電袋復合除塵器阻力特性研究*

張仕鼎 閆東杰# 黃學敏 雷 華 何西榮 李凌霄 羅應博

(1.西安建筑科技大學環境與市政工程學院,陜西 西安 710055;2.西安西礦環保科技有限公司,陜西 西安 710015)

電袋復合除塵器阻力特性研究*

張仕鼎1閆東杰1#黃學敏1雷 華2何西榮2李凌霄2羅應博1

(1.西安建筑科技大學環境與市政工程學院,陜西 西安 710055;2.西安西礦環保科技有限公司,陜西 西安 710015)

利用電袋復合除塵器試驗平臺，探討了清潔濾料過濾阻力特性、電場與過濾風速對過濾阻力的影響及本體阻力與測試風量的關系。結果表明：清潔濾料過濾阻力與過濾風速成線性關系，濾料阻力系數為5.39×107m_1；無電場作用下，過濾阻力增長率為2.31Pa/min；而65kV電場作用下，過濾阻力增長率僅為0.63Pa/min，主要因為在電場作用下，顆粒層滲透率增大，且荷電粉塵在濾料表面排列疏松，空隙較多，過濾阻力增加慢，可以有效延長噴吹時間，減少噴吹過程對濾袋的沖刷；過濾阻力增長率隨過濾風速的增加而增加，過濾風速由0.65m/min增加到0.97m/min，過濾阻力增長率由0.13Pa/min增加到0.63Pa/min；電袋復合除塵器本體阻力(ΔP，Pa)和測試風量(Q，m3/s)的擬合方程為ΔP=72.15Q2+25.07Q。

電袋復合除塵器 過濾阻力 過濾風速 本體阻力

電袋復合除塵器是充分結合電除塵器與袋式除塵器的技術特點，通過一定的形式組合起來的除塵設備，具有除塵效率高、投資費用少等優點[1]，可用于收集工業生產過程中鍋爐、爐窯等裝置產生的粉塵。電袋復合除塵器分為串聯式和嵌入式[2]，兩者的共同點在于依托靜電力的作用，但結構上的不同導致其適用范圍和研究方向上的差異。串聯式電袋復合除塵器由美國電力研究所(EPRI)的CHANG[3]研制并取得了專利，隨后推廣應用。NODA等[4]研究了溫度對電袋復合除塵器性能的影響。CHOI等[5]發現，預荷電粉塵與未荷電粉塵在濾料表面的過濾試驗相比，粉塵排列結構明顯不同，濾袋前后壓差減小。美國在Big Brown電站和Otter Tail電力公司電廠進行電袋復合除塵器試運行，設備長期運行性能穩定，除塵效率能達到99.99%以上[6]。在我國，隨著環保標準的日趨嚴格[7_9]，單一的除塵技術難以滿足對微細粉塵的去除要求，工業企業選擇將原有的電除塵器保留一部分除塵電場，而將另外一部分改造為濾袋區，成為串聯式電袋除塵器。單一除塵電場可以收集80%～90%的粉塵，經過除塵電場后，煙塵中大量的粉塵被收集，濾袋區的煙塵濃度大大降低[10]。靜電力的作用使電袋復合除塵器對亞微米粒子的捕集效率增加顯著[11_12]。王勇等[13]對燃煤電廠的電除塵器、袋式除塵器、電袋復合除塵器進行了性能測試得出：電除塵器對PM10的分級捕集效率僅44%，對PM2.5的分級捕集效率僅16%；電袋復合除塵器和袋式除塵器對PM10的分級捕集效率均在90%以上，且兩者對PM2.5的分級捕集效率在30%以上，均遠高于電除塵器。與相同條件下的袋式除塵器相比，靜電力的作用使電袋復合除塵器濾袋表面粉塵層的壓力損失大大降低[14]。朱永超等[15]研制了新型電袋復合除塵器，考察了其壓力損失、清灰周期的變化規律。

電袋除塵技術目前尚處于應用研究的初始階段，盡管已有了一些成功的應用，但是人們尚缺乏對這一類除塵技術機制的研究，尤其是缺少阻力特性對除塵器性能影響的探討。本研究利用西安西礦環保科技有限公司的電袋復合除塵器，考察清潔濾料過濾阻力特性、不同電場條件和不同過濾風速條件下過濾阻力與運行時間的變化情況、系統本體阻力與測試風量的關系，為實際工程提供數據參考。

1 裝置與方法

1.1 試驗裝置

如圖1所示，由引風機作用，通過喂料機輸入的粉塵與氣流充分混合形成試驗煙塵流，依次進入電場區、濾袋區，從而完成粉塵的捕集，清潔的氣體經凈氣室通過煙囪排出。系統風量0～4 800 m3/h；電場區1個，設3個通道，同極距400 mm，電場橫斷面積2.4 m2，有效長度1.92 m，陰極型號為V15，陽極型號為ZT24，繞臂錘機械振打；電除塵硅整流高頻變壓器額定輸入電壓(交流電)515 V，額定輸入電流15 A，額定輸出電壓66 kV，額定輸出電流100 mA；濾袋66條(30條為Φ160 mm×1 900 mm，36條為Φ160 mm×2 100 mm)，材質為滌綸針刺氈，總過濾面積66.62 m2。

