电袋复合除尘器阻力特性研究*

张仕鼎 闫东杰# 黄学敏 雷 华 何西荣 李凌霄 罗应博

(1.西安建筑科技大学环境与市政工程学院,陕西 西安 710055;2.西安西矿环保科技有限公司,陕西 西安 710015)

电袋复合除尘器阻力特性研究*

张仕鼎1闫东杰1#黄学敏1雷 华2何西荣2李凌霄2罗应博1

(1.西安建筑科技大学环境与市政工程学院,陕西 西安 710055;2.西安西矿环保科技有限公司,陕西 西安 710015)

利用电袋复合除尘器试验平台，探讨了清洁滤料过滤阻力特性、电场与过滤风速对过滤阻力的影响及本体阻力与测试风量的关系。结果表明：清洁滤料过滤阻力与过滤风速成线性关系，滤料阻力系数为5.39×107m_1；无电场作用下，过滤阻力增长率为2.31Pa/min；而65kV电场作用下，过滤阻力增长率仅为0.63Pa/min，主要因为在电场作用下，颗粒层渗透率增大，且荷电粉尘在滤料表面排列疏松，空隙较多，过滤阻力增加慢，可以有效延长喷吹时间，减少喷吹过程对滤袋的冲刷；过滤阻力增长率随过滤风速的增加而增加，过滤风速由0.65m/min增加到0.97m/min，过滤阻力增长率由0.13Pa/min增加到0.63Pa/min；电袋复合除尘器本体阻力(ΔP，Pa)和测试风量(Q，m3/s)的拟合方程为ΔP=72.15Q2+25.07Q。

电袋复合除尘器 过滤阻力 过滤风速 本体阻力

电袋复合除尘器是充分结合电除尘器与袋式除尘器的技术特点，通过一定的形式组合起来的除尘设备，具有除尘效率高、投资费用少等优点[1]，可用于收集工业生产过程中锅炉、炉窑等装置产生的粉尘。电袋复合除尘器分为串联式和嵌入式[2]，两者的共同点在于依托静电力的作用，但结构上的不同导致其适用范围和研究方向上的差异。串联式电袋复合除尘器由美国电力研究所(EPRI)的CHANG[3]研制并取得了专利，随后推广应用。NODA等[4]研究了温度对电袋复合除尘器性能的影响。CHOI等[5]发现，预荷电粉尘与未荷电粉尘在滤料表面的过滤试验相比，粉尘排列结构明显不同，滤袋前后压差减小。美国在Big Brown电站和Otter Tail电力公司电厂进行电袋复合除尘器试运行，设备长期运行性能稳定，除尘效率能达到99.99%以上[6]。在我国，随着环保标准的日趋严格[7_9]，单一的除尘技术难以满足对微细粉尘的去除要求，工业企业选择将原有的电除尘器保留一部分除尘电场，而将另外一部分改造为滤袋区，成为串联式电袋除尘器。单一除尘电场可以收集80%～90%的粉尘，经过除尘电场后，烟尘中大量的粉尘被收集，滤袋区的烟尘浓度大大降低[10]。静电力的作用使电袋复合除尘器对亚微米粒子的捕集效率增加显著[11_12]。王勇等[13]对燃煤电厂的电除尘器、袋式除尘器、电袋复合除尘器进行了性能测试得出：电除尘器对PM10的分级捕集效率仅44%，对PM2.5的分级捕集效率仅16%；电袋复合除尘器和袋式除尘器对PM10的分级捕集效率均在90%以上，且两者对PM2.5的分级捕集效率在30%以上，均远高于电除尘器。与相同条件下的袋式除尘器相比，静电力的作用使电袋复合除尘器滤袋表面粉尘层的压力损失大大降低[14]。朱永超等[15]研制了新型电袋复合除尘器，考察了其压力损失、清灰周期的变化规律。

电袋除尘技术目前尚处于应用研究的初始阶段，尽管已有了一些成功的应用，但是人们尚缺乏对这一类除尘技术机制的研究，尤其是缺少阻力特性对除尘器性能影响的探讨。本研究利用西安西矿环保科技有限公司的电袋复合除尘器，考察清洁滤料过滤阻力特性、不同电场条件和不同过滤风速条件下过滤阻力与运行时间的变化情况、系统本体阻力与测试风量的关系，为实际工程提供数据参考。

1 装置与方法

1.1 试验装置

如图1所示，由引风机作用，通过喂料机输入的粉尘与气流充分混合形成试验烟尘流，依次进入电场区、滤袋区，从而完成粉尘的捕集，清洁的气体经净气室通过烟囱排出。系统风量0～4 800 m3/h；电场区1个，设3个通道，同极距400 mm，电场横断面积2.4 m2，有效长度1.92 m，阴极型号为V15，阳极型号为ZT24，绕臂锤机械振打；电除尘硅整流高频变压器额定输入电压(交流电)515 V，额定输入电流15 A，额定输出电压66 kV，额定输出电流100 mA；滤袋66条(30条为Φ160 mm×1 900 mm，36条为Φ160 mm×2 100 mm)，材质为涤纶针刺毡，总过滤面积66.62 m2。

1—喂料机；2—压力表；3—采样孔；4—电场区供电设备；5—灰斗； 6—电袋复合除尘器；7—阳极振打装置；8—阴极振打装置； 9—净气室；10—引风机；11—烟囱图1 试验流程示意图Fig.1 Schematic diagram of experimental facilities

