（安全技术及工程专业论文）电袋复合除尘器风流数值模拟与实验研究.pdf

东北大学硕士学位文 n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t o n h y b r i dd u s tc o l l e c t o r a b s t r a c t i nt h ec o m p o s i t i o no fp r i m a r ye n e r g y , c o a lo c c u p yt h el e a d i n gs t a t i o ni no u r c o u n t d i , a b o u t7 5 ，b u t8 4 c o a lh a v eb e e nu s e db yc o m b u s t i o n al a r g em o u n to f p r o d u c ts u c ha ss m o k e ，s 0 2 a n dn 0 2i sr e l e a s e dd u r i n gc o m b u s t i o n t h ep r o b l e m o fe n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o nh a v eb e e np a i da t t e n t i o nt ob yp e o p l ed a yb yd a y t h e d e v e l o p e dc o u n t r yh a v ei s s u e ds o m en e wa i rq u a l i t ys t a n d a r d si ns u c c e s s i o n ，w h i c h s h o wc l e a r l yt h a tt h e yw i l lr e d u c et h ee m i s s i o no fp m 2 5w h i l ek e e p i n gp m l 0 d i s c h a r g es t a n d a r d o u rc o u n t r yw i l l a l s oi m p l e m e n tt h es t r i c td i s c h a r g es t a n d a r d s i m i l a rt ot h e s ef i n a l l y an e we q u i p m e n tc o m b i n i n gt h ea d v a n t a g e so fe s pa n d b a g h o u s e ( h y b r i dd u s tc o l l e c t o r ) n e e dt ob ed e v e l o p e d i nt h et h e s i s ，r e s e a r c hh a sb e e n f o c u so nt h ef l o wi nh y b r i dd u s tc o l l e c t o r b a s e so nt h et h e o r yo fb a g h o u s ea n de s p , t h eh y b r i dm e c h a n i s mo fd u s tr e m o v a l h a sb e e nd i s c u s s a l s o ，t h ef l o ws t r u c t u r ea n dv e l o c i t y , p r e s s u r ei nt h eh y b r i dd u s t c o l l e c t o rh a v eb e e ns i m u l a t e db yc d fs o f t w a r ef l u e n t6 0 ，w h i c hm a yb eu s e f u lf o r o p t i m i z i n gd u s tc o l l e c t o r r e s i s t a n c et e s ta n de f f i c i e n c yt e s to fd u s tc o l l e c t o ra r ei m p l e m e n t e d ，a n dal a r g e n u m b e ro fe x p e r i m e n t a ld a t at h r o u g hal a r g en u m b e ro fe x p e r i m e n t sa r eg a t h e r e da l s o t h r o u g ha n a l y z i n ge x p e r i m e n t a ld a t a ，t h er e l a t i o n s b e t w e e np r e s s u r e d r o po ft h e s y s t e ma n df i l t r a t i o nv e l o c i t y , d u s tr e m o v a le f f i c i e n c ya n df i l t r a