电—袋复合除尘器捕集微细粒子的理论浅析

戴日俊，李 伟

(1.内蒙古能源发电投资有限公司，内蒙古呼和浩特 010020;2.国电环境保护研究院，江苏南京 210031)

电—袋复合除尘器捕集微细粒子的理论浅析

戴日俊1，李 伟2

(1.内蒙古能源发电投资有限公司，内蒙古呼和浩特 010020;2.国电环境保护研究院，江苏南京 210031)

燃煤锅炉烟气排放进入空气中PM10微细粒子对人体呼吸道健康存在极大的威胁［1］。袋式除尘器的除尘性能不受粉尘比电阻影响，对PM10粉尘的控制效果比电除尘器好，在电厂燃煤锅炉烟尘净化方面，国内外已经形成比较成熟的燃煤电厂袋式除尘工艺路线和安全保护措施。近年来，随着滤袋材质、清灰装置和运行管理等关键技术问题的逐步解决，国内燃煤电厂特别是燃用低硫煤的城市热电厂采用袋式除尘器，尤其是将现役电除尘器改造为袋式除尘器或者电—袋复合除尘器的比例迅速提高［2］。实质上，在电除尘器具备“电改袋”条件下，改造成为电—袋复合除尘器的基本途径是将电除尘器末端电场改造为袋式除尘单元，保留前端电场，并且在两者之间增设合理的气流分布装置。这样，既能够实现对原有电除尘器最大限度地再利用，又可以降低投资成本［3］。

“前电后袋”电—袋复合除尘器集电除尘技术和袋式除尘技术优点于一身，这种除尘器是在粉尘进入袋式除尘器之前先经过一级电场预除尘单元，除去烟气中的粗颗粒粉尘，并使含尘气体在过滤之前，经过一个电晕荷电过程;然后利用二级袋式除尘单元除去剩余的微细颗粒。本文主要针对静电力对于降低滤袋表面粉尘层的压力损失，增强滤袋对亚微米微细粒子捕集进行分析和讨论。

1 静电力对袋式除尘器压力损失的影响

电—袋复合除尘器压力损失由除尘器箱体流通阻力和过滤层的压力损失构成。它不但决定着除尘器能耗，还决定着除尘效率和清灰周期［3］。除尘器箱体流通阻力为定值，过滤层的压力损失由未用过的清洁滤料的压力损失、用过的滤料在清灰后保留着残余粉尘的压力损失、随着过滤的进行不断增加的粉尘层的压力损失三部分组成［4］。对于清洁滤料未用过的清洁滤料的压力损失ΔP0为:

式中:K0为清洁滤料的阻力系数，m－1;μ为气体粘度，Pa·s; ν0为过滤速度，m/s。

K0是滤料的透气度，其值只决定于滤料的成分和结构。所以，对于同一种滤料，在过滤风速不变的情况下，ΔP0为定值。

用过的滤料在清灰后保留着残余粉尘的压力损失ΔPR(含滤料本身)为:

式中:KR为残留粉尘的比阻力系数，1/m。KR可以反映清灰后残留粉尘和滤料组合系统的特性，同时也反映了清灰和循环方式的特性。滤料使用若干个循环，滤料上的残留粉尘量达到一定平衡后，KR则变化不大。随着过滤的不断进行增加的粉尘层压力损失ΔPd为:

式中:Kd为平均比阻力系数，m/kg;C1为粉尘浓度，g/m3;t为过滤时间，s;m为粉尘负荷，kg/m2。

所以，在整个过滤期间，过滤层的总压力损失(不考虑清洁滤料)可表示为:

从式(4)可以看出，过滤层的总压力损失受残留粉尘的比阻力系数KR，粉尘层的平均比阻力系数Kd、过滤风速、过滤时间、粉尘浓度、气体黏度的共同影响。残余粉尘的比阻力系数KR主导滤料残留阻力，影响滤料的寿命;堆积粉尘层的平均比阻力系数Kd主导粉尘层的结构，影响过滤层压力损失上升，清灰周期和运行阻力。本文讨论静电力对压力损失的影响暂不考虑残留阻力的影响，主要考虑静电力是否引起Kd的变化。

把堆积粉尘层看作粒子充填层，采用柯兹尼－卡曼理论公式计算比阻力系数Kd［5］:

从图1可知，在电—袋复合除尘器工作过程中，气流中的粉尘首先在电除尘单元中被荷电，随着荷电粒子逐渐沉积于滤料表面，中性滤料会带上与荷电粒子极性相同的电荷，从而在滤料表面形成静电场。静电场的形成会使粉尘层在滤料表面的排列更为有序，结构更为疏松，增大了粉尘层的孔隙率ε，降低粉尘层压力损失［6］。

另外，荷电粉尘层形成之后，可以认为，整个滤袋是一个带电的圆柱体。这样，一方面，荷电粒子就会受到这个“带电圆柱体”的排斥力，静电场产生的静电排斥力将削弱粒子进入滤料内部的惯性力，可以使得粒子不易渗入滤料的深处，粉尘的堆积区域将向着与气流方向相反的区域移动［7］，因而粉尘层透气性好，气流通过时压力损失也就减小;另一方面，静电力的存在会加速粉尘，尤其是微细粉尘在滤料表面的电凝并作用，使得粉尘的直径增大，同样降低粉尘层压力损失［6］。

