（机械电子工程专业论文）燃煤电厂分室反吹袋式除尘设备的研究与设计.pdf

摘要 随着我国对环境保护要求的日渐提高，按照国家新的火电厂大气污染物排 放标准，电除尘设备己不能满足火电厂锅炉烟尘排放浓度的要求。因此，研究 和开发适合火电厂需要的新型除尘设备不仅是电力生产的需要，也是国家对环 境保护的要求，本课题正是针对这种情况提出的。 本文结合燃煤电厂的特点，确定了高效袋式除尘设备的基本结构形式和总 体技术方案：完善了此类设备的系统设计和主要部件的选型设计方法。本文还 专门对除尘设各进气口处烟气的气流分布进行了深入研究，应用f l u e n t 数值模 拟软件对除尘设备进气口放置气流分布板前后气流的分布状况进行了数值模 拟。结果表明，放置气流分布板后的气流分布情况明显优于未放置之前的情 况，气流分布较为均匀。 在研究燃煤电厂的反吹袋式除尘器的设计方法的基础上，文章讨论了一个 典型机组的反吹袋式除尘器的设计。 关键词：袋式除尘设备，系统设计，气流分布，数值模拟 a b s t r a c t w i t hp e o p l e sp a y i n gm o r ea t t e n t i o nt oe n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n ，a c c o r d i n gt o t h es t a t e sn e we m i s s i o ns t a n d a r do fa i rp o l l u t a n t sf o rt h e r m a lp o w e rp l a n t s ， e l e c t r i cd u s tc o l l e c t i n ge q u i p m e n th a s n tm e tt h er e q u i r e m e n tf o rt h eb o i l e r s m o k ea n dd u s tl e t o u tc o n c e n t r a t i o na n ym o r e t h e r e f o r e ，i t sn o to n l yt h en e e d f o rp o w e rp r o d u c t i o nt os t u d ya n dd e v e l o pn e w - t y p ed u s tc o l l e c t i n ge q u i p m e n t t h a ta d a p t st ot h ec o a l - f i r e dp o w e rp l a n t ，b u ta l s ot h en e e df o re n v i r o n m e n t p r o t e c t i o n t h et o p i ci sp u tf o r w a r di nt h i ss i t u a t i o n c o n s i d e r i n gt h ec h a r a c t e r i s t i co f t h et h e r m a lp o w e rp l a n t si nt h i st h e s i s ，t h eb a s i c s t r u c t u r eo fah i g he f f i c i e n c yp r e c i p i t a t o ra n dt h ep r i m a r ys c h e m ei sd e s i g n e da n di t s s y s t e md e s i g na n ds o m em a i np a r t sa r ed e v e l o p e d i na d d i t i o n ，ad e e pr e s e a r c hi s m a d eo na i r f l o wd i s t r i b u t i o ni nt h ee n t r a n c eo f t h ee q u i p m e n t a n df l u e n ts o r w a r ei s u s e dt os i m u l a t et h ea i r f l 0 wd i s t r i b u t i o nb e f o r ea n da f t e rt h ea i r f l o wd i s t r i b u t i o nb o a r d i nt h eg a s - i nb o x t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h ea i r f l o wd i s t r i b u t i o ni sm o r e p r o p o r t i o n a la f t e rp u t t i n gt h ea i r f l o w - d i s t r i b u t i o nb o a r di nt h eg a s - i nb o x a s p e c i a ld e s i g np r o c e d u r