（环境工程专业论文）电袋复合除尘器去除pm25的基础实验研究.pdf

摘要 i1 i 曼曼皇曼蔓曼鼍曼曼曼曼曼曼皇曼鼍曼曼曼曼皇! 曼曼曼曼曼! ! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼詈曼鼻 摘要 本论文以电除尘器和布袋除尘器两种除尘理论为基础，自行设计出管线式 粉尘预荷电器，并与实验室原有的布袋除尘器联合组成实验研究所用的电袋复 合除尘器，以此为实验装置对平均粒径为6 1 21 1 , t i l 的滑石粉进行了实验研究， 并着重考察了p m 2 5 级别粉尘的去除效果。另外，实验从空气相对湿度、过滤 风速、电场强度、总效率、分级效率、粒径变化、压降变化、清灰周期等方面 在施加电场和不加电的情况下分别进行了考察。 实验结果表明：湿度对电晕极伏安特性有较大的影响，当湿度较高 ( i m 8 5 ) 时，伏安特性不稳定，容易出现电火花和电场击穿现象，不适合 在在潮湿环境下操作；在粉尘荷电后，过滤风速由原来的2 5 m r a i n 提高到 4 0 r r d m i n ，从而减小了滤料的面积，缩小了设备体积和占地面积；粉尘的透过 率随着电场强度的增强呈线性减小趋势，并且在电场强度为4 0k v c m 时达到 最小，透过率约为0 2 2 ；p m 2 5 的分级效率由不加电时的8 8 9 2 ，增加到了加 电后的9 8 4 6 ，增大了1 0 左右：同时，总除尘效率由9 6 8 增大到荷电后的 9 9 7 8 ，增大了3 左右，并且p m ：。的去除效率对总去除效率影响较大；粉尘粒 径随着电场强度的增强也呈现增加趋势，加电后，粉尘平均粒径由不荷电时的 7 0 7 岬增加到1 0 5 8p m ，增大了3 5 1 岬，约为原来的1 5 倍左右；电场强 度对各粒径间隔的质量百分含量影响也较大，在粒径小于1 0 岫时，各区间的 质量百分含量随着电场强度的增强均有减少的趋势；而在粒径大于l o i t m 后， 粒径间隔间的质量含量均随电场强度的增强而增多，表明粒径较小的颗粒物经 过荷电后变为粒径较大的颗粒物，从而得以去除。另外，粉尘荷电后，压降随 时间的增加上升缓慢，清灰周期由原来的l o m i n 延长到了3 0 r a i n ，是原来时间 的3 倍，从而减少了清灰次数，延长了滤袋寿命。 电袋复合除尘器解决了原有布袋除尘器去除细微粒子效率低、阻力大、清 灰周期时间短等缺点，在技术特点和经济效益等方面都具有一定的科学研究和 商业应用价值。 关键词 电袋复合除尘器；粉尘预荷电器；p m 2 5 除尘效率 a b s t r a c t a b s tr a c t i i lt _ h i sp a p e 5b a s e do nt h ee l e c t r o s t a t i cp r e c i p i t a t o ra n db a gf i l t e rd u s tr e m o v a l t h e o r i e s ，ass e l g m a d ep i p e l i n ed u s tp r e c h a r g e rw a sd e s i g n e d ，c o m b i n gw i t ht h e o r i g i n a l1 a b o r a t o r yb a gf i l t e r , a i le l e c t r i c b a gc o m p o s i t ed u s tc o l l e c t o rw a su s e df o r t h ee x p e r i m e n ts t u d y t h ep o w d e rw i t ha v e r a g ep a r t i c l es i z eo f6 12u m 鹊t h e e x p e r i m e n t a ld u s tw e r es t u d i e do nt h i se l e c t r i c b a gc o m p o s i t ed u s tc o l l e c t o ra n d p m 25l e v e lp a r t i c l e sw e r ef o c a l l ys t u d i e di nt h ep a p e r a d d i t i o n a l l y , i nt h ec o n d i t i o n o fd u s tp r e c h a r g i n go rw i t h o u tp r e c h a r g i n g ，s o m ep a r a m e t e r ss u c ha sa i rr e l a t i v e h u m i d i t y , w i n ds p e e df i l t e r , e l e c t r i ci n