图1 荷电粉尘层对其压力损失的影响定性分析

电镜扫描滤料表面未荷电粉尘层和荷电粉尘层对比照片可以看出，相比未荷电粉尘层，荷电粉尘层的结构更加疏松，并且产生明显的凝聚作用。

2 静电力对袋式除尘器捕集微细粒子影响

2.1 袋式除尘器的捕集机制

袋式除尘器的过滤机制包括筛分、惯性碰撞、拦截、扩散和静电吸引等作用。筛分作用是袋式除尘器的主要过滤机制之一［4］。当粉尘粒径大于滤料中纤维间孔隙或滤料上沉积的尘粒间的孔隙时，粉尘即被筛滤下来。由于一般滤料纤维间的孔隙远大于粉尘粒径，所以刚开始过滤时，筛分作用很小，主要是靠惯性碰撞、拦截、扩散和静电等作用。但是当滤料上逐渐形成粉尘初层后，则碰撞、扩散等作用变得很小，而是主要靠筛分作用。

2.2 静电力能增强袋式除尘器捕集微细粒子

对袋式除尘的几种过滤机制来说，静电力很小，可以忽略不计，但在电—袋复合过滤过程中，静电力变得显著且重要。国内外研究成果表明，对粒径小于0.5μm的尘粒，扩散碰撞起主导作用;对粒径大于2μm的粉尘粒子，惯性碰撞起主导作用;对于粒径为0.5～2μm左右的粒子，由于这一粒径范围已处于惯性碰撞和拦截作用的下限，扩散作用的上限，而使得在任何情况下袋式除尘器对这一粒径粒子的捕集效率皆为最低［4］。各种捕集机制下的单靶捕集效率见表1。其计算条件为:纤维直径为16μm，流速为0.031m/s，温度293K，1个标准大气压。

表1 各种捕集机制下的单靶捕集效率

但是电—袋复合除尘器捕集0.5～2μm这一粒径范围的微细粒子效果则比较明显［8］。东北大学的隋鹏程、张国权等人曾通过理论计算，分析比较了单一纤维靠惯性碰撞与拦截作用、布朗扩散机制以及静电作用捕集粒径为0.5～10μm的单位密度球形粒子的相对重要性，并且实测对比了粉尘荷电和未荷电条件下通过滤袋的分级效率。

理论计算和试验测试结果均表明，当粉尘粒径在1μm左右时，静电作用使得滤袋对此粒径范围内粒子的捕集效率远大于其他的捕集作用。可见静电作用对于捕集微细粒子具有积极的意义。分析原因，主要是因为粉尘特别是微细粉尘通过结构更为疏松的粉尘层时停留时间更长，使得袋式除尘各种捕集机制，特别是主导微细粒子捕集的扩散作用变得更强，从而大大增加了这一粒径范围内微细粒子的捕集几率［9］。另一方面，静电场产生的微细粉尘凝聚作用，使得其更加不易穿过滤料。

3 结语

(1)从上述分析结果可以看出，与袋式除尘器相比，电—袋复合除尘器具对微细粒子的捕集效率增加;相同条件下，滤袋表面粉尘层的压力损失降低;可以减少除尘器运行阻力(或者延长了滤袋的清灰周期，从而延长滤袋的使用寿命);可以适当提高除尘器过滤风速，减少滤袋投资费用等特点［10］。

(2)研究静电力的作用对于电—袋复合除尘器捕集亚微米微细粒子能力的显著增强以及对于滤袋表面粉尘层压力损失的降低产生的机制，对于进一步深入研究电—袋复合除尘器过滤机制具有一定的指导意义。

［1］刘泽常，王志强.大气可吸入颗粒物研究进展［J］.山东科技大学学报，2004，(4):31 －33.

［2］肖宝恒.燃煤电厂电除尘器增效改造的途［J］.电力环境保护，2007，23(6):13 －15.

［3］林 宏.电—袋复合除尘器的开发与应用［J］.中国水泥，2005，(2):8－11.

［4］马广大.大气污染控制工程［M］.北京:中国环境科学出版社，2004.

［5］胡鉴仲，隋鹏程.袋式收尘器手册［M］.北京:中国建筑工业出版社，1984.

［6］马广大，徐国平.静电强化脉冲袋式除尘器性能的实验研究［J］.西安冶金建筑学院学报，1990，22(4):16－18.

［7］Canadas L，Navarrete B.Improvement of fine particles collection efficiency in large pulverized coal power plants:ESPs retrofitting to hybrid collectors［C］.The 9th International Conference on Electrostatic Precipitation，South Africa:2004.

［8］隋鹏程，张国权.静电过滤除尘器的研究［J］.通风除尘，1982，(1):1－7.

［9］党小庆，李 伟，马广大.电—袋复合除尘器性能对比试验研究［J］.电力环境保护，2007，23(6):1 －3.

［10］孟令县，李伟，裴爱芳，等.电改袋复合除尘器在220MW机组上的应用［J］.电力科技与环保，2010，26(2):40－42.

Study on mechanism of trapping fine particulate by electrostatic－bag precipitator

依据袋式除尘器的捕集机理，定性分析了静电力对增强电—袋复合除尘器捕集亚微米微细粒子能力以及降低袋式除尘器压力损失的影响，为进一步研究电—袋复合除尘器过滤机制提供参考。

电—袋复合除尘器;静电力;微细粒子;压力损失

In term of the basic trapping mechanism of bag filter，the reason of the ability of catching submicron fine particulate which were distinct strengthened of EBP by electrostatic force，and the reason of the Pressure drop of the surface of the dust cake which were reduced by the electrostatic force were qualitatively analyzed.The conclusion was significative for further studying on the trapping mechanism of EBP.

EBP;electrostatic force;fine particulate;pressure drop

X701.2

B

1674－8069(2011)02－022－03

2010-10-26;

2011-01-21

戴日俊(1963-)，男，工程硕士，高级工程师，从事电力安全生产及环境保护工作。E－mail:dairijun@imeic.com.cn