（安全技术及工程专业论文）工业细颗粒物复合式控制技术研究.pdf

东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e s e a r c ho n h y b r i d c o n t r o l t e c h n o l o g y o f i n d u s t r y d e t a i l e dp a r t i c u l a t e a b s t r a c t r a p i d l yd e v e l o p i n gi n d u s t r yh a sb r o u g h tt h ep o l l u t i o nt ot h ee n v i r o n m e n t ，a n d t h et o t a le m i s s i o no f p o l l u t a n tk e e p si n c r e a s i n gc o n s t a n t l y l i v i n gn e e d so ft h ep e o p l e k e e pi n c r e a s i n gd a yb yd a y , w h i c h m a k e st h ep r o b l e mo fe n v i r o n m e n t a l p o l l u t i o np a i d m t e n t i o nt ob yp e o p l ed a yb yd a y t h ea m e r i c a ne n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na g e n c y a n de u r o p e a nc o m m u n i t yh a v ei s s u e dt h en e wa i r q u a l i t ys t a n d a r d si ns u c c e s s i o n t h e ys 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 io 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 la l s oi m p l e m e n tt h es t r i c t d 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 s om a r k e tn e e d sa h i g h l y e f f i c i e n td u s tc o l l e c t o r b a d l y , a n dt h ep a r t i c u l a t e c o l l e c t o rm u s th a v eh i g he f f i c i e n c yt od e t a i l e d p a r t i c u l a t ee s p e c i a l l y e l e c t r o s t a t i c p r e c i p i t a t o ri st h em o s te x t e n s i v ed u s tc o l l e c t o ru s e di nc h i n e s ei n d u s t r yt o d a y b u ti t s i n t r i n s i cd e f e c t st h a tt h ef i r s ti n v e s ti nh e a v ya n dl o w e f f i c i e n c yt od e t a i l e dp a r t i c u l a t e r e s t r a i ni tf r o mw i d ea p p l i c a t i o n b u tt h eb a g h o u s ec l e a n e rh a sa g o o da d a p t a b i l i t y , a n di tc a l lc a t c ha n dc o l l e c tt h ed u s to fd i f f e r e n tn a t u r e m o r e i m p o r t a n t l y , t h e b a g h o u s ec l e a n e rh a v eh i g h e re f f i c i e n c yo fc a t c h i n ga n dc o l l e c t i n gt ot h es u p e r f i n e d u s t t h i st e x tc o n s u k sal a r g ea m o u n to