eo ft h ep r e c i p i t a t o ro fr e v e r s eb l o wi ss u m m a r i z e d ， b a s e do nw h i c hat y p i c a ld e s i g ni sf m i s h e d k u a n gz h i f a n g ( m e c h a n i c a la n de l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f r u ix i a o m i n g k e yw o r d s ：p r e c i p i t a t o r , s y s t e md e s i g n ，a i r f l o wd i s t r i b u t i o n ，n u m e r i c a l s i m u l a t i o n 声明 y 搴6 7 7 骢 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文(，是本人在 华北电力大学致读硕士学位期闻，谯导师攒是下进行的研究互作和取得驰研究成 果。据本人所知，除_ 文中_ 特别加以标注彝彀谶誊楚外，论塞中不包禽其他人已 经发表或撰写过的研究戚暴，也不包畲为获得牮北电力大学藏其他教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我- r 司- r 作的茼志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学诬论变稼蒲签灞：臼期； 美手学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即；学校有 权保管、并向有关酃门送变学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩 l 印或其它复制手段篡制并保存学位论文；学校可允许学位论文被耷阅或借阕； 学校可以学术交流为目的，复制赠送和变换学位论文；同意学校可以用不同 方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全都或部分内容。 创漓的学位论文在解密意遵寄此巍舞翁 作者签名：阻 日 期：趔：! ：! f 导师签名； 日期：墼 华北电力大学( 北京) 硕士论文稿纸 1 1 选题的背景和意义 第一章绪论 燃煤电厂生产过程所排放烟气中的污染物对环境、生产和人体健康的影响较大。其 中对人体健康的危害包括急性和慢性两个方面，急性危害一般出现在厂区及其附近地 区，慢性危害则是由于污染物直接或间接地长期作用下对人体健康机能造成的危害。此 外，会给农业生产带来很大的经济损失，造成农作物大幅度减产。对于电厂本身，除尘 器出口排烟含尘浓度大，会加剧烟道和引风机的磨损，影响机组的安全稳定运行，影响 发电。 为了改善大气质量，我国于2 0 0 4 年1 月1 日颁布的燃煤电厂大气污染物排放标 准，对烟、烟尘、二氧化硫、氮氧化物排放限值都做了更为严格的规定，其中对烟尘 排放规定要控制在5 0 m g m 3 ( 标态) 以下。这实际上是对火电机组除尘工作提出了新 的要求，因为5 0 m g m 3 ( 标态) 的排放限值要求采用更有效的除尘技术和设备，并要 求在选用脱硫工艺的同时考虑除尘要求。 除尘器是电厂净化烟气的关键设备，生产中通常包括以下几种除尘器： 重力除尘器其工作原理是：含尘气体通过管道的扩大部分( 重力沉降室) ，流速 大大降低，较大尘粒即在重力作用下沉降下来。为避免气流旋涡将已沉降尘粒带起，常 在沉降室加挡板。 惯性力除尘器其工作原理是：含尘气流冲击在挡板或滤层上，气流急转，尘粒 即在惯性力作用下与气流分离。有碰撞型和回转型两类。惯性力除尘器适用于捕集粒径 1 0 微米以上的尘粒，因易堵塞，对黏结性和纤维性粉尘不适用，其压力损失因结构而异， 一般为3 0 7 0 毫米水柱。除尘效率为5 0 7 0 。 离心力除尘器其工作原理是：利用气流在旋涡运动中产生的离心力以清除气流 中尘粒的设备。最常用的是旋风除尘器。旋风除尘器工作时气流从上部沿切线方向进入 除尘器，在其中作旋转运动，尘粒在离心力的作用下被抛向除尘器圆筒部分的内壁上降 落到集尘室。除尘效率约7 0 9 0 。 袋式除尘器详见下节介绍。 静电除尘器其工作原理是：利用强电场使含尘烟气体发生电离，由于气体中的 粉尘也带有电荷，可以通过除尘器中设置的正负电极板的吸附作用，达到将空气和尘粒 分离的目的。除尘器的电极形式有平板式和管式两种，通常负极称放电极，正极称集尘 极( 或沉降极) 。如管式静电除尘器把2 2 0 伏( 或3 8 0 伏) 的交流电经过升压整流装置，变 为3 6 万伏左右的高压直流电，绝缘进入电晕线，圆筒壁为集尘极，由导线接地，电 华北电力大学( 北京) 硕士论文稿纸 晕线和圆筒壁之间形成静电场，电晕线周围空气产生电离，形成大量负离子和电子，向 集尘极运动。含尘气体从除尘器进口处进入除尘器，不带电的尘粒和负离子结合，带上 负电，运动到集尘极后失去电荷成中性，通过振动等沿集尘极落入灰斗。