t e n s i t y , t o t a le f f i c i e n c y , g r a de f f i c i e n c y , c h a n g e so fp a r t i c l es i z ea n dp r e s s u r ed r o p ，c l e a n i n gc y c l ee t c w e r er e s p e c t i v e l y s t u d i e di nt 1 1 ee x p e r i m e n t t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a t ：h u m i d i t yh a sal a r g ei m p a e to nt h ev o l t a m p e r e c h a r a c t e r i s t i c so ft h ec o r o n a w h e nt h e r ei sh i 曲r e l a t i v eh u m i d i t y h 8 5 ) ，t h e v o l t a m p e r ec h a r a c t e r i s t i c s i su n s t a b l ea n dp r o n et ot h ep h e n o m e n o no fe l e c t r i c d i s c h a r g ea n db r e a k d o w n s oi td o e sn o tf i to p e r a t i n gi nh i g hh u m i dc o n d i t i o n s 1 饧e nt h ed u s tw a sp r e c h a r g e d ，t h ef i l t e r i n gv e l o c i t yr e a c h e d4 。0 m m i nf r o m 2 5 m m i nw i t hah i g hr e m o v a le f f i c i e n c y , s oi tc a nr e d u c et 1 1 ef i l t e rs i z ea n dt h e e q u i p m e n tl o c a t i o na r e a d u s tp e r m e a t i o nr a t ed e c r e a s e dl i n e a r l yw i t ht h ei n c r e a s eo f e l e c t r i cf i e l ds t r e n g t h m 1 e nt h ee l e c t r i cf i e l ds t r e n g t hw a s4 0 k v e m ，t h ep e r m e a t i o n r a t er e a c h e dt o0 2 2 t h e 酉a de m c i e n c yo fp m 2 5w a s8 8 9 2 w i t h o u td u s t p r e c h a r g i n g b u ti n c r e a s e dt o9 8 4 6 w h e nd u s tw a sp r e c h a r g e da te = 4 0 k v c m t h eg r a de 伍c i e n c yo fp m e 5i n c r e a s e d1o a tt h es a m et i m e ，t h et o t a lc o l l e c t i o n e 伍c i e n c yi n c r e a s e dt o9 9 7 8 f r o m9 6 8 ，a s c e n d i n g3 t h e 口a de f f i c i e n c yo f p m 25h a di m p a c to nt h et o t a lr e m o v a le f f i c i e n c y b e s i d e s ，d u s tp a r t i c l es i z eh a da l s o b e e na i lu p w a r dt r e n dw i t ht h ei n c r e a s eo fe l e c t r i cf i e l ds t r e n g t h t h ea v e r a g e p a r t i c l es i z eo fd u s ti n c r e a s e d3 51 “mf r o m7 0 7 1 a mt o10 5 8 1 t m ，a b o u t1 5t i m e so f t h eo r i g i n a ld u s ts a m p l e e l e c t r i cf