（安全技术及工程专业论文）电袋复合除尘理论与实验研究.pdf

ad i s s e r t a t i o ni ns a f e t yt e c h n o l o g ya n de n g i n e e r i n g t h e o r e t i a c a la n de x p e r i m e n t a l r e s e a r c ho ne l c t r o s t a t i cf a b r i cf i l t e r b yl i u y i n g s u p e r v i s o r ：v i c ep r o f e s s o rl i uj i n g x i a n n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 9 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：引莫 日期： 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。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年一年口一年半口两年口 学位论文作者签名：引荚 签字日期：卅 刷币签名：怖 签字日期：冽夕石 东北大学硕士学位论文摘要 电袋复合除尘理论与实验研究 摘要 在锅炉烟尘控制中，电除尘器和袋除尘器各有所长、各具特点，如何优势互 补、电袋联合是目前国家对环境保护的迫切需求。电袋复合除尘的基本原理是利 用电场除去7 0 9 0 的粉尘，其余粉尘由袋除尘捕获。这样不仅可以有效提高微细 粒子的除尘效率，还有利于降低滤袋的阻力，延长滤袋使用寿命。然而电除尘与 袋除尘在除尘机理上，有着根本的不同，因而要实现两种除尘效果的优化组合， 需要研究电袋复合除尘器对荷电粉尘的捕集规律和滤料在电袋复合除尘器中的过 滤特性。 本文在文献和现有资料的基础上，对静电除尘、过滤除尘、电袋复合除尘的 理论进行了研究和分析，建立了电袋复合除尘器性能研究实验装置，设计了实验 方案。以实验的手段，系统的研究了粉尘层的荷电情况、微细颗粒物在静电场中 的凝并机制，不同的荷电粉尘对阻力、效率和残余阻力的影响、以及荷电状态下 不同滤料的动态过滤特性。系列研究表明粉尘在荷电条件下发生接触凝并，并且 随着荷电电压的增加凝并现象越明显；在相同的粉尘负荷条件下，阻力值和阻力 上升速率随着荷电电压的增加而减小；复合除尘器的除尘器除尘效率高，且几乎 不受粉尘比电阻的影响；在相同的定压喷吹次数下，残余阻力、残留粉尘负荷和 喷吹周期持续时间随着荷电电压的增加而增大；在相同的粉尘负荷下，普通滤料 ( p p s 、p t f e 、p 8 4 、玻纤、涤纶) 的阻力随着荷电电压的增加而降低，阻力上升速 率下降；荷电粉尘对经过特殊处理的防静电滤料的阻力和阻力上升速率影响不大。 关键词：电袋复合除尘器；电除尘器；袋除尘器；荷电粉尘；凝并；滤料 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e o r e t i a c a la n d e x p e r i m e n t a l r e s e a r c ho n e l c t r o s t a f i cf a b r i cf i l t e r a bs 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 df a b r i cf i l t e ra r ea i rc l e a n i n ge q u i p m e n tw i d e l y u 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 c hh a v et h e i ro w ns t r o n gp o i n t s t h e r e f o r e ，i ti s t h et h en e e df o re n v i r o n m e n tp r o t e c t i o nt os t u d yh o wt oc o m p l e m e n tt h ee l e c t r o s t a t i c p r e c i p i t a t i o n ( e s p ) a n df a b r i cf i l t e r t h eb a s i cp r i n c i p l eo ft h ee l e c t r o s t a t i cf a b r i cf i l t e r i st h a tt h e7 0 - 9 0 o ft h ed u s ti sc o l l e c t e db ye s pa n dt h er e s ti sr e m o v e db yf a b r i c f i l t e r t h e r e f o r e ，n o to