fd o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lm a t e r i a l s t h e t e x tb a s e so nf i l t e rd u s tr e m o v a lm e c h a n i s ma n de l e c r o s t a t i cp r e c i p i t a t o r s ( e s p ) d u s t r e m o v a l t h e o r yf o r t h ef o u n d a t i o n w eh a v ec a r r i e do nt h ed i s c u s s i o nt ot h ec o m p o u n d d u s tr e m o v a lm e c h a n i s mo ft h eh 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 r a n dw eh a v e d e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e dt h eh 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 rb a s i n go nt h e s e i tr e g a r d sd u s tr e m o v a lo fe s pa se l e m e n t a r yd u s t r e m o v a l ，w h i l er e g a r d i n gb a g h o u s e c o l l e c t o ra s s e c o n d a r y d u s tr e m o v a l w e h a v e g a t h e r e d a l a r g e n u m b e ro f 1 1 1 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t e x p e r i m e n t a l d a t a t h r o u g h a l a r g e n u m b e ro fe x p e r i m e n t s t h r o u g h a n a l y s i n g e x p e r i m e n t a ld a t a ，w ed e f i n et h er e l a t i o n sa m o n g s t a t i cv o l t a g e ，p r e s s u r ed r o po ft h e s y s t e m ，f i l t e rw i n ds p e e da n dd u s tr e m o v a le f f i c i e n c yo f t h eh y b r i de s p - b a g h o u s e d u s tc o l l e c t o r a t l a s tw ef i n dt h eb e s t w o r k i n gp a r a m e t e r s o ft h e h y b r i d e s p - b a g h o u s e d u s tc o l l e c t o r w ef i n dt h a tt 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 em e r i t so ft h ee l e c t r o s t a t i c 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 f d e v i c e st w od u s tr e m o v a lu n i t s c o n t a c ta n dr u 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 g h 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 n f yt h a tt h i si s a -kind o f n e w - t y p eh i g he f f i c 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 fo u rc o u n t r ya sw e l la sc o n f o r m sw i 也t h ed e v e l o p m e n tt r e n d e n c yo ft h ed u s t r e m o v e r s a n dt h ee x