净化后的气体， 从除尘器出口处排出。 上述的几种除尘器的功能特点比较见表1 - 1 表各种除尘器的性能及优缺点比较 除尘装处理的粒度压力损失 除尘效率 置类别 形式优点缺点 ( um )( p a ) ( ) 重力沉降室5 0 一1 0 09 8 _ 1 4 7 4 0 - - - 6 0 价廉，易维护不能处理微粒 价廉，易维护 离心通风型5 0 一1 0 02 9 4 - 6 8 6 5 0 - 7 0 不能处理微粒 可处理高温气体 小型3 5 1 0 4 0 布置在锅炉尾部 离心旋风 4 9 0 一1 4 7 0 不占场地，可处理 压力损失大，不适于湿尘及 大型5 以上 5 0 8 0 粘性和腐蚀性大的气体 高温气体 文丘里小型l 以下 8 0 _ 9 0 除尘效率高，占地 需水量大，烟囱下都需要用 洗涤2 4 5 卜7 8 4 0少，在含尘率低时 洗涤管大型1 以上 9 0 9 9 花岗岩石砌 效率也高 袋式 除尘效率高，操作 过滤 0 1 _ 2 9 8 卜1 9 6 09 0 呦简单，在含尘率低 占地大，布耗损耗大，不宣 除尘器于高温气体 时效率也高 机构复杂占地面积大，对 科特雷尔除尘效率高，阻力 尘粒比电阻要求应控制在 静电0 5 q 09 8 1 9 68 0 9 91 0 l 1 0 ”oc m 以内。对制 型 小 造、安装、运行和维护都有 较高要求 目前我国燃煤电厂普遍采用静电除尘设备，其原因是由于静电除尘方法在处理烟尘 的粒度和除尘效率方面的相对优势：能捕集1pm 以下的细微粉尘，可控制合理的除尘效 率；适用于高温( 可高达5 0 0 ) 、高压和高湿的场合的大量烟气的处理，能连续运转： 高效、低阻。一般电除尘器的压力损失仅1 0 0 2 0 0 p a 。 然而，随着国家对环境保护要求的提高，烟尘允许排放浓度由原标准的2 0 0 m g n m 3 变为5 0 m g n m 3 ，而由于电除尘器对微细粒子的捕集能力有限，有些煤种采用现有的电 除尘技术和设备将很难达到新排放标准要求，这必然导致燃煤电厂烟尘排放浓度超标， 影响环境和电厂的正常生产。 分析表明，解决这一问题可以采用以下几种技术方案：a 进一步研发捕集能力更强 的电除尘器；b 在电除尘的基础上结合布袋除尘：c 直接把电除尘改造成布袋除尘。 考虑方案a ，由于静电除尘技术已经使用了较长的一段时间，各项技术都已经成熟， 因此该方案很难在短期内取得实质性的突破。而由于b 、c 两种方案都涉及布袋除尘技 术，因而在目前排放标准日益严格的趋势下，布袋除尘是为了满足新标准所作的必要的 华北电力大学( 北京) 硕士论文稿纸 技术储备。 针对目前电除尘器和袋式除尘器在各行业应用的实际情况，以及新的国家环保烟尘 排放标准对烟尘净化技术提出的新要求，现对这两种除尘器的性能做一个简单客观的对 比： 相对于静电除尘器，袋式除尘器的主要优点是：一次投资低，除尘效率高，可达9 9 9 以上；附属设备少，投资省，技术要求没有电除尘器那样高；能捕集比电阻高，电除尘 难以回收的粉尘；袋式除尘器性能稳定可靠，对负荷变化适应性好，运行管理简便，特 别适宜捕集细微而干燥的粉尘，所收的干尘便于处理和回收利用 能适合生产全过程除 尘新理论，降低总量排放：袋式除尘器适于净化含有爆炸危险或带有火花的含尘气体。 但是袋式除尘器也有它的缺点：设备的二次投资较高，而且维护工作量大：用于处 理相对湿度高的含尘气体时，应采取保温措施( 特别盎勺冬天) ，以防止因结露丽造成“糊 袋”现象产生；用于净化有腐蚀性气体时，应选用适宜的耐腐蚀滤料，用于处理高温烟 气应采取降温措施；将烟温降到滤袋长期运转所能承受的温度以下，并尽可能采用耐高 温的滤料：阻力较大。一般压力损失为1 0 0 0 1 5 0 0 p a 。 总之，袋式除尘器的高效除尘效率所带来的经济效益是相当可观的，而这种经济效 益是一个长期的、稳定的良性经济效益。更为重要的是低浓度排放所带来的社会效益和 环境效益。 1 2 国内外研究动态 袋式除尘技术是一种主要的除尘手段，广泛应用于冶金、铸造、建材、电力等行业。 由于袋式除尘器具有除尘效率高、能满足严格排放标准的特点，受到普遍重视，袋式除 尘器及相关技术获得了极大的发展与应用。 工业发达国家从2 0 世纪7 0 年代开始将袋式除尘设备用于燃煤电厂的烟气净化，由 于这些国家的烟尘排放要求日趋严格，袋式除尘设备的进一步发展，特别是滤袋材质的 发展，使滤袋寿命得到延长，使滤袋得到较广泛的应用。如美国到1 9 8 9 年底已有9 9 套 袋式除尘设备用于燃煤电厂的烟气除尘。日本、德国、加拿大、澳大利亚和韩国等也纷 纷将静电除尘设备改为袋式除尘设备，迄今为止发达国家已基本走完了用袋式除尘设备 取代和改造静电除尘设备或其它种类除尘设备的过程。特别是在澳大利亚，有许多电厂 的静电除尘设备被改为袋式除尘设备，如在新南威尔斯州目前仅有4 台5 0 0 m w 机组仍 在采用静电除尘设备，其它机组已全部采用袋式除尘设备来处理烟尘。由此可见，在国 外袋式除尘设备已成为燃煤电厂烟气除尘的首选技术。 国内布袋除尘器主要在矿山、水泥、冶金钢铁、粮食、机械等行业得到广泛的应用， 在电力行业火电厂中仅限于单机布袋除尘器在输煤系统除尘、气力除灰除尘中应用。