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除尘器的工作机理与缺陷研究

作者:宋鑫来源:上海卡艾环境 日期:2012年10月23日 15:13

      我国煤炭资源丰富,煤炭作为主要能源,是煤炭生产和消费大国,随着经济的发展,煤烟污染越来越严重,属于典型的煤烟污染型国家。治理煤烟污染力度必须大力增强才能适应建立环境友好型社会的要求。为了贯彻可持续发展方针,使污染得到有效控制, 2003年国家出台了新的排放标准,提高了烟尘、SO 2排放标准要求。

  2电、袋除尘技术背景及局限2 1环保标准日趋严格2004年1月1日实施的排放标准规定新上火电项目烟尘排放浓度应控制在50 mg/m 3以下,一些城市和企业要求低于30 mg/m 3,常规电除尘器难以满足,只有依靠增加电场数量或电场宽度来达到环保要求的除尘效率,投资和运行费用都将大幅度上升,在经济上不合算。而袋式除尘器除尘效率高,一般可达99. 9 %以上,排放烟尘浓度< 50 mg/m 3,可以满足日趋严格的环保标准。

  2 2电除尘将更难满足环保标准为了减少SO 2的污染,火电厂优先燃用对电除尘器不利的低硫煤;同时由于烟尘在进入电除尘器之前必需采用脱硫工艺,这就使烟尘的比电阻增高,入口含尘浓度增大(可达800 g/m 3),电除尘器的实际效率不能达到设计效率,排尘浓度显著增加,满足环保标准将更加困难。而袋式除尘不受烟气成分、含尘浓度、颗粒分散度、比电阻等粉尘性质的影响。

  2 3环保意识增强,对呼吸性粉尘捕集越显重要随着经济的发展,人们对环境质量的要求逐步提高,环保意识增强; 2008年绿色奥运在中国举办,世界对中国的环境给予更大的关注,这些都要求采用效率更高的除尘技术,让粉尘尽可能达到零排放。而常规电除尘器对呼吸性粉尘难以捕集,呼吸性粉尘( 0 5 1 m )对人的危害更大。袋式除尘则可有效捕集呼吸性粉尘,特别近年来由于覆膜滤料的出现使得对呼吸性粉尘捕集效率大大提高。

  人们会想到袋除尘完全去取代现有电除尘,但袋除尘自身也存在运行阻力过大、所用滤袋较多、体积庞大等缺点。

  2 4电除尘和袋除尘所存在局限静电除尘器存在以下局限: 1)对超细颗粒(如PM 2 5)捕集能力有限。这主要是因为超细粒子难以荷电、电极振打产生二次扬尘更容易使已捕集的细微粒子逸出。 2)除尘效率受诸多因素(如烟温、烟气流速、飞灰特性、含硫量等)影响,波动较大;我国煤种差异较大,同一台机组由于某些因素的影响也可能变换煤种,这对静电除尘器的稳定、高效运行造成了很大的影响。 3)国家加强对二氧化硫排放的控制,烟气中二氧化硫的浓度减少使得烟尘中比电阻升高,造成静电除尘器的反电晕增强,除尘效率降低。

  袋除尘器也存在一定的局限,除上面提到的运行阻力大等问题外,还有如滤袋使用寿命(糊袋、烧袋、漏袋和腐蚀磨损都影响滤袋使用寿命,尽管当前滤料已取得长足进步),如何使滤袋使用寿命尽可能的长,减少更换袋的次数,减少日常的维护费用是当前研究的一个热点领域。在袋除尘设计阶段根据待处理的烟气性质选用适当的滤料是可以避免糊袋和烧袋的(对于有些大型的袋除尘器增加了一些如旁路烟道、紧急增温降温辅助设施等安全措施以提高其运行的安全系数),但由于附着在袋上的尘饼必须清除才可以让袋过滤再生,因此滤袋的清灰必不可少,清灰越彻底越好,有利于除尘器稳定连续运行。一方面清灰彻底必须让滤袋发生激振,另一方面过滤时风速和粉尘颗粒对滤袋的琢磨,这两方面对滤袋的使用寿命就起主要影响。如何尽可能减少清灰次数和大颗粒粉尘对滤袋表面的琢磨就成为尽可能延长滤袋的使用寿命的关键。

