不同工況下電袋除塵器性能實驗探究

趙毅+王佳男

摘 要： 隨著國家對顆粒物的排放標準要求日趨嚴格，單一的除塵技術已經很難滿足，電袋除塵器作為靜電除塵器和布袋除塵器的結合體，能有效提高除塵效率，降低壓力損失。通過搭建實驗室規模電袋除塵器，改變電壓、過濾風速等參數來測試電袋除塵器捕集效率和壓力損失，同時對結果進行分析，希望為電袋除塵器的工程應用提供一定參考。

關鍵詞：顆粒物 電袋除塵器 除塵效率 壓力損失 工程應用

0引言

近年來，環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構造成了粉塵、二氧化硫、氮氧化物等污染物的大量排放[1]。隨著人們生活質量的提高，PM2.5逐漸進入了人們的視線，它是指空氣動力學直徑小于2.5um的粉塵顆粒，它不僅對人類的身體健康產生威脅，同時也會對生產與發展造成影響[2]。燃煤電站作為我國煤炭的主要消費場所，同時也是粉塵污染物的主要來源，對燃煤電站污染物排放的控制事關重大。目前單一的除塵技術已經很難滿足日益嚴格的污染物排放標準，因此采用不同除塵技術聯合除塵的方式成為當前研究熱點[3]。

電袋除塵技術作為一種新型除塵技術，它是將傳統靜電除塵技術和布袋除塵技術有機結合起來，相比于傳統電除塵器，它對細顆粒物具有更高的捕集效率，同時減小了占地面積，節省能耗[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，節約成本[5]。目前我國有些電廠已經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型，它是將布袋除塵器接到電除塵器后面。粉塵先進入電除塵器部分進行荷電與捕集，逃逸出來的部分粉塵再進入布袋除塵部分進行二次捕集[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，同時也減少了壓力損失[7]。本文通過改變電壓、過濾風速等實驗條件來研究實驗室規模電袋除塵器除塵效率和壓力損失情況。

1實驗裝置與方法

為了研究電袋除塵器的工作性能，搭建了如圖1所示的實驗臺，實驗臺主要由4部分組成。

（1）煙氣發生系統

煙氣發生系統的核心裝置為粉塵發生器，本實驗選用TOPAS公司SAG-410L粉塵發生器，它是一種通用的干粉氣溶膠擴散器，可均勻恒速的發生非粘性干粉。粉塵擴散過程分為兩個步驟：第一步：使用傳動牙輪皮帶將粉末定量輸送至擴散器，通過調節皮帶的傳送速度，可調節粉塵的發生濃度。第二步：當粉末從噴嘴噴出時，在噴嘴口形成的剪切力將團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生裝置與電極線板構件兩部分。

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

電除塵區為單通道，通道內布置有電暈極和收塵極板。該實驗臺選用芒刺電暈放電極，線間距為400mm；芒刺設計為對稱交錯兩列呈180度，芒刺間距100mm，長度為30mm。收塵極板采用不銹鋼材質，長200 mm，高400mm，極板間距200mm。

電除塵區箱體選用有機玻璃，該部分包括前后兩部分電場，電場內板線配置完全一致。本實驗通過撤掉前、后半部分電場以及完整電場結構來實驗三種不同電場結構。

（3）布袋過濾區

電除塵部分后連接的布袋過濾區是細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，初始壓降增大只有50Pa，透氣性和穩定性較好，粉塵能在表面形成分布均勻的粉塵顆粒層。

本實驗需要連續穩定操作，實驗中壓力變化不宜太大，且實際工程中覆膜濾料的使用具有較高的經濟性，因此選擇覆膜PPS作為濾料進行研究。

（4）分析測試系統

顆粒物的分級捕集效率測定主要由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。電暈極的作用是通過ELPI+的內部電極來對進入撞擊器之前的顆粒進行飽和荷電，從而用于測量進入撞擊器的細顆粒物數濃度[9]。撞擊器的作用是通過空氣動力學原理將顆粒物分級，在拓展級的輔助下可以將粒徑范圍為0.007-10um的顆粒分為15級。靜電計的作用是用于測量顆粒物經過撞擊器每一級的感應電流。測試時先后在除塵器入口，和出口分別測試分級數濃度，再得到分級效率。

濾袋前后壓降的測試選用海盟恒創（國產）TH2000型壓力變送器，量程：0-1MPa，精度：0.25%；以及羅斯蒙特（進口）2051CD型差壓變送器，量程：-1～1kPa，精度：0.075%。通過連接到電腦上，可以在線實時讀取數據。

本實驗選用的是標準實驗A1粉塵，中位徑為4.31um，比電阻為9.54 ？？cm，設置除塵器入口粉塵濃度為1g/m3，過濾風速分別選取1 m/min、1.5 m/min和2m/min，對應流量分別為49.2 m3/h、73.8m3/h和98.4m3/h，通過改變電場結構、電場電壓、過濾風速來研究電袋除塵器的捕集效率和濾袋前后壓力變化。

2實驗結果與討論

2.1顆粒物的捕集效率

對顆粒物的捕集效率進行實驗，在不同電場結構下改變電場部分電壓和過濾風速，對除塵器進、出口粉塵數濃度進行在線測定，得到數濃度后再利用公式進行分級捕集效率的計算，結果如圖2所示。

