電袋復(fù)合除塵器脫除細(xì)顆粒物的效率影響因素研究*

朱召平

(福建龍凈環(huán)保股份有限公司，國(guó)家環(huán)境保護(hù)電力工業(yè)煙塵治理工程技術(shù)中心，福建 龍巖 364000)

細(xì)顆粒物(PM2.5)易于富集空氣中的有毒重金屬、酸性氧化物及有機(jī)污染物等，又因其具有可吸入肺的特性，所以對(duì)人體健康的危害極大[1-3]。雖然我國(guó)《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095—2012)對(duì)PM2.5進(jìn)行了限定，但對(duì)燃燒源的PM2.5排放未有相關(guān)限制標(biāo)準(zhǔn)，但必將對(duì)燃燒源的PM2.5排放進(jìn)行限制[4]。除塵技術(shù)是目前脫除燃燒源顆粒物的重要途徑，已從最初的靜電除塵技術(shù)和袋式除塵技術(shù)逐步發(fā)展到了電袋復(fù)合除塵技術(shù)等。電袋復(fù)合除塵技術(shù)[5-6]采用靜電+袋式耦合的方式，一定程度上解決了靜電除塵器脫除PM2.5效果差、袋式除塵器運(yùn)行阻力大的問(wèn)題[7]，逐漸成為了除塵行業(yè)的主流技術(shù)，但由于電袋復(fù)合除塵器發(fā)展時(shí)間較短[8-9]，對(duì)提高其脫除PM2.5的效率還有較大研究空間。

工程上濾袋通常由聚苯硫醚(PPS)和聚四氟乙烯(PTFE)組成，其中PPS纖維有常規(guī)纖維和超細(xì)纖維之分[10]。濾袋材質(zhì)和后處理工藝都會(huì)對(duì)除塵效率造成影響[11-12]，本研究選取了工程上常見(jiàn)的6種典型濾袋材質(zhì)，對(duì)比了涂層、浸漬、覆膜3種后處理工藝。過(guò)濾風(fēng)速和運(yùn)行阻力也都是影響電袋復(fù)合除塵器除塵效率的重要參數(shù)[13]，工程上過(guò)濾風(fēng)速一般選擇0.8～2.0 m/min[14]，本研究選取1.3、1.5、1.7 m/min進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。電袋復(fù)合除塵器的運(yùn)行阻力一般≤1 200 Pa[15]，本研究選取650、800、1 000 Pa進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。針刺線、芒刺線等常用于靜電除塵[16]，因此比較了工程上廣泛應(yīng)用的CS10A針刺線和RS芒刺線的除塵效率。增強(qiáng)電袋復(fù)合除塵器是一種新型的電袋復(fù)合除塵器，通過(guò)增強(qiáng)“電”與“袋”的耦合作用強(qiáng)化PM2.5凝并以提高對(duì)其捕集效率[17]，因此本研究對(duì)比了增強(qiáng)電袋復(fù)合除塵器和常規(guī)電袋復(fù)合除塵器的性能。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

在自行搭建的電袋復(fù)合除塵器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上開(kāi)展相關(guān)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主體結(jié)構(gòu)如圖1所示，濾袋規(guī)格為Φ160 mm×8 500 mm，總過(guò)濾面積為44 m2，入口煙塵質(zhì)量濃度約為20 g/m3，設(shè)計(jì)出口煙塵排放質(zhì)量濃度<10 mg/m3。

1—進(jìn)口喇叭；2—灰斗；3—樓梯走道；4—?dú)んw；5—電袋區(qū)；6—頂室；7—陽(yáng)極系統(tǒng)；8—陰極系統(tǒng)；9—檢測(cè)裝置；10—清灰系統(tǒng)圖1 電袋復(fù)合除塵器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.1 Experimental platform of electrostatic-fabric integrated precipitator

常規(guī)電袋復(fù)合除塵器采用電區(qū)+袋區(qū)結(jié)構(gòu)，利用其研究不同后處理工藝、濾袋材質(zhì)、運(yùn)行阻力、過(guò)濾風(fēng)速、極配形式對(duì)脫除PM2.5的效率影響。濾袋材質(zhì)包括100%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)PPS常規(guī)纖維+PTFE基布常規(guī)型(A型)、50% PPS常規(guī)纖維+50% PTFE纖維+PTFE基布混紡型(B型)、70%PPS常規(guī)纖維+30% PPS超細(xì)纖維+PTFE基布混紡型(C型)、70% PPS常規(guī)纖維+30% PPS超細(xì)纖維+PTFE基布梯度型(D型)、100% PPS常規(guī)纖維+PTFE基布覆膜型(E型)、50% PPS常規(guī)纖維+50% PTFE纖維+PTFE基布覆膜梯度型(F型)6種。然后將常規(guī)電袋復(fù)合除塵器改造成增強(qiáng)電袋復(fù)合除塵器，在電袋區(qū)保留原電區(qū)不變，將袋區(qū)改造成“電”與“袋”的混合區(qū)，即采用電區(qū)+混合區(qū)結(jié)構(gòu)，用以對(duì)比研究不同電袋結(jié)構(gòu)對(duì)脫除PM2.5效率的影響。

