（机械设计及理论专业论文）电袋复合除尘器原理及系统设计.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 在空气污染控制领域中，静电除尘器和布袋除尘器是应用广泛的颗粒 污染物净化设备。随着人类社会在环境保护方面的要求不断提高，单独使 用静电除尘器和布袋除尘器都将难以适应新的形势和新的要求。静电除尘 器由于受到粉尘性质、设备状况等因素的影响，为达到1 u m g ，的排放要 求非常困难，且将大大增加静电除尘器的结构体积，同时将增加本体重量、 设备投资和运行费用。布袋除尘器虽然具有很高的除尘效率( 可到9 9 9 9 ) ， 但当入口粉尘浓度很高的情况下( 如大于1 5 0 9 m 3 2 0 0 9 m 3 ) ，其出1 3 浓度 仍不能低于国家新的粉尘浓度排放l o o g m 3 以下的要求( 此时为 1 5 2 0 m g m 3 ) ，同时会大大增加滤袋数目或增加滤袋长度，而由于入口粉 尘浓度较高，系统运行阻力较大，从而增加运行费用。因此，研究和开发 适合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。 考虑到静电除尘器具有处理气体量大、阻力小、运行费用低，而袋式 除尘器在较低粉尘浓度下，阻力小，除尘效率高、能耗低，从而运行费用 低的特点，本文对电除尘和袋除尘进行结合，研究电袋复合除尘关键技术， 对电袋除尘其进行了结构设计。首先使含尘气体进入电袋除尘器的电除尘 部分，在电场的作用下，使粉尘的浓度大大降低；而后气体进入袋除尘部 分，这时由于粉尘浓度已经很低，使得滤袋的阻力很低，同时对滤袋的清 灰时间也可大大延长。本文设计的电除尘部分电场风速可达l m s ，从而增 加气体处理量；电除尘部分在粉尘入口浓度为5 0 9 m 3 和除尘效率为8 5 的 情况下，粉尘出1 2 1 浓度为7 5 9 m 3 ；在袋除尘部分，由于粉尘入口浓度较低， 使得袋除尘部分压力将仅为1 7 5 1 2 0 0 p a ，除尘效率为9 9 8 7 ，粉尘出口浓 度仅为9 9 $ m g m 3 。 关键词：粉尘，静电除尘，布袋除尘，电袋复合除尘 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t e l e c t r o s t a t i cp r e c i p i t a t i o n ( e s p ) a n db a gf i t l e ra r ea i rc l e a n i n ge q u i p m e n t w i d e l yu s e di nc o l l e c t i n gc o n t a m i n a t i o n w h i l e ，s e p a r a t e l yu s i n ge s po rb a g f i l t e rw i l lb e v e r y h a r dt o c o m p l y w i t ht h en e wr e q u i t e m e n si nt h e e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nf r o mi n t e r n a t i o n a ls o c i e t y e s pc o l l e c t i o ne f f i c i e n c yi s a f f e c t e db yd u s tc h a r a c t e rc h a r a c t e ra n de q u i p m e n tc o n d i t i o n ，w h i c hw i l lm a k e i t ss t r u c t u r ei n c r e a s e d i nt h es a n l ew a y , i t sb o d yw e i g h t ，r u n n i n gc o s ta n d i n v e s t m e n tw i l lb ei n c r e a s e dal o t b a gf i l t e ra l s oh a v eh i g hd e d u s t i n g e f f e c t ( r e a c h i n gt o 9 9 9 9 1 b u tt h eo u t l e te m i s s i o nd e n s i t yo ff i l t e ri s 1 5 2 0 m g m 3 w h i c hs t i l lc a l ln o tm e e tt h er e q u i r e m e n to fn e ws t a t er u l e so f l e s st h a nl o m g m 3 ，i ft h ei n l e td u s td e n s i t yi sv e r y h i g hs u c ha s 1 5 0 9 m 3 2 0 0 9 m 3 a n di nt h i sw a yb a g sn u m b e r sa