布 华北电力大学( 北京) 硕士论文稿纸 袋除尘器在电站锅炉的尾部除尘中没有得到实质性的、广泛的应用，仅在近期在呼和浩 特发电厂6 7 0 t h 锅j ；芦、天津开发区5 号热源厂7 5 价l 锅炉、张家港保税区热窀厂】3 0 洒 锅炉、内蒙古赤峰富龙电厂7 5 t h 锅炉等电厂锅炉尾部除尘中得到应用，都取得了很好 的除尘效果。 其中，呼和浩特电厂由于燃用准格尔煤，s i 0 2 与a 1 2 0 3 太高，k 2 0 与n a 2 0 太少， 采用电除尘器收尘困难，使用的电除尘器运行效率大大低于设计效率，严重超标排放， 2 0 0 1 年扩建2 台2 0 0 m w 机组，经多次专家论证，决定采用国产大型脉冲布袋除尘器， 2 0 0 2 年初第1 台2 0 0 m w 机组已投入运行，布袋除尘器运行情况良好。 在引进消化国外布袋除尘器技术的过程中，江苏吴江科林集团通过全球环境基金 “g e f ”项目引进美国e e c 环境技术公司燃煤锅炉布袋除尘器设计制造技术，填补了目 前国内锅炉行业成功应用袋滤器的空白，并可替代进口。采用结构独特的锅炉长袋脉冲 除尘器，先进的除尘器进风导流专剥技术，具备先进三状态清灰装置，滤袋正常使用寿 命为三年，烟尘排放浓度一般小于5 0 m g , n m 3 甚至更低。在天津开发区5 号热源厂、张 家港保税区热电厂、内蒙古赤峰富龙电厂中采用的是改进型离线清灰脉冲袋式除尘器都 取得了很好的除尘效果。但是，由于这些长袋脉冲除尘器的滤袋是在侧面抽出进行安装 更换，所以只适合于在层高较低的厂内或者面积较小的空间使用更为有利，因此不适合 用在大中型的燃煤电厂中。 北京最近公布了北京锅炉污染物综合排放标准d b l l 1 1 9 2 0 0 2 ，自2 0 0 2 年3 月 1 日起实行，该标准烟尘和s 0 2 排放允许浓度严于很多先进国家标准，当然这与北京市 2 0 0 8 年主办奥运会、北京要成为世界大都市有关。自2 0 0 5 年1 1 月1 日起已运行的火电 厂锅炉到时烟尘排放浓度仅允许3 0 m g n m 3 ，目前四电场电除尘器要改为五电场、六电 场或改为布袋除尘器。其他大城市如上海、天津、重庆、广州、武汉、成都、沈阳等城 市也在相继制定地方环保标准，其标准会严于国家标准，这样火电厂采用布袋除尘器的 市场空间越来越大。我国的燃煤电厂大型燃煤锅炉除尘，是高效除尘设备的巨大市场。 由于种种原因，我国的袋式除尘器在这个市场还未打开局面。而国外发达国家燃煤电厂 燃煤锅炉除尘、脱硫，袋式除尘器占有相当的份额。袋式除尘器的除尘效率最高，并且 不受粉尘比电阻变化的影响，同时还有一定的脱硫功能。随着我国环保法规的日益严 格，袋式除尘器在国内燃煤电厂燃煤锅炉除尘、脱硫市场上将占有应得的份额。垃圾焚 烧炉除尘、除二恶英有害气体的工作在我国刚刚起步，非袋式除尘器莫属。其他还有工 业锅炉、采暖锅炉、高炉煤气净化、修筑高速公路时沥青、石子搅拌的高温除尘、除有 害气体，以及各种工业炉窑的高温除尘。都是袋式除尘技术今后发展的重点和方向。 近些年我国袋式除尘技术设备、滤料、配件都有了很大的发展、创新，取得了长足 的进步。特别是近年来在高温工况条件下，我国的袋式除尘器取得了一定豹进步：逐步 扩大应用范围，如高炉煤气净化、电炉、铁合金炉、水泥岔炉除尘、垃圾焚烧炉除尘。 华北电力大学( 北京) 硕士论文稿纸 然而，在大型电厂燃煤锅炉中袋式除尘应用却较少，究其原因，针对性的研究不够，原 创性成果很少，机理分析欠缺，导致应用少，有些甚至拆掉原有设计的布袋除尘设备， 分析满足新环保标准的解决方案电除尘如何改造，新厂的设计等。因此针对大 型燃煤电厂，在满足新标准要求的要求，更加有待于开发高效的袋式除尘机理技术和相 关设备。 在这种大环境下，我校能源动力学院和机电工程研究所近年来开展了新型高效除尘 技术的研究，并取得了一定的成果，为笔者的研究工作打下了较好的基础。 1 3 本课题的研究内容 本课题是上届研究生的相关研究基础上开展的。诚然，对于这种比较大的课题而 言，前届师兄在论文研究周期内是难以全面地解决全部技术问题的。综合看来，他们的 论文主要是从理论的角度来研究了反吹袋式除尘器设备在燃煤电厂的应用问题，所作的 初步方案离一个详细、完整自钮设计方案尚有一定的距离：此外，还缺乏对燃煤电厂的工 况和烟尘特性的分析和研究；在确定除尘设备的整体和各部分的基本结构的设计过程中 没有系统的设计理论和方法；在数值模拟的过程中也仅是粗略的模拟了进气烟道内的烟 气流场。 针对以上问题，本课题的主要研究目标是：结合燃煤电厂的特点。确定高效袋式除 尘设各的基本结构形式和总体技术方案：完善该设备的系统设计和主要部件的选型设 计；研究针对燃煤电厂的反吹袋式除尘器的设计方法，并以此为基础完成一个典型的反 吹袋式除尘器的设计。 本论文的主要研究内容主要涉及以下几个方面： 1 ) 由于在除尘器的设计过程中要受到燃煤电厂工况、烟尘的特性( 比如湿度、粉 尘含量、煤质、炉型等因素) 的影响，因此本论文对燃煤电厂的工况和产生的烟尘特性 进行较为详细的分析，同时对进气烟道内的烟气流场进行系统的数值模拟。在此基础上 深入的研究了袋式除尘器的工作机理和确定了设计的技术方案。 2 ) 详细的介绍了袋式除尘器的设计和计算理论，归纳出一套完整的袋式除尘设备 设计方法和流程。 