電袋復(fù)合除塵器阻力特性研究*

張仕鼎 閆東杰# 黃學(xué)敏 雷 華 何西榮 李凌霄 羅應(yīng)博

(1.西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院,陜西 西安 710055;2.西安西礦環(huán)保科技有限公司,陜西 西安 710015)

電袋復(fù)合除塵器阻力特性研究*

張仕鼎1閆東杰1#黃學(xué)敏1雷 華2何西榮2李凌霄2羅應(yīng)博1

(1.西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院,陜西 西安 710055;2.西安西礦環(huán)?？萍加邢薰?陜西 西安 710015)

利用電袋復(fù)合除塵器試驗(yàn)平臺(tái)，探討了清潔濾料過(guò)濾阻力特性、電場(chǎng)與過(guò)濾風(fēng)速對(duì)過(guò)濾阻力的影響及本體阻力與測(cè)試風(fēng)量的關(guān)系。結(jié)果表明：清潔濾料過(guò)濾阻力與過(guò)濾風(fēng)速成線性關(guān)系，濾料阻力系數(shù)為5.39×107m_1；無(wú)電場(chǎng)作用下，過(guò)濾阻力增長(zhǎng)率為2.31Pa/min；而65kV電場(chǎng)作用下，過(guò)濾阻力增長(zhǎng)率僅為0.63Pa/min，主要因?yàn)樵陔妶?chǎng)作用下，顆粒層滲透率增大，且荷電粉塵在濾料表面排列疏松，空隙較多，過(guò)濾阻力增加慢，可以有效延長(zhǎng)噴吹時(shí)間，減少噴吹過(guò)程對(duì)濾袋的沖刷；過(guò)濾阻力增長(zhǎng)率隨過(guò)濾風(fēng)速的增加而增加，過(guò)濾風(fēng)速由0.65m/min增加到0.97m/min，過(guò)濾阻力增長(zhǎng)率由0.13Pa/min增加到0.63Pa/min；電袋復(fù)合除塵器本體阻力(ΔP，Pa)和測(cè)試風(fēng)量(Q，m3/s)的擬合方程為ΔP=72.15Q2+25.07Q。

電袋復(fù)合除塵器 過(guò)濾阻力 過(guò)濾風(fēng)速 本體阻力

電袋復(fù)合除塵器是充分結(jié)合電除塵器與袋式除塵器的技術(shù)特點(diǎn)，通過(guò)一定的形式組合起來(lái)的除塵設(shè)備，具有除塵效率高、投資費(fèi)用少等優(yōu)點(diǎn)[1]，可用于收集工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中鍋爐、爐窯等裝置產(chǎn)生的粉塵。電袋復(fù)合除塵器分為串聯(lián)式和嵌入式[2]，兩者的共同點(diǎn)在于依托靜電力的作用，但結(jié)構(gòu)上的不同導(dǎo)致其適用范圍和研究方向上的差異。串聯(lián)式電袋復(fù)合除塵器由美國(guó)電力研究所(EPRI)的CHANG[3]研制并取得了專(zhuān)利，隨后推廣應(yīng)用。NODA等[4]研究了溫度對(duì)電袋復(fù)合除塵器性能的影響。CHOI等[5]發(fā)現(xiàn)，預(yù)荷電粉塵與未荷電粉塵在濾料表面的過(guò)濾試驗(yàn)相比，粉塵排列結(jié)構(gòu)明顯不同，濾袋前后壓差減小。美國(guó)在Big Brown電站和Otter Tail電力公司電廠進(jìn)行電袋復(fù)合除塵器試運(yùn)行，設(shè)備長(zhǎng)期運(yùn)行性能穩(wěn)定，除塵效率能達(dá)到99.99%以上[6]。在我國(guó)，隨著環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的日趨嚴(yán)格[7_9]，單一的除塵技術(shù)難以滿足對(duì)微細(xì)粉塵的去除要求，工業(yè)企業(yè)選擇將原有的電除塵器保留一部分除塵電場(chǎng)，而將另外一部分改造為濾袋區(qū)，成為串聯(lián)式電袋除塵器。單一除塵電場(chǎng)可以收集80%～90%的粉塵，經(jīng)過(guò)除塵電場(chǎng)后，煙塵中大量的粉塵被收集，濾袋區(qū)的煙塵濃度大大降低[10]。靜電力的作用使電袋復(fù)合除塵器對(duì)亞微米粒子的捕集效率增加顯著[11_12]。王勇等[13]對(duì)燃煤電廠的電除塵器、袋式除塵器、電袋復(fù)合除塵器進(jìn)行了性能測(cè)試得出：電除塵器對(duì)PM10的分級(jí)捕集效率僅44%，對(duì)PM2.5的分級(jí)捕集效率僅16%；電袋復(fù)合除塵器和袋式除塵器對(duì)PM10的分級(jí)捕集效率均在90%以上，且兩者對(duì)PM2.5的分級(jí)捕集效率在30%以上，均遠(yuǎn)高于電除塵器。與相同條件下的袋式除塵器相比，靜電力的作用使電袋復(fù)合除塵器濾袋表面粉塵層的壓力損失大大降低[14]。朱永超等[15]研制了新型電袋復(fù)合除塵器，考察了其壓力損失、清灰周期的變化規(guī)律。