n db a g sl e n g t hw i l lb e i n c r e a s e dm u c hm o r e ，a n di n l e td e n s i t yi sm u c hh i g hw h i c hw i l li n c r e a s et h e r u n n i n gc o s ta n dm a k em o r er u n n i n gr e s i s t a n c 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 s oi no r d e rt ou s et h e i ra d v a n t a g e sa n do v e r c o m et h e i rd i s a d v a n t a g e ， w ew i l lh a v eac o m p r e h e n s i v ec o n s i d e r a t i o no fe pa n db a gf i l t e r s oi ti sv e r y i m p o r t a n tt os t u d yt h ec o m p r e h e n s i v ed e d u s t i n gt e c h n o l o g yw i t he pa n db a g f i l t e r e pa d v a n t a g e sa r et h a ta i rp r o c e s s i n gq u a n t i t yi sv e r yl a r g e ，i t sr e s i s t a n c e i sl o w , a n dr u n n i n gc o s ti ss m a l l b a gf i l t e rh a v em o r ea d v a n t a g e ss u c ha sl o w e n e r g yc o n s u m p t i o nb e s i d e so fe pa d v a n t a g e s i n t h i st h e s i sw ew i l lc o n s i d e r b o t ha d v a n t a g e so fe pa n df i l t e rt os t u d yt h ee p - b a g f i l t e rt e c h n o l o g ya n d m a k es t r u c t u r e d e s i g n a t f i r s t t h e d u s t g a s w i l l g o i n t ot h e e l e c t r o s t a t i c - d e d u s t i n gp a r to fe p b a g f i l t e r , u n d e rt h ee l e c t r of i e l da c t i o n ，t h e d u s td e n s i t yw i l lb ed e c r e a s e dg r e a t l y a n dt h e nt h eg a sw i l lg oi n t ot h e b a g - d e d u s t i n gp a r to fe p b a g f i l t e r , a n dt h e nt h ed u s tc o n t e n t sw i l lb el o w e r , s o n 武汉理工犬学硕士学位论文 t h eb a gr e s i s t a n c ew i l lb el o w e r , a n dt h eb a gc l e a n i n gt i m ew i l lb ep r o l o n g e d g r e a t l y i nt h i st h e s i s ，t h ee l e c t r of i e l da i r s p e e di nt h ee l e c t r o s t a t i c d e d u s t i n g p a r tw i l lr e a c ht oi m s ，s ot h eg a sp r o c e s s i n gq u a n t i t yw i l lb ei n c r e a s e d u n d e rt h ec o n d i t i o no fi n l e td e n s i t yi s5 0 9 砧a n dd e d u s t i n ge f f e c ti s8 5 i n t h ee l e c t r o - d e d u s t i n gp a r t ，i t so u t l e td u s td e n s i t yw i l lb e7 5 9 m 3 i nt h eb a g d e d u s t i n gp a r t ，t h ei n l e td u s td e n s i t yi sv e r