1.2 測(cè)試方法及儀器

本研究根據(jù)美國(guó)環(huán)境保護(hù)署的標(biāo)準(zhǔn)方法[18]采用芬蘭Dekati公司的荷電低壓撞擊器(ELPI)對(duì)PM2.5脫除效率和煙塵總脫除效率進(jìn)行測(cè)試。

1.3 實(shí)驗(yàn)工況設(shè)計(jì)

分別控制后處理工藝、濾袋材質(zhì)、運(yùn)行阻力、過(guò)濾風(fēng)速、極配形式、電袋結(jié)構(gòu)進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，具體實(shí)驗(yàn)工況設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

2 結(jié)果與討論

2.1 后處理工藝對(duì)電袋復(fù)合除塵器脫除PM2.5的影響

從圖2可以看出，涂層、浸漬和覆膜3種后處理工藝對(duì)煙塵總脫除效率相差不大，分別為99.997 0%、99.996 1%、99.999 0%，其中覆膜比涂層高0.002 0百分點(diǎn)，比浸漬高0.002 9百分點(diǎn)，與寇婉婷等[19]、劉興成等[20]發(fā)現(xiàn)的覆膜優(yōu)于涂層、涂層優(yōu)于浸漬的結(jié)果相符。涂層、浸漬和覆膜3種后處理工藝對(duì)PM2.5脫除效率分別為99.901 3%、99.967 4%、99.992 0%，差異較大，覆膜比涂層高0.090 7百分點(diǎn)，比浸漬高0.024 6百分點(diǎn)。不同后處理工藝后主要改變的是濾袋材質(zhì)的孔徑，而濾袋的過(guò)濾性能很大程度上取決于濾袋材質(zhì)的孔徑大小，孔徑越小，一般對(duì)顆粒物的收集效率越高。因此，濾袋后處理工藝宜選用覆膜后處理工藝。

2.2 濾袋材質(zhì)對(duì)電袋復(fù)合除塵器脫除PM2.5的影響

從圖3可知，A～F型6種濾袋材質(zhì)對(duì)煙塵總脫除效率分別為99.997 0%、99.996 9%、99.991 1%、99.998 8%、99.999 7%、99.999 5%，對(duì)PM2.5脫除效率分別為99.901 3%、99.912 8%、99.870 0%、99.968 5%、99.998 3%、99.998 1%。可以看出，覆膜型濾袋材質(zhì)對(duì)提高煙塵總脫除效率和PM2.5脫除效率都最好。覆膜型濾袋材質(zhì)的孔徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于非覆膜型濾袋材質(zhì)[21]。濾袋的過(guò)濾方式分為深層過(guò)濾和表面過(guò)濾。當(dāng)含塵氣體通過(guò)濾袋時(shí)，非覆膜型濾袋材質(zhì)先以深層過(guò)濾方式過(guò)濾，即通過(guò)濾料纖維間孔隙將粉塵攔截，隨著過(guò)濾時(shí)間延長(zhǎng)，濾料表面孔隙變小才形成了表面過(guò)濾，除塵效率才增大[22]。而覆膜型濾袋材質(zhì)利用微孔薄膜的篩濾作用，始終是真正的表面過(guò)濾[23]。因此，濾袋材質(zhì)建議選用E型。

表1 實(shí)驗(yàn)工況設(shè)計(jì)Table 1 Experimental conditions design

圖2 不同后處理工藝對(duì)過(guò)濾效率的影響Fig.2 The influence of different post-treatment processes on filtration efficiency

圖3 不同濾袋材質(zhì)對(duì)過(guò)濾效率的影響Fig.3 The influence of different filter material qualities on filtration efficiency

2.3 運(yùn)行阻力對(duì)電袋復(fù)合除塵器脫除PM2.5的影響

由圖4可以看出，隨著運(yùn)行阻力增大，電袋復(fù)合除塵器的煙塵總脫除效率和PM2.5脫除效率提高，但由于煙塵總脫除效率總體已超過(guò)99.9%所以提高幅度不大，而對(duì)PM2.5的脫除效率提高較為明顯。原因是隨著運(yùn)行阻力增加，即清灰周期延長(zhǎng)，濾袋表面形成的粉餅層變厚，可以更有效地?cái)r截顆粒粉塵，提高電袋復(fù)合除塵器對(duì)PM2.5的脫除效率。當(dāng)運(yùn)行阻力從650 Pa增加到800 Pa時(shí)，電袋復(fù)合除塵器對(duì)PM2.5脫除效率提高了0.119 0百分點(diǎn)；當(dāng)運(yùn)行阻力從800 Pa增加到1 000 Pa時(shí)，電袋復(fù)合除塵器對(duì)PM2.5的脫除效率又提高了0.067 0百分點(diǎn)。因此，運(yùn)行阻力選擇1 000 Pa為宜。

圖4 不同運(yùn)行阻力對(duì)過(guò)濾效率的影響Fig.4 The influence of different running resistance on filtration efficiency