t i o nv e l o c i t yo ft h e h y b r i de s p - b a g - h o u s ed u s tc o l l e c t o rh a v e b e e nf o u n do u t t h i sr e s e a r c hc a nb eu s e d t od e s i g nd u s tc o l l e c t o r c o m p a r i n gt h er e s u l to ft h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nw i t hd a t at h a tt h ee x p e r i m e n t g e t s ，w eh a v eg o tt h er e s u l to f a n t i c i p a t i n g t h i ss e to fd e v i c e sh a v ec o n c e n t r a t e dt h ea d v a n t a g e so ft h ee l e c t r o s t a t i c 一一 蔓苎兰三兰塑主兰竺笙查 ! ! ! ! ：! ! ! p r e c i p i t a t o ra n dt h eb a g - h o u s ec l e a n e r i nt h i ss e to fd e v i c e st w od u s tr c m o v “u n i t s c o n t a c ta n dr b nt o g e t h e r h e a v yg r a i n so fd u s th a v eb e e nc o l l e c t e da n dr e m o v e d m a i n l yb ye s pu n i t ，w h i l et h ed u s tc l e a n e ru n i to fb a gh o u s eh a sr e l a t i v e l yh i g h r e m o v a le f f i c i e n c yo f c o l l e c t i n gt h es u p e r f i n ed u s t t h ee x p e r i m e n t sv e r i f yt h a tt h i si s ak i n do f n e w - t y p eh i g h e f l i e n c yd u s tr e m o v e rt h a ta d a p t st ot h en a t i o n a lc o n d i t i o n s o f o u r c o u n t r ya sw e l la sc o n f o r mw i t ht h ed e v e l o p m e n tt e n d e n c yo f t h ed u s tr e n l o v e r s a n dt h ee x p e r i m e n t sv 鲥f yt h a tt h es e to fd e v i c e si sv e r ys u i t a b l ef o rt h ep o w e r p l a n t f l u eg a sm a n a g i n ga n dt h ed u s tc l e a n e ri m p r o v e m e n tp r o j e c t s o ft h el a r g e s c a l e c o a l - b u r n i n gb o i l e r so f0 1 1 1 c o u n t r y t h eh y b r i dt e c h n o l o g yw i l ls p r e a di ni n d u s t r i a l a p p l i c a t i o np r o s p e c t s k e y w o r d s ：f i n ed u s t ，e m i s s i o ns t a n d a r d ，e s p , f i l t e rd u s tc o l l e c t o r , n u m e r i c a l s i m u l a t i o n 一一 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或 撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：、彩涩谚叉 日 期：、u l ，年，j 如1 3 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用 学位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论 文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权东北大学可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同意。) 