yl o w , s os o m ep r e s s u r eo ft h e mw i l l o n l yb e1 7 5 1 2 0 0 p a , i l sd e d u s t i n ge f f e c tw i l lb e9 9 8 7 t h eo u t l e td u s td e n s i t y w i l lb e9 9 8 m g m 5 k e yw o r d s ：d u s t , e eb a gf i l e r , e p - b a g f i l t e rc o m p r e h e n s i v e h i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 己经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。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了谢意。 签名：慕足一日期：望旱拿厶半翻 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 墨盟导师签名：住! l 亡塑日期：拙日明 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 选题的背景和意义 地球是人类共同的家园，地球环境构成人类繁衍发展的物质基础。然 而人类在生产生活活动中，不断地向大气中排放出各种污染物质，严重污 染着大气环境。作为大气污染防治的重要内容之一，除尘工程承载着重大 的历史使命。例如我国的电力部门，由于大量的使用煤电，造成我国大气 污染及酸雨日趋严重。 目前，我国小型燃煤锅炉的除尘多采用旋风除尘器、水膜除尘器等低 效率的除尘设备，除尘效率不到8 0 ，烟尘排放浓度达5 0 0 m g n m 3 以上， 超标严重。火电厂的大型燃煤锅炉多采用高压静电除尘器，虽然能满足我 国现行环保法规的排放要求，即小于2 0 0m g n m 3 ( 国外为小于2 0 2 5m g n m 3 ) ， 但在现实应用中，人们逐渐发现静电除尘器存在种种不足。 首先，电除尘设备往往设备庞大，耗钢多，同时需要高压变电和整流 设备，价格十分昂贵。 其次，静电除尘器对超细颗粒( 如粒径在0 2 o 5 l lm 之间) 的控制 效果较差。这主要是由于超细粉尘难以荷电，同时，在电极振打时容易产 生二次飞扬的现象，使已捕集的细尘再次从电除尘器逸出。 第三，静电除尘器往往受到烟尘性质、湿度、温度、成分、压力，以 及粉尘浓度，粒径分布，比电阻等多种因素的影响，使其实际的除尘效率 往往达不到设计效率，并且波动较大。 第四，电除尘器只能单纯的用于烟气除尘，不具备脱硫的功能，而在 其前面增加脱硫环节后，往往又由于改变了粉尘性质而导致静电除尘器的 效率降低。 综合以上分析，我们可以看出，虽然静电除尘器可以实现较高的除尘 效率，但由于其自身的缺陷，在实际应用中上实现更高的除尘效率( 9 9 9 9 以上) 和更低的排放( 5 0 m g m 3 以下) 十分的困难。随着国家环保要求的 提高，静电除尘器己逐渐不能满足排放要求。 武汉理工大学硕士学位论文 与静电除尘器相比较，袋式除尘器具有其无法比拟的优势。它对于捕 集超细粒尘表现更出色，同时，基本不受粉尘浓度、比电阻、粒径分布等 因素的影响，在高浓度烟气过滤时依然可以容易的实现5 0 m g n m 3 以下要求 的排放，甚至可达1 0m g n m 3 左右，除尘效率达到9 9 9 9 以上。而且，相 对于静电除尘器，其投资和运行成本更低。由于分室结构的应用，使袋式 除尘器在使用时可轮换分室检修和换袋，这是也静电除尘器无法做到的。 同时，袋式除尘器具有一定的脱硫能力，是除尘脱硫一体化的技术装备。 因此，在发达国家，广泛使用袋式除尘器代替静电除尘器，应用于火电场 等场合的烟气净化。 虽然袋式除尘器有逐渐取代电除尘器的趋势，但静电除尘器也有一些 优点是袋式除尘器所不具备的。如处理烟量大，可处理高温高湿气体，运 行阻力小，耗能低，切零部件不易损坏。而袋式除尘器则表现为运行阻力 大，滤袋易损耗，同时，在高温高湿及腐蚀性气体场合下对滤袋要求高， 从而降低了其使用的广泛性。 在分别考察了静电除尘器和袋式除尘器的特点后，我们认为设计实现 电袋复合除尘器，能够结合两种高效除尘设备的优点，弥补彼此的不足， 得到一种更为高效实用的除尘设备。这些对于提升我国除尘技术与装备， 降低工业粉尘排放浓度，减少大气污染，具有十分重要的意义。 1 2 国内外研究综述 电除尘器作为我国电力行业除尘装备的主力军，在上个世纪为我国的 环保事业作出了杰出的贡献。然而，随着人们对环保要求的提高以及国家 对排放浓度更高要求标准的征订，现有的电除尘器逐渐显示出其缺点。首 先，现有技术已经将电除尘器的效率提高到一个极点，可达到9 9 9 9 5 ，然而，由于超细粉尘难以荷电，静电除尘器的效率很难进一步提高。 而现有的除尘效率是远无法满足烟气排放要求的。其次，由于对硫氧化物 的控制技术要么造成粉尘的比电阻增高，要么使超细粉尘的浓度增大，均 导致了电除尘器的工作效率降低。