p e r i m e n t sv e r i 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 e p o w e rp 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 so ft h e l a r g e s c a l ec o a l - b u r n i n gb o i l e r so f o u rc o u n t r y w eb e l i e v et h eh y b r i dt e c h n o l o g yw i l l h a v ee x t e n s i v ei n d u s t r i a la p p l i c a t i o n p r o s p e c t s k e y w o r d s ：s u p e r f i n ed u s t ，d i s c h a r g es t a n d a r d ，e s p , f i l t e rd u s tr e m o v a l ，h y b r i d i v 东北大学硕士学位论文 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 取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经 发表或者撰写过的研究成果，也不包括本文为获得其它学位而使 用过的材料。与我一起工作的同志对本研究所做的贡献均已在论 文做了明确的说明并表示感谓十。 鬻酝磊 本人签名谬1 5 鼻及沏 日 期：o 纠勿，2 d 东北大学硕士学位论文 第一章概述 1 1 粉尘的危害 第一章概述 工业生产的迅速发展带来了对环境的污染，虽然生产工艺和净化技术都在不 断发展，力求减少污染物的排放量，但每年排放的总量仍在不断增加。对大气的 主要污染物是粉尘。我国烟尘排放总量每年为1 4 1 6 万吨，其中工业粉尘排放量 每年为6 1 7 万吨。粉尘对人体健康，对环境，对生态，对经济都产生不良影响。 空气中粉尘的危害是多方面的，主要表现为对人体健康的危害，对生产及产品质 量的影响和对大气的污染三个方面。 1 1 1 对人体健康的危害 有毒的粉尘，如金属微粒( 铅、铬、镍、锰等) 进入人体后可损害血液、大 脑等，严重时可引起中毒，以致死亡。而一般性的粉尘进入人体后可能引起各种 尘肺病，如硅肺病、石棉肺病、煤肺病等。由于粉尘的比表面积增加，化学活性、 吸附性及悬浮性增强，一般地说，粉尘越细，对人体的危害也就越严重。大于 l o l a m 的粉尘，由于重力和碰撞作用而很容易沉积到上呼吸道的粘液中，不能到 达肺内；而l o g m 5 9 m 的粉尘可进入到呼吸系统内部，但大都沉积到气管和支 气管内，只有一部分进入到肺泡内；5 9 m 以下的粉尘则大部分能沉积在肺泡内， 其中2 9 m 的粉尘在肺泡内的沉积率最高。所以5 9 m 以下的粉尘对人体的危害最 严重，是防治的重点。 ( 1 ) 呼吸器官。由大量小于3 - 5 1 t m 的尘粒( 呼吸性粉尘) 所引起，是造成尘 肺、矽肺等疾病的原因。影响尘肺病发病的主要因素是：粉尘的化学成分、粒径 及分散度，空气中粉尘的浓度，接触含尘空气的时间以及劳动强度和个人身体状 况等。 从表1 1 中可看出控制大气中可吸入颗粒物的意义： 东北大学硕士学位论文第一章概述 表11颗粒物粒径、浓度与人体健康的关系 t a b l e ! 1 ，r h er e l a t i o na m o n g p a r t i c u l a t es i z e c o n c e n t r a t i o na n dh e a l t h 粒径( u m )大气中颗粒物( 日平均) 浓度的变化( pg m 3 )非事故死亡率( ) p m l o每增加5 0 增加2 5 8 5 p m 2 5 每增加2 5增加2 0 6 0 ( 2 ) 毒性反应。由毒性粉尘引起，如铅进入人体内有蓄积作用，造成慢性铅 中毒，铍尘造成铍中毒等，严重时导致死亡。 ( 3 ) 对眼睛或皮肤的刺激。由酸雾或微粒所引起。 1 1 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 1 3 粉尘对大气的污染 粉尘是大气污染物之一，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。全国城市中总悬浮微粒的平均浓度为 1 0 8 8 1 5 9 9 m 3 。北方城市平均浓度为4 0 7 1 x g m 3 ，南方城市平均浓度为2 5 1 l x g m 3 。 国家标准中，二、三级地区悬浮颗粒物的年平均浓度分别为2 0 0 1 t g m 3 和 东北大学硕士学位论文第一章概迷 3 0 0 i ，t g m 3 。