趙毅+王佳男

摘 要： 隨著國家對(duì)顆粒物的排放標(biāo)準(zhǔn)要求日趨嚴(yán)格，單一的除塵技術(shù)已經(jīng)很難滿足，電袋除塵器作為靜電除塵器和布袋除塵器的結(jié)合體，能有效提高除塵效率，降低壓力損失。通過搭建實(shí)驗(yàn)室規(guī)模電袋除塵器，改變電壓、過濾風(fēng)速等參數(shù)來測(cè)試電袋除塵器捕集效率和壓力損失，同時(shí)對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，希望為電袋除塵器的工程應(yīng)用提供一定參考。

關(guān)鍵詞：顆粒物 電袋除塵器 除塵效率 壓力損失 工程應(yīng)用

0引言

近年來，環(huán)境污染問題越來越受到人們重視，我國以煤炭為主的能源結(jié)構(gòu)造成了粉塵、二氧化硫、氮氧化物等污染物的大量排放[1]。隨著人們生活質(zhì)量的提高，PM2.5逐漸進(jìn)入了人們的視線，它是指空氣動(dòng)力學(xué)直徑小于2.5um的粉塵顆粒，它不僅對(duì)人類的身體健康產(chǎn)生威脅，同時(shí)也會(huì)對(duì)生產(chǎn)與發(fā)展造成影響[2]。燃煤電站作為我國煤炭的主要消費(fèi)場(chǎng)所，同時(shí)也是粉塵污染物的主要來源，對(duì)燃煤電站污染物排放的控制事關(guān)重大。目前單一的除塵技術(shù)已經(jīng)很難滿足日益嚴(yán)格的污染物排放標(biāo)準(zhǔn)，因此采用不同除塵技術(shù)聯(lián)合除塵的方式成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)[3]。

電袋除塵技術(shù)作為一種新型除塵技術(shù)，它是將傳統(tǒng)靜電除塵技術(shù)和布袋除塵技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來，相比于傳統(tǒng)電除塵器，它對(duì)細(xì)顆粒物具有更高的捕集效率，同時(shí)減小了占地面積，節(jié)省能耗[4]；相比布袋除塵器，電袋除塵器的壓力損失更小，能有效延長濾袋的使用壽命，節(jié)約成本[5]。目前我國有些電廠已經(jīng)建造電袋除塵器或是將已有的電除塵器改造成電袋除塵器，常見的電袋除塵器為前后串聯(lián)型，它是將布袋除塵器接到電除塵器后面。粉塵先進(jìn)入電除塵器部分進(jìn)行荷電與捕集，逃逸出來的部分粉塵再進(jìn)入布袋除塵部分進(jìn)行二次捕集[6]，從電除塵部分逃逸出來的粉塵由于帶有一定電荷，能在布袋表面形成疏松有序的荷電粉塵層，不僅提升了粉塵的捕集效率，同時(shí)也減少了壓力損失[7]。本文通過改變電壓、過濾風(fēng)速等實(shí)驗(yàn)條件來研究實(shí)驗(yàn)室規(guī)模電袋除塵器除塵效率和壓力損失情況。

1實(shí)驗(yàn)裝置與方法

為了研究電袋除塵器的工作性能，搭建了如圖1所示的實(shí)驗(yàn)臺(tái)，實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要由4部分組成。

（1）煙氣發(fā)生系統(tǒng)

煙氣發(fā)生系統(tǒng)的核心裝置為粉塵發(fā)生器，本實(shí)驗(yàn)選用TOPAS公司SAG-410L粉塵發(fā)生器，它是一種通用的干粉氣溶膠擴(kuò)散器，可均勻恒速的發(fā)生非粘性干粉。粉塵擴(kuò)散過程分為兩個(gè)步驟：第一步：使用傳動(dòng)牙輪皮帶將粉末定量輸送至擴(kuò)散器，通過調(diào)節(jié)皮帶的傳送速度，可調(diào)節(jié)粉塵的發(fā)生濃度。第二步：當(dāng)粉末從噴嘴噴出時(shí)，在噴嘴口形成的剪切力將團(tuán)聚的粉末微粒分散開，從而形成氣溶膠顆粒。

（2）電除塵部分

電除塵部分包括直流高壓發(fā)生裝置與電極線板構(gòu)件兩部分。

直流高壓發(fā)生裝置選用上海泰宜電氣公司生產(chǎn)的TYZGF-60KV/5mA分體式直流高壓發(fā)生器，相比于單體式直流高壓發(fā)生器，它具有更高的穩(wěn)定性。