学位论文作者签名：西霾弗 签字日期：勿归忻a 弓口日 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文 第一章概述 1 1 本文工作背景 第一章概述 能源是一个国家国民经济的基本支撑，能源利用的可靠性和安全是国家经济 安全的重要方面，这直接影响到国家安全，可持续发展及社会稳定。 能源利用方式的变革与更新直接推动着社会的发展与人类文明的进步。l8 世纪以前，木材在世界一次能源消费结构中长期占据首位；到19 世纪下中叶， 煤炭取代木材等成为主要能源；1965 年以后，石油首次取代煤炭在世界能源 消费结构占据首位。目前，化石燃料提供世界90 的一次商品能源，世界每年 要燃烧40 亿吨煤、25 亿吨石油并以每年3 的速度增长。虽然未来能源应以 可再生能源为基础，但据专家们预测，以煤、化石燃料为主的能源格局格在相当 长的时间内还不会改变。 我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，其生产消费总量占世界煤炭总产 量的25 。煤炭也是我国分布最广、较为丰富的能源，而石油、天然气资源则 相对不足。预计到本世纪中叶我国以煤为主的能源结构将不会改变。而煤在利 用过程中会产生大量的烟尘、s o 。、c 0 。等有害气体。对人类赖以生存的自然环境产 生不利影响。 现在无论是发达国家还是发中国家，随着可持续性发展战略的实施，对煤和 化石燃料的高效利用及其污染的研究已经在世界范围内大力展开，这是能源安全 研究的前沿和热点，已成为一门允满活力并蓬勃发展的学科。 能源的大量消耗加剧了对环境的破坏，空气污染状况也随之日益严重。在中 国，烟气中的颗粒物己成为主要的污染物，严重影响了人们生活的质量。本文将 深入研究烟尘的捕集问题。 1 2 粉尘的危害 1 2 i 对人体健康的危害 工业生产中各种粉尘的危害面比较广，据统计1 2 以上的厂矿都存在着粉尘 作业岗位。粉尘的种类很多，可分为无机粉尘，如矽尘( 石英尘) 、石棉尘、 煤尘、金属粉尘、水泥尘、磨料粉尘等；有机粉尘，如棉尘、麻尘、蔗渣尘、 茶尘、羽毛尘、皮毛尘、塑料尘等。从粉尘的分类看，女工接触有机粉尘的机会 东北大学硕士学位论文第一章概连 1 1 本文工作背景 第一章概述 能源是一个国家国民经济的基本支撑，能源利用的可靠性和安全是国家经济 安全的重要方面，这直接影响到国家安全，可持续发展及社会稳定。 能源利用方式的变革与更新直接推动着社会的发展与人类文明的进步。18 世纪以前，木材在世界一次能源消费结构中长期占据首位；到19 世纪下中叶， 煤炭取代木材等成为主要能源：19 65 年以后，石油首次取代煤炭在世界能源 消费结构占据首位。目前，化石燃料提供世界9o 的一次商品能源，世界每年 要燃烧4o 亿吨煤、25 亿吨石油并m 每年3 的速度增长。虽然未来能源应以 可再生能源为基础，但据专家们预测，以煤、化石燃料为主的能源格局格在相当 k = 的时间内还不会改变。 我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，其生产消费总量占世界煤炭总产 量的25 。煤炭也是我国分布最广、较为丰富的能源，而石油、天然气资源则 相对不足。预计到本世纪中u 卜我国咀煤为主的能源结构将不会改变。而煤在利 用过程中会产生大量的烟尘、s o 。、c q 等有害气体。对人类赖以生存的自然环境产 生不利影响。 现在无论是发达国家还是发中国家，随着可持续性发展战略的实施，对煤和 化石燃料的高效利用及其污染的研究已经在世界范围内大力展开，这是能源安全 研究的前沿和热点，已成为一门允满活力并蓬勃发展的学科。 能源的大量消耗加剧了对环境的破坏，空气污染状况也随之口益严重。在中 国，烟气中的颗粒物已成为主要的污染物，严重影响了人们生活的质量。本文将 深入研究烟尘的捕集问题。 1 2 粉尘的危害 1 2 1 对人体健康的危害 工p 生产中各种粉尘的危害丽比较广，据统计l 2 以卜的厂矿都存在着粉尘 作业岗位。粉尘的种类很多，可分为无机粉尘，如矽尘( 石英尘) 、石棉尘、 煤尘、金属粉尘、水泥坐、磨料粉尘等；有机粉尘，如棉尘、麻尘、蔗渣尘、 茶尘、羽毛尘、皮毛尘、塑料尘等。从粉尘的分类看，女工接触有机粉尘的机会 茶尘、羽毛尘、皮毛尘、塑料尘等。从粉尘的分类看，女工接触有机粉尘的机会 东北大学硕士学位论文 第一章概述 更多。除金属粉尘的毒性作用外，其他同种粉尘对人体危害，没有多大性别差 异。但无机粉尘与有机粉尘对人体的危害却有很大不同。 ( 1 ) 无机粉尘。以矽尘为代表，对人体的危害主要表现为使肺脏发生纤维 化，肺泡被填充，换气功能受到障碍，因此x 线胸片上与正常入显著不同，并有 咳嗽、胸闷、气短等症状。 ( 2 ) 有机粉尘。以棉尘为代表，对人体的危害不是矽尘或石棉尘可以引起 肺脏纤维化，而是使人得一种叫做“棉尘综合征”的疾病，即休息一天后再上班时会 出现胸闷、胸前发紧，有点喘或合并咳嗽，第一天较重，以后几天反而逐渐减轻， 长时间反复发作可引起慢性气管炎。一般认为这是对棉尘过敏的缘故。还可引起 一种“纺织热”病，主要发生在首次接触棉尘的人中，开始类似感冒，2 3 天好转 痊愈，但以后还会发作。