特别是8 8 个大城市空气悬浮颗粒浓度都超过了三级地区排放标准。 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l 。 排放到大气的粉尘粒径中，大于1 0 1 a m 的能较快沉降到地面的粉尘称为降尘， 降尘可污染地面，对植物生长有影响，并成为二次扬尘的的尘源；粒径小于1 0 9 m 的粉尘能较长时间在大气中漂浮，称为飘尘。大气飘尘可能吸附有害气体、液体 及某些金属元素，随着人们的呼吸而进入肺部，造成疾病或中毒。另外，大气飘 尘还会降低大气的可见度，促使烟雾形成，使太阳的辐射能受到影响。 如今，人们越来越重视大气污染防治问题，粉尘排放量的控制也日益严格。 1 9 9 0 年1 1 月1 5 日美国国会通过了新的清洁空气法，要求公共电力公司进一步 减少s 0 2 和n 0 2 的排放，还对公共电力公司所排放的极细颗粒物( 粒径小于 1 0 9 i n ) 和潜在排放的微量有害物质实行管理。我国也于上世纪九十年代末通过 了同类法案。除尘器是控制尘粒污染的有效措旖。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。 鉴于粉尘的失控排放所造成的危害，除尘工作对于保护人们的身体健康、保 证产品质量和正常生产及保护大气环境有着极为重要的意义。目前，生产中应用 的除尘方法多种多样，不同的除尘方法其除尘机理不同，其效果及应用范围也各 不相同。下面对目前主要的除尘方法做简单介绍。 1 2 常用除尘器 除尘机理：除尘的过程是将含尘气体引入具有一种或几种力作用的除尘器， 使颗粒相对于其运载气流产生一定的位移，并从气流中分离出来，最终沉积到捕 集体表面上。 除尘器的分类：根据主要除尘机理的不同，目前常用的除尘器可以分为以下 几类： ( 1 ) 重力除尘，如重力沉降室； ( 2 ) 惯性除尘，如惯性除尘器； ( 3 ) 离心力除尘，如旋风除尘器； ( 4 ) 过滤除尘，如空气过滤器、袋式除尘器； 东北大学硕士学位论文 第一章概述 ( 5 ) 湿式除尘，如喷淋塔，旋风水膜除尘器 ( 6 ) 静电除尘，如电除尘器。 1 2 1 重力沉降室 重力沉降室是通过重力作用使尘粒从气流中分离的。含尘气体进入沉降室 后，由于截面积扩大，风流速度迅速下降，风流呈层流或接近层流状态，使较重 较大的尘粒在重力作用下缓慢向灰斗沉降。重力沉降室的主要优点是：结构简单， 投资少，压力损失小，维修管理容易。但它的体积大，效率低，多数作为高效除 尘器的预除尘装置，适用于除去5 0 m 以上的粉尘，重力沉降室的压力损失般 为5 0 1 3 0 p a 。 1 2 2 惯性除尘器 为了改善重力沉降室的除尘效果，可在其中设置各种形式的挡板，利用尘粒 的惯性作用使其和挡板发生碰撞而被分离。这种除尘器称为惯性除尘器，它除了 借助惯性作用以外，还利用了离心力和重力的作用。当气流在冲击或方向转变前 速度越大，方向转变的曲率半径越小，则除尘效率越高。惯性除尘器主要用于净 化密度和粒径较大的金属或矿物性粉尘，具有较高除尘率，一般用于多级除尘中 的第一级除尘，用以捕集2 0 9 i n 以上的粗尘粒，压力损失一般为1 0 0 1 0 0 0 p a 。 1 2 。3 旋风除尘器 旋风除尘器是利用气流旋转过程中作用在尘粒上的惯性离心力，使尘粒从气 流中分离的。旋风除尘器结构简单，体积小，维护方便，对于l o 2 0 9 m 的粉尘， 净化效率为9 0 左右。旋风除尘器在通风工程中有着非常广泛的应用。 1 2 4 湿式除尘器 湿式除尘器是通过含尘气体与液滴或液膜的接触使尘粒从气流中分离的装 置。它的优点是结构简单，投资低，占地面积小，除尘效率高，能同时进行有害 气体的净化，它适宜处理有爆炸危险或同时含有多种有害物的气体。它的缺点是 东北大学硕士学位论文 第一章概述 有用物料不能干法回收，泥浆处理比较困难，为了避免水系污染，有时需设置专 门的废水处理设备，高温烟气洗涤后，温度下降，会影响烟气在大气中的扩散。 1 2 5 电除尘器 电除尘器又称静电除尘器，它的基本原理是利用高压放电，使气体电离，粉 尘荷电后向收尘极板移动而从气流中分离出来，从而达到净化烟气的目的。 1 2 6 袋式除尘器 袋式除尘器是使含尘气体通过过滤材料将粉尘分离捕集的装置，袋式除尘 器属于过滤除尘，它以微薄的织物为过滤材料，利用滤料表面所粘附的粉尘层作 为过滤层捕集粉尘。 1 3 国内外大气排放标准的发展趋势 工业硅生产排放的硅尘主要为粒径在1 u m 以下的s i 0 2 超细颗粒，其危害远 比粗颗粒大。为了有效控制超细颗粒物污染，美国环保局( e p a ) 在1 9 9 7 年颁布了 美国国家环境空气质量新标准( n a a q s ) ，在保留p m l 0 年平均值5 0 ug m 3 和 日平均1 5 0 1 tg m 3 的标准的同时，规定p m 2 5 的质量标准为6 51 1g m 3 ( 2 4 h 平均) 和1 5ug m 3 ( 年平均) 。