n l yt h ec o l l e c t i o ne f f i c i e n c yo ft h ef i n ed u s ti si m p r o v e d e f f e c t i v e l y , b u ta l s ot h er e s i s t a n c eo ff i l t e ri sr e d u c e da n di t sl i f ei sl o n g e r b u tt h e c o l l e c t i o np r i n c i p l e so fe s pa n df a b r i cf i l t e ri sf u n d a m e n t a l l yd i f f e r e n t ，s oi no r d e rt o a c h i e v et h eo p t i m a lc o m b i n a t i o no ft h ep r i n c i p l e s ，i ti sn e e dt os t u d yt h ep r i n c i p l et h a t t h ec h a r g e dd u s ti sc o l l e c t e da n df i l t e rc h a r a c t e r i s t i c so ft h ef a b r i c b a s e do nl i t e r a t u r es u r v e y , t h et h e o r yo fe s p , b a gf i l t e ra n de l e c t r o s t a t i cf a b r i c f i l t e rh a v eb e e ns t u d i e d t e s td e v i c eo fe l e c t r o s t a t i cf a b r i cf i l t e ra n de x p e r i m e n t a l p r o g r a mh a v eb e e nd e s i g n e di nt h ep a p e r i ti n v e s t i g a t e dt h ec a s eo fc h a r g e dd u s tl a y e r ， t h em e c h a n i s mo ft h ec o n d e n s a t eo ff i n ep a r t i c u l a t ei nt h ee l e c t r o s t a s t i cf i e l d ，a f f e c t i o n o fc h a r g e dd u s to nr e s i s t a n c e ，e f f i c i e n c ya n dr e s i d u a lr e s i s t a n c e ，f i l t e rc h a r a c t e r i s t i c so f d i f f e r e n tf i l t e r t h es t u d ys h o w st h a tc h a r g e dd u s to c c u r r e dc o a g u l a t i o n ；i nt h es a m e c o n d i t i o n ，r e s i s t a n c ea n dr e s i s t a n c ei n c r e a s e dr a t er e d u c e dw i t l lt h ei n c r e a s ei nc h a r g e v o l t a g e ；c o l l e c t i o ne f f i c i e n c yo fe l e c t r o s t a t i cf a b r i cf i l t e rw a sh i g ha n dn o ta f f e c t e db y d u s tc h a r a c t e r i s t i c s ；r e s i d u a lr e s i s t a n c e ，r e s i d u a ld u s tl o a da n dc y c l ed u r a t i o ni n c r e a s e d w i t ht h ei n c r e a s ei nc h a r g ev o l t a g ei nt h es a m ec o n d i t i o n s ；t h er e n s i s t a n c eo ft h eg e n e r a l f i l t e rr e d u c e dw i t ht h ei n c r e a s ei nc h a r g ev o l t a g ei nt h es a m ec o n d i t i o n s ；c h a r g e dd u s t h a r d l ye