電除塵區(qū)為單通道，通道內(nèi)布置有電暈極和收塵極板。該實(shí)驗(yàn)臺(tái)選用芒刺電暈放電極，線間距為400mm；芒刺設(shè)計(jì)為對(duì)稱交錯(cuò)兩列呈180度，芒刺間距100mm，長度為30mm。收塵極板采用不銹鋼材質(zhì)，長200 mm，高400mm，極板間距200mm。

電除塵區(qū)箱體選用有機(jī)玻璃，該部分包括前后兩部分電場(chǎng)，電場(chǎng)內(nèi)板線配置完全一致。本實(shí)驗(yàn)通過撤掉前、后半部分電場(chǎng)以及完整電場(chǎng)結(jié)構(gòu)來實(shí)驗(yàn)三種不同電場(chǎng)結(jié)構(gòu)。

（3）布袋過濾區(qū)

電除塵部分后連接的布袋過濾區(qū)是細(xì)粒子高效捕集的主要部分，它包括玻璃外殼，花板、金屬籠骨以及濾袋。濾袋的制作選用了覆膜PPS濾料， 覆膜PPS濾料與PPS相比，厚度增加3mm，為PTFE涂層，覆膜平均孔徑0.5-1.0um，初始?jí)航翟龃笾挥?0Pa，透氣性和穩(wěn)定性較好，粉塵能在表面形成分布均勻的粉塵顆粒層。

本實(shí)驗(yàn)需要連續(xù)穩(wěn)定操作，實(shí)驗(yàn)中壓力變化不宜太大，且實(shí)際工程中覆膜濾料的使用具有較高的經(jīng)濟(jì)性，因此選擇覆膜PPS作為濾料進(jìn)行研究。

（4）分析測(cè)試系統(tǒng)

顆粒物的分級(jí)捕集效率測(cè)定主要由ELPI+（Electrical Low Pressure Impactor，靜電低壓撞擊器）完成[8]，儀器主要分為3部分：電暈極、撞擊器和多通道靜電計(jì)。電暈極的作用是通過ELPI+的內(nèi)部電極來對(duì)進(jìn)入撞擊器之前的顆粒進(jìn)行飽和荷電，從而用于測(cè)量進(jìn)入撞擊器的細(xì)顆粒物數(shù)濃度[9]。撞擊器的作用是通過空氣動(dòng)力學(xué)原理將顆粒物分級(jí)，在拓展級(jí)的輔助下可以將粒徑范圍為0.007-10um的顆粒分為15級(jí)。靜電計(jì)的作用是用于測(cè)量顆粒物經(jīng)過撞擊器每一級(jí)的感應(yīng)電流。測(cè)試時(shí)先后在除塵器入口，和出口分別測(cè)試分級(jí)數(shù)濃度，再得到分級(jí)效率。

濾袋前后壓降的測(cè)試選用海盟恒創(chuàng)（國產(chǎn)）TH2000型壓力變送器，量程：0-1MPa，精度：0.25%；以及羅斯蒙特（進(jìn)口）2051CD型差壓變送器，量程：-1～1kPa，精度：0.075%。通過連接到電腦上，可以在線實(shí)時(shí)讀取數(shù)據(jù)。

本實(shí)驗(yàn)選用的是標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)A1粉塵，中位徑為4.31um，比電阻為9.54 ？？cm，設(shè)置除塵器入口粉塵濃度為1g/m3，過濾風(fēng)速分別選取1 m/min、1.5 m/min和2m/min，對(duì)應(yīng)流量分別為49.2 m3/h、73.8m3/h和98.4m3/h，通過改變電場(chǎng)結(jié)構(gòu)、電場(chǎng)電壓、過濾風(fēng)速來研究電袋除塵器的捕集效率和濾袋前后壓力變化。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1顆粒物的捕集效率

對(duì)顆粒物的捕集效率進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在不同電場(chǎng)結(jié)構(gòu)下改變電場(chǎng)部分電壓和過濾風(fēng)速，對(duì)除塵器進(jìn)、出口粉塵數(shù)濃度進(jìn)行在線測(cè)定，得到數(shù)濃度后再利用公式進(jìn)行分級(jí)捕集效率的計(jì)算，結(jié)果如圖2所示。