欧共体也提出了类似的标准，明确表示在降低p m i o 的 同时也要降低p m 2 5 。 在西方发达国家，越来越多的政府开始实施空气清洁法，要求对大气污染进 行控制，各项工业设备的污染物排放必须满足严格的环保标准。中国政府和工业 界也认识到环境污染意味财富损失，也将采取更有效的措施来控制燃煤电站的烟 气排放及其它污染源的排放。目前，中国环境法规定燃煤电站的烟气排放粒子浓 度不超过1 0 0 m g n m 5 。 1 4 当前国内除尘动态 中国的经济规模庞大，钢铁、水泥、煤炭产量都是世界第，发电量世界第 二，并且大部分是燃煤的火电厂。这些重化工、原材料、能源工业中不少企业还 东北大学硕士学位论文 第一章概述 是粗放型生产，生产工艺及设备相对落后，资源、能源耗费大，污染严重，产生 的粉尘、烟尘数量巨大。 电除尘器在我国工业除尘中应用广泛。但是其结构还不很理想，存在二次扬 尘、串流和气流分布不均等问题。它对微细颗粒捕集效果不太理想，而且要提高 电除尘器的除尘效率，就要增加电场数，势必带来投资的增加。 中国每年新建电站的7 5 左右是燃煤电站。同时，为满足广大人民群众目益 增长的物质生活、精神生活需要，持续发展的工业增加了对电力的需求。因此， 整个中国在未来几年将面临严重的环境挑战。中国的袋式除尘器潜在市场非常巨 大。 国内外硅尘烟气净化装置以袋式除尘器为主。 袋式除尘器净化效率不受粉尘比电阻大小的影响，一般没有c o 超标的事故 排放，可不停机检修。袋式除尘器特别是对危害人体最大的小于5 微米的颗粒去 除率高于电除尘器，并且还能有效捕集对人体危害最大的1 微米以下的超细微小 颗粒。工作稳定，不受主机运行状况变化所引起的粉尘浓度、湿度、风量、比电 阻等变化的影响，保证在任何情况下不超标排放，维修方便、操作简单。正因为 袋式除尘器有以上许多优点，在西方发达国家，如美国，被广泛运用于水泥厂除 尘。这些优点对日益严格的环保要求尤为重要。 近年来，袋式除尘技术有了长足的进步，主机、滤料、自动控制和应用技术 的水平都有很大提高，在适应高含尘浓度方面也实现了突破，能够直接处理含尘 浓度1 4 0 0 9 m 3 的气体，比以往提高数十倍，并达标排放。袋式除尘器对于烟气 的高温、高湿、高浓度、微细粉尘、吸湿性粉尘、易燃易爆粉尘等不利工况条件 有了更强的适应性，并且在加强清灰、提高效率、降低消耗、减少故障、方便维 修方面达到一个新的高度。 袋式除尘器的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。 袋式除尘器除主要受滤料的耐温、耐腐蚀性等性能的局限外，其优点十分突 东北大学硕士学位论文 第一章概述 出，工作稳定，便于回收干料，无二次污染问题，维护简单。上世纪8 0 年代以 来，国外大部分铁合金电炉，特别是大型矿热炉，多采用于法布袋收尘系统，国 内也以布袋收尘为主流。目前国际上先进的产品，如l y t o n 、n o m e x 、p 9 4 等滤 料都能满足耐温、耐腐蚀性的要求。此外，美国g o r e 公司开发的薄膜复合滤 料，实现了表面过滤，有过滤效率高、运行阻力低、清灰性能好和适用范围广等 优点，提高了袋式除尘器的性能指标。 袋式除尘行业自上世纪5 0 年代开始，至今4 0 多年的发展中，无论在袋式除 尘的产品品种、单机能力、应用范围还是在设备制造能力、装备水平、专业化程 度等方面都取得了前所未有的进展。目前，袋滤技术及其产品已完全可以满足当 前国内冶金、建材、化工、机械、电力等行业处理各类性质烟气的需要。除个别 配件和滤料所需的原材料外，其他全部可以立足国产，部分产品已达到出口的要 隶。 1 5 设计及研究静电一布袋复合式除尘器的意义 对除尘设备进行选择和应用时，一般按考虑下列因索：( 1 ) 除尘效率；( 2 ) 设 备的运行条件；( 3 ) 经济可行性；( 4 ) 占用空间的大小；( 5 ) 维护费用等因素。 对粉尘污染而言，控制措施的选择取决于粉尘的性质，例如粉尘的形状、 粒径和粒度分布、密度、荷电性等( 在众多性质之中，粒径是最重要的粉尘性质 之一，它常常是作为粉尘分类的依据) 。目前已经研制出了许多除尘设备，这些 设备在某些场合的除尘效果也取得了令人满意的结果，遗憾的是这些除尘设备仍 然存在很多不足之处。 一方面，由于不同粒径的粉尘在气流中具有不同的行为，不同类型的除尘 器对不同粒径的粉尘，其除尘效率是不一样的( 见表1 2 ) 。所以耍获得高的除尘 效率，在不同场合要选用不同的除尘器，即除尘设备的效率要受到粉尘粒径等性 质的限制；另一方面，从表1 2 中可以看到，对于大于5 0 微米的粗尘，各种类 型的除尘器都有一定的效果，对于小于5 微米的呼吸性粉尘，使用文丘里除尘器、 袋式过滤除尘器、自激式湿式除尘器和静电除尘器等高效除尘设备才能取得满意 的效果。