现有电除尘器无法满足人们对烟气排放 的要求，致使其逐渐被袋式除尘器取代。袋式除尘器克服了电除尘器的几 乎所有缺点，使除尘效率大幅度提高到9 9 9 9 以上，并且投资费用较低， 已基本上满足了人们对烟气排放的要求。然而，袋式除尘器也表现出种种 武汉理工大学硕士学位论文 不足。例如，袋式除尘器运行阻力大，滤袋易损坏等。考虑到传统的静电 除尘器阻力小、零部件不易损坏以及除尘效率相对较高的优点，采用电除 尘在前，袋除尘在后的电袋复合除尘器，由于前面的电除尘器对大部分较 大颗粒的粉尘进行了吸收，大大降低了袋式除尘器的工作阻力，同时，也 降低了粉尘对滤袋的损耗，而除尘效率不变，必将成为低能耗高效率的除 尘尖兵。 近年来，国外已经出现了电袋复合除尘器的相关产品。最具代表性的 就是美国e l e x 公司的静电一布袋组合式除尘器和美国g o r e 公司的交叉 式静电一布袋除尘器。g o r e 公司的交叉式静电一布袋除尘器，其结构是 一排电除尘通道一排布袋除尘通道交叉布置，气流通过孔板式极板，进入 布袋收尘通道。这样不仅利用了常规静电布袋除尘器的特点，又里同了带 电粉尘与极板之间的静电力，9 0 的粉尘在电场中被出去，1 0 的带静电 粉尘通过多孔板阳极进入布袋与阳极板构成的收尘区域，从而得以除尽。 该产品可使过滤风速达到3 5 m r a i n 以上，而清灰周期达2 0 m i n 。 与此同时，国内也开始出现电袋复合除尘器的产品，江苏苏亚机电制 造有限公司开发的“e b c 电袋复合除尘器”在2 0 0 5 年通过了江苏省经贸委组 织的“江苏省新产品新技术鉴定”。在甘肃，兰州电力修造厂与西安热工研 究院联合研究开发的电袋复合式除尘器，在2 0 t 锅炉1 4 m 2 除尘器上进行试 验，在6 天不同工况的试验中，取得了除尘效率达9 9 9 9 的满意效果。 作为最新的除尘技术，电袋复合除尘器的研究，目前还主要在试验阶 段，应用的实例的并不多，而且其技术潜力还远远没有发掘出来。例如在 系统设计方面，如果仅仅将传统的单一设计静电除尘器和袋式除尘器的方 法简单相加，则没有把电袋复合除尘器作为系统综合考虑，其系统的性能 优势没有得到充分发挥。国外g o r e 公司的交叉式静电布袋除尘器， 其过滤风速和清灰周期均远远超过单一使用静电或布袋除尘器，说明了系 统优化的重要性。目前，从现有资料看，我们还没有找到一套行之有效的 电袋复合除尘系统优化设计的方案。针对不同工况下如何合理分配电、袋 两部分的除尘载荷，如何选取合理的系统参数，并在此基础上实现整个系 统的优化设计，是电袋复合除尘器应当解决的技术问题之一，同时，也是 电袋复合除尘产品系列化、产业化的基础工程。 武汉理工大学硕士学位论文 另外，具体设计上如何使布袋接通和电晕线一样的电压，从而提高风 速、降低阻力以及延长清灰周期；如何使电袋除尘与脱硫一体化；控制系 统优化设计等等，都是电袋复合除尘器发展中存在的问题。 1 3 课题的关键技术与研究内容 针对目前对电袋复合除尘技术研究的不足，本文主要做如下研究工作： 1 对电袋复合除尘技术的原理做全面深入的探讨，特别是阐述了电除 尘系统对后面的袋除尘系统的影响，从除尘机理方面详细研究了电袋复合 除尘技术的原理及其优势。 2 详细介绍了电袋复合除尘器的结构特点，给出其设计方法。 3 在一定的假设下，为后面性能试验及优化试验，设计了电袋复合试 验平台系统。包括静电除尘单元结构、布袋除尘单元结构、清灰系统、管 道系统、风机的选用等。 4 在结论与展望中探讨了性能优化试验的一些想法。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章电袋除尘基础理论 2 1 静电除尘基础理论 2 1 1 静电除尘器的工作原理 静电除尘器是利用静电力实现气体中的固体或液体颗粒与气流分离的 一种高效的除尘装置，广泛的用于冶金、化工、水泥、火电等行业。 静电除尘器的除尘原理主要分为4 个步骤：气体电离、粉尘荷电、粉 尘捕集、被捕集的粉尘清除。 1 气体电离 气体电离的过程实际上就是气体导电的过程。如图2 1 所示，由于极 线的半径很小，当足够高的电压加在极线上时，小半径极线的附近将产生 强度很高的电场，形成电晕区。电晕区内，产生有快速移动的自由电子和 正离子，其中自由电子的能量以足够高，当它与其它气体分子撞击时，便 轰击出新的自由电子和正离子，而这些自由电子经电场加速后，又可轰击 出更多的自由电子。如此循环，便形成气体电离，我们可形象的称之为“电 子雪崩”。 图2 1 电晕过程示意图 武汉理工大学硕士学位论文 产生电子和正离子的电子雪崩过程，主要是受气体的电离电位和放电 极附近的电场强度所支配。为引发电晕，电子必须拥有足够的能量，此能 量因气体种类而异，一般在1 0 2 5 电子伏特之间。另一方面，电子与气体 分子的碰撞不一定每次都能产生电离，因此，电晕放电要有足够数量的原 电子来维持电子雪崩的过程。这些原电子是在天然辐射下产生的，每秒每 立方米空气中大约产生5 0 0 对这样的离子电子对，这个数量足以诱发 电晕。 2 粒子荷电 粉尘粒子荷电按荷电机理可分为两种形式：电场荷电和扩散荷电。 ( 1 ) 电场荷电 电场荷电是离子在电场力作用下作定向运动与粒子相碰的结果。在这 一过程中，粉尘的荷电量不断增加，粉尘粒子将产生排斥场，当粉尘所获 电荷产生的排斥场完全抵消外电场的作用时，粒子附近的电力线将向外偏 转，不再有电荷与粒子相碰，粒子上的电荷趋近于一个极限值，称为饱和 电荷。 粒子进入电场后所获电荷量随时间的变化可用下式表示： 孵胁( 鲁卜砟( 赤 沼， 式中：g 粒子的荷电量，c ；氏真空介电常数， 岛= 8 8 5 x i 0 - 1 2 f m ，毛粒子相对介电常数；以粒子直径，m ： 磊为粒子所在位置的电场强度，v m ；岛荷电时间常数，并且有 t 。= 4 岛0 幻，单位s ，其中，o 为离子浓度，离子m ，e 为单位电荷电 量，c ，b 为离子的迁移率，m 2 i ( v j 1 。 事实上，f 0 是非常小的，一般为1 0 。3 秒数量级，而当t = 1 0 t o 时，荷电量 即达到饱和电量的9 0 以上，可近似认为荷电量达到饱和值，因此，电场 荷电的过程十分迅速，有利于粒子的捕集。 当t 一。时，即为单个球形颗粒的饱和荷电量表达式： 铲幽( 2 - 2 ) 口= 一 j + 2 6 武汉理工大学硕士学位论文 式中：吼粒子饱和电荷量，c ；q 粒子相对介电常数： 真空介电常数； 磊粒子所在位置的电场强度，v i m ：d o 粒子直 径，m 。 由上式可知，粒子的饱和荷电量是与电场强度、粒子的相对介电常数 以及粒子直径相关，并且电场强度越高，粒子的相对介电常数越高，粒子 直径越大，其饱和电荷量越大。 ( 2 ) 扩散荷电 扩散荷电是利用离子的热运动使粒子荷电的过程，离子在热运动中与 悬浮颗粒相碰撞，并附着在粒子上，使悬浮颗粒带有电荷。根据分子运动 理论，离子的动能不存在上限值，因此，即使附着在颗粒上的电荷产生排 斥电场，也不存在扩散荷电的最大值。一般认为，粒子的扩散荷电量与其 荷电时间，粒子颗粒大小、离子浓度以及离子热运动动能有关。 事实上，静电除尘器电场中悬浮颗粒物的荷电是电场荷电和扩散荷电 共同作用的结果。根据前人的理论及试验研究，我们可以得到大致的结论： 对于大颗粒尘粒( 直径在o 5 z m 以上) ，以电场荷电为主；对于中间颗粒尘 粒( 直径在o 2 t m o 5 t m ) ，同时考虑电场荷电和扩散荷电；对于小颗粒 尘粒( 直径在0 2 聊以下) ，以扩散荷电为主。 3 荷电粒子的捕集 在电场力的作用下，荷电粒子将向收尘极运动，之后附着在收尘极扳 上，并释放掉所带电荷。在这个过程中，有两个关键参数是人们所关注的。 一个是带电粒子在电场力和空气动力的综合作用下，由空问到达收尘极的 速度，称为粒子的趋进速度。另一个是粒子捕集的效率，称为捕集效率。 ( 1 ) 粒子趋进速度 电场中，气溶胶粒子的受力可以归结为电场力、惯性力与空气粘滞阻 力的平衡，由此得到粒子运动的微分方程： “ 聊，等= 孵一3 掣以喝 ( 2 3 ) 式中：缈粒子趋进速度，m s ；粒子质量，堙；g 粒 子所带电荷量，c ；e p 粒子所在位置电场强度，v i m ；气体粘 度，k g ( m j ) ；以粒子直径，m ；c l c u 彻i n 曲锄修正系数。 武汉理工大学硕士学位论文 在电场力占主导地位的情况下，质量及重力作用相对于电场力几乎可 以忽略不计，因此最终可简化为： 口：竺苎( 2 - 4 ) 3 7 t u d p 由上式可知，粒子的趋进速度与其所带电量，电场强度，气体粘度以 及粒径有关，而且，所带电量越多，电场强度越强，气体粘度及粒径越小， 则趋进速度越快。需要指出的是，实际的粒子趋进速度由于受到气流、电 场分布以及粒子特性等因素的影响，比计算出的理论值要小一些。 ( 2 ) 捕集效率 捕集效率是静电除尘的核心问题，但由于影响其变化的因素较多，更 涉及到气流的变化，因此，完全从理论上推理效率公式是及其困难的。最 初，人们利用层流理论来认识静电除尘的收尘过程，但由于电除尘器内根 本不存在层流，其结果无法用于指导实际生产。1 9 2 2 年，多依奇( d e u t s c h ) 通过一系列的假定和简化实际情况，开创性的得出理想状况下紊流状态的 效率公式多依奇公式： 删一- 鲁1 2 = l - e x p ( 一西a 式中：，7 捕集效率；c 1 入口浓度； 尘极板总面积；q 气体流量。 ( 2 5 ) c 2 出1 ：3 浓度；4 收 多依奇公式做了如下假设： ( 1 ) 含尘气流为紊流状态，并且在收尘区内某一断面上粉尘粒子的浓 度是均匀的。 ( 2 ) 进入电场后完全荷电，即相同的粒子具有相同的荷电量； ( 3 ) 电场强度与气体离子浓度在任一粒子附近是均匀的； ( 4 ) 进入静电场的气流速度是均匀的； ( 5 ) 在收尘区域内没有其它干扰，如：冲刷、再飞扬以及反电晕现象 等； ( 6 ) 忽略粒子间的相互影响 由于多依奇公式是在以上理想状态下得到的，没有考虑实际情况下大 量的“非多依奇现象”，静电场中流速不均；粉尘粒子的再飞扬，粒子驱进 速度随流速变化，粒子的驱迸速度不与粒径成正比；粒子的驱进速度在通 s 武汉理工大学硕士学位论文 道宽度方向上是变化的；以及粉尘浓度在静电场中的三个方向上都是变化 的等等。因此，其结果比实际应用结果要大很多。 