电袋除尘器的发展与机理研究

赵 毅，王佳男

（华北电力大学环境科学与工程学院，河北 保定 071003）

电袋除尘器的发展与机理研究

赵 毅，王佳男

（华北电力大学环境科学与工程学院，河北 保定 071003）

随着国家对细微颗粒物的排放标准要求日趋严格，除尘技术也在不断发展与改进。电袋除尘器是将静电除尘器和布袋除尘器有机结合起来的新型除尘设备，能有效提高除尘效率，降低压力损失。文章对电袋除尘器的发展历程进行了回顾，对其工作原理及除尘机理进行了分析研究，旨在为电袋除尘器的发展及推广提供一定参考。

细微颗粒物；电袋除尘器；除尘效率；压力损失；除尘机理

前言

我国煤炭资源丰富，是煤炭生产和消费大国。截至2012年初，我国火电装机容量已超过7.6亿kW，煤炭消耗量约为17亿t，燃煤电厂粉尘年排放量约为300万t，是空气中粉尘污染物的主要来源[1]。随着雾霾现象的严重，人们开始对PM2.5有了认识。PM2.5是指粒径小于2.5μm的颗粒物，能够进入人体肺泡甚至血液系统，严重威胁人体健康。新颁布的《火电厂大气污染物排放标准》（GB13223-2011）对燃煤锅炉的烟尘排放限值提高到30mg/m3[2]，诸多电厂因为除尘技术不完善等问题难以达标排放。

目前，燃煤电厂中较盛行的除尘设备是电除尘器。电除尘器具有高效稳定、适应性强等优点，但由于使用中易受煤种及粉尘性质等因素影响，人们在实际应用中逐渐发现电除尘器存在的种种不足。与电除尘器相比较，袋除尘器具有很多优势，但袋式除尘器由于阻力较大，滤袋成本较高等问题，使用也具有一定的局限。为了充分利用两种除尘器的优点，电袋除尘器应运而生。

1 电袋除尘器发展历程

1.1 国外电袋除尘器的研究

电袋除尘技术是传统电除尘技术和袋式除尘技术的有机结合。据资料显示，美国是世界上最早对电袋除尘器进行研究的国家，早在20世纪60年代，Frederick就提出：织物、烟尘上的电荷会对织物过滤的除尘效率、过滤压降有一定影响。

1970年，美国一家公司研发了一种预荷电脉喷清灰的除尘器Apitron，其是人们所知的第一台电袋除尘器。

1980年后，国外科学家对静电增强过滤除尘效率进行了理论与实验研究，结果表明该技术能提高除尘效率、降低过滤压降、改善清灰效果。

20世纪90年代，美国电力研究所的Ramsay Chang博士成功开发了一种名为COHPAC的电袋除尘器。由于电除尘器和袋式除尘器的连接形式不同，分为分体式（COHPAC I型）和一体式（COHPAC II型），结构如图1所示。

图1 COHPAC型电袋复合除尘器

COHPAC I型就是所谓“前电后袋”式复合型除尘器，实际上就是将电除尘器和袋式除尘器串联在一起，各自独立运行。首先在电除尘部分，电除尘能发挥其高效率、低阻力的特点，将大部分粉尘捕集，并对逃逸粉尘进行荷电；逃逸粉尘到达袋除尘器时，粉尘浓度已经大大降低，同时荷电后的粉尘由于静电作用，在滤袋表面能形成疏松的粉尘层，从而改善了过滤性能，提升了捕集效率。

COHPAC II型也是“前电后袋”式复合型除尘器的一种，但其是将电、袋两部分共置一室，这种结构使得烟气能在离开电除尘器后直接进入袋除尘器，同时降低了粉尘运动过程中电荷的丢失。

20世纪末，一种名为 AHPC（Advanced Hybrid Particulate Collector）的电袋除尘器在北达科他大学和美国能源环境研究中心的共同合作下开发成功。在AHPC除尘系统中，电除尘装置和袋除尘装置被放在同一个腔体内，滤袋的两侧布置了多孔收尘极板，电极和滤袋交错排列（见图2）。

图2 AHPC型电袋复合除尘器俯视图

AHPC的内部结构与COHPAC完全不同。烟气从入口直接到达电除尘区。大部分粉尘会被捕集，剩余的粉尘通过收尘板由滤袋完成捕集。AHPC中的多孔板有两个作用：一是捕集荷电粉尘；二是防止滤袋被电晕放电破坏。