然而，这些除尘器中有的设备投资太大( 如静电除尘器) ，有的设备阻 力损失太大( 如文丘里除尘器) ，有的设备体积过大( 如自激式除尘器) 。因此， 东北大学硕士学位论文 第一章概述 有必要研制出一种体积小、经济可行、运行稳定、对各种粒径的粉尘都有较高除 尘效率的高效除尘器。 表1 2 各种除尘器的优缺点及对不同粒径粉尘的除尘效率 t a b l e12 c o m p a r i s o n o f d i f f e r e n td u s tc o l l e c t o r s 类除尘效率( ) 优点缺点除尘器名称 别5 0 u m5 u m ll l m 机惯性除尘器 9 51 63 结构简单，造价 械 除尘效率不高 中效旋风除尘器 9 42 78 低，维护方便 式高效旋风除尘器 9 67 32 7 过对呼吸性粉尘附属部件多，脉冲袋式除尘器 9 9 9 99 9 滤也有较高的除滤料易堵塞、需机械回转式除尘器 9 9 9 99 9 式尘效率，经济定期更换反吹风袋式除尘器 9 9 9 99 9 冲击式除尘器 9 88 53 8 自激式除尘器 9 99 34 0 空心喷淋塔 9 99 45 5 设备简单需要设置脱水 湿中能文丘里除尘器 9 9 9 99 7 造价低装置进行污水 式高能文丘里除尘器 9 9 9 99 9 除尘效率高处理 湿式泡沫除尘器9 5 8 0 湿式旋风除尘器 9 98 74 2 湿润层除尘器 9 9 9 0 静设备复杂，投 除尘效率高干式除尘器 9 99 98 6 电资大，不宜应用 能耗动力小湿式除尘器 9 99 89 2 式于爆炸性粉尘 电除尘器在设备选择时具有很大的竞争力，它是依靠气体电离使粉尘粒子 荷电，在高压静电场中受库仑力的作用，荷电尘粒驱向沉淀极，这种驱动基本不 阻碍空气流动，气流可以在几乎无阻力的性质下流通，在各种净化设备中，只有 电除尘器才能把作用力直接施加于尘粒本体，使尘粒与气流脱离，因此，电除尘 器分离尘粒所需的能量要比其他型式的除尘设备小得多，气流阻力也小，但随着 - 8 - 东北大学硕士学位论文 第一章概述 排放法规、排放标准的进一步严格，特别是对微粒粉尘控制日趋严格，电除尘器 将难以达到要求，而袋式除尘器由于其性能的直接影响因素是滤料，而滤料的不 断改进就可以不断满足要求，因此袋式除尘器对所有粒径都具有很高且稳定的除 尘效率，但袋式除尘器有自身的缺点如气体阻力高，设备运行能耗大，处理风量 大时占地面积大，袋的负荷较重，而且伴随着性能的提高，它与电除尘器相比价 格优势几乎不存在。而且它不具备静电除尘器的一些明显优点，如运行费用及耗 能低。而研究表明，静电作用对捕尘有很大影响，成为提高捕尘效率的主要措施 之一，电力能提高织物过滤器的性能。 表1 3 列出了各种除尘装置的性能及优缺点。 表13 各种除尘装置的性能及优缺点 t a b l e1 3 c o m p a r i s o no f d i f f e r e n td u s tc o l l e c t o r s 类 型式 处理的粒压力损失集尘率 优点缺点 别度( u m ) ( p a ) ( ) 重 沉降室1 0 0 5 0 9 8 1 4 74 0 6 0价廉，易维护不能处理微粒 力 惯 通风型 1 0 0 5 02 9 4 6 8 65 0 7 0 价廉易维护，可 不能处理微粒 性处理高温气体 小型不占场地，压力损失大， 离 旋风 5 31 0 4 0可处理高温气不适于湿尘、粘 心大型 4 9 0 1 4 7 0 5 0 8 0体，适合含尘浓着性大和腐蚀 5 以上度较高的气体性大的气体 洗文丘里 小型l 以集尘率高，需水量大， 下，大型2 4 5 7 8 4 0 8 0 4 9 0 占地大，含尘率烟囱下部需用 涤洗涤器9 0 9 9 1 以上低时效率也高花岗石砌 集尘率高，占地大， 过袋式 2 0 o 19 8 0 1 9 6 09 0 9 9 操作简单，含尘布耗大，不宜于 滤除尘器 率低时效率高高温气体 集尘率高， 占地大投资大， 静科特雷可处理高温气 易老化，受粉尘 电尔型 2 0 0 0 59 8 1 9 68 0 9 9 9 电性质的影响 体，含尘率低时 r 在1 0 3 1 0 8 效率也高 o m 范围内) 声 ，5 8 8 9 8 08 0 9 5 运行费用少设备费用较高 波 于是，我们便开始了对这样的除尘器的研究：能否研制出这两种机理联合作 东北大学硕士学位论文 第一章概述 用的静电一布袋复合式除尘器，将电除尘器部分作为初级除尘以减轻袋式除尘器 部分的工作负荷，用袋式除尘器来除去微细粉尘，使之不但高效节能，而且经济可 行，更能满足不断发展的生产工艺条件和不断严格的排放标准，不仅具有实验意 义，而且具有实际的工业应用意义。 东北大学硕士学位论文第二章静电一布袋复合式除尘器除尘机理及特点 第二章静电一布袋复合式除尘器 除尘机理及特点 2 。