后人在多依奇公式的基础上做了很多改进。w i l l i a m s ( 1 9 6 2 ) 提出 w i l l i a m s j a o k s o n 公式；r o b i n s o n ( 1 9 6 7 ) 提出的三维模型，考虑了两种形式 的粉尘二次飞扬。e c o o p e r m a n ( 1 9 7 1 ) 提出紊流扩散模型来描述电场中的粒 子沉降运动，借助于两个修正因子来描述非d c u t s c h 现象。l e o n a r d ( 1 9 8 0 ) 提出静电传输与紊流扩散模型，认为电除尘器中粉尘的传输是静电迁移和 气流中涡流扩散的综合结果。张国权( 1 9 8 4 ) 根据物质不灭原理，建立了描述 静电场中荷电粒子沉降运动的三维偏微分方程，从而推导出又一修正式。 4 被捕集粉尘的清除 当静电除尘器工作一段时间后，收尘极和电晕极会沉集一定厚度的粉 尘。如果不及时清除，会影响到电晕电流的大小和均匀性，也会导致火花 电压降低，电场强度减小等，因此，要保持电晕极及收尘极的清洁，必须 及时清除沉积的灰尘。 2 1 2 静电除尘器的结构 结构上，静电除尘器一般包括电晕电极、集尘电极、清灰装置、气流 分布装置、除尘器壳体以及高压供电装置等。 1 电晕电极 电晕电极是用来产生电晕放电的装置，其性能好坏直接影响除尘器的 性能。一般情况下，要求电晕线的起晕电压低，火花电压高，具备一定的 机械强度及耐腐蚀性、能保持准确的极距以及易清灰。其结构主要包括电 晕线、电晕框架、电晕框悬吊架、悬吊杆和支撑绝缘套管等。 常用的电晕线形式有圆形线、星形线、螺旋线、芒刺线、麻花线、锯 齿线等。圆形线和星形线是较早使用的两种电晕线形式，结构较为简单且 价格便宜，但由于易于吸附灰尘而使放电性能降低，很大程度上影响了除 尘器的效率。芒刺线则较以上两种形式的电晕线型要优良得多，它以尖端 放电代替沿极线全长的放电，因而放电强度高。在正常情况下，芒刺电晕 线比星形电晕线产生的电晕电流高一倍左右，而起晕电压却比其它形式都 低。此外，由于芒刺尖端产生的电子和离子流特别集中，在尖端的伸出方 向，增强了电风，还可以减弱和防止粉尘浓度大时出现的电晕封闭现象， 9 武汉理工大学硕士学位论文 因此，芒刺形电晕线适用于净化含尘浓度较高、粉尘比电阻高的含尘气体。 在多电场电除尘器中，第一、二级电场多采用芒刺形电晕极线。 2 集尘电极 集尘电极是收集灰尘的主要部件，部件性能对粉尘的收集效果有直接 的影响，同时由于部件体积庞大，对静电除尘器的整体造价有较大影响。 对集尘极的一般要求是：极板表面上的电场强度和电流分布均匀，火花电 压高；有利于粉尘在板面上沉积及顺利落入灰斗，二次扬尘少；极面的振 打性能好，清灰效果好；形状简单，制作容易；钢度好，在运输、安装、 清灰过程中不易变形。 集尘电极的形式可分为板式和管式两大类。其中，在大型的静电除尘 器上主要使用板式集尘电极。板式集尘电极一般采用薄板冷扎加工成z 形、 c 形、c s 形、波浪形和槽形等，一方面增加板的强度和刚度，使其不易 变形，另一方面可形成涡流区，利于粒子沉降，减少二次扬尘。由于平板 不具备以上优点，因此较少采用。 3 清灰装置 清灰装置可分为湿式和干式两种。 湿式清灰主要是用水冲洗集尘极板，使极板表面保持一层水膜，当粉 尘沉降到水膜上时，便随水膜流下，从而达到清灰目的。其主要优点是二 次扬尘小，并且，在收集高比电阻粉尘时使其比电阻降低，从而避免反电 晕现象。但存在腐蚀及结垢等问题。 4 气流分配装置 气流分布状况是影响电除尘器效率的重要因素之一。气流形态决定着 粒子的回收特性，如果气流形态严重紊乱，则会引起来自电极和灰斗的严 重返流损失，并在静电除尘器工作伊始便体现出对除尘效率的影响。实践 证明，改善气流形态可使除尘效率提高。 一般认为，最佳的除尘效率与均匀的气流形态有关，气流分布不均匀 会使除尘效率降低。具体表现为两种方式：第一，在高流速区域内的非均 匀气流使除尘效率降低的程度很大，以至不能由低流速区内所提高的除尘 效率来补偿。第二，在高流速区内，收尘电极表面上的积尘可能脱落，从 而引起烟尘的返流损失。其中，第二种方式的影响一般要大一些，也就是 我们所说的二次扬尘现象。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 为了改善气流分布均匀，通常在电除尘器进口管道加导流板，同时在 箱内应设置气流分布板设置气流分布板。气流分布板的形式很多，有格板 式、多空板式、垂直偏转板、锯齿形、型孔板和垂直折板式等。其中垂直 偏转板和垂直折板型适用于上进气口的进口喇叭。对于中心进气的进气箱， 目前用的最广泛的是多孔板型均布装置。 5 除尘器壳体 除尘器壳体为整个钢架结构的基体，其它设备均安装在壳体上。对于 除尘器壳体，除了对其强度有基本要求外，更重要的是要保证壳体的严密 性，尽量减少漏风。 6 供电装置 静电除尘器的供电装置可分为两部分。第一部分是指将交流低压转换 成直流高压的电源及其控制装置，用来产生空间电场和电晕。高压供电装 置是一个以电压、电流为控制对象的闭环控制系统，其供电要求为直流、 高压( 4 0 k v 以上) 和小电流( 5 0 3 0 0 m a ) ，其结构包括升压变压器、高 压整流器、主题控制( 调节) 器和控制系统的传感器等，图2 一为结构框图。 