從圖2可以看出，當過濾風速為1m/min時，無論是部分電場結構或是完整電場結構，當電壓為0KV時，電袋除塵器對粉塵顆粒都具有90%以上的捕集效率，說明單一的布袋除塵器對粉塵也具有一定的捕集效果。升高電壓后，顆粒物的各級捕集效率都得到提高，且在一定范圍內，顆粒物的分級捕集與電場電壓成正相關。觀察左、中兩幅圖可發現：保留前半部分電場和后半部分電場兩種情況顆粒物的分級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99.5%左右；在保留完整電場的情況下顆粒物的分級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的情況，可達99.8%；在粒徑為0.2um左右處，三種電場結構下顆粒物的分級捕集效率出現最小值，這與該粒徑顆粒荷電困難存在一定關系。endprint

在此基礎上改變過濾風速，選取過濾風速為1.5m/min和2.0m/min時進行實驗。實驗發現顆粒物的分級捕集效率與電壓和電場結構的關系仍具有相同規律，實驗數據如圖3、圖4所示。顆粒物的分級捕集效率隨電壓增大而增大，保留前后半部分電場情況下，顆粒物的分級捕集效率相差不大，但與完整電場情況下存在一定差距。

對比圖2、圖3和圖4，觀察相同電場結構下顆粒物的分級捕集效率，可以發現在升高相同電壓情況下，過濾風速越小，分級捕集效率越高。以完整電場結構為例，當過濾風速為1m/min時，不加電的情況下，分級捕集效率最大值可達94%，當電壓達到最大值45KV時，分級捕集效率最大值可達99.8%；當過濾風速為1.5m/min時，這兩個數值分別為93%和99.7%；當過濾風速為2.0m/min時分別為92.8%和99.6%。前、后半部分電場結構的情況下也具有相同規律，無論是最大效率值還是平均值都有所減小，這說明過濾風速越大越不利于除塵器對粉塵的捕集。

為了更全面的研究過濾風速對除塵效率的影響，我們利用膜托裝置和分析天平，采用稱重法對總捕集效率進行測定。過濾風速扔選取1.0m/min、1.5m/min和2.0m/min，得到數據如圖5所示。

從圖5中可以看出無論哪一種電場結構，顆粒物的總捕集效率都隨電壓升高而增大，保留前半部分電場與后半部分電場兩種結構總捕集效率并未有明顯差異，而完整電場結構下總捕集效率稍高一些。每種結構下都可以清楚看到隨著過濾風速的增加，總捕集效率在下降。

對其進行機理分析，顆粒物在除塵器內運動過程中首先經過電除塵部分，電除塵部分通過粉塵的荷電和捕集過程可以對大部分顆粒進行捕集，當過濾風速增加時，粉塵從電場中通過的時間會縮小，因此在經過相同電場時，粉塵顆粒的荷電效果變差，可能會有一部分粉塵顆粒不能有效荷電，同時由于停留時間短，捕集效果也會變差，這樣從這電除塵部分逃逸出來的粉塵顆粒不但數量增多且單顆粒電荷量也減少。在布袋除塵部分，帶電顆粒會在布袋上形成疏松多孔的荷電粉塵層，荷電粉塵層對顆粒具有一定的捕集作用，尤其是在捕集后期，對顆粒物的捕集主要是由粉塵層來完成。由于過濾風速的增大，導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，同時由于過濾風速的增大，濾袋兩側壓差變大，會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，首先在不發生粉塵和不通電的情況下，考察濾袋前后壓降與過濾風速之間的關系。如圖6所示，布袋前后壓降與過濾風速基本呈線性關系，壓降隨過濾風速的增大而增大。通過線性擬合得到線性相關指數可達99%以上，得到布袋前后壓降與過濾風速的關系式y=252.02x-45.63。

在此基礎上，我們選取過濾風速為2.0m/min，通過改變電壓觀察布袋前后壓降隨時間變化情況，如圖7所示。隨著除塵器工作時間的增加，粉塵會逐漸覆蓋在濾布表面，因此布袋前后壓降會持續增加。在電壓為0KV時，工作兩小時后布袋前后壓降可達1000Pa，但隨著電壓的升高，達到這一壓降所需時間逐漸增加。當電壓為25KV時，布袋前后壓降達到1000Pa需要四個小時以上。

造成這一結果的主要原因是，電壓升高后有利于電除塵部分對粉塵的荷電與捕集，一方面電壓升高后電除塵部分對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 結語

本實驗研究了電壓、過濾風速和電場結構對電袋除塵器捕集效率的影響，同時也研究了布袋前后壓降與過濾風速和電壓的關系，通過對實驗結果的分析，得到如下結論：

（1）顆粒物的捕集效與電壓成正相關，與過濾風速成負相關。

（2）保留前半部分電場或后半部分電場兩種情況下捕集效率無明顯差異，但與完整電場情況相比有所降低。

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

后續會對這些變量對除塵性能的影響做更深入的分析研究，包括量化關系以及機理的探究，同時也會對影響電袋除塵器除塵性能的其他因素進行實驗研究，包括粉塵種類，空氣濕度等因素，希望對電袋除塵器的工程應用提供借鑒和參考。

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作者簡介：

趙毅（1956-），男，滿族，河北省秦皇島人，教授，博士生導師，研究方向為大氣與水污染控制工程。endprint