電袋除塵技術(shù)目前尚處于應(yīng)用研究的初始階段，盡管已有了一些成功的應(yīng)用，但是人們尚缺乏對(duì)這一類(lèi)除塵技術(shù)機(jī)制的研究，尤其是缺少阻力特性對(duì)除塵器性能影響的探討。本研究利用西安西礦環(huán)?？萍加邢薰镜碾姶鼜?fù)合除塵器，考察清潔濾料過(guò)濾阻力特性、不同電場(chǎng)條件和不同過(guò)濾風(fēng)速條件下過(guò)濾阻力與運(yùn)行時(shí)間的變化情況、系統(tǒng)本體阻力與測(cè)試風(fēng)量的關(guān)系，為實(shí)際工程提供數(shù)據(jù)參考。

1 裝置與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

如圖1所示，由引風(fēng)機(jī)作用，通過(guò)喂料機(jī)輸入的粉塵與氣流充分混合形成試驗(yàn)煙塵流，依次進(jìn)入電場(chǎng)區(qū)、濾袋區(qū)，從而完成粉塵的捕集，清潔的氣體經(jīng)凈氣室通過(guò)煙囪排出。系統(tǒng)風(fēng)量0～4 800 m3/h；電場(chǎng)區(qū)1個(gè)，設(shè)3個(gè)通道，同極距400 mm，電場(chǎng)橫斷面積2.4 m2，有效長(zhǎng)度1.92 m，陰極型號(hào)為V15，陽(yáng)極型號(hào)為ZT24，繞臂錘機(jī)械振打；電除塵硅整流高頻變壓器額定輸入電壓(交流電)515 V，額定輸入電流15 A，額定輸出電壓66 kV，額定輸出電流100 mA；濾袋66條(30條為Φ160 mm×1 900 mm，36條為Φ160 mm×2 100 mm)，材質(zhì)為滌綸針刺氈，總過(guò)濾面積66.62 m2。

1—喂料機(jī)；2—壓力表；3—采樣孔；4—電場(chǎng)區(qū)供電設(shè)備；5—灰斗； 6—電袋復(fù)合除塵器；7—陽(yáng)極振打裝置；8—陰極振打裝置； 9—凈氣室；10—引風(fēng)機(jī)；11—煙囪圖1 試驗(yàn)流程示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental facilities

1.2 試驗(yàn)粉塵與測(cè)試方法

試驗(yàn)使用的粉塵是來(lái)自于某水泥廠的生料。其物化性質(zhì)與測(cè)試方法見(jiàn)表1。真密度、堆積密度和含濕量依據(jù)《粉塵物性試驗(yàn)方法》(GB 16913—2008)測(cè)定；比電阻采用DR_3粉塵比電阻試驗(yàn)臺(tái)測(cè)定；中位粒徑采用LS230激光粒度分析儀測(cè)定。