另一部分是作为设备配套供电，包括电极的清灰振打、灰斗卸灰、绝缘子 加热及安全连锁控制装置，这后部分综合可称为低压自控装置。 _ 1 釜卜 静 l 整流器i 电 除 尘 器 1 1 图2 2 静电除尘器供电机组框图 对于静电除尘来说，其除尘效率的高低与直流高压供电的控制有直接 的关系。从电晕放电的伏安特性可知，电极电压与电晕电流之间的联系属 非线性关系，工况电压略有下降( 基为1 ) ，就会引起电晕电流的实质性 下降( 相应为5 ) 。因此，在实际应用中，采用的是自动调节维持电极上 最大电压，使总体处于击穿的边缘，又不发生电弧击穿的方法。现在比较 常用的方法有最佳火花率自动控制、最高平均电压控制以及间歇供电方式 武汉理工大学硕士学位论文 等。其中，最佳火花率控制方式即火花跟踪方式，也就是控制系统能自动 跟踪电场的火花放电，使输出电压保持在火花放电电压附近，从而能达到 很高的收尘效率。硅整流变压装置和可控硅调压的最佳火花率控制方式， 是目前国内外在电除尘领域应用最普遍也是最先进的技术。高平均值电压 控制特性是通过检测环节连续测出并调节一次电压达到输出高平均电压的 目的，当一次电压增加，则二次电压也随之增加，并增至一定水平，控制 任务是调节一次输入电压，保持平均电压在峰值附近。间歇供电方式是通 过电压给定环节有效地控制供电的间歇时间，使输出高压波形发生间歇性 交化，该方式调节供电时间和间歇时间( 所谓占空比或充电比) ，抑制反电晕， 以达到提高收尘效率和降低电耗的目的。 2 1 3 影响电除尘器效率的因素 影响静电除尘器效率的因素很多，要取得理想的除尘效果，必须了解各有 关环节与除尘效率的联系，综合考虑，才能使除尘器达到设计的要求。归 纳起来，影响除尘器效率的因素大致可分为3 个方面：烟气性质、设备状 况和操作条件，同时，这些因素又可归纳为电晕电流、粉尘比电阻、粉尘 收集与二次扬尘3 个直接影响静电除尘器效率的因素，各因素之间的关系 如图所示。 r 烟气1 蠹；爰寡 烟尘性质；霎三三力 【粉尘 芸差分布 l 粉尘成分 设备情况 蛊羹雾亲 操作条件 霎鼻蕃爰 二次飞扬 图2 3 影响除尘器性能的主要因素及其相互关系 除 尘 效 窒 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 4 静电除尘器应用特点分析 静电除尘器是利用静电作用的原理捕集粉尘的设备，与其它除尘器相 比，有以下特点。 1 除尘效率高。 由于可以通过加长电场长度的办法来提高捕集效率，普遍使用3 4 个 电场的静电除尘器，其捕集效率可达到9 9 以上，如继续加长电场长度， 除尘效率仍可得到提高。 2 设备阻力小，能耗低。 静电除尘器的能耗主要来自与系统的阻力与供电装置的能耗，同时， 振打清灰及加热保温装置也要消耗一定的能量。由静电除尘器的除尘机理 可知，静电力是直接作用在气流中的固体或液体粒子上的，因此，其气流 阻力相当的小，一般仅为2 0 0 3 0 0 p a ，约为袋式除尘器的1 5 。另一方面， 供电装置虽然使用较高的电压，但其电流十分微小，因此供电装置的能耗 也较低。 3 适用范围广，处理风量大。 静电除尘器可捕集粒径小于o 1 l t m ，烟气温度3 0 0 。c 以上以及比电阻在 1 0 4 q 册1 0 1 2 q 硎之间的含尘气体。由于静电除尘器在结构上易于模块 化，因此可以实现装置的大型化，单台烟气处理量已达2 0 0 1 0 4 m 3 h ，这样 大的烟气量用袋式除尘器或旋风除尘器来处理都是不容易的。 然而，静电除尘器也有其不足之处。主要表现为： 1 静电除尘系统对超细粉尘的捕集效率不高。理论上，静电除尘器可 以捕集粒径小于o 1 1 t m 的尘粒，但实践证明其捕集效率不高。根据目前锅 炉电除尘器排放粉尘测定结果统计资料，电除尘器进口粉尘中p m i o 粉尘 所占比例大致在2 0 4 0 之间，而除尘器出口排放的粉尘中p m i o 粉尘占 到7 0 左右。p m i o 以下的粉尘被称为可吸入细颗粒物，这种颗粒物不易捕 集而且可长时间在大气中漂浮，能被人吸如肺中，危害极大。 2 对高比电阻( 1 0 ”q 绷以上) 粉尘明显不能适应。当前除尘技术中， 由于脱硫的需要，特别是燃用低硫煤时，粉尘比电阻提高，因反电晕导致 电除尘器内部电场工作状况恶化，除尘效率明显下降。 3 气流的冲刷和清灰过程中引起的粉尘飞扬损失使电除尘器实际除尘 性能下降，高效电除尘器排出的粉尘，主要是振打过程产生的二次扬尘损 武汉理工大学硕士学位论文 失。国外研究结果表明，在高效电除尘器出口的烟尘中，5 0 左右是因电极 振打清灰引起的二次扬尘产生的。南京电力环保研究所对电除尘器各电场 收集的粉尘粒度测试结果进行统计，通过比较国内燃煤电厂电除尘器收集 的粉尘粒度分布特征，认为粉尘二次飞扬是影响电除尘效率的主要因素之 一。 以上问题由于都是基于静电除尘器除尘机理而产生的，因此依靠静电 除尘器本身的技术改造难以克服。 2 2 袋除尘基础理论 2 2 1 过滤除尘机理 根据经典的粒子捕获机理，含尘气流通过纤维层而粉尘被捕集的过程 中，主要起作用的有筛滤、截留、惯性碰撞、扩散效应、重力和静电力等 作用。