  因此,在电除尘与袋除尘技术都很成熟的条件下,可以取长补短,综合形成一种新的电袋复合除尘技术。

  3新型电-袋除尘器结构3 1电-袋除尘器结构的提出目前,电袋复合除尘技术主要有以下3种形式。

  3 1 1前电后袋式前电后袋式电袋复合除尘器将前级电除尘和后级袋除尘有机地串联成一体,烟气先经过前级电除尘,充分发挥其捕集中高浓度粉尘效率高( 80%以上)和低阻力的优势,进入后级袋除尘时,不仅粉尘浓度大为降低,且前级的荷电效应又提高了粉尘在滤袋上的过滤特性,使滤袋的透气性能和清灰性能得到明显改善,使用寿命大大提高。该技术自20世纪70年代在国外开始应用,国内继首次在元宝山电厂试验后,先后在上海浦东和金山水泥厂应用成功,排放浓度稳定在30 mg/m 3以下。我们知道在现有的大多数电除尘中存在3、4个电场的不在少数,甚至有5、6个电场,而粉尘的80%以上几乎在第一电场被捕集,后面的仅捕集粉尘的20% ,并且不一定达到排放标准,存在事故排放;如果都采用这种前电后袋式,不仅烟气可以达标排放,而且减少投资费用。这种形式在电除尘改造中大有作为,即仅保留前一电场,后电场全部或部分改为袋除尘。

  我们知道,尽管袋除尘中滤袋负荷减少,可减少其清灰次数,但处理气体量不变,甚至由于漏风增加其处理风量,所以整个装置还是存在阻力过大、运行费用大等不足之处。

  3 1 2静电增强型该形式在结构上有点类似前电后袋式,只是前电主要用来对粉尘荷电,收尘主要由在后的滤袋来完成。同样,由于电荷效应这就大大提高了粉尘在滤袋上的过滤特性,使滤袋的透气性能和清灰性能得到明显改善,同样使滤袋清灰次数减少、使用寿命提高。但还是存在滤袋负荷没有减少,运行阻力大、费用高等不足。

  3 1 3电袋一体化式此种形式又称嵌入式电袋复合除尘器,它是对每个除尘单元,在电除尘中嵌入滤袋结构,电除尘电极与滤袋交错排列。其主要技术特点和原理与串联式电袋复合除尘技术相似。这种形式电袋除尘在国外已有成功应用,总除尘效率在99 993% 99 997%范围。

  尽管电袋一体化式结构更紧凑,气体经过的路径短而本体阻力小,诸多方面性能均优于串联式电袋复合除尘技术,但也存在选择适当的电场参数以解决电极放电对滤袋的影响、滤袋更换、电极与滤袋嵌入结构布置等问题。

  因此,提出一种新颖一体化结构装置该装置整体上包括两块同心圆的收尘极板、两板间布置电晕极线、内圆布置滤袋和气流转向时的导流板。其特点是: 1)在内收尘极板上适当的位置开有适当孔径的气孔和气流进入滤袋口对应的地方为一开口; 2 )导流板具有使气流均匀、减小阻力作用之外,还有预收粗尘的作用; 3)在环行电场中,由于气流是部分环流,荷电的粉尘粒子在电晕线外侧所受的电场力与其离心力一致,所以更利于粗粉尘的收集; 4)由于在整个箱体内存在一种负压梯度场,因此更加有利于粉尘从气体中分离; 5)结构紧凑、采用流线型设计。

  3 2技术手段该装置采用侧向进风,使电除尘单元和袋除尘单元结合间烟气分配的均匀性较好,有利于提高除尘效率,减小除尘阻力。

  在电极配置上采用放电性能良好的芒刺电晕线和场强分布均匀性较好的星型电晕线。

  在滤袋布置上,为了防止含尘气体直接冲刷滤袋而影响其使用寿命,让滤袋尽量避开含尘气体入口;同时为防止在高负压和高气布比下滤袋的扭转和晃动,在滤袋下部添加一可上下移动、具一定份量简易框架。