從圖2可以看出，當(dāng)過濾風(fēng)速為1m/min時(shí)，無論是部分電場(chǎng)結(jié)構(gòu)或是完整電場(chǎng)結(jié)構(gòu)，當(dāng)電壓為0KV時(shí)，電袋除塵器對(duì)粉塵顆粒都具有90%以上的捕集效率，說明單一的布袋除塵器對(duì)粉塵也具有一定的捕集效果。升高電壓后，顆粒物的各級(jí)捕集效率都得到提高，且在一定范圍內(nèi)，顆粒物的分級(jí)捕集與電場(chǎng)電壓成正相關(guān)。觀察左、中兩幅圖可發(fā)現(xiàn)：保留前半部分電場(chǎng)和后半部分電場(chǎng)兩種情況顆粒物的分級(jí)捕集效率差別并不是很大，效率值主要集中在94%以上，最大捕集效率可達(dá)99.5%左右；在保留完整電場(chǎng)的情況下顆粒物的分級(jí)捕集效率主要集中在96%以上，最大捕集效率也高于保留部分電場(chǎng)的情況，可達(dá)99.8%；在粒徑為0.2um左右處，三種電場(chǎng)結(jié)構(gòu)下顆粒物的分級(jí)捕集效率出現(xiàn)最小值，這與該粒徑顆粒荷電困難存在一定關(guān)系。endprint

在此基礎(chǔ)上改變過濾風(fēng)速，選取過濾風(fēng)速為1.5m/min和2.0m/min時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)顆粒物的分級(jí)捕集效率與電壓和電場(chǎng)結(jié)構(gòu)的關(guān)系仍具有相同規(guī)律，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖3、圖4所示。顆粒物的分級(jí)捕集效率隨電壓增大而增大，保留前后半部分電場(chǎng)情況下，顆粒物的分級(jí)捕集效率相差不大，但與完整電場(chǎng)情況下存在一定差距。

對(duì)比圖2、圖3和圖4，觀察相同電場(chǎng)結(jié)構(gòu)下顆粒物的分級(jí)捕集效率，可以發(fā)現(xiàn)在升高相同電壓情況下，過濾風(fēng)速越小，分級(jí)捕集效率越高。以完整電場(chǎng)結(jié)構(gòu)為例，當(dāng)過濾風(fēng)速為1m/min時(shí)，不加電的情況下，分級(jí)捕集效率最大值可達(dá)94%，當(dāng)電壓達(dá)到最大值45KV時(shí)，分級(jí)捕集效率最大值可達(dá)99.8%；當(dāng)過濾風(fēng)速為1.5m/min時(shí)，這兩個(gè)數(shù)值分別為93%和99.7%；當(dāng)過濾風(fēng)速為2.0m/min時(shí)分別為92.8%和99.6%。前、后半部分電場(chǎng)結(jié)構(gòu)的情況下也具有相同規(guī)律，無論是最大效率值還是平均值都有所減小，這說明過濾風(fēng)速越大越不利于除塵器對(duì)粉塵的捕集。

為了更全面的研究過濾風(fēng)速對(duì)除塵效率的影響，我們利用膜托裝置和分析天平，采用稱重法對(duì)總捕集效率進(jìn)行測(cè)定。過濾風(fēng)速扔選取1.0m/min、1.5m/min和2.0m/min，得到數(shù)據(jù)如圖5所示。

從圖5中可以看出無論哪一種電場(chǎng)結(jié)構(gòu)，顆粒物的總捕集效率都隨電壓升高而增大，保留前半部分電場(chǎng)與后半部分電場(chǎng)兩種結(jié)構(gòu)總捕集效率并未有明顯差異，而完整電場(chǎng)結(jié)構(gòu)下總捕集效率稍高一些。每種結(jié)構(gòu)下都可以清楚看到隨著過濾風(fēng)速的增加，總捕集效率在下降。