f f e c t e do nt h er e s i s t a n c ea n dt h er e n s i s t a n c ei n c r e a s e dr a t eo f a n t i s t a t i cf i l t e r k e yw o r d s ：e l e c t r o s t a t i cf a b r i cf i l t e r ；e s p ；f a b r i cf i l t e r ；c h a r g e dd u s t ；a g g l o m e r a t i o n ； f i l t e r v 东北大学硕士学位论文目录 目录 独创性声明i 摘要i i i a b s t r a c t v 第1 章绪论。1 1 1 粉尘危害1 1 1 1 对人体健康的危害1 1 2 2 对生产和经济的影响1 1 2 3 对大气环境的污染2 1 2 我国粉尘污染控制方针及现状2 1 3 选题的背景和意义3 1 4 国内外发展现状与趋势5 1 5 课题的主要研究内容7 第2 章除尘原理研究9 2 1 静电除尘基础理论9 2 1 1 静电除尘工作原理9 2 1 2 电除尘器结构1 2 2 1 3 影响电除尘器效率的因素。1 5 2 1 4 电除尘器特点1 6 2 2 袋除尘基本理论1 7 2 1 1 袋式除尘过滤机理17 2 2 2 袋式除尘器结构1 9 2 2 3 袋式除尘器特点。2 0 2 3 电袋复合除尘机理2 1 2 3 1 电袋复合除尘器形式2 1 2 3 2 电袋复合除尘器优势2 3 2 3 3 电袋复合除尘机理。2 5 东北大学硕士学位论文 目录 2 - 3 4 电袋复合除尘器的实际应用3 0 2 3 5 电袋复合除尘器要解决的关键技术3 4 第3 章电袋复合对荷电粉尘捕集特性实验3 5 3 1 电袋复合除尘实验平台设计3 5 3 1 1 袋除尘单元分析3 5 3 1 2 静电除尘单元的设计3 8 3 1 3 电除尘单元的伏安特性。4 0 3 2 实验方案。4 2 3 2 1 试验内容4 2 3 2 2 实验用粉尘和滤料4 3 3 2 3 实验滤料制备4 4 3 2 4 实验参数4 4 3 2 5 实验步骤。4 4 3 2 6 实验目标4 5 3 3 实验分析方法4 6 3 4 实验数据及理论分析。4 6 3 4 1 粉尘层的荷电量4 6 3 4 2 荷电粉尘的凝并。5 0 3 4 3 荷电粉尘层的阻力5 5 3 4 4 复合除尘捕集效率一6 7 3 4 5 复合除尘清灰能力7 4 3 5 本章小结8 2 第4 章电袋复合除尘中滤料动态性能试验8 3 4 1 实验设备和方案8 3 4 1 1 实验设备和选用滤料8 3 4 1 2 实验方法8 6 4 1 3 实验条件8 6 4 2 滤料动态性能实验数据及分析8 6 4 3 本章小结9 2 东北大学硕士学位论文 目录 第5 章结论9 3 5 1 结论9 3 5 2 展望。9 3 参考文献9 5 致谢一9 9 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 1 粉尘危害 第1 章绪论 1 1 1 对人体健康的危害 工业生产中产生的各种粉尘的危害面比较广，据统计5 0 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：( 1 ) 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；( 2 ) 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 线胸片上与正常人显著不同，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，而是使人患“棉尘综合征 ，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。有些产品对质量要求很严格，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。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。 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 ( 3 ) 粉尘爆炸。有一些粉尘具有爆炸性，如煤尘、镁粉、铝粉、纤维尘和面粉 在蟹 专于o ( 4 ) 污染。增加粉尘污染的净化费用。 ( 5 ) - - 次经济损失。由邻近区域的恶化而引起。 1 2 3 对大气环境的污染 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o 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 中总悬浮微粒的平均浓度为1 0 8 - 8 1 5 , u g m 3 ；北方城市平均浓度为4 0 7 , u g 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己成为环保中不可缺少的一部分。 