表1 粉塵的物化性質(zhì)與測(cè)試方法

注：1)在25 ℃、4 kV下測(cè)得。

試驗(yàn)過(guò)程中，利用溫濕度計(jì)測(cè)定環(huán)境空氣溫度、濕度；利用3012H自動(dòng)煙塵分析儀采樣，并測(cè)定靜壓、動(dòng)壓，計(jì)算得到粉塵濃度、系統(tǒng)流量；利用GP3S22M4B3壓力表(量程為0～3 000 Pa)來(lái)進(jìn)行壓力測(cè)定。由于采樣孔處煙氣溫度相同，且標(biāo)高相差不大，煙氣流速基本相等，即動(dòng)壓基本相等，所以本體阻力可以近似為進(jìn)出口靜壓的差值：

ΔP=Pj_Pj’

(1)

式中:ΔP為本體阻力，Pa；Pj、Pj’分別為進(jìn)口與出口的靜壓，Pa。

2 結(jié)果與分析

2.1 清潔濾料過(guò)濾阻力特性

為了確定清潔濾料過(guò)濾阻力特性，測(cè)定不同過(guò)濾風(fēng)速下清潔濾料過(guò)濾阻力，結(jié)果見(jiàn)圖2。

從圖2可以看出，清潔濾料過(guò)濾阻力(ΔPf，Pa)與過(guò)濾風(fēng)速(v，m/s)成線性關(guān)系，擬合方程為ΔPf=976.34v，R=0.994 1，相關(guān)性較好。根據(jù)達(dá)西方程[16]214_215可計(jì)算出清潔濾料的阻力系數(shù)(ζ，m_1)為5.39×107m_1。達(dá)西方程如下：

ΔPf=μζv

(2)

式中：μ為干空氣黏度，Pa·s，20 ℃干空氣黏度為1.81×10_5Pa·s。

再根據(jù)式(3)可計(jì)算出清潔濾料的滲透率(K，m2)為3.71×10_11m2。

ζ=x/K

(3)

式中：x為清潔濾料的厚度，m，本研究取0.002 m。

圖2 清潔濾料過(guò)濾阻力與過(guò)濾風(fēng)速的關(guān)系Fig.2 The relationship between filtration resistance of clean fabric material and filtration velocity

2.2 電場(chǎng)對(duì)過(guò)濾阻力的影響

試驗(yàn)參數(shù)：試驗(yàn)風(fēng)量3 900 m3/h，粉塵質(zhì)量濃度3.7 g/m3，溫度22 ℃，相對(duì)濕度99%，電場(chǎng)區(qū)電源工作電壓65 kV，電場(chǎng)風(fēng)速0.38 m/s，過(guò)濾風(fēng)速0.97 m/min。系統(tǒng)運(yùn)行65 min，每隔30 s記錄壓力表數(shù)值，得到過(guò)濾阻力與運(yùn)行時(shí)間的關(guān)系，見(jiàn)圖3。

圖3 不同電場(chǎng)條件下過(guò)濾阻力與運(yùn)行時(shí)間的關(guān)系Fig.3 The relationship between filtration resistance and running time under different electrostatic field condition

根據(jù)圖3計(jì)算：在電場(chǎng)力的作用下，過(guò)濾阻力增長(zhǎng)率為0.63 Pa/min；而無(wú)電場(chǎng)作用下，過(guò)濾阻力增長(zhǎng)率為2.31 Pa/min。這說(shuō)明，在電場(chǎng)力的作用下，大部分的粉塵已在電場(chǎng)區(qū)被去除，而少部分的粉塵在濾袋表面進(jìn)行富集；同時(shí)，粉塵荷電后排列比較松散，空隙較多，阻力較小。因此，粉塵荷電后過(guò)濾阻力增長(zhǎng)慢，能有效延長(zhǎng)噴吹周期，減少對(duì)濾袋的沖刷。