在滤袋清灰时，扬起的粉尘能通过多孔极板进入电场区，由于粉尘凝并后粒径较大，所以能再次被收尘极板捕集，有效解决了清灰时的二次扬尘问题。

1.2 国内电袋除尘器的研究

1990年后，我国开始了对静电增强纤维除尘技术的研究，刘德彰等人[3]在管式电除尘器的基础上，将不锈钢滤袋作为极板来设计除尘装置（见图3）。

祁君田[4]设计出一种电袋除尘器（见图4），将带有高压负电的电晕极设置在滤袋内部。粉尘在电晕极线附近荷负电，由于同性电荷排斥，所以粉尘在滤袋表面分布疏松，降低压降，延长滤袋寿命。

图3 袋式电除尘器示意图

图4 典型滤袋内设置电晕极线示意图

清华大学与同方环境共同研发了DDH系列电袋除尘器，清华同方自主研发的EF型电袋除尘器和龙净环保设计的FE型电袋除尘器都是电、袋除尘技术有机结合的典范。

随着科学技术的进步，国内科学家对电袋除尘技术不断探索，研发了一种新型电袋一体化除尘装置[5]，该装置结构上由两块同心圆的收尘极板、电晕极线、滤袋和导流板所组成（如图5所示）。

图5 新型电袋除尘装置结构图

2 电袋除尘器特点

电袋除尘器是电除尘器和袋除尘器的有机结合体，这种组合式装置综合了两者的优点。电除尘器作为捕集烟气粉尘的前级设备，能捕集80%左右的粉尘量。经电场荷电的逃逸粉尘到达后级滤袋进行过滤，与电、袋除尘器相比，在性能上具有明显优势（见下表）。

电、袋除尘器和电袋除尘器的比较表

3 电袋除尘器除尘机理

电袋除尘器能在高效除尘的同时，降低压降减少阻力损失，其性能优越的主要原因在于应用了静电增强纤维过滤技术。通常包括对来流颗粒预荷电[8]、预极化[9]、采用静电预处理纤维（荷电或驻极体纤维）[10]、施加外电场[11]等。其中最常用的是颗粒预荷电技术，该技术的基本原理是使含尘气体流经预荷电场，尘粒荷电后随气流一起运动到纤维层，在静电感应下，纤维层也带上电荷，最终尘粒沉积在其表面，从而进一步提高纤维层除尘效果。

3.1 静电增强纤维过滤的理论研究

静电力能有效增强纤维过滤器对亚微米级细微粒子的捕集效率，Zhang[12]提出了电场作用下求解纤维过滤效率的公式。在强电场作用下，粒子的扩散效应可忽略，所以只考虑静电作用和拦截作用的情况下，洁净纤维过滤器的过滤效率可用下面的公式表示：

式中：ηS为单纤维过滤总效率，ηD为截留效率，无量纲；KE为静电力参数，无量纲；Cm为康宁汉姆修正系数，无量纲；dp为颗粒直径，单位m；df为粒子直径，单位m；Z为滤料厚度，单位m；αf为填充系数，无量纲；α为过滤器半径，单位m。

从公式可看出过滤效率与滤料厚度，填充系数和颗粒物直径有关。静电作用能使粉尘颗粒发生凝并作用而增大粒径，同时可在滤料表面形成疏松的粉尘层，所以能提高除尘效率。

戴日俊[13]等人对细粒子的电袋捕集技术进行了理论分析，研究表明，静电作用能明显改善过滤性能，能在保证高效捕集的同时降低压降。图6为定性分析图。

图6 荷电粉尘层对压力损失的定性分析

定量分析：过滤层的压力损失由3部分组成，分别是未使用的清洁滤料自身的压力损失ΔP0，用过的滤料在清灰后保留着残余粉尘的压力损失ΔPR，随着过滤过程的进行，粉尘层不断累积的压力损失ΔPd，过滤期间的总压力损失ΔPf可以如下表示：

式中：KR为残余粉尘的比阻力系数，m-1；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；μ为气体粘度，Pa·s；v0为过滤风速，m/s。

由于静电力对ΔP0和ΔPR影响较小，因此该实验主要考察静电作用对粉尘层结构的影响，即ΔPd的改变。根据柯兹尼-卡曼理论公式，粉尘层的比阻力系数Kd主导粉尘层结构。