  滤料采用覆膜滤料,采用当前最先进的表面过滤技术。采用折皱式滤袋,有利于整个装置更为紧凑,减少费用;采用折皱式滤袋还可以使含尘气体流速与滤布面平行,有利于减小除尘阻力;同时辅以螺旋弹簧支架(内嵌3根光滑竖筋骨架,防止滤袋在过滤时侧向扭转),清灰容易,只需稍加振打,弹簧的弹性即可将吸附灰尘抖落。

  对电除尘部分清灰可考虑采用顶部电磁振打,这种方式不仅在机理上符合清灰要求(上大下小的振打力),而且便于安装维护、增大除尘空间。对滤袋清灰采用低压脉冲喷吹,脉冲喷吹清灰作用很强,而且其强度和频率都可以调节,清灰效果很好,可以允许采用较高过滤风速。

  该除尘装置所采用的以上技术都是比较成熟的,经济上也是可行的。

  4除尘机理研究下面从静电除尘机理、过滤除尘机理及荷电粉尘对滤袋过滤特性的影响机理等方面进行研究。

  4 1静电除尘机理和过滤除尘机理含尘气体高速进入除尘器时,由于断面扩大,风速减小,较大的粉尘颗粒由于惯性及重力作用而首先沉积下来。如前所述,在侧进风的迎风面设置导流板一方面起减阻作用,另一方面由于惯性作用对粉尘有一定的收集作用。

  空气在一般情况下被认为是绝缘体,但空气中也有极少量的电子、离子存在。当把含尘气体置于非匀强高压静电场(由线、板或线、管等组成的电场)中时,在线上施加以负高压(比如40 kV以上),高压线周围2 3 mm范围内空气中的电子在电场力作用下被加速到具有极高的能量(可达6 keV以上),它碰到其它空气分子时就会打出新的电子来,新、旧电子在高压电场中继续被加速一时间大量电子、离子像雪崩一样产生(即电子雪崩),使空气由绝缘状态变为微弱导电状态。这种现象称为空气电离,此时在放电极上出现电晕放电。电晕放电产生的大量电子、离子通过碰撞、扩散等机理使含尘气流中的粉尘荷电,荷电的粉尘在电场中趋向异性电极运动,大部分沉积在极板上,从气流中分离出来。由于该装置采用环行电场,在电场外侧粉尘颗粒所受的离心力与电场力一致,从而提高粉尘颗粒在电场中所受的合力。但粉尘颗粒所受的离心力大

  小与其运动的轨道半径r和角速度存在如下关系:F离= m2 r其中F离、m分别为颗粒所受的离心力和颗粒质量。一般来说电场风速要求低于1 5 m / s甚至更小,气体在电场中停留时间为2 10 s,就该装置来说电场风速设计低于1 m / s,粉尘在电场中最大平均停留时间为5 s,也就是说离心力相对于静电力来说非常之小,可以不予考虑。

  在滤袋除尘中有深层过滤和表面过滤之分。深层过滤首先要形成过滤粉尘初层,即所谓的尘饼,尽管其过滤初阻力较小,但其存在清灰再生困难,随着清灰的次数增多,其清灰再生后阻力在增加,因而清灰次数相应增多,这将加速滤袋的磨损,最终导致其不可用。而采用表面覆膜的滤袋,尽管其初始阻力较大,但不存在形成粉尘初层的问题。

  由于覆膜滤料表面光滑易清灰,因此再生清灰容易,再生清灰后阻力恒定,有利于采用定时清灰。因此,本装置采用当前最先进的利用表面过滤技术的覆膜滤料。

  由以上分析可知粉尘在电场中充分荷电,除去粗尘,也就是说除去粒径较大的,剩下荷电不充分但可在电场中被极化进入滤袋除尘,而覆膜滤袋对微细粉尘有很高的除尘效率。因此可以结合各个除尘机理对不同粒径粉尘最佳收集效果以达到最高除尘效率,以期让烟尘达到零排放。