棉尘引起的这两种疾病在麻尘、茶尘、羽毛尘、皮毛尘 等作业中也会出现。 1 2 2 对生产和经济的影响 ( 1 ) 影响产品质量。有些产品对杂质要求很严格，混入粉尘后影响产品的质量 等级甚至成为废品，如集成电路、感光胶片、化学试剂及医药品。对粉尘要求严 格的产品应在洁净室内进行生产。 ( 2 ) 磨损设备等。有些精密仪器及微电机等混入粉尘后可造成磨损，降低精度 和使用寿命。空气机械设备，如大型通风机、鼓风机、空气压缩机等，如果通过 该设备的空气中含有粉尘，则将因粉尘而造成严重磨损，降低其运行寿命。粉尘 还可能造成电气开关失灵，破坏电机绝缘等，甚至会造成事故，影响生产正常进 行。 ( 3 ) 粉尘的爆炸。一些粉尘具有爆炸性，如煤尘、镁粉、铝粉、纤维尘和面粉 等。 ( 4 ) 污染。增加粉尘污染的净化费用。 ( 5 ) 二次经济损失。由于邻近区域的恶化而引起。 1 2 3 粉尘对大气的污染 随着工业的迅速发展，粉尘已成为大气主要污染物。全世界每年排入大气中 的粉尘量约为1 亿吨，我国每年排入大气的粉尘量约为0 2 8 亿吨。5 4 4 的城市 颗粒物浓度超过二级标准；空气质量劣三级的城市中8 0 的城市颗粒物超过三级标 准。颗粒物污染较重的城市主要分布在西北、华北、中原和四川东部。全国城市 2 一 东北大学硕士学位论文第一章概述 中总悬浮微粒的平均浓度为1 0 8 8 1 5ug m 3 。北方城市平均浓度为4 0 7ug m 3 ，许 多工业生产过程中均产生大量的粉尘，产生量的大小与生产技术水平和控制措施 有关， 除尘器是控制尘粒污染的有效措施。因此，开发和应用更高效、经济的除尘 设备来控制粉尘的污染已成为环保中不可缺少的一部分。 1 3 我国粉尘污染控制方针及现状 我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国。同时我国也是联合国气候变化框 架公约的签字国。因此减少二氧化硫、氮氧化合物、烟尘和酸雨的排放是中国 政府履行国际公约、承担相应国际义务的重要职责，也是促进我国以煤炭为主能 源系统向保护环境、可持续发展的模式转变的战略组成部分。 在能源的利用过程中，化石燃料燃烧要排放出各种污染物。在排放到大气的 污染物中，9 9 的氯氧化合物、9 9 的一氧化碳、9 1 的二氧化硫、7 8 的二氧化碳、 6 0 的粉尘和4 3 碳化氢是化石燃料燃烧过程中产生的，其中煤燃烧所产生的污染 物又占大多数( 二氧化硫占8 7 、氯氧化合物占6 7 、一氧化碳占7 1 、烟尘占6 0 ) 。 因此燃煤是我国大气污染物的主要来源。而在各种燃煤设备中，火电厂排放的烟 尘中占4 0 以上，工业锅炉占3 6 以上、工业窑炉占1 0 左右，故而电站锅炉和工 业锅炉占燃煤烟尘排放量的7 6 以上，是污染治理重中之重。 1 9 7 2 年国家建委在上海市召开的烟气除尘现场会议提出防治煤烟型污染， 1 9 8 4 年国务院环委会颁布了防治煤烟型污染技术政策的规定，国家锅炉大气 污染物排放标准于1 9 8 3 年首次发布，1 9 9 2 年第一次修订，1 9 9 9 年发布2 0 0 0 版 锅炉大气污染物排放标准。 2 0 0 0 年4 月2 9 日由中华人民共和国第九届全国人民代表大会常务委员会第 十五次会议修订通过中华入民共和国大气污染防治法，自2 0 0 0 年9 月1 日起 施行。第三十条明确规定：新建、扩建的火电厂和其他大中型企业，超过规定的 污染物排放标准或者总量控制指标的，必须建设配套脱硫除尘装置或者采取其他 除尘的措施。国家鼓励企业采用先进的脱硫、除尘技术。 由于国家政策的引导，粉尘治理技术及设备的市场前景非常广阔。国家经贸 委根据国家的政策要求以及现有火电厂的现状预计，到2 0 1 0 年，国家电力公司所 属火电家电力公司所属的火电装机容量2 8 0 0 0 m w 。目前国家电力公司所属火电厂占 全国火电装机容量6 3 6 k w ，以此推算全国至少有4 4 0 0 m w 的火电装机容量烟气 除尘装置。 一3 - 东北欠学硕士学位论文 第一章概述 1 4 国内除尘设备发展状况 我国锅炉烟气除尘设备经历了干式旋风除尘，文丘里湿法除尘，静电除尘和袋 式除尘大体四阶段： ( 1 ) 电厂锅炉烟气除尘大都采用电除尘。2 0 世纪8 0 年代电厂锅炉曾经试用过 袋式除尘，由于种种原因，未获成功推广，因此，目前电除尘成为电厂锅炉烟气 污染治理的绝对主流方式。但是，当前电厂电除尘面l 临以下问题： 环保标准日益严格，按老标准设计现已安装的电除尘设备由于场地限制不能 增加电场，从而不能达到环保新标准的排放排放要求。 新建工程则由于3 电场以下电除尘难以达标，4 电场以上又造价昂贵，电除 尘缺乏市场竞争力。 某些煤种的a l 。o 。含量很高，比电阻也偏高，含s i o 。高灰又较细，电除尘很 难收尘； 呼吸性粉尘p m i o ( 悬浮在空中，空气动力当量直径 l o o g m 3 ) 、高温( 3 5 0 。c ) 、高比电阻( 1 0 ”0 c m ) 烟尘和含有 腐蚀性气体场合的电除尘还不普遍或难以胜任。 有的电除尘在清灰时会造成高浓度排放污染。 ( 2 ) 一般工业锅炉烟气除尘则大量采用文丘里湿法除尘，其缺点是除尘效率 低，占地面积大，造成二次水污染，显然远远满足不了环保要求，和干式旋风除 尘一样，必将被逐步淘汰。