對(duì)其進(jìn)行機(jī)理分析，顆粒物在除塵器內(nèi)運(yùn)動(dòng)過程中首先經(jīng)過電除塵部分，電除塵部分通過粉塵的荷電和捕集過程可以對(duì)大部分顆粒進(jìn)行捕集，當(dāng)過濾風(fēng)速增加時(shí)，粉塵從電場(chǎng)中通過的時(shí)間會(huì)縮小，因此在經(jīng)過相同電場(chǎng)時(shí)，粉塵顆粒的荷電效果變差，可能會(huì)有一部分粉塵顆粒不能有效荷電，同時(shí)由于停留時(shí)間短，捕集效果也會(huì)變差，這樣從這電除塵部分逃逸出來的粉塵顆粒不但數(shù)量增多且單顆粒電荷量也減少。在布袋除塵部分，帶電顆粒會(huì)在布袋上形成疏松多孔的荷電粉塵層，荷電粉塵層對(duì)顆粒具有一定的捕集作用，尤其是在捕集后期，對(duì)顆粒物的捕集主要是由粉塵層來完成。由于過濾風(fēng)速的增大，導(dǎo)致粉塵顆粒電荷量減小，因此荷電粉塵層形成變緩慢，降低了捕集效果，同時(shí)由于過濾風(fēng)速的增大，濾袋兩側(cè)壓差變大，會(huì)使得部分粉塵顆粒從濾布的空隙穿透過去，致使捕集效率的下降。

2.2濾袋前后壓降

濾袋的制作選用了覆膜PPS濾料，首先在不發(fā)生粉塵和不通電的情況下，考察濾袋前后壓降與過濾風(fēng)速之間的關(guān)系。如圖6所示，布袋前后壓降與過濾風(fēng)速基本呈線性關(guān)系，壓降隨過濾風(fēng)速的增大而增大。通過線性擬合得到線性相關(guān)指數(shù)可達(dá)99%以上，得到布袋前后壓降與過濾風(fēng)速的關(guān)系式y(tǒng)=252.02x-45.63。

在此基礎(chǔ)上，我們選取過濾風(fēng)速為2.0m/min，通過改變電壓觀察布袋前后壓降隨時(shí)間變化情況，如圖7所示。隨著除塵器工作時(shí)間的增加，粉塵會(huì)逐漸覆蓋在濾布表面，因此布袋前后壓降會(huì)持續(xù)增加。在電壓為0KV時(shí)，工作兩小時(shí)后布袋前后壓降可達(dá)1000Pa，但隨著電壓的升高，達(dá)到這一壓降所需時(shí)間逐漸增加。當(dāng)電壓為25KV時(shí)，布袋前后壓降達(dá)到1000Pa需要四個(gè)小時(shí)以上。

造成這一結(jié)果的主要原因是，電壓升高后有利于電除塵部分對(duì)粉塵的荷電與捕集，一方面電壓升高后電除塵部分對(duì)粉塵的捕集效率增加，使得逃逸到布袋除塵部分的粉塵量減少，因此覆蓋在濾布上的粉塵量也減少了；另一方面，電壓升高后，同等情況下逃逸出來的粉塵也能攜帶更多的電荷量，這樣更有利于粉塵顆粒在濾袋表面形成荷電粉塵層，由于電荷間的相互作用使得粉塵層更加疏松有序，更有利于氣體透過，減小了阻力，從而也減小了壓降。

3 結(jié)語

本實(shí)驗(yàn)研究了電壓、過濾風(fēng)速和電場(chǎng)結(jié)構(gòu)對(duì)電袋除塵器捕集效率的影響，同時(shí)也研究了布袋前后壓降與過濾風(fēng)速和電壓的關(guān)系，通過對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，得到如下結(jié)論：

（1）顆粒物的捕集效與電壓成正相關(guān)，與過濾風(fēng)速成負(fù)相關(guān)。

（2）保留前半部分電場(chǎng)或后半部分電場(chǎng)兩種情況下捕集效率無明顯差異，但與完整電場(chǎng)情況相比有所降低。

（3）布袋前后壓降隨過濾風(fēng)速的增大而增大，在升高電場(chǎng)電壓時(shí)，布袋前后壓降隨時(shí)間增長緩慢，即達(dá)到相同壓降時(shí)所需時(shí)間增加。

后續(xù)會(huì)對(duì)這些變量對(duì)除塵性能的影響做更深入的分析研究，包括量化關(guān)系以及機(jī)理的探究，同時(shí)也會(huì)對(duì)影響電袋除塵器除塵性能的其他因素進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，包括粉塵種類，空氣濕度等因素，希望對(duì)電袋除塵器的工程應(yīng)用提供借鑒和參考。

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作者簡介：

趙毅（1956-），男，滿族，河北省秦皇島人，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)榇髿馀c水污染控制工程。endprint