1 2 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 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 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人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、扩建排放二氧化硫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 者采取其他控n - 氧化硫排放除尘的措施。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 ，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【。 1 3 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。 我国是目前世界上最大的煤炭生产国和消费国，煤烟型污染是我国城市大气 污染的普通问题2 1 。2 0 0 6 年全国烟尘排放多达1 0 7 8 万吨【3 】，其中约7 0 的烟尘来 自于煤炭的燃烧，同年我国火电装机容量达到4 8 4 亿千瓦。燃煤电厂排放大量的 烟尘且这些烟尘基本上都属于对人体健康影响极大的可吸入颗粒物( p m i o 和 p m 2 5 ) 。为了贯彻可持续发展方针，使污染得到有效控制，2 0 0 3 国家出台了新的 排放标准，标准规定新上火电项目其烟尘排放浓度应控制在5 0m g n m 3 以下，一 些城市和企业要求低于3 0m g n m 3 4 1 。 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【5 】，除尘效率不到8 0 ，烟尘排放浓度达5 0 0m 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，电除尘技术相对成熟【6 1 ，但除尘效率 易受到煤种的影响，排放的颗粒物浓度较高，特别是对高比电阻烟尘，即使采用5 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 电场甚至6 电场，仍可能达不到国家排放标准。现实应用中，人们逐渐发现静电 除尘器存在种种不足【_ 7 1 。 ( 1 ) 静电除尘器对超细颗粒( 如p m 2 5 ) 捕集能力有限【8 】。主要是因为超细粒子难 以荷电、电极振打产生二次扬尘更容易使已捕集的细微粒子逸出。 ( 2 ) 静电除尘器的除尘效率受诸多因素( 如烟温、烟气流速、飞灰特性、含硫量 等) 影响，波动较大，对静电除尘器的稳定、高效运行造成很大的影响。 ( 3 ) 国家加强对二氧化硫排放的控制，烟气中二氧化硫的浓度减少使烟尘中比 电阻升高，造成静电除尘器的反电晕增强，除尘效率降低。 ( 4 ) 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。 综合以上分析，可以看出，虽然静电除尘器可以实现较高的除尘效率【9 1 ，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 n 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。 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 0 m 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，这也是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【l o l 。 虽然袋除尘器有逐渐取代电除尘器的趋势，但是也有其局限。 ( 1 ) 运行阻力较大，一般为1 5 0 0 , - - 一2 0 0 0 p a ，造成了系统阻力大，除尘器后的引 风机功率大，运行费用较高； ( 2 ) 滤袋寿命有限，更换滤袋费用高，工作量大； ( 3 ) 化学纤维滤袋不能承受高温烟气通过，对烟气中的水分含量和油性物质含 量也有较严格的要求【1 1 】。 上述两种除尘器对1um 左右的可吸入颗粒物的去除效率都相对较低。这是因 4 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 为对电除尘器来说，这样大小的颗粒正好处在场荷电与扩散荷电混合区，荷电能 力很差。对袋式除尘器来说，这些颗粒又正好又处于惯性和扩散控制混合区，去 除效率同样较低【1 2 】。据国内某大型电厂的测试结果，电除尘器后排放烟尘中p m i o 达到9 2 4 7 ，p m 2 5 达到3 5 5 6 【1 3 】。