少量工业锅炉烟气除尘采用电除尘，效果明显优于干 式旋风除尘和文丘里湿法除尘，但也面临电厂锅炉烟气除尘采用电除尘同样的难 题。 ( 3 ) 袋式除尘随着总体设计的优化和滤料等零部件的成熟化，已成为一种新型 高效的除尘方式，以极强的技术优势和旺盛的生命力迅速得到推广。其自动控制 已普遍采用p l c 机，工控机( i p c ) 也已进入这一领域。中、小型设备多采用单片机 或集成电路为核心的控制技术。自控系统的功能更为齐全，对清灰进行程控，自 动监测除尘设备和系统的温度、压力、压差、流量参数、超限报警；对脉冲喷吹 装置、切换阀门、卸灰阀等有关设备和部件的工况进行监视、故障报警；对清灰 参数( 周期持续时间等) 进行显示，对各控制参数的调节更加方便。发达国家无论 工业锅炉或电厂锅炉的烟气除尘都广泛采用袋式除尘，已成功运用至3 0 0 m w 机组， 并进一步向更大型化和普及化发展。 我国除了在水泥、冶金、粮食等行业普遍采用袋式除尘外，有少量锅炉的烟 东北大学硕士学位论文第一章概述 气除尘已成功采用袋式除尘，目前最大至2 0 0 m w 机组。从2 0 0 2 年及目前的主机和滤 料生产厂家订货信息看，新建锅炉项目采用袋式除尘呈强劲增长趋势。 1 5 本文主要工作 静电除尘器和袋式除尘器各具特点，将其结合使用，扬长避短，发挥各自的 优点，必将使烟尘捕集技术更进一步，本文针对静电复合除尘器原理进行了分析， 主要从除尘器内风流和阻力上来进行深入研究。 ( 1 ) 本文对静电一布袋复合式除尘器的除尘机理及其结构特点进行了探讨。 ( 2 ) 在前人设计的复合除尘器的基础上，针对存在的分流分布不均致使系统 阻力大的问题，引入数值模拟技术进行深入研究。 ( 3 ) 本文对除尘器内湍流模型进行研究，并以此模型为基础对内部气流分 布、阻力特性、速度分布进行模拟。 ( 4 ) 为验证数值模拟的结果，采用实验的手段对除尘器内风流、阻力特性进 行测试，把测试的数据与数值模拟结果进行对比分析。 ( 5 ) 另外对除尘器的除尘效率进行了实验研究。 一s 一 东北大学硕士学位论文 第二章电袋复合实验装置 第二章电袋复合实验装置 2 1 除尘器捕尘机理分析 2 1 1 静电除尘器的除尘机理 电除尘器是利用电场力将气体中的粉尘粒子分离出来的一种除尘设备。电除尘 器由产生电晕使粉尘荷电的电晕极和扑集粉尘的收尘极构成。其原理涉及悬浮粒子 荷电，带电粒子在电场内迁移和捕集，以及将捕集物从集尘表面上清除等三个基本 过程，它主要分为四个阶段： ( 1 ) 气体的电离和电晕放电 通常气体中只含有极其微量的自由电子和气体离子，可视为绝缘体。在电除尘 器中，当两电极之间的电压达到定值时，两电极之间的气体将发生电离由绝缘状 态转交为传导状态，即产生电离或电击穿，如电晕放电、辉光放电、火花放电及电 弧放电等。电除尘器是工作在电晕放电状态下的。 电除尘器中能够形成电晕放电的基本条件是，在正负电极问的电位差，应保证 形成使气体电离发生电晕放电的非均匀电场。在放电极表面电场强度最大，距放电 极愈远电场强度愈小。形成非均匀电场的电极有线状( 或针刺状) 电极与板状电极， 或线状与管状电极两大类。 电晕放电发生在细金属电晕线和集尘板之问，假如电晕电极为负极，从金属丝 表面或附近放出的电子迅速向接地极或正极运动，与气体分子发生撞击并使之离子 化，结果又产生了大量电子，通常称这种过程为电子雪崩过程。气体电离，出现电 晕，在电场内形成两个作用完全不同的区域：电晕区和电晕外区。 电晕放电原理如图2 1 所示。 。6 一 东北大学硕士学位论文第二章电袋复合实验装置 电晕区 收尘极板 电子 图2 1 气体电离原理图 f i g u r e 2 1 t h es c h e m a t i co f g a si o n i z a t i o n 在电晕区的阳离子向放电极( 阴极) 表面迁移，而电子和阴离子向集尘极迁移。 电子和阴离子是电场中粒子荷电的来源。实验证实电场中离子的迁移速度与电场强 度成正比，可用下式表示： u 。= k ，e ( 2 1 ) 式中，u o _ 一离子的迁移速度，m s e 一电场强度，v m k 。一离子迁移率，群( v s ) ( 2 ) 尘粒荷电 尘粒荷电的荷电量大小与尘粒粒径、电场强度及停留时间等因素有关，通常认 为尘粒荷电有两个主要机理：电场荷电和扩散荷电。对半径大于1 m 的尘粒，电场 荷电起主导作用，对半径小于0 2 t - t m 的尘粒，则为扩散荷电起主导作用，而半径在 o 2 一l 啪之间的尘粒，两者均起作用。 1 ) 电场荷电 在电场中气体离子沿电力线运动时与粉尘粒子碰撞使其荷电。随着粉尘粒子荷 电量的增加，粉尘粒子自身将产生局部电场，结果使附近的电力线向外偏转，于是 一7 一 东北欠学硕士学位论文第二章电袋复合实验装置 减少了离子向粉尘粒子运动的机会，直至最后完全偏离粉尘粒子，这时粉尘粒子的 电荷不再增加，达到饱和。 单个球形颗粒的饱和荷电量可由下式计算： 吼2 3 e 茅 o “躬e 式中，q 。一粉尘粒子饱和荷电量，c ； e 一粉尘粒子的相对介电常数，无量纲。 0 - 一真空介电常数，o = 8 8 5 1 0 1 2 ，c 2 v m 。