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      除塵器的工作機理與缺陷研究

      2012-10-23 00:00

            我國煤炭資源豐富,煤炭作為主要能源,是煤炭生產和消費大國,隨著經濟的發展,煤煙污染越來越嚴重,屬于典型的煤煙污染型國家。治理煤煙污染力度必須大力增強才能適應建立環境友好型社會的要求。為了貫徹可持續發展方針,使污染得到有效控制, 2003年國家出臺了新的排放標準,提高了煙塵、SO 2排放標準要求。

        2電、袋除塵技術背景及局限2 1環保標準日趨嚴格2004年1月1日實施的排放標準規定新上火電項目煙塵排放濃度應控制在50 mg/m 3以下,一些城市和企業要求低于30 mg/m 3,常規電除塵器難以滿足,只有依靠增加電場數量或電場寬度來達到環保要求的除塵效率,投資和運行費用都將大幅度上升,在經濟上不合算。而袋式除塵器除塵效率高,一般可達99. 9 %以上,排放煙塵濃度< 50 mg/m 3,可以滿足日趨嚴格的環保標準。

        2 2電除塵將更難滿足環保標準為了減少SO 2的污染,火電廠優先燃用對電除塵器不利的低硫煤;同時由于煙塵在進入電除塵器之前必需采用脫硫工藝,這就使煙塵的比電阻增高,入口含塵濃度增大(可達800 g/m 3),電除塵器的實際效率不能達到設計效率,排塵濃度顯著增加,滿足環保標準將更加困難。而袋式除塵不受煙氣成分、含塵濃度、顆粒分散度、比電阻等粉塵性質的影響。

        2 3環保意識增強,對呼吸性粉塵捕集越顯重要隨著經濟的發展,人們對環境質量的要求逐步提高,環保意識增強; 2008年綠色奧運在中國舉辦,世界對中國的環境給予更大的關注,這些都要求采用效率更高的除塵技術,讓粉塵盡可能達到零排放。而常規電除塵器對呼吸性粉塵難以捕集,呼吸性粉塵( 0 5 1 m )對人的危害更大。袋式除塵則可有效捕集呼吸性粉塵,特別近年來由于覆膜濾料的出現使得對呼吸性粉塵捕集效率大大提高。

        人們會想到袋除塵完全去取代現有電除塵,但袋除塵自身也存在運行阻力過大、所用濾袋較多、體積龐大等缺點。

        2 4電除塵和袋除塵所存在局限靜電除塵器存在以下局限: 1)對超細顆粒(如PM 2 5)捕集能力有限。這主要是因為超細粒子難以荷電、電極振打產生二次揚塵更容易使已捕集的細微粒子逸出。 2)除塵效率受諸多因素(如煙溫、煙氣流速、飛灰特性、含硫量等)影響,波動較大;我國煤種差異較大,同一臺機組由于某些因素的影響也可能變換煤種,這對靜電除塵器的穩定、高效運行造成了很大的影響。 3)國家加強對二氧化硫排放的控制,煙氣中二氧化硫的濃度減少使得煙塵中比電阻升高,造成靜電除塵器的反電暈增強,除塵效率降低。

        袋除塵器也存在一定的局限,除上面提到的運行阻力大等問題外,還有如濾袋使用壽命(糊袋、燒袋、漏袋和腐蝕磨損都影響濾袋使用壽命,盡管當前濾料已取得長足進步),如何使濾袋使用壽命盡可能的長,減少更換袋的次數,減少日常的維護費用是當前研究的一個熱點領域。在袋除塵設計階段根據待處理的煙氣性質選用適當的濾料是可以避免糊袋和燒袋的(對于有些大型的袋除塵器增加了一些如旁路煙道、緊急增溫降溫輔助設施等安全措施以提高其運行的安全系數),但由于附著在袋上的塵餅必須清除才可以讓袋過濾再生,因此濾袋的清灰必不可少,清灰越徹底越好,有利于除塵器穩定連續運行。一方面清灰徹底必須讓濾袋發生激振,另一方面過濾時風速和粉塵顆粒對濾袋的琢磨,這兩方面對濾袋的使用壽命就起主要影響。如何盡可能減少清灰次數和大顆粒粉塵對濾袋表面的琢磨就成為盡可能延長濾袋的使用壽命的關鍵。