圖4為運(yùn)行65 min后，濾袋上的粉塵照片。從圖4可以看出，未荷電粉塵在濾袋表面形成的結(jié)構(gòu)比較稠密，而荷電粉塵在濾袋上形成較疏松的結(jié)構(gòu)。這是因?yàn)閹N電荷的粉塵顆粒之間產(chǎn)生靜電力作用，形成有序的排列結(jié)構(gòu)，并導(dǎo)致顆粒的間距相對(duì)較大。

濾袋壓力損失(ΔP’，Pa)由清潔濾料過(guò)濾阻力和顆粒層阻力(ΔPp，Pa)組成[16]215_216，即ΔP’=ΔPf+ΔPp。其中，ΔPf為15.5 Pa，ΔPp可根據(jù)式(4)計(jì)算得出：

圖4 濾袋上積累的粉塵Fig.4 The pictures of accumulated dust on filter_bag

ΔPp=Rpv2ρt=RpvM/A

(4)

式中：Rp為粉塵比阻力系數(shù)，s_1；ρ為進(jìn)入濾袋區(qū)的粉塵質(zhì)量濃度，kg/m3，可利用重力沉降室效率和電場(chǎng)效率公式得到；t為運(yùn)行時(shí)間，s；M為容塵量，kg；A為濾袋過(guò)濾面積，m2，本研究取66.62 m2。

顆粒層滲透率(Kp，m2)可根據(jù)式(5)計(jì)算：

Rp=μg/(Kpρc)

(5)

式中：ρc為堆積密度，kg/m3，本研究取450 kg/m3；μg為空氣黏度，Pa·s，本研究取1.81×10_5Pa·s。

粉塵在濾袋表面的顆粒層厚度(xp，m)可根據(jù)式(6)計(jì)算：

xp=M/(Aρc)

(6)

依據(jù)式(4)至式(6)，無(wú)電場(chǎng)與65 kV電場(chǎng)下ΔPp、M、xp與Kp等參數(shù)的對(duì)比見(jiàn)表2。從表2可以看出，在粉塵荷電的情況下，顆粒層滲透率增大，顆粒層較薄，導(dǎo)致顆粒層阻力較小且增長(zhǎng)緩慢。

表2 不同電場(chǎng)條件下的過(guò)濾阻力參數(shù)對(duì)比

2.3 過(guò)濾風(fēng)速對(duì)過(guò)濾阻力的影響

試驗(yàn)參數(shù)：粉塵質(zhì)量濃度3.5 g/m3，溫度21 ℃，相對(duì)濕度61%，電場(chǎng)區(qū)電源工作電壓65 kV。系統(tǒng)運(yùn)行150 min，每隔30 s記錄壓力表數(shù)值，得到過(guò)濾阻力與運(yùn)行時(shí)間的關(guān)系，見(jiàn)圖5。

從圖5可以看出：在同一過(guò)濾風(fēng)速下，隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，過(guò)濾阻力逐漸增加；隨著過(guò)濾風(fēng)速的升高，過(guò)濾阻力及其增長(zhǎng)率均逐漸增加。當(dāng)過(guò)濾風(fēng)速由0.65 m/min增加到0.97 m/min，過(guò)濾阻力增長(zhǎng)率由0.13 Pa/min增加到0.63 Pa/min。在過(guò)濾風(fēng)速為0.65 m/min時(shí)，過(guò)濾阻力曲線出現(xiàn)明顯的臺(tái)階狀，這可能是因?yàn)榉蹓m在濾袋表面滑落。

表3 不同風(fēng)機(jī)頻率下各段靜壓及壓力損失

圖5 不同過(guò)濾風(fēng)速下過(guò)濾阻力與運(yùn)行時(shí)間的關(guān)系Fig.5 The relationship between filtration resistance and running time under different filtration velocity

2.4 本體阻力與測(cè)試風(fēng)量的關(guān)系

試驗(yàn)參數(shù)：溫度19 ℃，相對(duì)濕度64%。在清潔空氣、清潔濾料條件下，系統(tǒng)各段的靜壓及壓力損失見(jiàn)表3。本體阻力與測(cè)試風(fēng)量的擬合關(guān)系如圖6所示。

圖6 本體阻力與測(cè)試風(fēng)量的擬合關(guān)系Fig.6 The fitting relationship between pressure drop and gas volume

