰。清灰時壓縮空氣從荷電器上端噴出，誘導二次空氣從濾袋外面向內流動，使濾袋內壁附著的粉塵脫落，一次和二次清灰空氣的混合氣流又把電暈線和金屬管壁上的粉塵吹掉。這種脈沖清灰濾袋和通常脈沖噴吹袋式除塵器的有所不同，其差異在于：（1）脈沖空氣是在濾袋的底部噴入而不是在濾袋頂部；（2）濾袋是內側過濾而不是外側過濾。為了解決荷電部分的反電暈問題，其收塵圓管的管壁是中空的，可用水冷卻。
美國南方研究所在美國環境保護局的支持下，曾經用移動式Apitron 除塵器在現場抽取一部分粉煤工業鍋爐所產生的煙氣進行試驗。Smith 等人報告對一臺總過濾面積約55.74 m2 的Apitron 中間試驗設備（含24 條濾袋，濾袋長3.66m，直徑203 m m，每條濾袋下面接一由金屬線和圓管組成的荷電器）從一臺粉煤鍋爐抽取部分煙氣進行試驗，試驗用的濾料有 Nomex 針剌氈、Teflon 針剌氈和玻纖布。
上述這些試驗結果表明，Apitron 在降低壓力降提高除塵率兩方面都是有效的。除此之外，據Helfritch 試驗，Apitron 還有一大優點就是它的氣布比可以大大提高。從他的試驗來看，對Apitron 施加電壓后，一但達到電暈始發值，壓力損失即突然下降；隨著電壓的升高，壓損下降愈多。這是因為荷電塵粒形成的疏松粉塵層透氣性較好，而且有一些粉塵沉降在金屬管上之故。在常溫下，用Nomex 針剌氈捕集50%小于7μm 的硅塵，施加38kV 電壓的 Apitron，過濾風速比不加電壓時提高到4 倍，方達到同樣的壓損，除塵率還高一些。
利用電力來提高袋式除塵器性能的第二種方法是在濾料附近施加外電場。美國紡織研究所的 Lamb 等人曾經在實驗室做過廣泛的研究。為什么有電場時的壓力損失比較低？這是由于粉塵在濾料內的分布不同所致。以氈濾料來看，在無電場時，粉塵進入濾料中部纖維比較密的部分形成粉塵層，而在有電場時，由于電的作用使大部分粉塵停留在表面纖維比較稀的部分，留下寬得多的縫隙讓空氣通過，所以要使外加電場的織物過濾取得最佳效果，濾料應具有纖維較稀的表面層。
Lamb 等人的許多實驗工作所用細金屬絲電極很脆弱，容易損壞，還可能引起電暈電流，從而使達到一定程度的壓力損失下降所消耗的電力增多。因此，VanOsdell 等人設計出一種在遠低于電暈始發電壓下工作的直徑較粗的電極，實際上就是標準籠骨的3 m m 垂直鋼筋。這種電籠骨用絕緣的特氟隆套管或陶瓷隔片將極性相反的籠骨豎筋隔離。在運行電壓顯然不會導致顯著的電暈電流的情況下，電場仍使壓力損失明顯地降低。
實際上，定性地說，不同的電極結構和不同的濾料及粉塵相結合，都可以取得降低壓力損失的效果。表1 是Hovis 發表的另一項用來源不同的飛灰和不同的濾料與電極相組合進行試驗取得的結果。表中數據說明，在各種情況下，加電場后壓力損失都是下降的，在高溫下同樣能取得這種效果。
 |
表中的“織入電極”是在織造濾料時就把不銹鋼紗線（90 根根直徑2μm 的長絲構成）織進去（每隔2 cm 一根經線）。可以供反吹風袋式除塵器使用的電極結構，除了這一種外，還有人研究過其它在濾料的適當位置添加金屬線的方式，例如在濾袋內側縫上金屬線、在濾袋內側或外側加上金屬螺旋線等。但是，看來織入電極更好，因為織進濾料的金屬紗線具有紡織品的機械性質，更適應通常袋式除塵器的工作。此外，在濾料表面印制電極也是有人研究的一種方法。這種方法經濟實用，問題在于印制的電極在濾袋工作過程中容易開。