        因此,在電除塵與袋除塵技術都很成熟的條件下,可以取長補短,綜合形成一種新的電袋復合除塵技術。

        3新型電-袋除塵器結構3 1電-袋除塵器結構的提出目前,電袋復合除塵技術主要有以下3種形式。

        3 1 1前電后袋式前電后袋式電袋復合除塵器將前級電除塵和后級袋除塵有機地串聯成一體,煙氣先經過前級電除塵,充分發揮其捕集中高濃度粉塵效率高( 80%以上)和低阻力的優勢,進入后級袋除塵時,不僅粉塵濃度大為降低,且前級的荷電效應又提高了粉塵在濾袋上的過濾特性,使濾袋的透氣性能和清灰性能得到明顯改善,使用壽命大大提高。該技術自20世紀70年代在國外開始應用,國內繼首次在元寶山電廠試驗后,先后在上海浦東和金山水泥廠應用成功,排放濃度穩定在30 mg/m 3以下。我們知道在現有的大多數電除塵中存在3、4個電場的不在少數,甚至有5、6個電場,而粉塵的80%以上幾乎在第一電場被捕集,后面的僅捕集粉塵的20% ,并且不一定達到排放標準,存在事故排放;如果都采用這種前電后袋式,不僅煙氣可以達標排放,而且減少投資費用。這種形式在電除塵改造中大有作為,即僅保留前一電場,后電場全部或部分改為袋除塵。

        我們知道,盡管袋除塵中濾袋負荷減少,可減少其清灰次數,但處理氣體量不變,甚至由于漏風增加其處理風量,所以整個裝置還是存在阻力過大、運行費用大等不足之處。

        3 1 2靜電增強型該形式在結構上有點類似前電后袋式,只是前電主要用來對粉塵荷電,收塵主要由在后的濾袋來完成。同樣,由于電荷效應這就大大提高了粉塵在濾袋上的過濾特性,使濾袋的透氣性能和清灰性能得到明顯改善,同樣使濾袋清灰次數減少、使用壽命提高。但還是存在濾袋負荷沒有減少,運行阻力大、費用高等不足。

        3 1 3電袋一體化式此種形式又稱嵌入式電袋復合除塵器,它是對每個除塵單元,在電除塵中嵌入濾袋結構,電除塵電極與濾袋交錯排列。其主要技術特點和原理與串聯式電袋復合除塵技術相似。這種形式電袋除塵在國外已有成功應用,總除塵效率在99 993% 99 997%范圍。

        盡管電袋一體化式結構更緊湊,氣體經過的路徑短而本體阻力小,諸多方面性能均優于串聯式電袋復合除塵技術,但也存在選擇適當的電場參數以解決電極放電對濾袋的影響、濾袋更換、電極與濾袋嵌入結構布置等問題。

        因此,提出一種新穎一體化結構裝置該裝置整體上包括兩塊同心圓的收塵極板、兩板間布置電暈極線、內圓布置濾袋和氣流轉向時的導流板。其特點是: 1)在內收塵極板上適當的位置開有適當孔徑的氣孔和氣流進入濾袋口對應的地方為一開口; 2 )導流板具有使氣流均勻、減小阻力作用之外,還有預收粗塵的作用; 3)在環行電場中,由于氣流是部分環流,荷電的粉塵粒子在電暈線外側所受的電場力與其離心力一致,所以更利于粗粉塵的收集; 4)由于在整個箱體內存在一種負壓梯度場,因此更加有利于粉塵從氣體中分離; 5)結構緊湊、采用流線型設計。

        3 2技術手段該裝置采用側向進風,使電除塵單元和袋除塵單元結合間煙氣分配的均勻性較好,有利于提高除塵效率,減小除塵阻力。

        在電極配置上采用放電性能良好的芒刺電暈線和場強分布均勻性較好的星型電暈線。

        在濾袋布置上,為了防止含塵氣體直接沖刷濾袋而影響其使用壽命,讓濾袋盡量避開含塵氣體入口;同時為防止在高負壓和高氣布比下濾袋的扭轉和晃動,在濾袋下部添加一可上下移動、具一定份量簡易框架。