3 ) 完成了一个典型的反吹袋式除尘的设计计算，进一步完善除尘器整体结构，具 体设计袋式除尘设备各部分结构。 4 ) 在此基础上介绍了袋式除尘器的其他一些相关的设备的设计。 华北电力大学( 北京) 硕士论文稿纸 第二章袋式除尘的工作机理和相关分析 2 i 袋式除尘的基本过程及其分析 2 1 1 袋式除尘的工作原理 袋式除尘器属于过滤式除尘器，是一种利用天然纤维或者无机纤维坐过滤布，将气 体中的粉尘过滤出来的净化设备。因滤布都做成袋形，所以称为袋式除尘器。其过滤过 程分为两个阶段：首先是含尘气流通过清洁滤料，这是起作用的主要是纤维；其次是随 着被阻留的粉尘量不断增加，一部分粉尘嵌入滤料内部，一部分覆盖在表面形成粉尘层， 这是含尘气体的过滤主要是依靠粉尘层进行的。对于工业用袋式过滤器，除尘器的过 程主要是在第二阶段进行的。 工作原理：当含尘气体通过滤布层，大于滤布孔眼的尘粒被滤布阻留而筛分出来； 1 1 0um 小于滤布孑l 径的尘粒，随气体沿曲折的织物毛孔运动，由于尘粒的惯性，撞击 在纤维上而粘附于滤布；小于1pm 的细微粒，由于尘粒本身的扩散和静电作用，通过 滤布毛孔时，尘粒与滤布纤维碰撞而粘附于滤布上。在过滤过程中，由于滤布表面积内 部粉尘拱搭，不断堆积，形成一层由尘粒组成的粉尘料层，显著的改善了过滤作用，气 体粉尘几乎全部被过滤下来。随着粉尘的堆积和加厚，滤布阻力增加，处理能力降低， 为此，必须定期清除滤布上的粉尘层。由于滤布绒毛的支撵作用，滤布上总留有一定厚 度的粉层成为滤布外的第二过滤介质。 2 1 2 影响袋式除尘器工作的主要因素 影响袋式除尘器工作的理论因素有很多，包括滤布质量和滤料、过滤风速、过滤时 间、反吹风压和清灰方法。 1 ) 滤布质量和滤料 该因素在不同状态下对除尘效率的影响不同，洁净滤料( 新滤料或清洗后的滤料) 除尘效率最低。随着滤料上阻留的粉尘量增多，除尘效率也在不断增加。当阻力达到一 定程度时，需要进行清灰，清灰后阻力下降，由于滤料中仍保留一部分粉尘，故阻力和 效率都不会回复到原始状态。 2 ) 过滤风速 过滤风速的选取，对保证除尘效果，确定除尘器规格及占地面积，乃至系统的总投资， 具有关键性的作用。近年来，在工程项目除尘系统设计中，对过滤风速的选取有越来越偏 低的现象。究其原因可能是：1 、有些设计者认为过滤风速取低一些，可以提高除尘效率， 华北电力大学( 北京) 硕士论文稿纸 增强清灰能力，延长清灰周期，从而延长滤袋使用寿命；2 、过去有些文献或专著特别强调过 滤风速不能取得太高，以免阻力增大，运行费用提高；3 、目前国产的布袋除尘( 小型布袋除 尘机组除外) 产品样本规定的过滤风速，大都在2 5 m m i n 以下，较为普遍的是在1 o 1 5 m r a i n 范围。 但是，如果轻易地降低过滤风速，即使降低的绝对值较小，如0 1 o 2 5 m r a i n ，由此将 使过滤面积增加约1 0 ，设备投资也将增加近1 0 ，处理的风量越大，增加的投资必然越多： 设备的占地面积亦相应加大。显然，这是不经济的。 那么，如何正确地选定过滤风速呢? 实际上这是一项较复杂的工作，它与粉尘性质、含 尘气体的初始浓度、滤料种类、清灰方式有密切的关系。然而，从设计角度讲，应该也可 以抓住主要问题进行分析。这是因为，目前国内产品中可供选择的滤料种类及其清灰方式 相对讲不是很多，滤料及其清灰方式相应地易于确定；至于初始尘浓，除了工艺提供资料 外，或经实测取得一手数据，或按设计者的经验确定。这就是说，影响过滤风速的尘浓、滤 料及清灰方式三个因素相对的说较易合理地确定。所以，笔者认为，正确选择过滤风速的 关键，首先在于弄清粉尘及含尘气体的性质，其次要正确理解和认识过滤风速与除尘效 率、过滤阻力、清灰性能三者之间的关系。 对于粉尘及含尘气体，它的性质主要包括以下几点： ( 1 ) 粉尘的粒径分布 粉尘的粒径是它的基础特性，它是由各种不同粒径的粒子组成的集合体，单纯用平均 粒径来表征这种集合体是不够的。 ( 2 ) 粉尘的粘性 粘性是粉尘之间或粉尘与物体表面分子之间相互吸引的一种特性。对布袋除尘器， 粘性的影响更为突出，因为除尘效率及过滤阻力在很大程度上取决于从滤料上清除粉尘 的能力。 ( 3 ) 粉尘的容重或堆积比重 粉尘的容重即单位体积的粉尘重量。其中的单位体积包括尘粒本身体积、尘粒表 面吸附的空气体积、尘粒本身的微孔、尘粒之间的空隙。弄清粉尘的容重，对通风除尘具 有重要意义，因为它与粉尘的清灰性能有密切的联系。 ( 4 ) 应弄清含尘气体的物理、化学性质，如温度、含湿量、化学成份及性质。 这些参数的确定与除尘附加处理措施、过滤风速的选择有着直接间接的关系。如有 的含尘气体含有氯化物等化学成份，一般氯化物易于“吸潮”，如不采取附加的措施，可能 导致“糊袋”。 要全面准确地收集上述四方面的数据，从我国目前的设计实践看，客观上还有一定的 困难。但是，对设计而言，至少应对其有定性的了解。对于过滤风速与除尘效率、过滤阻 力、清灰性能三者之间的关系，可以从下述三方面来进行分析。 华北电力大学( 北京) 硕士论文稿纸 第一，除尘效率方面。从除尘机理上说，有惯性效应( 包括碰撞、拦截) 和扩散效应。 