i e l ds t r e n g t ha f f e ：c t e dt h em a s sc o n t e n to fd i f f e r e n t p a r t i c l ed i a m e t e ri n t e r v a l s 帅e nt h ea v e r a g eg r a i nd i a m e t e rs m a l l e rt h a n 1o p m ， m a s sc o n t e n to fp a r t i c l ed i a m e t e ri n t e r v a l sh a dad e c l i n et r e n dw i t ht h ee l e c t r i cf i e l d s t r e n g t h h o w e v e r ，w h e nt h ea v e r a g eg r a i nd i a m e t e rb i g g e r t h a n10 i t m ，m a s sc o n t e n t i 1 1d i f f e r e n tp a r t i c l ed i a m e t e ri n t e r v a l si n c r e a s e dw i t ht h ee l e c t r i cf i e l ds t r e n g t h i t c a nb es h o w nt h a tt h es m a l l e rs i z eo ft h ep a r t i c l e sa f t e rc h a r g i n gb e c a m ei n t ot h e 1 a r g e rp a r t i c l es i z e s o 笛t ob er e m o v e d i na d d i t i o n , a f t e rt h ed u s tw a sp r e c h a r g e d ， t h ep r e s s u r ed r o pi n c r e a s e ds l o w l yw i t ht i m ea n dc l e a n i n gc y c l ee x t e n d e df r o m 10 r a i nt o3 0 r a i n ，3t i m e so ft h eo r i g i n a lt i m e ，s oi tr e d u c e dt h ec l e a n i n gf r e q u e n c y , e x t e n d e dt h ef i l t e rb a gi i f e c o m p a r e dt ot h eo r i g i n a lb a gf i l t e r , t h ee l e c t r i c - b a gc o m p o s i t ed u s tc o l l e c t o rs o l v e d t h ed i s a d v a n t a g e so ft h eb a g h o u s es u c ha sl o wr e m o v a le f f i c i e n c yo ff i n ep a r t i c l e s ， m g l lr e s i s t a n c e ，s h o r tc l e a n i n gt i m e ，a n d s oo n i nt h e a s p e c t s o ft e c h n i c a l i i i 北京工业大学工学硕士学位论文 c h a r a c t e r i s t i c sa n de c o n o m i cb e n e f i t st h ee l e c t r i c - b a gc o m p o s i t ed u s tc o l l e c t o rh a s l l i 曲v a l u ei ns c i e n t i f i cr e s e a r c ha n dc o m m e r c i a la p p l i c a t i o n s k e y w o r d s ：e l e c t r i c b a gc o m p o s i t ed u s tc o l l e c t o r ；d u s tp r e c h a r g e r ；p m 2 5 ；d u s t r e m o v a le f f i c i e n c y i v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个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 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业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 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、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：盈阜绎 聊签名郐给 第1 章绪论 l lmmmmmmm 1 1 选题的背景和意义 第1 章绪论 近年来随着对大气质量的日益严格化，空气环境中颗粒物的危害越来越受到 大家的重视。