        濾料采用覆膜濾料,采用當前最先進的表面過濾技術。采用折皺式濾袋,有利于整個裝置更為緊湊,減少費用;采用折皺式濾袋還可以使含塵氣體流速與濾布面平行,有利于減小除塵阻力;同時輔以螺旋彈簧支架(內嵌3根光滑豎筋骨架,防止濾袋在過濾時側向扭轉),清灰容易,只需稍加振打,彈簧的彈性即可將吸附灰塵抖落。

        對電除塵部分清灰可考慮采用頂部電磁振打,這種方式不僅在機理上符合清灰要求(上大下小的振打力),而且便于安裝維護、增大除塵空間。對濾袋清灰采用低壓脈沖噴吹,脈沖噴吹清灰作用很強,而且其強度和頻率都可以調節,清灰效果很好,可以允許采用較高過濾風速。

        該除塵裝置所采用的以上技術都是比較成熟的,經濟上也是可行的。

        4除塵機理研究下面從靜電除塵機理、過濾除塵機理及荷電粉塵對濾袋過濾特性的影響機理等方面進行研究。

        4 1靜電除塵機理和過濾除塵機理含塵氣體高速進入除塵器時,由于斷面擴大,風速減小,較大的粉塵顆粒由于慣性及重力作用而首先沉積下來。如前所述,在側進風的迎風面設置導流板一方面起減阻作用,另一方面由于慣性作用對粉塵有一定的收集作用。

        空氣在一般情況下被認為是絕緣體,但空氣中也有極少量的電子、離子存在。當把含塵氣體置于非勻強高壓靜電場(由線、板或線、管等組成的電場)中時,在線上施加以負高壓(比如40 kV以上),高壓線周圍2 3 mm范圍內空氣中的電子在電場力作用下被加速到具有極高的能量(可達6 keV以上),它碰到其它空氣分子時就會打出新的電子來,新、舊電子在高壓電場中繼續被加速一時間大量電子、離子像雪崩一樣產生(即電子雪崩),使空氣由絕緣狀態變為微弱導電狀態。這種現象稱為空氣電離,此時在放電極上出現電暈放電。電暈放電產生的大量電子、離子通過碰撞、擴散等機理使含塵氣流中的粉塵荷電,荷電的粉塵在電場中趨向異性電極運動,大部分沉積在極板上,從氣流中分離出來。由于該裝置采用環行電場,在電場外側粉塵顆粒所受的離心力與電場力一致,從而提高粉塵顆粒在電場中所受的合力。但粉塵顆粒所受的離心力大

        小與其運動的軌道半徑r和角速度存在如下關系:F離= m2 r其中F離、m分別為顆粒所受的離心力和顆粒質量。一般來說電場風速要求低于1 5 m / s甚至更小,氣體在電場中停留時間為2 10 s,就該裝置來說電場風速設計低于1 m / s,粉塵在電場中最大平均停留時間為5 s,也就是說離心力相對于靜電力來說非常之小,可以不予考慮。

        在濾袋除塵中有深層過濾和表面過濾之分。深層過濾首先要形成過濾粉塵初層,即所謂的塵餅,盡管其過濾初阻力較小,但其存在清灰再生困難,隨著清灰的次數增多,其清灰再生后阻力在增加,因而清灰次數相應增多,這將加速濾袋的磨損,最終導致其不可用。而采用表面覆膜的濾袋,盡管其初始阻力較大,但不存在形成粉塵初層的問題。

        由于覆膜濾料表面光滑易清灰,因此再生清灰容易,再生清灰后阻力恒定,有利于采用定時清灰。因此,本裝置采用當前最先進的利用表面過濾技術的覆膜濾料。

        由以上分析可知粉塵在電場中充分荷電,除去粗塵,也就是說除去粒徑較大的,剩下荷電不充分但可在電場中被極化進入濾袋除塵,而覆膜濾袋對微細粉塵有很高的除塵效率。因此可以結合各個除塵機理對不同粒徑粉塵最佳收集效果以達到最高除塵效率,以期讓煙塵達到零排放。