对粉尘粒径而言，按f r i e d i a n d e r 的理论，对滤料单一纤维的除尘效率为 一 k ，屏硝2 d ￥2 d y 3 y 2d 2 ( 扩散效应)( 惯性效应) 式中：kd 、k l 由烟气温度、粘度、密度确定的常数； d 广一单一纤维直径；dp - 一粉尘粒径；vs 过滤风速。 由上式可知，若dp 为lpm 以下的微尘，借助扩散效应能有效地捕集，适当降低v s 可 以提高除尘效率r l ；若dp 为5 1 5 1 t m 以内的粉尘，借助惯性效应能有效地捕集，提高v s 可以提高n 。实践证明，对一般性烟尘，提高过滤风速v s 对除尘效率n 影响甚微。 第二，过滤阻力方面，过滤阻力随滤料上粉尘量的增大而增大，滤料不同，单位滤料 面积上容尘量也不同，但从工程角度讲，其差异必竟较小，一般仅从粉尘粒度来考虑滤料的 容尘负荷，对粒径大的即粗粉尘取3 0 0 1 0 0 0 9 m 3 ，对微细粉尘取1 0 0 3 0 0g m 3 。国内 在8 0 年代初就有专著介绍过对粉尘的滤尘量、过滤风速、过滤阻力三者关系的实测数 据，见表2 - 1 。 表2 - 1 滤尘量、过滤风速、过滤阻力之间的关系 g 蒜嫠 过滤阻力( p a ) 过滤风速m 麻i 卜1 0 02 0 03 0 04 0 05 0 06 0 0 0 5 3 0 03 6 04 1 04 6 05 0 05 4 0 13 7 04 6 05 2 05 8 06 3 0 6 9 0 1 5 4 5 05 3 06 1 06 8 07 5 08 2 0 2 5 2 06 2 07 l o7 9 08 8 09 7 0 2 5 5 9 07 0 08 1 09 0 01 0 0 0 36 5 07 7 0 9 0 01 0 0 0 从上表数据可以看出：当滤尘量一定时，过滤风速增加1 倍，阻力增加2 5 5 0 ；即使 过滤风速增加2 倍，阻力增加亦不到8 0 ，而且过滤风速越低，阻力增加的百分比越小；反过 来说，当滤尘量一定，过滤风速降低1 倍时，阻力降低不到3 0 。可见，过滤风速的增减与过 滤阻力的增减并不成正比，如果简单地用降低过滤风速的办法来达到降低过滤阻力从而 降低运行费用的目的是欠妥的。 第三，清灰性能方面。粉尘的清灰性能与粉尘的性质，即粘性、粒度、容重有极大的 关系。粉尘的粘性大、粒度小、容重小，清灰困难，过滤风速应取低些，反之可取高一些。 国内有人做过实验，对于滑石粉类中细滑爽尘，在所有工况条件下，仅需一次反吹清灰，滤 袋阻力即可恢复原值，二次积尘几乎全被吹落，滤袋再生较好，反吹风量比率仅需2 5 3 0 ；而对于氧化铁类超细粘性尘，通常需要连续多次反吹清灰，才能有效降低滤袋阻力， 华北电力大学( 北京) 硕士论文稿纸 还难以复回原值，反吹风量比率高达5 0 7 0 。这就证明，对某一确定的布袋除尘器，粉 尘的清灰性能主要取决于粉尘及其含尘气体的性质，并不是所有的粉尘，只要过滤风速取 低些，就可增强清灰能力。 此外，在滤料确定的情况下，降低过滤风速可以延长清灰周期，但是滤袋的寿命并不完 全取决于清灰周期。因为当确定了某个过滤风速时，滤袋的不同地方过滤风速也不同，国 外做过的实验发现，在一条滤袋上的局部过滤速度相差可达4 倍，甚至超过4 倍! 综上所述， 可以得出这样的结论：盲目地降低过滤风速并不完全能保证提高除尘效率，也不一定能相 应地降低过滤阻力，还可能造成不必要的经济损失。只有在充分了解粉尘性质及系统特性， 正确理解过滤风速与除尘效率、过滤阻力、清灰性能之间的关系，并在这两者的结合上有 一个清晰的认识后，才可能合理地确定过滤风速。 3 ) 过滤时间 。 鲁 言 一 水 骧 r 出 图2 - 2 过滤时间和压力损失的关系 随着过滤时间t 增加，滤袋表面上的集尘量k 增加，压力损失a p 也不断增加。如 图2 2 ：在实际操作中，由于滤袋压力损失的增加，使系统中的气量减少，压力损失则 由气量减少而降至a p ，因此，这个压力损失的极限是气量趋于零时风机压头。 图2 - 3 表示压力损失与滤布负荷、过滤时间及气体含尘浓度的关系。在不同的含尘 气体浓度和负荷下，随着过滤时间的增加，其浓度大的压力损失增加很快。负荷大的压 力损失也增加的很快。为降低压力损失并提高除尘效率，应尽量降低进入滤袋的气体含 尘浓度，最好控制在2 3g m 3 以下。如果在4g m 3 以上，则应设置两级除尘。同时， 应合理选择负荷，即便在气体含尘浓度为2g m 3 时，滤布负荷也最好在4 5 m 3 ( h m 2 ) 以下。 华北电力大学( 北京) 硕士论文稿纸 1 4 0 g1 2 0 。1 0 0 妖 鬟8 0 嘲6 0 4 0 2 0 f ， 8 |f。 | 弓? 。3 i? ， ， 杉 f ， 形 1 诊 夕 ， ， (， 左掣 01234 -567 过滤时间，h 图2 - 3 压力损失与滤布负荷、过滤时间、气体含尘浓度的关系 4 ) 反吹风压 此因素主要是针对反吹袋式除尘器而言的。反吹布袋除尘器国内生产厂家、型号比 较多，国外引进工程中采用这种设备的也不少。反吹风清灰的空气可以取自大气，也可以 取自经过本设备挣化后的“烟气”。这种除尘器以其维护管理简便，在处理大流量含尘气 体时占地面积小的优点而被广泛采用。