筛滤作用是由纤维层的网眼直接拦截直径较大的粉尘颗粒，由于气 体中所含粉尘的尺寸往往较过滤层中的孔隙要小得多，因此通过筛滤效应 清除粉尘的作用很小。截留作用是指随气流一起流动的粒子因与捕集体直 接接触而被阻留的过程，此时，粒子直径可能比过滤层孔隙要小很多，但 由于气流通过时一些粉尘不可避免的要与过滤纤维接触而被阻留，因而被 捕集。惯性碰撞是粒子因惯性与捕集体相碰撞而被捕集的过程。扩散作用 是指微小粒子在气体分子撞击下，像气体分子一样作布朗运动，如果粒子 在运动过程中与捕集体表面接触，就会粘附在捕集体的表面上。重力作用 是由于比较大的粒子依靠重力自然沉降，从气流中分离出来。静电力作用 是指带电的粒子或纤维使得它们之间产生了静电引力，通过静电力的作用 使尘粒从气流中分离。 袋式除尘器的除尘过程中可分为两个阶段。第一阶段是滤料使用的初 期，滤料上的粉尘层还没有完全形成，起主要作用的收尘机理是惯性碰撞、 扩散和截留，此外，静电力和重力也有一定作用。随着时间的推移，织造 布在其孔眼内架桥形成粉尘层，非织造布则与空气净化器相似，粉尘粒子 不仅能附着于纤维( 棒状) 上形成粉尘层，而且还能浸入滤布的内部形成过 滤，除尘效率不断升高。第二阶段为滤料正常使用阶段，粉尘颗粒己深入 滤料的内部，并在滤料表面形成粉尘层，此时，起主要收尘作用的就是这 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 个粉尘层。如果粉尘层有一个最适厚度，就能对粒子( 包括对l u r e 以下的 超细粒子) 都能很好地捕集，并且过滤风速越低越好。 2 2 2 袋除尘器的结构特点及工作过程 袋式除尘设备主要由灰斗、进( 排) 风道、过滤室、净气室、滤袋及 框架( 袋笼) 、分室反吹清灰机构和控制系统等组成。 以分室反吹袋式除尘器为例，典型结构采用钢架结构支撑，由上到下 分为四层：灰斗设置在最下层，过滤下来的灰尘落入灰斗并通过输送装置 输送到储灰场；第二层为过滤室，进口处接进烟管道，过滤室里面布满滤 袋，过滤室与第三层的净气室之间用花板隔开，花板的开孔处吊装有竖直 排列的滤袋；第三层为净气室，净气室内安装定位反吹机构，出口处接排 烟管道；最上层安装反吹风管道和反吹机构的电机与回转机构。 如图所示 图2 4 分室反吹风袋式除尘器结构图 其基本工作流程是过滤和清灰。当锅炉烟气进入除尘设备的进风口时， 先经过多孔式气流分布扳和百叶窗式粉尘预分离装置，大颗粒粉尘及未燃 尽的煤尘粒被碰撞阻挡下来，坠入灰斗。被除去大颗粒的烟气经合理分布 后，以2 m s 左右的速度进入过滤室，扩容后再以l m m i n 左右的速度经 武汉理工大学硕士学位论文 滤袋外表面过滤除尘成为净化烟气，通过净气室从出风口排出，一部分净 化后的烟气被引回做清灰反吹风之用，其余的经过引风机后由烟囱排入大 气。 2 2 3 布袋除尘器的清灰机构 袋式除尘设备是一种高效除尘设备，为保证高效、低阻、可靠地运行， 滤袋( 滤筒) 必须定期清灰。可以这样说，袋式除尘设备的关键技术之一 是清灰。随着过滤的进行，滤料上附着的粉尘层逐渐增厚，压力降相应增 加。当压降增加到一定程度后，将使系统能耗增大；由风机一管路特性曲 线可知，阻力增大，使除尘系统的处理气体量显著下降，影响生产系统的 除尘效果。 同时，随着粉尘在滤袋积聚，滤袋两侧的压力差加大，滤料的孔隙变 小，气流穿过的速度增加，有可能形成“针孔”，会把有些已经附在滤料上 的细小粉尘挤压过去使净化效率降低。因此必须要清灰，将阻力控制在要 求的范围内。 清灰的基本要求是从滤料上迅速、均匀地清落沉积的粉尘，但不损伤 滤袋，同时又能保持一定的粉尘初层，并且只消耗较少的动力，否则会引 起除尘效率的显著降低。影响袋式除尘设备清灰效果的主要因素有清灰用 的逆气流量及参数、清灰方式、粉尘性质、滤料特性等。清灰方式有多种， 现阶段应用最多的是逆气流反吹清灰和脉冲喷吹清灰 a 清灰方式的分类 清灰方式从能量角度考虑基本有三大类： a 低能量清灰：主要形式有机械振打，反吸风等。滤袋形状为筒 状和板框式。 中等能量清灰：主要形式有逆气流反吹风、低压脉冲等。滤袋形状 为简状，板框式和棱形布袋。 高能量清灰：主要形式有高压脉冲和逆气流反吹风加机械振打。滤 袋形状为筒状和棱形。 ( 2 ) 清灰机构的主要参数 清灰时间：完成清灰过程所需的时间是首先要考虑的因素。清灰时间 与整个设备正常工作时间比值，关系到设备体积，经济成本等。 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 清灰程度：均匀清除滤袋上的不稳定附灰层，适当保留稳定附灰层， 可避免局部过负荷，保证稳定附灰层相对稳定，有利于提高过滤效率。 清灰周期：两次清灰动作之间的间隔时间。清灰周期是影响布袋除尘 器系统压力的重要因素。 ( 3 ) 各种清灰方式的原理和比较 a 机械振打式清灰。 按照振动的方式又可分为水平振打，垂直振打，快速振打，如图所示。 且皿 水平振打垂直振打快速振打 图2 5 机械振打清灰分类 水平振打，可以在滤袋上部振打，也可在中部振打。水平振打对