大气颗粒物( s u s p e n d e dp a r t i c l e s ) 是一种重要的空气污染物，它包括 固态和液态的气溶胶颗粒，是二种复杂的多分散相混合物，按类型可分为粉尘、 烟尘和雾等。 可吸入颗粒物( p m l o ) 是指空气动力学粒径小于1 0pm 的分散在大气中呈固态 或液态的颗粒状物质，是目前大气环境质量评价中的一个通用的重要污染指标。 在p m l o 中，空气动力学直径大于2 5 1 tm 的颗粒称为粗粒子，小于2 51 2m 的颗粒 物称为细粒子【l 捌。空气动力学直径是表述粒子运动的一种“假想 粒度，在空 气中颗粒运动处于层流区( k 2 01 0 04 0 04 0 0 - - - 1 2 0 09 52 051 力除尘器 一 5 够9 9 弦9 9 6 7 0 2 等耋反 1 0 0堋 9 95 竺兰 星耋主 萋蕈文曼尘o 0 1 0 0 5 - - s o o - o 3 1 0 0 疆4 0 琴 譬 湿式除尘器 o 0 51 0 0 9 89 89 8 第1 章绪论 由表1 1 可以看出，袋式除尘器、电除尘器和湿式除尘器对去除粒径5 1 a m 左 右的粉尘有很好的去除效果，在去除更细小的粒子时布袋和电除尘器更具优势。 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【1 8 , 1 9 】。首先，现有技术己 经将电除尘器的效率提高到一个极点，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。 袋式除尘器使除尘效率大幅度提高，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不足。例如，袋式除尘器 运行阻力大，滤袋易损坏，在高温高湿及腐蚀性气体场合下对滤袋要求高等，从 而降低了其使用的广泛性【2 眦2 1 。 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 3 国内外研究综述 1 3 1 混合除尘系统 除尘是烟尘控制技术的重点。除尘是指从烟尘中将颗粒物质分离出来并加以 捕集、回收的过程；实现上述过程的设备称为除尘器或除尘装置。除尘技术和设 备很多，且性能和特点不同，因此需依据烟尘排放的特点及烟尘本身的特性，选 择适用的技术和设备。目前应用较多的除尘装置主要有机械除尘技术、湿式除尘 器、电除尘器、过滤式除尘器等，其中机械式除尘器包括重力沉降室、惯性除尘 器、过滤式除尘器、旋风除尘。这些传统式的除尘设备已经不能满足要求日益严 格的环境标准，为了满足现行除尘要求，清洁生产，国内外把重点放在了混合式 除尘系统的研究上，混合式除尘系统一般由静电和其他除尘机理相结合的方式组 成。如静电+ 旋风除尘器、静电+ 颗粒层除尘器、静电+ 布袋等。 复合式电旋风除尘器( c o m p o s i t ee l e c t r o s t a t i cc y c l o n e ) 【2 3 。2 5 】是离心除尘和静电 除尘相结合的复合型除尘设备，如图1 1 所示。它具有结构简单、运行费用较低、 除尘效率高、除尘适应性强等优点。纪万里等的实验显示【2 6 1 ，当风速为8m s 时， l t l r n 粒径的分级效率从不加电时的3 5 5 上升到9 0 6 ；而1 5 i t m 的升高幅度也 北京工业大学工学硕士学位论文 达到8 2 。实践中，这种方式容易出现两种机理的冲突。如对于入口风速，若太 大，颗粒停留时间短，静电作用降低，分级效率与旋风分离器的效率相似；太小， 旋风作用减弱，在较低风速下还会出现类似静电作用下的某段粒径分级效率“低 谷 。 口 图1 - 1 静电增强旋风分离器 f i g 1 - 1e n h a n c e de l e c t r o s t a t i cc y c l o n es e g r e g a t o r 颗粒层除尘：器r 2 7 - 3 1 】是利用粒状物料( 通常是1 5 m m - - 一5i i u l l 石英砂) 作为过滤 介质净化烟气的除尘设备，在水泥、炼焦、化工和冶金业得到广泛运用。