但是，如果在设计过程中对反吹风清灰的风压考虑 不周，或者在设计时没意识到必须认真考虑反吹风压这个问题的话，那么设备在投入运行 后不久，由于滤袋积灰得不到有效清理而使滤袋阻力上升，当积灰达到某一厚度时，反吹效 果几乎为零，导致除尘器不能正常工作，吸尘点粉尘大量外逸。当出现这样的问题后，应 该认真找出系统设计中的问题，而不是简单地采取加大风机电机功率以增加风压的办法， 这样只会白自地增加能耗及噪声污染。 2 2 燃煤电厂的锅炉烟尘的特性 前已述及，影响除尘器除尘性能的主要因素是烟尘特性，包括粒度、密度、比表面 积、粒子的凝集、比电阻、润湿型和爆炸性等。 2 2 1 粒子和粒度 粒子是指在所有方向都具有明确的物理边界的任何物质，对其大小没有什么限制。 粒度是表明粒子大小的最佳代表性尺寸。对于球形粒子而言，粒度即其直径。但是， 通常人们也把表明非球形粒子粒度的某个线性尺寸称为其“直径”。而这些直径也有许 多定义和测定方法。根据不同的定义和测定，其数值也不一样。 粉尘的粒度分布是指粉尘中各种尘粒所占的百分数，亦称粒度的分散度。有按质量 华北电力大学( 北京) 硕士论文稿纸 计的质量粒度分布；有按粒数计的颗粒粒径分布；有用表面积表示的表面积粒度分布等 多种表示方式。 表2 - 2 列出了不同燃烧方式下的锅炉排出烟尘的烟尘特性： 表2 2 不同燃烧方式下锅炉排出烟尘的分散度 下列粒径( u m ) 的区闻百分数( )备注 序号燃烧方式 7 57 5 6 06 0 4 74 7 3 03 0 2 02 0 1 51 5 1 01 0 55 4 1 往复炉排 4 1 6 33 1 93 6 61 0 2 01 3 8 58 2 91 1 3 76 8 50 9 6 自然引风 2 往复炉排 3 7 1 48 3 89 0 l1 3 _ 3 57 5 55 0 06 5 51 0 7 92 2 0 3 链条炉排 5 0 7 44 5 36 3 01 2 0 57 3 95 4 86 2 55 4 51 8 1 4 振动炉排6 0 1 43 0 44 0 66 9 46 3 62 1 55 0 89 5 s2 6 4 5 抛煤机抛煤 6 1 0 27 6 96 0 39 9 35 8 53 2 l2 9 72 3 30 9 7 6煤粉炉1 3 1 91 3 2 31 0 2 01 4 9 41 1 6 05 7 41 5 3 61 1 6 54 0 8 7 沸腾炉 3 3 1 86 8 57 6 71 4 8 69 9 05 4 41 5 7 05 6 4o 7 6 8 手烧铸铁炉 1 0 9 27 2 02 1 5 81 2 1 19 1 66 1 71 2 5 31 4 3 35 9 9 自然引风 9 手烧旧式茶炉 1 1 0 31 1 2 49 8 61 4 1 01 2 2 89 8 l6 5 91 2 8 41 2 2 5 自然引风 1 0简易煤气炉02 6 79 8 61 1 2 41 2 5 61 0 8 42 1 5 02 0 1 41 1 1 9 i l 半煤气茶炉6 2 81 1 5 39 9 sl 】0 21 1 4 81 3 6 71 9 2 41 4 9 s4 7 6 1 2反烧01 3 6 22 0 4 32 3 6 71 0 7 4 7 7 57 7 53 4 71 2 5 7 1 3双层烧1 5 9 55 1 62 9 92 8 33 1 71 2 04 5 9 66 3 71 6 3 4 引射 1 4双层烧 01 1 4 58 5 89 0 58 7 l1 1 8 21 0 6 73 1 1 48 5 8自然引风 1 5下饲式6 6 9 72 3 76 4 96 2 l5 3 42 9 83 8 14 5 81 2 5 1 6手烧机械 l 风4 1 5 85 2 45 2 71 0 8 89 6 96 6 47 8 69 4 43 4 0 2 2 2 密度 单位体积粉尘具有的质量称为粉尘的密度，一般用k g m 3 表示，并有真密度和容积 密度之分。 粉尘的真密度是指除掉粉尘中所含气体和液体后的单位体积质量数。与粉尘沉降、 输送、净化等特性有直接的关系。 粉尘的容积密度是指在自然状态下单位提及的质量数。它是设计粉尘储存设备和运 输设备的重要依据。两种密度的关系可用下式表示； p 。= ( 1 一) p 式中：p 。粉尘的容积密度( k g m 3 ) p 粉尘的真密度( k g m 3 ) e 粉尘的空隙率。 对于球形尘粒：= 0 3 - 0 4 ，非球形尘粒的值则大于球形尘粒的值。表( 2 3 ) 列出了部分工业粉尘的真密度和容积密度值。 