2.4 過(guò)濾風(fēng)速對(duì)電袋復(fù)合除塵器脫除PM2.5的影響

由2.1節(jié)至2.3節(jié)可以清楚地看到，電袋復(fù)合除塵器的煙塵總脫除效率已相當(dāng)高，因此2.4節(jié)和2.5節(jié)就暫不考慮煙塵總脫除效率。由圖5可以看出，電袋復(fù)合除塵器對(duì)PM2.5脫除效率隨過(guò)濾風(fēng)速增大而下降，過(guò)濾風(fēng)速?gòu)?.3 m/min提高到1.5 m/min，電袋復(fù)合除塵器對(duì)PM2.5脫除效率下降了0.008 0百分點(diǎn)，過(guò)濾風(fēng)速?gòu)?.5 m/min提高到1.7 m/min，電袋復(fù)合除塵器對(duì)PM2.5脫除效率又下降了0.008 0百分點(diǎn)。根據(jù)濾袋材質(zhì)的過(guò)濾機(jī)理可知，過(guò)濾風(fēng)速越大，煙塵的動(dòng)能越大，越難被濾料纖維和濾料表面形成的塵膜截留。有研究發(fā)現(xiàn)，煙塵排放濃度與過(guò)濾風(fēng)速的平方成正比[24]。因此，過(guò)濾風(fēng)速宜選擇1.3 m/min。

圖5 不同過(guò)濾風(fēng)速對(duì)過(guò)濾效率的影響Fig.5 The influence of different filtration wind speeds on filtration efficiency

2.5 極配形式對(duì)電袋復(fù)合除塵器脫除PM2.5的影響

由圖6可以看出，在入口煙塵質(zhì)量濃度分別約為10、20、30 g/m3的條件下均發(fā)現(xiàn)芒刺線對(duì)PM2.5脫除效率比針刺線高，分別高0.010 0百分點(diǎn)、0.048 0百分點(diǎn)、0.023 0百分點(diǎn)。因此，采用芒刺線時(shí)，電袋復(fù)合除塵器脫除PM2.5效率優(yōu)于針刺線。

圖6 不同極配形式對(duì)過(guò)濾效率的影響Fig.6 The influence of different pole configurations on filtration efficiency

2.6 電袋結(jié)構(gòu)對(duì)電袋復(fù)合除塵器脫除PM2.5的影響

從表2可以看出，全運(yùn)行時(shí)，常規(guī)電袋復(fù)合除塵器出口煙塵質(zhì)量濃度是增強(qiáng)電袋復(fù)合除塵器的2.6倍，煙塵總脫除效率降低了0.026 9百分點(diǎn)；電區(qū)停運(yùn)時(shí)，常規(guī)電袋復(fù)合除塵器出口煙塵質(zhì)量濃度是增強(qiáng)電袋復(fù)合除塵器的2.4倍，煙塵總脫除效率降低了0.020 5百分點(diǎn)。

此外，全運(yùn)行時(shí)，常規(guī)電袋復(fù)合除塵器出口PM2.5質(zhì)量濃度是增強(qiáng)電袋復(fù)合除塵器的1.6倍，PM2.5脫除效率降低了0.134 4百分點(diǎn)；電區(qū)停運(yùn)時(shí)，常規(guī)電袋復(fù)合除塵器出口PM2.5質(zhì)量濃度是增強(qiáng)電袋復(fù)合除塵器的1.5倍，PM2.5脫除效率降低了0.201 4百分點(diǎn)。由此說(shuō)明，增強(qiáng)電袋復(fù)合除塵器過(guò)濾效率更高，更有利于捕集PM2.5，而且增強(qiáng)電袋復(fù)合除塵器的出口煙塵排放濃度符合設(shè)計(jì)要求，而常規(guī)電袋復(fù)合除塵器達(dá)不到。比較全運(yùn)行和電區(qū)停運(yùn)的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，混合區(qū)對(duì)脫除煙塵和PM2.5效果起到至關(guān)重要的作用。

相比常規(guī)電袋復(fù)合除塵器，增強(qiáng)電袋復(fù)合除塵器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了其荷電顆粒到達(dá)濾袋表面的時(shí)間更短，荷電量衰減更小。因此，增強(qiáng)電袋復(fù)合除塵器在脫除煙塵，尤其是脫除PM2.5上更有優(yōu)勢(shì)。

3 結(jié) 論

增強(qiáng)“電”與“袋”耦合作用強(qiáng)化PM2.5凝并以提高對(duì)其捕集效率的增強(qiáng)電袋復(fù)合除塵器在脫除煙塵，尤其是脫除PM2.5上比常規(guī)電袋復(fù)合除塵器更有優(yōu)勢(shì)，建議選用100% PPS常規(guī)纖維+PTFE基布覆膜型濾袋材質(zhì)，濾袋后處理工藝用覆膜，運(yùn)行阻力選擇1 000 Pa，過(guò)濾風(fēng)速選擇1.3 m/min，極配形式用RS芒刺線。