其具有 耐高温和高效性等特点，在i g c c 和p f b c 燃煤联合循环发电系统燃气轮机入口烟 气净化方面得到了重点研究。但这种方式主要还是依靠扩散、惯性碰撞和拦截作 用，所以其对p m 2 5 的脱除并不好。刘建仁等【3 2 】先将粉尘预荷电，颗粒层带外部 电场的实验显示，这种装置对细颗粒的脱除有一定提高。实验所用的静电增强沸 腾式颗粒层除尘系统如图1 2 所示。但这种系统由于压损太大，过滤速度只能控 制在较小范围内，所以其体积庞大，而且清灰复杂。 图l - 2 静电增强沸腾式颗粒层除尘系统 f i g 1 - 2e l e c t r o s t a t i c t y p eg r a n u l a rl a y e re n h a n c e db o i l i n gd u s tr e m o v a ls y s t e m 第1 章绪论 1 3 2 电一袋复合除尘技术 静电和布袋除尘是现在电厂利用最多的两种除尘方式。为了高效脱除p m 2 5 ， 经过研究和开发，逐步将二者结合起来，达到很好的效果。首先是美国电力研究 所在2 0 世纪9 0 年代开发出“紧凑型混合颗粒收集器 ( c o m p a c th y b r i dp a r t i c u l a t e c o l l e c t o r ) 3 3 , 3 4 1 ，如图1 3 所示，其基本思想是在原有静电除尘器后面加一个脉冲 式布袋除尘器。 图1 - 3c 0 ) a c 系统 f i g 1 - 3c o h p a cs y s t e m 由于静电除尘器后的烟气中颗粒已经很少，加上由于这些颗粒都带有相同电 荷而相互排斥，能在滤袋表面形成更多孔隙和凝并的颗粒层，从而过滤阻力较小， 表面清灰容易，脉冲清灰时间增加，能耗降低。由此过滤速度可以提高到传统速 度的4 - - 8 倍，并可压缩滤袋的间距，这与再加一级电场或改建新的布袋除尘系统 相比，不管空间还是投资方面都将大幅减小，而颗粒带电又增强了粉尘层和纤维 层对细颗粒的作用，其机理类似于前述电场增强颗粒层除尘器。e s p 与布袋除尘 的结合，通过调整各自负荷，还可以适应更广泛性质的尘粒。另外，鉴于e s p 除 去了大部分的颗粒，这样在e s p 后喷入吸收剂脱除s 0 2 、h g 等污染物，然后吸收 剂进行多次循环利用，可以提高协同脱除效率和吸收剂使用率。 美国2 0 世纪9 0 年代前期和中期在b i gb r o w n 电厂原有e s p 基础上建成8 套， 处理11 5 0m w 时产生的烟气，运行压降小于1 5k p a ，减少7 5 的空间和20 0 0 万 美元的投资，对s 0 2 低于1 0 0 0 p p m 烟气的脱除率超过6 0 。由于一些电厂己没有 足够的空间在e s p 后再加一级c o h p a c ，研究者对以上系统进行进一步改进。 如图1 - 4 ，在e s p 中用脉冲布袋代替电极板，电除尘和布袋除尘之间用挡板隔开， 防止静电场对布袋的破坏【3 5 1 。这种方式继承了前述的技术，仍属于二者的串联， 具有同样优点。由于e s p 除尘效率和极板面积成指数关系，而高过滤速度和紧凑 性，使布袋所占空间不大，所以虽然e s p 和滤袋都减少，但对除尘效率影响不大。 比起前述二者分离的技术，由于进入滤袋的烟气含尘量增大，所以为了保持高速 低压降，必须提高清灰效率。从美国a l a b a m a 电厂进行的中试实验看，其在相对 略低的过滤速度下，可以获得与二者分离时相近的效果，但是其在协同脱除开发 北京工业大学工学硕士学位论文 的优势不大。 图1 4 合成式c o h p a c 系统图 f i g 1 - 4s y n t h e s i sc o h p a cs y s t e m 在美国能源部的资助下，美国能源环境研究中心的m i l l e r 等又开发了一种结 合更为紧凑的系统“先进混合除尘器 ( a d v a n c e dh y b r i dp a r t i c u l a t ec o l l e c t o r ) 1 3 6 - 3 8 】，如图1 5 ，其基本思想是把静电除尘和布袋除尘集于一个腔内，把滤袋置 于静电极板和极线之间，实现了真正的混合。在参数设计上，静电除尘的设计效 率降到9 0 左右，而滤袋的过滤速度提高到普通设计速度的3 倍左右。这种系统 除了具有前述c o 网) a c 优点外，其体积更小，甚至能减少到单个静电除尘器的 2 3 ，减少了空间的占用；极板和滤袋材料的使用成倍减少，也降低了投资。另 外，二者在一个室中充分混合，静电清灰产生的二次扬尘可被滤袋所捕集，而滤 袋脉冲清灰的扬尘又会进入电场区，这些扬尘由于在滤袋表面进行了凝并，颗粒 粒径增大，所以进入电场区以后很易被电场捕集，这样克服了二者清灰带来的效 率降低，从而大大提高了除尘效率，特别是p m ：5 的脱除效率：由于滤袋面积减 少，可以采用性能较好的覆膜滤料，这样会进一步增加对p m 2 5 的脱除效率。 