        4 2荷電粉塵對濾袋過濾特性的影響在袋過濾采用外濾負壓式時,濾袋清潔氣體側由于壓強小,分子的平均自由程大,分子間距較大;濾袋含塵氣體側由于氣體通過濾袋的截面減小,分子速度呈梯度增加(由遠離濾袋外側向濾袋中心表面靠近);根據流體力學原理,氣體的流動應滿足伯努利方程,氣體流動的壓頭減小,速頭應增加,所以分子速度在呈梯度增加。而粉塵粒子由于慣性,其速度很難以與氣體分子達到同步的速度,由此本來看著含塵濃度分布均勻的氣體變為由外到內含塵濃度呈梯度增加的含塵濃度分布不均勻氣體。粉塵濃度的增加有利于微細粉塵的凝聚(這是由于微細粉塵的比表面積很大),這就使得粉塵顆粒增大成為可能,有利于濾袋的過濾以增強其過濾特性。同時粉塵粒子在電場中得以荷電或極化,根據電荷的基本性質,同種電荷相互排斥,異種電荷相互吸引,在濃度遞增的情況下,增加了粉塵相互接觸的幾率,從而增加了粉塵粒子搭接增粗的效果(實際上,粉塵并非都是球體而可能是其他各種形狀,如線形)。如在電場中粉塵粒子荷同種電荷(正電荷或負電荷),由于同種電荷相互排斥而產生的庫侖力與空氣對粉塵的粘性動力相當就更加使粒子減速,粉塵濃度增加更多,更有利于接觸凝聚。

        現在來考慮溫度的影響,溫度升高,分子平均自由程增加,但氣體分子平均動能增加,宏觀上表現氣體粘度增加,粉塵粒子所受粘性動力增加,粉塵所荷電荷作用減弱,從而導致濾袋過濾特性降低,除塵器運行阻力增大。

        實際上,可以從物理模型上得到以上說明,如所示。最初在圓形濾袋表面上附著一層帶電粉塵(一般帶負電),因此在濾袋的周圍空間產生了非均勻電場,但其具有軸對稱特點,當粉塵顆粒在濾袋表面累積到一定的程度,其產生的電場對向濾袋表面趨近的帶電粉塵庫侖力將足夠大(由于同種電荷相互排斥,此庫侖力方向與粉塵顆粒運動方向相反),這時粉塵顆粒所受粘性動力幾乎與庫侖力相當,而它們作用力方向相反,可以認為粉塵顆粒處于受力平衡(僅針對于水平面內,如若粉塵等效粒徑及密度非常之小,其所受重力可忽略)。

        在標準狀況下,氣體中的粉塵顆粒所受力為粘性動力、庫侖力,它們分別為:2 = 6 r v (其中、r、v分別為氣體動力粘性系數、粉塵顆粒半徑和空氣相對于顆粒的速度)F 1 = - k q 1 q 2 r 2 0(其中q 1、q 2、r 0分別為顆粒1、2所帶電量和它們之間的距離)若F 1 = F 2,即6 = r= v= k q 1 q 2 r 2 0這時可認為顆粒已處于受力平衡狀態。對于確定的過濾速度和粉塵顆粒來說,溫度升高, 增大, r 0減小,從而導致粉塵顆粒之間接觸相對變得緊密,不利于氣體通過,導致濾袋過濾特性降低。

        5結論1)在分析電除塵、袋除塵和電袋復合除塵各自優、缺點情況下,從技術、經濟上提出一種新穎的電袋一體化結構裝置;2)該裝置利用多種除塵機理,結合各個除塵機理對不同粒徑粉塵最佳收集效果以達到最高除塵效率,以期讓煙塵達到更為嚴格的環保標準;3)荷電粉塵對濾袋過濾特性的影響有利于濾袋對微細粉塵的收集;同時考慮溫度對其的影響,溫度升高,不利于靜電對濾袋過濾特性的增強。

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