开发高效节能的烟尘污染治理技术与装备迫 在眉睫。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， 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 4 国内外发展现状与趋势 2 0 世纪5 0 年代，发达国家多采用电除尘器来捕集燃煤电厂的烟气粉尘。至 2 0 世纪7 0 年代，为适应越来越严格的排放标准及解决高比电阻粉尘的排放问题， 发达国家开始尝试采用袋式除尘器。到2 0 世纪8 0 年代末，美国已有近1 0 0 套袋 式除尘器在燃煤电厂投入使用。在欧洲与澳大利亚，也有许多电厂安装了袋式除 尘器或将原有的电除尘器改造为袋式除尘器。至2 0 世纪9 0 年代，为满足燃煤电 厂的微细颗粒物排放要求，同时降低除尘器的设备投资与运行费用，国外开始开 发应用新一代除尘设备一电袋复合除尘器【1 4 】。 我国的燃煤电厂最早采用水膜、旋风等高水耗或高能耗的低效除尘设备，2 0 世纪7 0 年代电除尘器开始在我国燃煤电厂应用。2 0 世纪8 0 年代，国内有个别小 型燃煤电厂开始尝试使用袋式除尘器，但因滤料及其它配套技术等问题，滤袋在 短时间内就纷纷破损，换袋频繁，加之维修时工作条件差，致使重新将袋式除尘 器全部改回电除尘器。直至本世纪初，袋式除尘器才又开始在我国燃煤电厂得到 应用，现在已有部分中小型机组上配置了袋式除尘器，但6 0 0 m w 及以上机组还全 部是配套电除尘器。最近几年，我国也开始开发电袋复合除尘器【l5 。 电袋复合除尘器是由电场捕集烟气中7 0 , - - - , 9 0 的粉尘，再经过滤袋收集剩余 微细粉尘。利用电除尘与过滤除尘的长处，实现不同机理收尘方式的功能集成。 在电除尘去除烟气中的大部分粉尘后，袋式除尘的粉尘负荷大大减小，因而阻力 上升速度变小。这不仅可以降低设备的阻力，还可以延长滤袋的清灰周期，节省 清狄能耗，延长滤袋的使用寿命【1 6 j 。 目前，电袋复合除尘技术主要有以下3 种形式： ( 1 ) “前电后袋”式：“前电后袋 式电袋复合除尘器将前级电除尘和后级袋除 5 东北大学硕士学位论文笫1 章绪论 尘有机地串联成一体，烟气先经过前级电除尘，充分发挥其捕集中高浓度粉尘效 率高( 8 0 以上) 和低阻力的优势，进入后级袋除尘时，不仅粉尘浓度大为降低1 1 7 j ， 且前级的荷电效应又提高了粉尘在滤袋上的过滤特性，使滤袋的透气性能和清灰 性能得到明显改善，使用寿命大大提高。该技术自2 0 世纪7 0 年代在国外开始应 用，国内继首次在元宝山电厂实验后【1 8 】，先后在上海浦东和金山水泥厂应用成功， 排放浓度稳定在3 0 m g n m 3 以下。现有的大多数电除尘中存在3 、4 个电场的不在 少数，甚至有5 、6 个电场，而粉尘的8 0 以上几乎在第一电场被捕集，后面的仅 捕集粉尘的2 0 ，并且不一定达到排放标准，存在事故排放；如果都采用这种“前 电后袋 式，不仅烟气可以达标排放，而且减少投资费用。这种形式在电除尘改 造中大有作为，即仅保留前一电场，后电场全部或部分改为袋除尘。尽管袋除尘 中滤袋负荷减少，可减少其清灰次数，但处理气体量不变，甚至由于漏风增加其 处理风量，所以整个装置还是存在阻力过大、运行费用大等不足之处。 ( 2 ) 静电增强型：该形式在结构上有点类似“前电后袋 式，只是“前电 主 要用来对粉尘荷电，收尘主要由后面的滤袋来完成。同样，由于电荷效应这就大 大提高了粉尘在滤袋上的过滤特性，使滤袋的透气性能和清灰性能得到明显改善， 同样使滤袋清灰次数减少、使用寿命提高。但还是存在滤袋负荷没有减少，运行 阻力大、费用高等不足。 ( 3 ) 电袋一体化式：此种形式又称嵌入式电袋复合除尘器，它是对每个除尘区， 在电除尘中嵌入滤袋结构，电除尘电极与滤袋交错排列【l9 】。其主要技术特点和原 理与串联式电袋复合除尘技术相似。这种形式电袋除尘在国外已有成功应用，总 除尘效率在9 9 9 9 3 9 9 9 9 7 范围。尽管电袋一体化式结构更紧凑，气体经过的 路径短而本体阻力小，诸多方面性能均优于串联式电袋复合除尘技术，但也存在 选择适当的电场参数以解决电极放电对滤袋的影响、滤袋更换、电极与滤袋嵌入 结构布置等问题。 现在国外的电袋复合除尘器根据其结构形式可分为两种：一种称之为 c o h p a c ，由美国电力研究所( e p 对) 开发并取得专利，h a m o nr a s e a r c h c o t t r e l l 公司开拓工业应用【2 0 1 。另外一种称之为a h p c ，由美国南达科他大学的能源与环 境研究中心( e e r c ) 开发并取得专利。这两种方式都已有应用实例。 c o h p a c 是“前电后袋”式电袋除尘器，最早在美国b i gb r o w n 电厂应用， 东北大学硕士学位论文 第1 章 两台5 7 5 m w 机组分别于1 9 9 5 年和1 9 9 6 年开始投运。