1—喂料機；2—壓力表；3—采樣孔；4—電場區供電設備；5—灰斗； 6—電袋復合除塵器；7—陽極振打裝置；8—陰極振打裝置； 9—凈氣室；10—引風機；11—煙囪圖1 試驗流程示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental facilities

1.2 試驗粉塵與測試方法

試驗使用的粉塵是來自于某水泥廠的生料。其物化性質與測試方法見表1。真密度、堆積密度和含濕量依據《粉塵物性試驗方法》(GB 16913—2008)測定；比電阻采用DR_3粉塵比電阻試驗臺測定；中位粒徑采用LS230激光粒度分析儀測定。

表1 粉塵的物化性質與測試方法

注：1)在25 ℃、4 kV下測得。

試驗過程中，利用溫濕度計測定環境空氣溫度、濕度；利用3012H自動煙塵分析儀采樣，并測定靜壓、動壓，計算得到粉塵濃度、系統流量；利用GP3S22M4B3壓力表(量程為0～3 000 Pa)來進行壓力測定。由于采樣孔處煙氣溫度相同，且標高相差不大，煙氣流速基本相等，即動壓基本相等，所以本體阻力可以近似為進出口靜壓的差值：

ΔP=Pj_Pj’

(1)

式中:ΔP為本體阻力，Pa；Pj、Pj’分別為進口與出口的靜壓，Pa。

2 結果與分析

2.1 清潔濾料過濾阻力特性

為了確定清潔濾料過濾阻力特性，測定不同過濾風速下清潔濾料過濾阻力，結果見圖2。

從圖2可以看出，清潔濾料過濾阻力(ΔPf，Pa)與過濾風速(v，m/s)成線性關系，擬合方程為ΔPf=976.34v，R=0.994 1，相關性較好。根據達西方程[16]214_215可計算出清潔濾料的阻力系數(ζ，m_1)為5.39×107m_1。達西方程如下：

ΔPf=μζv

(2)

式中：μ為干空氣黏度，Pa·s，20 ℃干空氣黏度為1.81×10_5Pa·s。

再根據式(3)可計算出清潔濾料的滲透率(K，m2)為3.71×10_11m2。

ζ=x/K

(3)

式中：x為清潔濾料的厚度，m，本研究取0.002 m。

圖2 清潔濾料過濾阻力與過濾風速的關系Fig.2 The relationship between filtration resistance of clean fabric material and filtration velocity

2.2 電場對過濾阻力的影響

試驗參數：試驗風量3 900 m3/h，粉塵質量濃度3.7 g/m3，溫度22 ℃，相對濕度99%，電場區電源工作電壓65 kV，電場風速0.38 m/s，過濾風速0.97 m/min。系統運行65 min，每隔30 s記錄壓力表數值，得到過濾阻力與運行時間的關系，見圖3。

圖3 不同電場條件下過濾阻力與運行時間的關系Fig.3 The relationship between filtration resistance and running time under different electrostatic field condition

根據圖3計算：在電場力的作用下，過濾阻力增長率為0.63 Pa/min；而無電場作用下，過濾阻力增長率為2.31 Pa/min。這說明，在電場力的作用下，大部分的粉塵已在電場區被去除，而少部分的粉塵在濾袋表面進行富集；同時，粉塵荷電后排列比較松散，空隙較多，阻力較小。因此，粉塵荷電后過濾阻力增長慢，能有效延長噴吹周期，減少對濾袋的沖刷。

圖4為運行65 min后，濾袋上的粉塵照片。從圖4可以看出，未荷電粉塵在濾袋表面形成的結構比較稠密，而荷電粉塵在濾袋上形成較疏松的結構。這是因為帶同種電荷的粉塵顆粒之間產生靜電力作用，形成有序的排列結構，并導致顆粒的間距相對較大。

濾袋壓力損失(ΔP’，Pa)由清潔濾料過濾阻力和顆粒層阻力(ΔPp，Pa)組成[16]215_216，即ΔP’=ΔPf+ΔPp。其中，ΔPf為15.5 Pa，ΔPp可根據式(4)計算得出：

圖4 濾袋上積累的粉塵Fig.4 The pictures of accumulated dust on filter_bag

ΔPp=Rpv2ρt=RpvM/A

(4)

式中：Rp為粉塵比阻力系數，s_1；ρ為進入濾袋區的粉塵質量濃度，kg/m3，可利用重力沉降室效率和電場效率公式得到；t為運行時間，s；M為容塵量，kg；A為濾袋過濾面積，m2，本研究取66.62 m2。

顆粒層滲透率(Kp，m2)可根據式(5)計算：

Rp=μg/(Kpρc)

(5)

式中：ρc為堆積密度，kg/m3，本研究取450 kg/m3；μg為空氣黏度，Pa·s，本研究取1.81×10_5Pa·s。

粉塵在濾袋表面的顆粒層厚度(xp，m)可根據式(6)計算：

xp=M/(Aρc)

(6)