或f r n ： e 一电场强度，v m ； d ，) _ 一颗粒粒径，m ； 由上式可见，电场强度越高，颗粒越大，饱和荷电量越大。 粉尘粒子荷电量随时间的变化可用下式表示： 1 q t 2 qs 弋 1 + 一 t 。：坠 e n k ： ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 式中，t 粉尘粒子进入荷电区的时间，s ； 一荷电过程时间常数，s ； n 一荷电区离子浓度，个m 3 ；实际运行工况下，大约为1 0 “1 0 ”个m 3 ； k 。一离子迁移率，m 2 u s ； e 一电子电量，e = 6 1 0 1 9 c 。 由以上公式可导出粒子荷电量与时间的关系式： f ：t 鱼! 亟( 2 5 ) 1 一q f q ， 由上式可知，一值愈小，荷电时间愈短。 2 ) 扩散荷电 清除。扩散荷电是由离子的热运动引起的，因而不存在理论上的饱和荷电量。 粉尘粒子上的荷电量与离子热运动强度、碰撞机率、运动速度、粉尘粒子的大小 和在电场里的停留时间等有关。根据分子热运动理论可导出扩散荷电量计算公式： 旷_ 2 ； r 6 0 d , k t l n ( 1 + 警) ( 2 6 ) 一8 一 东北大学硕士学位论文 第二章电袋复合实验装置 一b t ：( 堕) ( 2 7 ) m 7 式中，k 一波尔兹曼常数，k = 1 3 8 1 0 。2 3 j k ： t 一气体温度，k ； “一气体离子的平均热运动速度，m s ： e 一电子的电量，1 6 x1 0 - ”c ： 氏一真空介电常数，8 8 5 1 0 - 1 2 d ( v 扩) ； d 广粉尘粒子的粒径，m ； n 一电场中离子浓度，个m 3 ； t 一粒子在电场中停留时间，s ； r r r 一离子质量，垤。 ( c ) 电场荷电和扩散荷电联合作用 d 。 l p m 的粉尘粒子主要靠电场荷电，而扩散荷电量很小，可忽略不计；d 。 0 2 啪 的粉尘粒子主要靠扩散荷电，而电场荷电甚微。粒径在0 2 1 o m 间的粉尘粒子， 两种荷电机理获得的电荷数量级大致相同，荷电量可近似按两种机制迭加计算。 ( 3 ) 收尘 在电场的作用下，电除尘器中荷电的粉尘按其所带电荷的极性不同，向极性 相反的电极运动并最终沉积于收尘极板或电晕线之上。粉尘向收尘极板方向横向 移动的速度称为驱进速度。 ( 4 ) 清灰 在电除尘器中，粉尘按其所带电荷的极性不同，在电场的作用下分别附着到 收尘极板和电晕线上。收尘极板随着其表面上的粉尘厚度的增加，将使电荷粉尘 粒子所带电荷的释放速度减慢，从而影响其对粉尘的扑集，而电晕线附着粉尘后， 也将对极线产生电晕有所影响。为保证电除尘器的正常工作，需要定时将收尘极 板或电晕线上的粉尘。 2 1 2 袋式除尘器的工作原理 袋式除尘器是依靠织造或非织造的滤料为过滤介质来达到分离含尘气体中粉 尘的目的。它的工作原理是粉尘通过滤料时产生的筛滤、惯性碰撞、拦截、静电等 作用而被扑集。用棉、毛或人造纤维等加工制成的滤料是袋式除尘器的核心部件， 它直接影响到除尘效率。滤料本身的网孔较大，一般为2 0 5 0 p m ，表面起绒的滤料 约为5 1 0 p m 。因此新滤布开始时除尘效率较低，使用一段时间以后，尘粒在滤布 一9 一 东北大学硕士学位论文第二章电袋复合实验装置 上由于筛滤、碰撞、拦载、扩散、静电、及重力沉降等作用，粗尘粒首先被阻留， 并在网孔之间集结形成小孔径的通气孔，逐渐在滤布表面形成一层粉尘初层。粉尘 初层的形成，使滤布成为对粗、细尘粒皆可有效捕集的滤料，这时滤尘效率剧增， 阻力也增大。随着粉尘在滤布上积聚，滤布两侧面的压力差增大，可能会把已附着 在集尘层的细小尘粒挤压过去，使滤尘效率下降。另外，由于粉尘初层的过滤作用， 集尘层愈来愈厚，过滤网孔愈来愈小，除尘器阻力愈来愈高，除尘系统的气体处理 量显著下降。因此，除尘器阻力达到一定数值后，要及时清灰。由此可见，袋式除 尘器的除尘原理主要靠粉尘初层的过滤作用，滤布只对粉尘过滤层起支撑的骨架作 用。 为进一步了解袋式除尘原理，下面分别讨论各种作用对尘粒的捕集机 ( 1 ) 筛滤作用 当尘粒粒径大于滤布纤维网孔或沉积在滤布上的尘粒间孔隙时，尘粒被阻留于 滤布或集尘层上。新滤布纤维网孔大于尘粒粒径时，尘粒可以通过网孔，此时筛滤 作用很小。但尘粒在滤布表面大量沉积形成粉尘初层后，筛滤作用显著增大。 ( 2 ) 惯性碰撞 当含尘气流接近滤布纤维时，气流将绕过纤维，而大于1 岫的尘粒由于惯性作 用，离开气流流线前进，撞击到纤维上而被捕集。所有处于粉尘轨迹临界线内的大 尘粒均可达到纤维表面而被捕获。惯性碰撞作用随尘粒粒径及流速的增大而增大。 ( 3 ) 扩散作用 扩散作用发生在粒径较小的尘粒中，小于l 帅的尘粒，特别是小于0 2 p m 的亚 微米粒子在气体分子的撞击下脱离流线，像气体分子一样作不规则的布朗运动，与 纤维接触而被捕集，这种作用称为扩散作用。降低气流速度，尘粒粒径减小，则扩 散作用增强。 ( 4 ) 拦截作用 当含尘气流接近滤布纤维时，较细尘粒随气流一起绕流，若尘粒半径大于尘粒 中心到纤维边缘的距离时，则尘粒因与纤维接触而被拦截。 ( 5 ) 静电作用 一般来说，尘粒和滤料都可能带有电荷，两者之间遵循同性相斥，异性相吸的 原理。