之后，又于1 9 9 6 年和1 9 9 9 年在美国e c g a s t o n 电厂的两台2 7 0 m w 机组上得到应用，取得了预期的效果。 a h p c 为“嵌入式 电袋除尘器。在a h p c 除尘系统中，滤袋的两侧布置了 多孔板，这多孔板也就是电除尘器的集尘极。烟气在到达滤袋前，大量粉尘被多 孔板除去，在滤袋清灰时剥离滤袋表面的粉尘再次为多孔板捕获，这样可以很大 程度上避免粉尘的“二次吸附”现象，从而提高过滤速度。1 9 9 9 年7 月，一个a h p c 除尘实验区在美国b i gs t o n e 电厂的一台4 5 0 m w 机组上进行小试。在小试取得成 功后，2 0 0 2 年在这台4 5 0 m w 机组上进行了全烟气量的工业性运行，但未能达到 设计效果。这种形式的电袋复合除尘器的结构比较复杂，至今对于气流分布仍未 能提出较完善的方案。造成的结果是清灰频繁，设备阻力偏高，到现在仍需要进 行改造【8 】。 上述两种电袋复合除尘器中，c o h p a c 方式的结构更为简明，性能稳定可靠， 运行维修方便，特别适用于老机组改造，在国外也拥有较多的业绩。菲达环保与 国内一些其它企业和研究机构目前都已开发研制了用于小型燃煤电厂的电袋复合 除尘器，采用的结构形式均类似于c o h p a c ，在实践应用中也取得了比较好的效 果。如菲达环保将天津陈塘热电厂的l 台5 0 m w 机组配套的3 电场电除尘器进行 改造，以满足脱硫后烟气烟尘排放要求，取得了很好的效果，经天津市环境检测 中心测试，粉尘排放浓度小于4 m g n m 3 。在此基础上开发的大型燃煤电厂电袋复 合除尘技术必将成为我国电除尘器改造时下一代高效除尘技术首选。 考虑到今后对微细粒子的控制必将日益严格，现在大量燃煤电厂又因使用电 除尘器而无法满足国家新的排放标准，迫切需要改造，电袋复合除尘器必将得到 越来越多的应用。 1 5 课题的主要研究内容 本文主要做如下研究工作： ( 1 ) 对电袋复合除尘技术的原理进行分析，并研究电除尘单元对袋除尘单元的 影响，从除尘机理方面详细分析电袋复合除尘技术的机理及其优势； ( 2 ) 在前人设计的日本j i s 改良装置基础上，根据电袋复合除尘器的结构特点， 对其进行改造，建立起电袋复合除尘机理研究的实验平台； 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 ( 3 ) 针对不同燃烧状态下生成的微细粉尘，研究荷电颗粒在纤维过滤材料上的 粉饼形成特性及粉饼对阻力、效率和清灰能力影响的动态变化规律； ( 4 ) 研究电袋复合除尘器中各种滤料的动态过滤特性，选择适用于电袋复合除 尘器的过滤材料。 一8 - 东北大学硕士学位论文 第2 章除尘原理研究 第2 章除尘原理研究 电袋复合除尘是利用静电除尘和布袋除尘的优点复合而成的。因此，要研究 静电一布袋复合除尘，必需先研究静电除尘和布袋除尘。 2 1 静电除尘基础理论 2 1 1 静电除尘工作原理 静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。静 电除尘器由产生电晕使粉尘荷电的电晕极和捕集粉尘的收尘极构成。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 l 】。 ( 1 ) 电场形成和气体电离 通常气体是不导电的。虽然由于放射性辐射，紫外线及宇宙射线使气体电离 放出电子，但是由于自由电子数量很小，不足以形成电流，使气体失去它的绝缘 性。在电除尘器中，在两极之间加上直流电压后，两极之间将产生不均匀电场， 在此电场作用下，气体中带电离子将分别向正负极移动，从而形成微弱的电流。 随着电压的升高，当电场强度达到足够大，气体中的自由电子获得很高的速度， 图2 1 气体电离过程 f i g 2 1i o n i z a t i o np r o c e s s 积累很大的动能。这些电子与中性分子和原子碰撞，使分子和原子放出电子成为 东北大学硕士学位论文 第2 章除尘原理研究 自由电子和正离子。此后随着电压的提高和电场强度的增加，活动度较大的负离 子获得足够的能量，碰撞中性气体分子和原子，使带电粒子越来越多，电流急剧 增大。当自由度较小的正离子也获得足够的能量时，开始碰撞别的中性分子和原 子，电流进一步增加，电除尘器是利用这一特点来达到除尘的目的。 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 离子一电子对，这个数量足以诱发电晕。 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 o = k e ( 2 1 ) 式中，一离子的迁移速度，m s ； e 一电场强度，v m ； 一+ k 一离子迁移率，m 2 ( v s ) 。 ( 2 ) 尘粒荷电 含尘气体中的尘粒在电除尘器内的荷电，一般分为碰撞荷电和扩散荷电。 