依據式(4)至式(6)，無電場與65 kV電場下ΔPp、M、xp與Kp等參數的對比見表2。從表2可以看出，在粉塵荷電的情況下，顆粒層滲透率增大，顆粒層較薄，導致顆粒層阻力較小且增長緩慢。

表2 不同電場條件下的過濾阻力參數對比

2.3 過濾風速對過濾阻力的影響

試驗參數：粉塵質量濃度3.5 g/m3，溫度21 ℃，相對濕度61%，電場區電源工作電壓65 kV。系統運行150 min，每隔30 s記錄壓力表數值，得到過濾阻力與運行時間的關系，見圖5。

從圖5可以看出：在同一過濾風速下，隨著運行時間的延長，過濾阻力逐漸增加；隨著過濾風速的升高，過濾阻力及其增長率均逐漸增加。當過濾風速由0.65 m/min增加到0.97 m/min，過濾阻力增長率由0.13 Pa/min增加到0.63 Pa/min。在過濾風速為0.65 m/min時，過濾阻力曲線出現明顯的臺階狀，這可能是因為粉塵在濾袋表面滑落。

表3 不同風機頻率下各段靜壓及壓力損失

圖5 不同過濾風速下過濾阻力與運行時間的關系Fig.5 The relationship between filtration resistance and running time under different filtration velocity

2.4 本體阻力與測試風量的關系

試驗參數：溫度19 ℃，相對濕度64%。在清潔空氣、清潔濾料條件下，系統各段的靜壓及壓力損失見表3。本體阻力與測試風量的擬合關系如圖6所示。

圖6 本體阻力與測試風量的擬合關系Fig.6 The fitting relationship between pressure drop and gas volume

從表3、圖6可以看出，在清潔空氣和清潔濾料條件下，隨著風機頻率的增加，測試風量增加，進口管道靜壓與出口管道靜壓均增加，計算得到的系統的本體阻力也隨之增加。為了更好地研究系統的性能，將本體阻力與測試風量(Q，m3/s)作曲線擬合，擬合方程為ΔP=72.15Q2+25.07Q，R=0.993 1，相關性較好。

3 結 論

(1) 清潔濾料過濾阻力隨著過濾風速的增加而增加，兩者成線性關系，擬合得到方程ΔPf=976.34v，R=0.994 1，相關性較好。由達西方程得到滌綸針刺氈濾料的阻力系數為5.39×107m_1，滲透率為3.71×10_11m2。

(2) 65 kV電場作用下，過濾阻力增長率(0.63 Pa/min)遠小于無電場作用下的過濾阻力增長率(2.31 Pa/min)，荷電粉塵在濾料表面排列疏松，顆粒層滲透率比無電場作用下大，可以有效延長噴吹周期，減少噴吹過程對濾袋的沖刷。

(3) 過濾阻力增長率隨著過濾風速增加而增加。過濾風速由0.65 m/min增加到0.97 m/min時，過濾阻力增長率由0.13 Pa/min增加到0.63 Pa/min。

(4) 電袋復合除塵器本體阻力和測試風量的擬合方程為：ΔP=72.15Q2+25.07Q，R=0.993 1，相關性較好。

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Resistancecharacteristicsofelectrostatic_fabricintegratedprecipitator

ZHANGShiding1,YANDongjie1,HUANGXuemin1,LEIHua2,HEXirong2,LILingxiao2,LUOYingbo1.

(1.SchoolofEnvironment&MunicipalEngineering,Xi’anUniversityofArchitecture&Technology,Xi’anShaanxi710055;2.Xi’anMineEnvironmentProtectionTechnologyCo.，Ltd.,Xi’anShaanxi710015)

By experimental platform of electrostatic_fabric integrated precipitator,the effect of resistance characteristics of clean filter material,electrostatic field and filtration velocity on filtration resistance,and the relationship between the system pressure drop and gas volume had been discussed. Results indicated that filtration resistance of clean filter material was linearly proportional to filtration velocity,and resistance coefficient of clean filter material was 5.39×107m_1. Under the action of non_electrostatic field,growth rate of filtration resistance of filter material was 2.31 Pa/min while it was only 0.63 Pa/min when the 65 kV electrostatic field worked. The permeability of particles layer increased with the action of electrostatic field and charged dust loosely arranged on the surface of the filter material. Comparison with non_charged dust,more room were occupied by charged dust,which contributed to slow increasement of filtration resistance. So it could effectively extend cleaning cycle and reduce the erosion of filter bag during cleaning processes. Growth rate of filtration resistance increased gradually from 0.13 Pa/min to 0.63 Pa/min with rising filtration velocity from 0.65 m/min to 0.97 m/min. The computational formula between the system pressure drop (ΔP,Pa) and gas volume (Q,m3/s) was expressed as ΔP=72.15Q2+25.07Q.

electrostatic_fabric integrated precipitator; filtration resistance; filtration velocity; pressure drop

10.15985/j.cnki.1001_3865.2017.01.010

2015_12_03)

張仕鼎，男，1989年生，碩士研究生，研究方向為大氣污染控制理論與技術。#

。

*國家自然科學基金資助項目(No.51408455)。