從表3、圖6可以看出，在清潔空氣和清潔濾料條件下，隨著風(fēng)機(jī)頻率的增加，測(cè)試風(fēng)量增加，進(jìn)口管道靜壓與出口管道靜壓均增加，計(jì)算得到的系統(tǒng)的本體阻力也隨之增加。為了更好地研究系統(tǒng)的性能，將本體阻力與測(cè)試風(fēng)量(Q，m3/s)作曲線擬合，擬合方程為ΔP=72.15Q2+25.07Q，R=0.993 1，相關(guān)性較好。

3 結(jié) 論

(1) 清潔濾料過(guò)濾阻力隨著過(guò)濾風(fēng)速的增加而增加，兩者成線性關(guān)系，擬合得到方程ΔPf=976.34v，R=0.994 1，相關(guān)性較好。由達(dá)西方程得到滌綸針刺氈濾料的阻力系數(shù)為5.39×107m_1，滲透率為3.71×10_11m2。

(2) 65 kV電場(chǎng)作用下，過(guò)濾阻力增長(zhǎng)率(0.63 Pa/min)遠(yuǎn)小于無(wú)電場(chǎng)作用下的過(guò)濾阻力增長(zhǎng)率(2.31 Pa/min)，荷電粉塵在濾料表面排列疏松，顆粒層滲透率比無(wú)電場(chǎng)作用下大，可以有效延長(zhǎng)噴吹周期，減少噴吹過(guò)程對(duì)濾袋的沖刷。

(3) 過(guò)濾阻力增長(zhǎng)率隨著過(guò)濾風(fēng)速增加而增加。過(guò)濾風(fēng)速由0.65 m/min增加到0.97 m/min時(shí)，過(guò)濾阻力增長(zhǎng)率由0.13 Pa/min增加到0.63 Pa/min。

(4) 電袋復(fù)合除塵器本體阻力和測(cè)試風(fēng)量的擬合方程為：ΔP=72.15Q2+25.07Q，R=0.993 1，相關(guān)性較好。

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Resistancecharacteristicsofelectrostatic_fabricintegratedprecipitator

ZHANGShiding1,YANDongjie1,HUANGXuemin1,LEIHua2,HEXirong2,LILingxiao2,LUOYingbo1.

(1.SchoolofEnvironment&MunicipalEngineering,Xi’anUniversityofArchitecture&Technology,Xi’anShaanxi710055;2.Xi’anMineEnvironmentProtectionTechnologyCo.，Ltd.,Xi’anShaanxi710015)

By experimental platform of electrostatic_fabric integrated precipitator,the effect of resistance characteristics of clean filter material,electrostatic field and filtration velocity on filtration resistance,and the relationship between the system pressure drop and gas volume had been discussed. Results indicated that filtration resistance of clean filter material was linearly proportional to filtration velocity,and resistance coefficient of clean filter material was 5.39×107m_1. Under the action of non_electrostatic field,growth rate of filtration resistance of filter material was 2.31 Pa/min while it was only 0.63 Pa/min when the 65 kV electrostatic field worked. The permeability of particles layer increased with the action of electrostatic field and charged dust loosely arranged on the surface of the filter material. Comparison with non_charged dust,more room were occupied by charged dust,which contributed to slow increasement of filtration resistance. So it could effectively extend cleaning cycle and reduce the erosion of filter bag during cleaning processes. Growth rate of filtration resistance increased gradually from 0.13 Pa/min to 0.63 Pa/min with rising filtration velocity from 0.65 m/min to 0.97 m/min. The computational formula between the system pressure drop (ΔP,Pa) and gas volume (Q,m3/s) was expressed as ΔP=72.15Q2+25.07Q.

electrostatic_fabric integrated precipitator; filtration resistance; filtration velocity; pressure drop

10.15985/j.cnki.1001_3865.2017.01.010

2015_12_03)

張仕鼎，男，1989年生，碩士研究生，研究方向?yàn)榇髿馕廴究刂评碚撆c技術(shù)。#

。

*國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(No.51408455)。