在 Waynesboro 現場用電籠骨做的中間試驗還表明：
（1）在長期使用過程中，如果有外電場，可以提高清灰效果。加電場時由于清灰后剩余粉塵較少，所以剩余壓力損失也較低。
（2）加電場可以增加塵塊的孔率。試驗時取出有電場與無電場的除塵室灰斗所收集的飛灰進行比較，前者的氣孔比后者的多15~20%。這說明電場引起了塵塊的結構改變，而且經過清灰和灰斗貯存，長時間脫離電場，這種改變還存在。
（3）用級聯沖擊器分別在有電場與無電場的除塵室出口以同樣多的時間取樣測出的不同粒度飛灰的通過率。因為加電場的除塵室壓力損失比不加電場的低，所以前者的清灰頻率也較少，圖中顯示出的前者飛灰通過率明顯下降可能是由于這一取樣條件的不同而造成的。其后對一段時間內的飛灰總量取樣，在此時間內二者于同一時間清灰，則二者的除塵率沒有明顯差異。這和前面所述實驗室的試驗結果是不一致的。
（4）與預荷電一樣，外加電場也可以大大提高過濾速度。加電場后可以在2.4 m/min 的過濾速度下穩定地運行。
上面分別講述了單獨使用預荷電或外加電場來提高袋式除塵器性能的方法與效果，如果同時使用這兩項措施結果會如何呢？Penney 曾經在實驗室用玻纖布濾袋加外電場（平均3.4 kV/cm）捕集荷電粉塵進行試驗，加電場后除塵率提高，如果再使塵粒預荷電，則除塵率又進一步提高。但是，另據Donovan 等人的實驗報告，增加塵粒的電荷并不能使外加電場提高的除塵率再提高。他們認為，如果把電暈荷電器設在遠離濾袋的上游，則粉塵的電荷會喪失而使空間電荷對濾袋表面電場的增強減至可以忽略的程度。
Lamb 等人曾經在表面加外電場的濾袋附近設置電暈荷電器進行實驗。內側過濾的（反吹風清灰），在濾袋入口處設高壓電暈線；外側過濾的（脈沖清灰），在鄰近濾袋表面處設高壓電暈線。這時給電暈線施加電壓，即使沒有粉塵流動，也在織物表面產生電場，當過濾含塵氣流時，附著于濾袋上的荷電粉塵又在整個濾袋表面產生電場。圖102 是實驗取得的內側過濾濾袋上粉塵分布和壓力降減少的數據。該圖表明，在距離濾袋底部的不同位置上，沉積粉塵的面積質量密度是不同的，而且隨著濾袋的電場和電暈線電壓的變化而有差異。即使是在不加電場不荷電（B、P 皆為0）的情況下，面積質量密度也隨濾袋高度的增加而下降，這大概是因為氣流沿著濾袋向上的速度是愈來愈小的，能夠被向上的氣流提升的塵粒粒度也逐漸減小，這樣就使濾袋從下到上沉積的粉塵重量逐漸減輕；但在靠近濾袋入口處，因為氣流紊亂，會在某種程度上阻礙塵粒沉降，所以粉塵負荷并不是最重。當加上外電場時（B、 P 分別為4 和0 的曲線），由于電場增強了捕集粉塵的能力，所以在濾袋底部的粉塵質量密度增大，留下較少的粉塵沉積在濾袋的較高位置。而再加上電暈荷電后，由于靜電沉降的作用，濾袋底部粉塵質量又有大的增加，而且負電暈（B、P 分別為+4 和-15 的曲線）比正電暈（+4 和+15 的曲線）增加得更顯著。
在減少壓力損失方面有類似的結果。不加電力時（B、P 均為0），沒有壓力損失的減少，故PDR 為1。加外電場或加電暈荷電器后，PDR 在0.55~0.68 之間；如果二者并用，則PDR 更顯著地下降。
1970 年代以來，美國的發電廠為了達到愈來愈嚴格的政府對控制煙塵排放的要求，采取了多種措施來提高電除塵器的性能，其中一項措施就是采用COHPAC 系統。