但是，此技术的难点之一就是滤袋的保护。由于滤袋处于高压电场中，加上， 荷电颗粒不断在滤袋表面积累，这样很容易在滤袋后的龙骨和滤袋表面的粉尘层 发生击穿产生电火花并烧毁滤料。m i l l e r 等采取了以下解决办法：在滤袋与电 极间加开孔率为4 0 左右的孔板，使布袋周围的等势线降低近百倍，既保护了滤 袋，又可作为极板进行收尘：采用导电的滤料和覆膜，并在高压电极和布袋间 加一排接地线或接地网。这样将防止静电在滤袋上积累。通过上述技术，滤袋周 围电火花的发生率几乎为零，从而在技术上基本解决了滤袋被静电破坏的问题。 该系统子1 9 9 9 年7 月在美国大石电厂对旋风燃烧锅炉产生的高比阻飞灰进行了 1 5 ，0 0 0 n m 3 h 的中试实验，实验测定其对0 o l - - 5 0 1 a m 颗粒的脱除效率达到了 9 9 9 9 ，而且砷、镉、铅、镍已测不到。另外，韩国也采取相似技术在一个石灰 厂进行了1 0 个多月的试运行，效率达g u 9 9 9 ，比单独的布袋除尘体积缩小了 1 5 ，能耗也有显著降低。 第1 章绪论 图1 - 5 a h p c 系统简图 f i g 1 - 5a h p cs y s t e ms c h e m a t i c 自2 0 世纪中叶人们提出将两种高效的除尘方式有机结合在一起，开发一种 更加高效的新型除尘器以来，静电布袋联合除尘【3 9 4 刀的理论已经比较成熟， 迄今主要有以下3 种联合除尘方式。 a “预荷电+ 布袋 形式 含尘气流先通过预荷电区，在高压电场中，粉尘充分荷电并凝并成较大的 粒子，然后由袋式除尘器收集。还有的在袋式除尘器内设置电场，可加与荷电 尘粒极性相同的电场，也可加与荷电尘粒极性相反的电场。极性相同时，电场 力与流场力相反，尘粒不断透过纤维层，效率很高，同时由于排斥作用，沉积 于滤袋表面的粉尘层较疏松，过滤阻力减小，使清灰变得更容易一些。 b “静电布袋并列式 这种方式是将一排袋滤器和一组电极相间排列，实现了电除尘与袋式除尘 机理的有机融合，其形式如图1 = 6 所示。它既适用于新建的设备，也适用于老 电除尘器的改造。 收尘疆 仓 啦o o o o o o 0 0 9 ：一= 一：一= = ；芒= q 0 0 0 0 0 0 0 0 0 _ - - 十2 q 呻0 0 0 0 0 0 0 0 0 - 0 0 0 0 0 0 0 0 j 电聚潋 滤袋 图1 _ 6 并列式静电布袋除尘器 f i g 1 - 6p a r a l l e le l e c t r o s t a t i c b a gf i l t e r - 9 - 北京工业大学工学硕士学位论文 i i c “静电布袋 串联式 这种形式的联合除尘方式，前级收尘为电除尘，后级为袋式除尘( 如图1 7 ) 。 这种除尘器特别适用于已投产不达标，场地受到限制的电除尘器的改造，一般 情况是保留原电除尘器的前级电场，将后级电场改为袋式除尘。由于不增加原 电除尘器的宽度、高度，改造的工作量小，旌工周期短，投资可低于单独采用 袋式除尘器或电除尘器的费用，同时排放质量浓度可长期稳定保持在5 0 m g m 3 以下，性能优越。 台 图1 7 串联式静电布袋除尘器 f i g 1 - 7t a n d e me l e c t r o s t a t i cb a g f i l t e r 1 3 3 新机理除尘技术 凝并技术就是使分散的微细粒子通过物理或化学作用互相接触而结合成较 大的颗粒。根据凝并机理的不同，主要分为热凝并、声凝并及电凝并等1 4 8 。5 1j 。一 般来说，热凝并的凝聚过程较为缓慢，在工业上很难得到应用。声凝并可以大大 提高微粒的凝并速度，但耗能太高，同时需要消除噪声的危害。电凝并包括带电 粒子间的库仑凝并和外电场力作用下带电粒子间的凝并，据研究，在外电场作用 力下带电粒子间的凝并是十分有效的，但一次性投资高。 磁分离技术【5 2 , 5 3 】在2 0 世纪7 0 年代就开始应用于废水中颗粒物的处理。该 技术也能用于空气污染净化，但此方面的研究还很少。磁力除尘技术在收集磁 性粉尘中的应用是成功的，以氧气顶吹转炉烟尘治理为例，即使是小于0 2 5 岬 的粉尘，收尘效率也能达到9 0 。实际应用表明，磁介质容尘量可达磁介质本 身质量的6 倍。由此可见，磁力除尘对收集亚微米粒子的效率是极高的，但如 何高效收集弱磁性尘粒是现在面临的问题。 第1 章绪论 1 4 课题的研究的主要内容 本实验的基本思想是通过对实验室现有布袋除尘器进行合理化的改造，将 布袋除尘器的进口段设计成为粉尘预荷电器，当含尘气体通过进口管段时，外 加电场将粉尘荷电，粒子通过静电、扩散、碰撞、粘附等作用凝并成较大颗粒 的粒子，再由滤袋过滤，从而提高布袋布袋除尘器对微细粉尘的捕集效率。 课题研究的重点是通过电布袋复合除尘器去除粉尘，在总除尘效率较高的 情况下分析各分级效率尤其是p m 2 5 级别的颗粒物去除的效果。 