华北电力大学( 北京) 硕士论文稿纸 表2 - 3 部分工业粉尘的真密度和容积密度 2 2 3 比表面积 粉尘名称真密度( k g m 3 )容积密度( k g m 3 ) 滑石粉 2 7 50 5 9 _ 0 7 1 石灰粉2 7 0 1 1 0 白云石粉 2 8 00 9 硅砂粉( 1 0 5 um ) 2 6 31 5 5 硅砂粉( 3 0 1 im )2 6 31 4 5 硅砂粉( 8 l , t m ) 2 6 31 1 5 硅砂粉( 0 5 - - 7 2um )2 6 31 2 6 化铁炉粉 2 00 8 电炉粉 4 50 6 1 5 黄铜溶解炉粉 4 _ 一8 0 2 5 一1 2 转炉粉 5 0o 7 烧解炉粉3 8 4 2i 5 - 2 6 烧解矿炉粉 3 8 4 21 5 2 6 炭黑 1 8 5o 0 4 石墨2 一o ，3 烟尘2 1 51 2 锅炉炭末 2 10 6 氧化铜粉 6 4 2 6 4 铅糟炼粉 6 亚铅精炼粉50 5 铅二次精炼粉 3 00 3 水泥干燥窖粉3 00 6 硅酸盐水泥 3 1 21 5 铸物砂 2 71 0 造型用粘土 2 4 7o 7 2 _ o 8 黑液回收粉 3 1 00 1 3 铜精炼粉 4 50 2 烟灰 2 21 0 7 粉尘的比表面积为单位质量或体积粉尘所具有的表面积，一般用c m 2 g 或c m 2 c m 3 表示。其大小表示颗粒群总体的细度。它与粉尘的润湿性和粘附性相关。 2 2 4 凝集 凝集是单个粒子之间相对运动和碰撞的结果，这种凝集对粒子质量、粒度、形状和 结构有显著影响。 华北电力大学( 北京) 硕士论文稿纸 2 2 5 粘附 尘粒粘附于固体表面或颗粒之间互相凝集的现象称为粘附。附着的强度，也就是克 服附着现象所需要的力，称为粘附力。附于固体表面的尘粒易使除尘设备和管道堵塞， 颗粒之间相互凝聚则有利于除尘器效率的提高。对于粒径d 1um 的尘粒，主要依靠分 子间的作用而产生粘附；含水率高的粉尘主要依靠表面水分产生粘附；纤维粉尘的粘附 则主要与壁内状态有关。 2 2 6 润湿性 尘粒与液体相互附着的性质称为粉尘的润湿性，易于被水润湿的粉尘称为亲水性粉 尘；难于被水润湿的粉尘称为疏水性粉尘：吸水后能形成不融于水的硬垢的粉尘称为水 硬性粉尘；粒径d c 5 um 的粉尘很难被水润湿；水泥、熟石灰与自云石砂等均属于水 硬性粉尘。 2 2 7 含水率 粉尘的含水率为粉尘所含水分的质量与粉尘总质量的比值，如下式所示： w - - m w x l 0 0 ( r o w + r o d ) 式中w 一粉尘的含水率，： m 订一粉尘中所含水分质量，g ； m d 一千粉质量，g 。 2 2 8 爆炸性 当物质的比表面积大为增加时，其化学活性迅速加强。当某些在堆积状态下不易燃 烧的可燃物粉尘，以粉末状悬附于空气中时，与空气中的氧有了充分的接触机会，在 定的温度和浓度下，就可能发生爆炸。在设计除尘器系统是必须高度注意，以防造成严 重的事故。 2 2 9 比电阻 在立方体边长各等于l c m 的尘样的相对两侧，均匀地施加相当于尘样击穿电压9 0 的电压时，对电流所产生电阻称为粉尘t e 电阻。它是除尘工程中表示粉尘导电性的一个 参数。对电除尘器的工作有很大的影晌，电除尘器最容易除掉的粉尘是比电阻在1 0 4 1 0 1 0 q c m 范围内的粉尘。 1 5 - - ( 4 7 ) 华北电力大学( 北京) 硕士论文稿纸 2 2 1 0 堆积角、滑动角 粉尘通过4 q l 连续地下落到某一个水平面上，自然堆积成的锥体母线与水平面的夹 角称为堆积角。它与物料的种类、粒径、形状和含水率等因素有关。对于同一粉尘，粒 径愈小，堆积角愈大。一般平均值为3 5 。4 0 。，它是设计储灰斗、下料管、风管等的 主要依据。 2 2 1 1 磨损性 粉尘的磨损性主要取决于颗粒的运动速度、硬度、密度、粒径等因素。当气流运动 速度大，含尘浓度高，粒径大而硬，并且有棱角时，磨损性大。因此，在进行粉尘净化 系统设计时，应适当的控制气流速度，并提高某些易磨损部件、部位的耐磨性。 总的说来，多数的燃煤电厂使用的燃料煤种s i 0 2 与a 1 2 0 3 含量太高，k 2 0 与n a 2 0 太少，采用电除尘器收尘困难，使用的电除尘器运行效率大大低于设计效率，导致排放 严重超标；另外，由于新型洁净煤燃烧技术循环流化床锅炉在火力发电厂中的大力 推广应用，循环流化床锅炉的飞灰循环燃烧和为了炉内脱硫添加了大量石灰石，锅炉飞 灰很细而且灰份比电阻增大，也直接导致了电除尘器的除尘效率的下降；由于近年来煤 炭市场供给与需求的不平衡，电煤质量不稳定和下降及负荷紧张等原因，使得很多电厂 面临煤源不保证、供煤不稳定问题，于是造成锅炉运行中出现诸如燃烧不稳定、负荷波 动大、受热面结渣、飞灰含碳量大幅升高引起锅炉灭火以致停机的现象屡见不鲜，也直 接导致了电厂排放的严重超标。因此，开发和研究高效的袋式除尘器是很有必耍的选择。 2 3 袋式除尘器烟气流场的数值模拟 上一节讨论了影响袋式除尘器的一些理论因素，实际上在除尘器的运行过程中的还 受到其它因素的影响。其中烟气进入除尘设各时是否均匀分布，是影响除尘效率和滤袋 寿命的关键因素之一，而气流均布烟道是改善气流分布状况的有效方法。为掌握袋式除 尘器的气流均布烟道中烟气的流动特征，本节应用f l u e n t 软件对袋式除尘器内部紊流气 固两相流动进行了数值模拟，采用k e 紊流模型模拟气相流动，采用拉格朗日法追踪颗 粒运动轨迹。对连续相速度和颗粒相运动轨迹进行了分析。得出结果表明，烟气经过气 流均布管后分布均匀，为袋式除尘器的气流分布的设计提供有效可行的方案。 华北电力大学( 北京) 硕士论文稿纸 2 , 3 1f l u e n t 简介 f l u e n t 的软件设计基于“c f d 计算机软件