若尘粒与滤料所带电荷相反，有利于尘粒吸附在滤料上，可以提高除尘效率， 但尘粒却难以清除。若尘粒与滤料所带电荷相同，情况则相反。静电效应一般在尘 粒粒径小于1 啪，气流速度很低时，才显示出来。外加电场，可强化静电效应，从 而提高除尘效率。 1 0 一 东北大学硕士学位论文 第二章电袋复合实验装置 ( 6 ) 重力沉降作用 粒径和密度大的尘粒，进入除尘器后，当气速不大，作缓慢运动时，可因重力 作用，自然沉降下来。 图2 4 过滤机理图 f i g u r e 2 4 t h es c h e m a t i co f f i l t r a t i o n 上述各种捕集机理，对某一尘粒来说并非都同时有效，起主导作用的往往只是 一种机理，或二、三种机理的联合作用。其主导作用要根据尘粒性质、滤袋结构、 特性及运行条件等实际情况确定。各种作用的除尘机理见图2 4 。 2 1 3 静电、布袋除尘器的特点比较 2 1 3 1 电除尘器特点 电除尘器是利用强电场电晕放电使气体电离、粉尘荷电，在电场力作用下使 粉尘从气体中分离出来的装置，其优点是： ( 1 ) 除尘效率高，可达到9 9 左右。 ( 2 ) 本体压力损失小，压力损失一般为1 6 0 - 一3 0 0 p a 。 ( 3 ) 能耗低，处理1 0 0 0 m 3 烟气约需0 2 一o 6 k w h 。 一1 1 一 东北大学硕士学位论文第二章电袋复合实验装置 ( 4 ) 处理烟气量大，可达1 0 6 m 3 h 以上。 ( 5 ) 耐高温，普通钢材可在3 5 0 。c 以下运行。 缺点是： ( 1 ) 结构复杂、耗用钢材多，每个电场需配用一套高压电源及控制装置，因此 价格较为昂贵。 ( 2 ) 占地面积大。 ( 3 ) 制造、安装、运行要求严格。 ( 4 ) 对粉尘的特性较敏感，最适宜的粉尘比电阻范围为i 0 4 5 x1 0 ”0 a m ，若 在此范围之外，应采取一定的措施，才能取得必要的除尘效率，最重要的一点是 当电厂锅炉燃烧低硫煤或经脱硫以后的锅炉烟气粉尘比电阻无法满足电除尘器的 使用范围要求，这时应用电除尘器，即使选择4 电场以上，也无法达到排放浓度 小于l o o m g 群以下。 ( 5 ) 烟气为高浓度时，要用前置除尘。 据统计，我国燃煤电厂电除尘器的平均除尘效率为9 8 1 6 ( 8 8 5 9 9 1 6 ) ， 烟尘排放浓度大多在1 0 8 1 5 0 m g m 3 之间，其设计中的一些主要特点是： 1 ) 燃煤灰分的范围为1 5 4 5 ，其中灰分在2 5 3 5 的约占6 0 ；燃煤硫分 的范围为0 3 3 3 ，其中硫分在0 5 1 5 的约占7 0 ； 2 ) 飞灰比电阻的范围为1 0 8 1 0 ”0 m 的约占8 0 ，尤以1 0 “这一数量级为多， 约占4 0 ： 3 ) 集尘极振打清灰装置为侧传动水平转轴挠臂锤切向振打。 4 ) 高压供电装置的选型：3 0 0 m m 间距的电除尘器，设计的平均电场强度，9 0 为4 4 4 k v c m ：设计平均板电流密度，7 0 为0 3 o 5 m a m 2 。4 0 0 m m 间距的电 除尘器，设计平均电场强度，9 0 为3 5 3 6 k v c m ；设计平均板电流密度，7 0 0 4 o 5 m a 群。 5 ) 粉尘驱进速度：对于3 0 0 m m 间距电除尘器，设计驱进速度为5 7 c m s 的 约占6 4 ，对于4 0 0 m m 间距的电除尘器，设计驱进速度为7 - 9 c m s 约占7 4 。 2 1 3 - 2 电除尘目前存在问题 ( 1 ) 电厂实际燃煤变化较大，设计驱进速度命中率不高，据调查，设计驱进 速度大于实际驱进速度的约占3 2 ，小于的约占为6 8 ，偏差在1 0 之 内的仅占4 3 5 5 。 ( 2 ) 高压供电装置额定输出电流选择偏大，带来不少弊端。 一1 2 东北大学硕士学位论文 第二章电袋复合实验装置 ( 3 ) 电除尘器本体钢耗大，从国外引进的电除尘器本体钢耗仅为同样极距的 国产电除尘器钢耗的6 0 8 0 。 ( 4 ) 放电极断线、掉刺还时有发生。 ( 5 ) 冷炉启动或低负荷运行油、煤混烧时，极板与极线因油污粘灰严重，很 斗易堵塞，排灰不畅。 ( 6 ) 烟气成份、烟气压力、粉尘浓度等变化都很容易引起电除尘器的运行效 果、除尘效率下降。 ( 7 ) 灰斗易堵塞，排灰不畅。 ( 8 ) 振打装置易失灵清灰效果不佳。 ( 9 ) 维修工作难度大。 2 1 3 3 袋式除尘器应用特点及与电除尘器比较 袋式除尘器也称过滤式除尘器，它是利用纤维编织物制作的袋状过滤元件来 捕集含尘气体中固体颗粒物的除尘装置，它的特点是： ( 1 ) 除尘效率高，一般在9 9 以上，可达到在除尘器出口处气体的含尘浓度为 2 0 3 0 m g m 3 ，对亚微米粒径的细尘有较高的分级除尘效率。 ( 2 ) 处理气体量的范围大，并可处理非常高浓度的含尘气体，因此它可用作各 种含尘气体的除尘器。其容量可小于至每分钟数立方米、大到每分钟数万立方米 的气流，在采用高密度的合成纤维滤袋和脉冲反冲清灰方式时，它能处理粉尘浓 度超过7 0 0 0 0 0 m g m 3 的含尘气体，它既可用于尘源的通风除尘，改善作业场所的 空气质量，也可用于工业锅炉、流化床锅炉、窑炉及燃煤电站锅炉的烟气除尘， 以及对诸如水泥、碳黑、沥青、石灰、石膏、化肥等各种工艺过程中含尘气体的 除尘，以减少粉尘污染物的排放。 ( 3 ) 结构比较简单，操作维护方便。 ( 4 ) 在保证相同的除尘效率的前提下，其造价和运行费用低于电除尘器。 ( 5 ) 在采用玻璃纤维和某些种类的合成纤维来制作滤袋时，可在 6 0 2 0 0 的 温度下稳定运行，有选择高性能滤料时，有些耐温可达到2 6 0 。c 。 ( 6 ) 对粉尘的电特性不敏感，不受粉尘比电阻的影响。 ( 7 ) 在用于干法脱硫系统时，可适当提高脱硫效率。 缺点是： ( 1 ) 不适于在高温状态下运行工作，当烟气中粉尘含水分重量超过2 5 以上 时，粉尘易粘袋堵袋，造成布袋清灰困难、阻力升高，过早失效损坏。 一1 3 一 东北大学硕士学位论文 第二章电袋复合实验装置 ( 2 ) 当燃烧高硫煤或烟气未经脱硫等装置处理，烟气中硫氧化物、氮氧化合物 浓度很高时，除f e 滤料外，其他化纤合成纤维滤科均会被腐蚀损坏，布袋寿命缩 短。 ( 3 ) 不能在“结露”状态下工作。 ( 4 ) 与电除尘相比阻力损失稍大，一般为1 0 0 0 2 0 0 0 f a ( 1 0 0 2 0 0 m m h ：0 ) 。 2 1 4 电除尘器改造为静电一布袋复合式除尘器的可行性 电除尘器和袋式除尘器都是公认的高效除尘设备。我国燃煤电厂使用电除尘器 已很普遍，一般说来，性能较好的四电场电除尘器具有较高的烟气净化效率。电除 尘器的最大优点是设备阻力小，脱除亚微米级和粗粒子的效率高，维护工作量少。 但是，锅炉工况、负荷及燃煤煤种的变化( 粉尘特性) 对电除尘器的除尘效率影响 很大。比如燃用低硫煤时，采用电除尘器净化效果就比较差。环保要求的日趋严格， 以及国家对s o ，控制力度的加大，许多燃煤电厂将燃用低硫煤，从而导致电除尘器 的除尘效率下降，烟尘排放达不到环保要求。为此，一些除尘器制造厂随之投入了 相当大的精力，采取了很多措施，如增加电场、改变极配、更换电源等，做了不少试 验。力图对电除尘器设备进行全方位的改造，但是，见效不大。这种希望通过改造电 除尘器本体来适应高比电阻低硫煤粉尘，从而提高电除尘器除尘效率的努力，早在 2 0 世纪7 0 年代国外己尝试过。比如澳大利亚燃用的是典型的高比电阻低硫煤，他 们在使用电除尘器时，为保证排放的烟气中粉尘浓度 4 0 0 m g m 3 ( 本文烟气量均指 标准状态值) ，采用降低锅炉负荷运行方式，但长期降低负荷运行则提高了发电成 本：而采用向烟气中加入n h 3 来改善除尘效果的方式，又会产生很粘的沉积物，导 致振打清灰性能恶化：用水洗又造成e s p 外壳和极板腐蚀。在“山穷水尽”的情况 下，最终陆续将电除尘器改造为袋式除尘器。 2 2 实验装置 由于静电和布袋除尘器各具特点，如何很好地扬长避短，发挥各自的优势成为 目前环保业内关注的焦点，前人对静电布袋复合除尘器已进行了一些探索性研究， 建立的装置取得了理想的结果，但整体设备的阻力较大。为此，本文引入f l u e n t 大型软件对除尘器内风流进行分析，并找出影响阻力的结构缺陷，然后通过实验 进行验证和测试。 文中所使用的设备模型如图2 1 、2 2 、2 3 所示，参数如表2 1 、2 2 所示 一1 4 一 圭些查茎堡主兰堡垒查 堑三主鱼竺墨全塞竺茎墨 。一 、1 百硼j瑁，1l 卜髓= - 一 ，厂警。删 u e 图2 1 复合除尘器主是视图 f i g u r e2 1t h et o pv i e wf o r a h p c 图2 2 复合除尘器左是视图 f i g u r e2 1t h el e f tv i e wf o r a h p c 图2 3 复合除尘器俯是视图 f i g u r e2 1t h eb o t t o mv i e wf o r a h p c 1 一渐扩管：2 一灰斗；3 一圆形弯管；4 一直管；5 一气包：7 一虑袋；8 一渐缩管 9 一三通管 一1 5 追 东北大学硕士学位论文第二章电袋复合实验装置 表2 1 静电除尘单元设计参数 t a b l e 2 1t h ep a r a m e t e r so f e s pd e s i g n i n g 电除尘器参数设计值备注 有效过滤面积a c ( m 2 ) 0 2 电场数n l 单室单电场 通过电场风速v ( m s 1 1 o o 7 1 3 最为合适 处理风量q ( m 3 m ) 7 2 0 气体含尘浓度过高，电场内尘粒的空间电 允许含尘量( g ，m 3 ) 牛6 0 荷很高，会出现电晕闭塞现象 除尘效率n 术9 0 作为初级除尘 阻力损失( p a ) 3 0 0 5 0 0 采用工业标准，具体数值由实验实测 操作直流电压u 0 _ 【v ) 5 0 电场长度l ( h 1 ) 1 o 型式板式 集 尘间距b ( m m )2 0 0 极 有效面积a ( m 2 ) 1 0 型式芒刺线 电 璺 间距( m m )1 5 0 极 有效长度( m ) 1 o 长( m ) 1 2 2包括进出口变径管的长度 外形 尺寸 宽( m ) 0 ，2 高( n 1 ) 1 4 5包括灰斗高度 振打方式手动振打 排灰装置手动闸板与袋式除尘器共用 - 1 6 - 东北