实验要从粉尘比电阻、滤料种类、过滤风速、加电强度等方面来考虑对粉 尘去除效果的影响，尤其是对亚微米级粒子的去除效果。本实验研究内容包括 以下几个部分： 1 、将实验室现有的布袋除尘器进行改造和完善，包括粉尘荷电器的设计制 造、高压电源的选择、清灰系统的完善等。 2 、选择实验粉尘，测定粉尘的的真密度、粒径分布等相关物理性质。 3 、分析各种工况参数对试验结果的影响。 4 、考查电场强度对总除尘效率或分级效率的影响，并从粉尘粒径的改变来 分析探讨除尘效率变化的原因。 5 、研究加电前后设备压降、清灰周期等参数的变化。 第2 章静电布袋复合除尘基础理论 第2 章静电布袋复合除尘基础理论 2 1 静电除尘基本原理 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。 2 1 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，被形象的称为“电子雪崩”瞰】。 图2 1 电晕过程示意图 f i g 2 - 1s c h e m a t i cd i a g r a mo fc o r o n ad i s c h a r g ep r o c e s s 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。 北京工业大学工学硕士学位论文 2 1 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： 一( 希卜帮( 南) 倍， 式中：g 粒子的荷电量，c ； 氏真空介电常数，氏= 8 8 5 x 1 0 。1 2 f m ， q 粒子相对介电常数； d 。粒子直径，m ； 既粒子所在位置的电场强度，v m ； f o 前电时间常数，并且有气= 4 6 。o p 6 ，单位s ，其中，d 为离子浓 度，离子o ；p 为单位电荷电量，c ；b 为离子的迁移率，m 2 s ) 。 事实上，t o 是非常小的，一般为l o 3 秒数量级，而当t = l ot 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f 一时，即为单个球形颗粒的饱和荷电量表达式： 3 s l g o r r d p z e o g ，= 万 ( 2 - 2 ) + ：z 、 7 式中：g ，粒子饱和电荷量，c 。 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。 第2 章静电布袋复合除尘基础理论 ( 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0 51 t m 以上) ，以电 场荷电为主：对于中间颗粒尘粒( 直径在o 2i i m 枷5 9 m ) ，同时考虑电场荷电和 扩散荷电；对于小颗粒尘粒( 直径在o 2 呻以下) ，以扩散荷电为主。 2 1 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，之后附着在收尘极板上， 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，由空间到达收尘极的速度，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。 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，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，由此得到粒子运动的简化方程为： 国= 器 ( 2 - 3 ) 3 刀脚 p 吖 式中：卜粒子趋进速度，m s ： m p - 粒子质量，k g ； q 粒子所带电荷量，c ； e 。粒子所在位置电场强度，v m i i 气体粘度，k g ( m s ) ； d 口一粒子直径，m ： c l u i 】血n g h a n a 修正系数。 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。图2 2 显示了电除尘区 粉尘荷电和收尘的机理图。 北京工业大学工学硕士学位论文 4 口 + l 口蛰。 口 蛩 1 电晕极；2 收尘极；3 粉尘层；4 荷电粉尘 图2 2 电除尘区粉尘荷电和收尘机理图 f i g 2 2s c h e m a t i cd i a g r a mo fd u s tc h a r g i n ga n dc o l l e c t i n g m e c h a n i s mi nt h ee l e c t r o s t a t i cp r e c i p i t a t o r 2 1 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 2 布袋除尘基础理论 袋除尘区的捕尘是依靠过滤材料来实现分离含尘气体中的粉尘，粉尘通过 滤袋时由于拦截、惯性碰撞、重力、扩散和静电作用而被捕集。