1 静电一布袋复合式除尘器国内外发展动态 国外对静电一布袋除尘器的研究已有一定的历史，最早的静电一布袋除尘 器诞生于美国，早在八十年代，美国精密工业公司就设计了把静电应用于织物过 滤的装置，并将典型装置模型定为“阿皮特朗( a p i t r o n ) ”，它在标准的袋式除尘器 每一滤袋前设一个中心有放电极的圆管，放电极与设于滤袋中心的喷吹管相连 接，当用压缩空气喷吹时，一方面清扫了积于电收尘极( 圆管内壁) 上的粉尘， 另一方面使滤袋内形成负压而导致滤袋和逆向气流，达到清灰的目的。这种除尘 器对1 6 4 0 9 m 的粉尘有9 9 9 9 的除尘效率。组合后处理风量可达8 5 0 0 0 1 7 0 0 0 0 0m 3 h 。同样过滤风速下，阻力为常规除尘器的1 0 0 0 p a ，降低约1 0 0 p a 。 如果保持同样的阻力，则过滤风量可增加3 倍。 1 9 9 4 年，北达科特大学( u n d ) 和美国能源环境研究中心( e e r c ) 在美 国能源部国家能源技术实验室的支持下，在没有任何实际数据韵基础上，对高效 复合型除尘器( a f i p c ) 进行了第一阶段的实验研究，随着研究成功，1 9 9 7 年7 月又进行了第二阶段的研究，1 9 9 9 年1 2 月完成了一系列如5 7 m 3 m i n 的测试。 2 0 0 0 年4 月中旬，e e r c 又对a h p c 进行了第三阶段的实验研究。研究表明， 它对所有在1 到5 0 1 t m 的粉尘都有9 9 9 8 以上的效率，它适用于所有美国的工业 企业尤其是煤矿企业，它比现存的技术花费低廉，而效率更高。但这些都只局限 于实验室的研究的结果，真正应用于生产实践还很少。 近些年来，国内的学者对静电一布袋除尘器的研究开始活跃起来，但其都局 限于对布袋荷电进行的研究，而对静电一布袋复合式除尘器的研究尚未真正开 始。 按照美国能源部( d o e ) 资助的能源环境研究中心( e e r c ) 研究计划，电 除尘器改造为袋式除尘器可以按照这样的技术路线来进行：将电除尘器的集尘极 东北大学硕士学位论文第二章静电一布袋复合式除尘器除尘机理及特点 板拆除，在两个放电电极间安装上布袋。放电电极与布袋间安插穿孔板。其实验 装置图如下所示： | 。i 多 | f ?、 二二二二一二二二二二= _ 一 图21带有穿孔板结构的复合式除尘器主视图 f i g u r e 2 1t o p v i e wo f t h ep e r f o r a t e dc o n f i g u r a t i o nf o r a h p c 上图所示美国能源环境研究中心的实验设备可以看作是4 个静电一布袋复 合式除尘单元的并联形式。在每一个复合式除尘单元中，静电电场的中间安插了 一排滤袋，每排8 个滤袋。 此复合式除尘器中，静电除尘单元、布袋除尘单元采用同一个进风口。在含 尘气流从入风口进入除尘系统之后，静电除尘单元、布袋除尘单元同时运行，同 时捕集粉尘。从形式上看，静电除尘单元、布袋除尘单元采用的是并联形式，但 是从除尘机理上看，静电除尘单元、布袋除尘单元是串联运行的，两个除尘单元 同时起到捕集粉尘的作用。因而除尘效率很高，而且适用于不同粒径的粉尘。 东北大学硕士学位论文第二章静电一布袋复合式除尘器除尘机理及特点 2 2 静电除尘器 2 2 1 静电除尘器的发展历史 电除尘技术是现代工业中极其重要的空气净化手段，人们在很早以前就认识 到静电能吸引粉尘的现象，1 8 2 4 年德国数学教师霍尔菲德( h o h l f e i d ) 组装了第 一台电晕放电除尘装置，试图除去玻璃罐中的雾，但直到1 9 0 7 年科特雷尔 ( f g c o t r e l l ) 才成功的将静电力引入除尘设备中，在加利福尼亚州设计了世界 上第一台静电除尘器( e s p ) ，并成功处理了9 5 升秒的含尘气体，这被认为是电 除尘应用的开端。科特雷尔认为利用机械高压机和带绒的放电极就能提供足够的 电晕电流，使大量的烟尘成功荷电，而且他还发现负电晕比正电晕更稳定。t 9 1 2 年科特雷尔的学生施密特( s c h m i d t ) 发明的细线电晕电极和双区电除尘器以及 随后发明的高压硅整流器为主要件供电装置构成了电除尘技术的基础。1 9 2 2 年 德国人多依奇( d e u t s c h ) 推导出电除尘器的收尘效率计算公式： r = 1 fa 、 e x p l _ 西国j ( 2 1 ) 式中，n 一静电除尘器除尘效率，； a 一集尘极面积，m 2 ： 一粉尘驱进速度，m s ； q 一处理气体流量，m 3 ； 该式表明，电除尘器随比集尘面积的增大和驱进速度的增大按负指数曲线上 升。1 9 6 3 年由怀特( h j w h i t e ) 撰写的经典著作工业电除尘( i n d u s t r i a l 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 ) 是电除尘技术成熟的标志。