COHPAC 是Compact Hybrid Particulate Collector（緊縮混合型除塵器）的縮寫。這一系統是美國加利福尼亞州Palo Alto 的電力研究所（EPR）在1980 年代后期開發的，其基本構思比較簡單，就是在原有電除塵器的下游加一臺袋式除塵器，來捕集電除塵器未能捕集的微細煙塵，使排放濃度能滿足法規的要求。因為大部分煙塵已被電除塵器捕集，到達其下游脈沖袋式除塵器的煙塵量較少，所以袋式除塵器的氣布比可以提高，一般是將單用脈沖袋式除塵器時的1.2 m/min 提高至2.4 ~3m/min，這樣袋式除塵器的體積和投資便可大大縮小。
下面是這一系統在美國的幾個發電廠試用的一些情況：
（1）TU 電氣公司 Big Brown 電站的1MW 系統安裝了一套COHPAC 中間試驗設備，試驗證明在高的氣布比下可以保持袋式除塵器阻力在1500 Pa 左右，排塵濃度平均小于 10mg/Nm3。然后又安裝了一套處理1176000m3/h 的COHPAC 系統，于1992 年5 月投入使用，運行7000 小時以上所積累的試驗數據證明這套系統能保持排塵濃度小于10mg/Nm3，不透明度低于5%。
（2）Alabama 電力公司Miller 電站于1995 年9 月安裝了COHPAC 中間試驗設備，經過2500 小時的試驗表明，在氣布比為2.7 m/min，在線清灰的情況下，袋式除塵器阻力可以保持在1250 Pa 以下。
（3）California Edison 公司Mohave 電站的1 臺1MW 的COHPAC 中間試驗設備，運行了大約2000 小時，其氣布比高達3.6 m/min，排塵濃度保持低于10mg/Nm3，袋式除塵器阻力在850~1050 Pa 的范圍。
AHPC 是Advanced Hybrid Particulate Collector（先進混合型除塵器）的縮寫。這一技術是在1990 年代中期由美國北達科他大學能源與環境研究中心開發的，于1999 年8 月取得美國專利。其構造大體如圖103 所示，在除塵器內由一行電除塵器部件和一行濾袋相間排列而構成。進入除塵器的氣流和粉塵首先被導向電除塵區域，將大部分粉塵除去，然后還含有一部分粉塵的氣體通過多孔極板上的小孔流向濾袋，經濾袋過濾，將剩余的粉塵除去。在濾袋脈沖清灰時，脫離濾袋的塵塊經多孔極板回流，在電除塵區域被捕集，這樣就大大減少了粉塵重返濾袋的機會。同樣的，收塵極板震打清灰時未落入灰斗的粉塵也會被濾袋捕集。濾袋以戈爾塔克斯覆膜濾料制成。多孔極板除了捕集荷電的塵粒外，還能保護濾袋免受放電的破壞。這一技術的中間試驗設備于 1999 年7 月開始運行，處理Otter Tail 電力公司大石燃煤發電廠排放的1500 m3/h 煙氣，煙氣中含有電除塵器難以捕集的高比電阻飛灰，濾袋氣布比為 3.35~3.66 m/min。該設備長期運行性能穩定，除塵率能達到99.99%以上，阻力保持在 1600~2000 Pa。
從美國已發表的資料來看，與現有其它除塵設備相比，AHPC 具有以下優點：
（1）除塵效果極好，中間試驗設備的排塵濃度只有0.1~0.2 mg/m3。
（2）濾袋的氣布比可達一般脈沖袋式除塵器的3 倍，大大減少了濾袋數量；電除塵部分的部件也比普通電除塵器的少一半還多。因此，AHPC 的大小大約只有普通電除塵器的 1/3，投資也降低不少。
（3）濾袋的清灰頻率比普通袋式除塵器的低，可以延長濾袋壽命，運行費用也隨之降低。
使用微信“掃一掃”功能添加“谷騰環保網”