当开始使用新 的滤袋时，由于滤料层的空隙比某些粉尘的尺寸大些，因此过滤效率较低；随 着过滤时间的延续，滤袋表面积留的粉尘越来越厚，形成一层初始粉尘层，其 孔隙尺寸越来越小，因而可以捕集更微细的粉尘，这时收尘效率越来越高。袋 式除尘器就是主要依靠这层粉尘层进行高效的过滤，而滤料本身只是起到支撑 这层粉尘的作用。过滤过程如图2 3 所示。 第2 章静电布袋复合除尘基础理论 曼曼曼曼曼曼曼! ! 曼皇皂曼曼曼曼曼皇! 曼曼曼曼鼍曼鼍曼鼍曼_ mm 曼! 皇曼曼曼窒曼曼曼! ! 曼! 曼曼曼! ! ! ! 曼! 曼! 曼! 曼! 曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼皇曼皇曼 图2 - 3 滤料的过滤作用 f i g 2 - 3f i l t r a t i o np r o c e s so ft h ef i l t e r 随着过滤的连续进行，滤下的粉尘越来越厚，其阻力也越来越大。当阻力 达到一定数值后就需要进行清灰，清除掉多余的尘层而保持初始尘层，这是保 持袋收尘器长期高效稳定运行的关键之一。如图2 4 所示，根据不同粒径的粉 尘在流体中运动的不同特性，过滤捕尘机理【5 5 】有如下几个方面： d 蕊， 钐 i 1 惯性碰撞；2 拦截作用；3 扩散作用；4 静电作用 图2 - 4 袋除尘区的除尘机理 f i g 2 - 4d u s tr e m o v i n gm e c h a n i s mi nt h eb a g h o u s e 2 2 1 扩散作用 小于0 2 n 的粒子和气体分子相互碰撞后产生不规则运动，在不规则运动 ，q=_nip=lr“r卜h一m l=_；-一：i一 li|、警钟冷三西 北京工业大学工学硕士学位论文 中，一部分尘粒被纤维或尘层所阻留，这种现象称为扩散作用。降低过滤速度， 缩小纤维直径，提高气体温度都会增加扩散作用的效果。扩散与尘粒的大小也 有关系，粒径越小，扩散越显著。 2 2 2 惯性作用 若粒子质量较大，当气体流经纤维层而被截住的机理称为惯性作用。惯性 作用的效果正比与尘粒的大小、尘粒的密度以及气流的速度，而反比于纤维的 直径。 2 2 3 拦截作用 当粒子沿气流流线随着气流直接向纤维捕集体运动时，由于气流流线离纤 维表面的距离在粒子的半径范围以内，粒子与纤维接触并被捕集，这种捕集机 制称为拦截作用。 2 2 4 重力沉降作用 当缓慢运动的含尘气流进入带收尘区后，粒径和密度大的尘粒可能会因为 重力作用而自然沉降下来，这种机理称为重力沉降作用。只有颗粒较大、气流 速度较小时，重力沉降的作用才较明显。 2 2 5 静电作用 气流冲刷纤维捕集体，摩擦作用可使纤维体带电荷。某些粉尘颗粒在运动 中也会带上电荷。无外界电场时，静电作用表现为以下三个方面：颗粒荷电， 纤维体为中性，此时在纤维体上产生反向诱导电荷，有静电吸引力；纤维体 荷电，颗粒中性，则颗粒只有反向诱导电荷，产生吸引力；两者均荷电，则 按电荷配对情况，可能吸引，也可能有排斥力。考虑静电捕集时，必须注意电 荷是吸引力还是排斥力，只有吸引力才能完成捕集过程。 2 2 6 筛分作用 滤料间的空隙或滤料上粉尘间的空隙较尘粒小时有利于筛分阻留，即为筛 分作用。很显然，尘粒愈大，纤维空隙愈小，被筛分的概率就愈大。一般情况 下新的洁净滤布的筛分作用并不强。当粉尘在滤布表面大量沉积形成粉尘层时， 第2 章静电布袋复合除尘基础理论 筛分作用大大加强，分离和捕集粉尘效率提高。筛分是袋除尘区的主要除尘机 理。 一般来说，各种除尘机理并不是同时有效，而是一种或几种联合起来作用。 而且，随着滤料的空隙、气流流速、粉尘粒径以及其它因素的变化，各种机理 对不同滤料的过滤性能的影响也不同。 2 3 电布袋复合除尘基础理论 电布袋复合除尘机理是将两种除尘机理结合，其中预荷电器电场的荷电作 用为提高电袋除尘器的性能起到了重要作用。 电场荷电作用1 ：增大粉尘颗粒的粒径 唐敏康【5 6 】在电除尘器中亚微粒子凝并机理的研究结果表明，烟尘粒子在电 场中被极化而产生极化电荷时，无论在非均匀电场如电除尘器的电晕极附近， 或在均匀电场如电除尘器的近收尘极区域，粒子的偶极效应将使粒子沿着电力 线移动，在很短的时间内就会使许多粒子沿电场方向凝结在一起，形成“灰珠 串”型，亦称链式结构的粒子集合体如图2 5 所示。 图2 - 5 粒子在电场中形成“灰珠串” f i g 2 - 5p a r t i c l e sf o r m ”g r a yb e a d s ”i nt h ee l e c t r i cf i e l d 实验结果还表明，无论气溶胶粒子携有相同符号的或不同符号的电荷，其 碰撞后的凝并效果