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，对半 径在o 5l am 以上的尘粒，基本上属于碰撞荷电，对于粒径小于0 2um 的尘粒， 荷电属扩散荷电，而半径在0 2 - 0 5l am 之间的尘粒，两者均起作用。 ( a ) 碰撞荷电 假定尘粒为球形，粘附的离子密度和电场强度均匀相等，而且尘粒之间无电 的干扰，当尘粒受到沿电场力方向运动的带电离子碰撞。带电离子失去电荷，并 将失去的电荷给予尘粒，这一过程称为碰撞荷电。尘粒在荷电过程中，随着表面 电荷量的逐渐增加，尘粒表面上的电荷与继续前来的离子产生的斥力也逐渐增加， 当斥力与离子所受电场力相平衡时，尘粒电荷不在增加达到饱和。尘粒在时间t 秒内的荷电量为： 东北大学硕士学位论文 第2 章除尘原理研究 g r = 4 7 r 2 毛( 焉t ) ( 2 2 ) 式中，吼一粉粒在t 秒内的荷电量，c ： ，口一尘粒半径，m ： 一真空介电常数，c o = 8 8 5 x 1 0 - 1 2 ，c 2 m - 2 ； 扇一电场强度，v c m ； d 一与粉尘介电常数有关的常数； f 前电时间，s ； f 一荷电时间常数。 由上式可见，电场强度越高，颗粒越大，饱和荷电量越大。 当f 专o o 时，粉尘的荷电量达到饱和，故有 q e = 4 万睨2 岛磊 ( 2 3 ) 实际对于电场荷电，电场强度通常为3 6 k v c m ，但个别情况下也可能超过。 离子密度通常为l o k v c m ，个别情况也高于此值。 ( 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 x f o d p k t m + 毪竽 亿4 ， g p2 _ m i 1 + 矿j u 一) 云：( 等) 偿5 ， 式中，七一波尔兹曼常数，k = 1 3 8 x 1 0 - 2 3 k ； 丁气体温度，k ； u 气体离子的平均热运动速度，m s ； p 一电子的电量，1 6 x 1 0 _ 1 9 c ； 岛一真空介电常数，8 8 5 1 0 。1 2 c 2 ( v 聊一2 1 ； d 。一粉尘粒子的粒径，m ； 东北大学硕士学位论文 第2 章除尘原理研究 一电场中离子浓度，个m 3 ； f 一粒子在电场中停留时间，j ； m 一离子质量，堙。 ( c ) 电场荷电和扩散荷电联合作用 d p 0 5 , u r n 的粉尘粒子主要靠碰撞荷电，而扩散荷电量很小，可忽略不计 d p 0 2 p m 的粉尘粒子主要靠扩散荷电，而电场荷电甚微。粒径在0 2 0 5 t 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 电除尘器中，在电场的作用下，荷电的粉尘受电场力的作用而驱向极板。在 负电晕电场中，大量荷电的粉尘移向接地的收尘极板。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，粉尘根据其荷电的极性不同，在电场的作用下分别附着到收 尘极板和电晕极线上。收尘极板随着附着于其表面上的粉尘厚度的增加，将使荷 电粉尘粒子所带电荷的释放速度减慢，从而影响其对粉尘的捕集，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，就需要定 时将收尘极板和极线上的粉尘清灰，所以清灰是电除尘器正常工作重要的一环。 2 1 2 电除尘器结构 结构上，静电除尘器一般包括放电极、收尘极、清灰装置、气流分布板、除 尘器壳体以及高压供电装置等。 ( 1 ) 放电极 放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，放电极需要有良好的放电性能，有利于粉尘的荷电。要求电晕线的起 晕电压低，击穿电压高，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、星形、芒刺线、绞线、管型芒刺线、鱼骨 状电晕极等。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 东北大学硕士学位论文 第2 章除尘原理研究 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，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 ) 收尘极 收尘极是收集灰尘的主要结构，包括收尘极板、极板悬挂和极板清灰系统。 收尘极性能对粉尘的收集效果有直接的影响，同时由于体积庞大，对静电除尘器 的整体造价有很大影响。对收尘极的一般要求是：两极间电场强度分布和电流密 度分布要尽可能均匀；防止二次扬尘的性能好；板面的振打加速度要有足够大小， 其分布要尽可能均匀；极板要足够的刚度；消耗钢材少，制造及安装精度比较高； 对于腐蚀气体要考虑极板防腐蚀问题；极面的振打性能好，清灰效果好； 收尘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 使用板式收尘极。板式收尘极一般采用薄板冷扎加工成z 形、c 形