之后随着工业的发展，电 除尘使用领域的不断扩大，电除尘器的结构、性能、控制方式和供电装置也日趋 完善，电除尘技术的进步主要体现在提高静电除尘器除尘的效率、处理能力、应 用范围和运行的稳定性上。1 9 8 1 年由怀特教授组织，在美国加州蒙特里市 ( m o n t e x e y ) 举行了第一次国际电除尘会议，以后每三年举行一次，该会议为世 界各国从事电除尘技术研究的学者和工业应用者之间的交流提供一个重要的国 际论坛，促进了电除尘技术的进步。 随着近年来对环境的日益重视，世界各国从事电除尘技术的学者在电除尘理 东北大学硕士学位论文第二章静电一布袋复合式除尘器除尘机理及特点 论方面的研究取得了很大的进展，特别是近来对环境的日益重视，电除尘器在实 际应用上也取得了突破。 2 2 2 电力除尘机理 在电除尘技术中，粉尘的捕集主要是利用在电晕电场中粉尘荷电后移向异性 电极而从气流中分离出来的，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 ) 施加电场 在一对电极之间施加电压，就可以建立起电场，它的作用是：( a ) 在高压放电 极附近的场强很强，造成气体的电离，产生大量离子，形成电晕放电的必要条件； ( b ) 电场促使离子与尘粒碰撞，使尘粒荷电；( c ) 驱动荷电尘粒向收尘极移动。 ( 2 ) 气体的电离( 电晕放电) 电晕区 收尘极板 图2 2 气体电离原理图 f i g u r e 2 2 t h es c h e m a t i c o f g a si o n i z a t i o n 电子 东北大学硕士学位论文第二章静电一布袋复合式除尘器除尘机理及特点 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，或线状与管状电檄两大类。 电晕放电发生在细金属电晕线和集尘板之间，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 2 所示。 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： “= k i e ( 2 2 ) 式中，u 0 _ 一离子的迁移速度，m s e 一电场强度，v m k j 一离予迁移率，m 2 ( v s ) ( 3 ) 尘粒荷电 尘粒荷电荷电量的大小与尘粒粒径、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o 5 m 的尘粒， 电场荷电起主导作用，对半径小于o 2 p m 的尘粒，则为扩散荷电起主导作用，而 半径在o 2 0 5 “m 之间的尘粒，两者均起作用。 f a l 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： 日一笙垡墨 ( 2 3 ) 日= = 一 l 2 jj 东北大学硕士学位论文第二章静电一布袋复合式除尘器除尘机理及特点 式中，q s 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。 eo 一真空介电常数，eo = 8 8 5 1 0 m ，c 2 v 一1 m 2 或f m ； 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： g ，= q 。乇( 2 ，4 ) 1 + 二 一熹 ( 2 5 ) 式中，卜粉尘粒子进入荷电区的时间，s ； t 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 4 1 0 1 5 个m 3 ； k i 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 盟堕一 ( 2 ，6 1 1 一q 。 q 。 、? 由上式可知，t 值愈小，荷电时间愈短。 ( b ) 扩散荷电 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： 旷一2 z c 6 0 d p k t i n 叶警， ， 石：( 塑) 必 式中，k 一波尔兹曼常数，k = l3 8 1 0 。2 3 j k ； t 一气体温度，k ： 东北大学硕士学位论文第二章静电一布袋复合式除尘器除尘机理及特点 “一气体离子的平均热运动速度，m s ； e 一电子的电量，1 6 1 0 1 9 c ； 氏一真空介电常数，8 8 5 1 01 2 c 2 ( v m 一2 ) ； d 。一粉尘粒子的粒径，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 ； m 一离子质量，k g 。 ( c ) 电场荷电和扩散荷电联合作用 d p 1 p m 的粉尘粒子