  4 2荷电粉尘对滤袋过滤特性的影响在袋过滤采用外滤负压式时,滤袋清洁气体侧由于压强小,分子的平均自由程大,分子间距较大;滤袋含尘气体侧由于气体通过滤袋的截面减小,分子速度呈梯度增加(由远离滤袋外侧向滤袋中心表面靠近);根据流体力学原理,气体的流动应满足伯努利方程,气体流动的压头减小,速头应增加,所以分子速度在呈梯度增加。而粉尘粒子由于惯性,其速度很难以与气体分子达到同步的速度,由此本来看着含尘浓度分布均匀的气体变为由外到内含尘浓度呈梯度增加的含尘浓度分布不均匀气体。粉尘浓度的增加有利于微细粉尘的凝聚(这是由于微细粉尘的比表面积很大),这就使得粉尘颗粒增大成为可能,有利于滤袋的过滤以增强其过滤特性。同时粉尘粒子在电场中得以荷电或极化,根据电荷的基本性质,同种电荷相互排斥,异种电荷相互吸引,在浓度递增的情况下,增加了粉尘相互接触的几率,从而增加了粉尘粒子搭接增粗的效果(实际上,粉尘并非都是球体而可能是其他各种形状,如线形)。如在电场中粉尘粒子荷同种电荷(正电荷或负电荷),由于同种电荷相互排斥而产生的库仑力与空气对粉尘的粘性动力相当就更加使粒子减速,粉尘浓度增加更多,更有利于接触凝聚。

  现在来考虑温度的影响,温度升高,分子平均自由程增加,但气体分子平均动能增加,宏观上表现气体粘度增加,粉尘粒子所受粘性动力增加,粉尘所荷电荷作用减弱,从而导致滤袋过滤特性降低,除尘器运行阻力增大。

  实际上,可以从物理模型上得到以上说明,如所示。最初在圆形滤袋表面上附着一层带电粉尘(一般带负电),因此在滤袋的周围空间产生了非均匀电场,但其具有轴对称特点,当粉尘颗粒在滤袋表面累积到一定的程度,其产生的电场对向滤袋表面趋近的带电粉尘库仑力将足够大(由于同种电荷相互排斥,此库仑力方向与粉尘颗粒运动方向相反),这时粉尘颗粒所受粘性动力几乎与库仑力相当,而它们作用力方向相反,可以认为粉尘颗粒处于受力平衡(仅针对于水平面内,如若粉尘等效粒径及密度非常之小,其所受重力可忽略)。

  在标准状况下,气体中的粉尘颗粒所受力为粘性动力、库仑力,它们分别为:2 = 6 r v (其中、r、v分别为气体动力粘性系数、粉尘颗粒半径和空气相对于颗粒的速度)F 1 = - k q 1 q 2 r 2 0(其中q 1、q 2、r 0分别为颗粒1、2所带电量和它们之间的距离)若F 1 = F 2,即6 = r= v= k q 1 q 2 r 2 0这时可认为颗粒已处于受力平衡状态。对于确定的过滤速度和粉尘颗粒来说,温度升高, 增大, r 0减小,从而导致粉尘颗粒之间接触相对变得紧密,不利于气体通过,导致滤袋过滤特性降低。

  5结论1)在分析电除尘、袋除尘和电袋复合除尘各自优、缺点情况下,从技术、经济上提出一种新颖的电袋一体化结构装置;2)该装置利用多种除尘机理,结合各个除尘机理对不同粒径粉尘最佳收集效果以达到最高除尘效率,以期让烟尘达到更为严格的环保标准;3)荷电粉尘对滤袋过滤特性的影响有利于滤袋对微细粉尘的收集;同时考虑温度对其的影响,温度升高,不利于静电对滤袋过滤特性的增强。

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