式中：ξ为粉尘层孔隙率；ρP为粉尘的真密度，kg/m3；d为粉尘的平均直径，m。

公式表明，粉尘层的压力损失主要受颗粒层的孔隙率和粉尘平均直径影响，而静电作用能使荷电孔隙率变大，同时能使细微粒子产生凝并作用，使其平均粒径增大，从而减小了粉尘层的比阻力系数，降低了粉尘层的压力损失。

3.2 静电增强纤维过滤的实验研究

朱永超[14]设计了一种电袋除尘器模型，通过与普通袋除尘器的对比实验研究，总结出过滤风速、电场强度、除尘效率等参数的变化规律。实验表明：在相同的工况下，电袋复合除尘器可提高在较高过滤风速下的除尘效率，同时除尘效率随电场强度的增加而升高。

唐敏康[15]运用静电学理论，结合电、袋除尘机理，从理论和实验两方面研究了荷电颗粒在滤袋表面的堆积机理。研究表明：荷电颗粒由于斥力的作用，在滤袋表面堆积疏松，从而降低了过滤阻力。同时发现影响烟尘粒子在滤袋表面堆积的主要因素有粒径和过滤风速等。

邵华[16]在电袋除尘器去除PM2.5的基础实验研究中考察了电场强度对粉尘的平均粒径和分级效率的影响，研究结果如图7（a）（b）所示。

图7 粉尘的平均粒径（a）、分级效率（b）随电场强度的变化

从图7可知，电场强度增大时，粉尘的平均粒径会随之增大，同时分级效率也会提升，对于粒径处于0～2.5μm区间的细颗粒物尤为明显。

Tu[17]等人研究了在颗粒荷电量不同情况下，颗粒的穿透率和压降随过滤纤维上粉尘质量的变化情况，结果表明：荷电粉尘在纤维滤布上的穿透率随滤布上粉尘质量和颗粒荷电量的增大而减小；压降随颗粒荷电量的增大而减小，随滤布上粉尘质量的增大而增大。

Feng[18]等人对一种由电除尘器和纤维过滤器结合而成的混合静电过滤系统（HEFS）进行了性能实验，并探究了系统参数对性能的影响。实验结果如图8所示：随着电压的增加，过滤系统的除尘效率也在提升，而电压对除尘效率几乎无影响。实验还发现电除尘器与纤维过滤器之间的距离对除尘效率几乎无影响，同时系统的臭氧产生量也很少。

图8 电压对除尘效率的影响

东北大学通过实验系统研究了粉尘层的荷电情况、细微颗粒物在静电场中的凝并机制；不同荷电粉尘对阻力、除尘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。研究表明：粉尘在荷电条件下发生凝并，并随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电压的增加而减小，电袋除尘器的除尘效率升高，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电压的增加而增大。

4 研究热点

目前，电袋除尘器作为一种较新的除尘技术，应用的实例并不多，同时也存在许多问题需要改进与完善。

（1）对电袋除尘器的机理研究，尤其是对离子风和气流等作用机理的综合性影响探讨[19]。

（2）电袋除尘器内部的气流均布问题及静电除尘单元和布袋除尘单元的负荷分配问题。

（3）对电袋除尘器在不同工况、不同烟气成分下的适应性进行研究[20]。

5 结论

电袋除尘技术以优越的除尘性能正引起越来越多的关注，本文在分析了静电除尘器和袋除尘器特点的基础上，从发展过程和性能研究两方面阐述了电袋除尘技术，并说明其应用的可行性和优越性。同时从理论上和实验上对电袋除尘器的优越性能本质——静电增强纤维过滤技术进行分析，荷电粉尘对滤袋过滤特性的影响有利于提高除尘效率、降低阻力损失以及清灰工作。目前应加强对电袋除尘机理的研究，从而使电袋除尘器得以更好地推广和应用，为颗粒物的节能减排事业做出贡献。

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Development and Mechanism Study on Electrical Bag Hose Precipitator

ZHAO Yi, WANG Jia-nan
(Institute of Environmental Science and Engineering of North China Electric Power University, Hebei Baoding 071003, China)

With the increasing stringent demand of the national emission standards for the fine particulate matters, the dust removal technology exits in a constant development and improvement. The electrostatic-bag—precipitators (EBP), as a relatively new technology, integrates ESP with bag-filters. It can improve the dust removal efficiency and reduce the pressure loss effectively. The paper reviews the development of EBP, and makes the research on the working principle and dust removal mechanism, so as to provide a certain reference for the development and popularization of EBP technology.

fine particulate matters; EBP; dust removal efficiency; pressure loss; dust removal mechanism

X701

A

1006-5377（2017）06-0058-05