1.2 试验粉尘与测试方法

试验使用的粉尘是来自于某水泥厂的生料。其物化性质与测试方法见表1。真密度、堆积密度和含湿量依据《粉尘物性试验方法》(GB 16913—2008)测定；比电阻采用DR_3粉尘比电阻试验台测定；中位粒径采用LS230激光粒度分析仪测定。

表1 粉尘的物化性质与测试方法

注：1)在25 ℃、4 kV下测得。

试验过程中，利用温湿度计测定环境空气温度、湿度；利用3012H自动烟尘分析仪采样，并测定静压、动压，计算得到粉尘浓度、系统流量；利用GP3S22M4B3压力表(量程为0～3 000 Pa)来进行压力测定。由于采样孔处烟气温度相同，且标高相差不大，烟气流速基本相等，即动压基本相等，所以本体阻力可以近似为进出口静压的差值：

ΔP=Pj_Pj’

(1)

式中:ΔP为本体阻力，Pa；Pj、Pj’分别为进口与出口的静压，Pa。

2 结果与分析

2.1 清洁滤料过滤阻力特性

为了确定清洁滤料过滤阻力特性，测定不同过滤风速下清洁滤料过滤阻力，结果见图2。

从图2可以看出，清洁滤料过滤阻力(ΔPf，Pa)与过滤风速(v，m/s)成线性关系，拟合方程为ΔPf=976.34v，R=0.994 1，相关性较好。根据达西方程[16]214_215可计算出清洁滤料的阻力系数(ζ，m_1)为5.39×107m_1。达西方程如下：

ΔPf=μζv

(2)

式中：μ为干空气黏度，Pa·s，20 ℃干空气黏度为1.81×10_5Pa·s。

再根据式(3)可计算出清洁滤料的渗透率(K，m2)为3.71×10_11m2。

ζ=x/K

(3)

式中：x为清洁滤料的厚度，m，本研究取0.002 m。

图2 清洁滤料过滤阻力与过滤风速的关系Fig.2 The relationship between filtration resistance of clean fabric material and filtration velocity

2.2 电场对过滤阻力的影响

试验参数：试验风量3 900 m3/h，粉尘质量浓度3.7 g/m3，温度22 ℃，相对湿度99%，电场区电源工作电压65 kV，电场风速0.38 m/s，过滤风速0.97 m/min。系统运行65 min，每隔30 s记录压力表数值，得到过滤阻力与运行时间的关系，见图3。

图3 不同电场条件下过滤阻力与运行时间的关系Fig.3 The relationship between filtration resistance and running time under different electrostatic field condition

根据图3计算：在电场力的作用下，过滤阻力增长率为0.63 Pa/min；而无电场作用下，过滤阻力增长率为2.31 Pa/min。这说明，在电场力的作用下，大部分的粉尘已在电场区被去除，而少部分的粉尘在滤袋表面进行富集；同时，粉尘荷电后排列比较松散，空隙较多，阻力较小。因此，粉尘荷电后过滤阻力增长慢，能有效延长喷吹周期，减少对滤袋的冲刷。

图4为运行65 min后，滤袋上的粉尘照片。从图4可以看出，未荷电粉尘在滤袋表面形成的结构比较稠密，而荷电粉尘在滤袋上形成较疏松的结构。这是因为带同种电荷的粉尘颗粒之间产生静电力作用，形成有序的排列结构，并导致颗粒的间距相对较大。

滤袋压力损失(ΔP’，Pa)由清洁滤料过滤阻力和颗粒层阻力(ΔPp，Pa)组成[16]215_216，即ΔP’=ΔPf+ΔPp。其中，ΔPf为15.5 Pa，ΔPp可根据式(4)计算得出：

图4 滤袋上积累的粉尘Fig.4 The pictures of accumulated dust on filter_bag

ΔPp=Rpv2ρt=RpvM/A

(4)

式中：Rp为粉尘比阻力系数，s_1；ρ为进入滤袋区的粉尘质量浓度，kg/m3，可利用重力沉降室效率和电场效率公式得到；t为运行时间，s；M为容尘量，kg；A为滤袋过滤面积，m2，本研究取66.62 m2。

颗粒层渗透率(Kp，m2)可根据式(5)计算：

Rp=μg/(Kpρc)

(5)

式中：ρc为堆积密度，kg/m3，本研究取450 kg/m3；μg为空气黏度，Pa·s，本研究取1.81×10_5Pa·s。

粉尘在滤袋表面的颗粒层厚度(xp，m)可根据式(6)计算：

xp=M/(Aρc)

(6)

依据式(4)至式(6)，无电场与65 kV电场下ΔPp、M、xp与Kp等参数的对比见表2。从表2可以看出，在粉尘荷电的情况下，颗粒层渗透率增大，颗粒层较薄，导致颗粒层阻力较小且增长缓慢。

表2 不同电场条件下的过滤阻力参数对比

2.3 过滤风速对过滤阻力的影响

试验参数：粉尘质量浓度3.5 g/m3，温度21 ℃，相对湿度61%，电场区电源工作电压65 kV。系统运行150 min，每隔30 s记录压力表数值，得到过滤阻力与运行时间的关系，见图5。

从图5可以看出：在同一过滤风速下，随着运行时间的延长，过滤阻力逐渐增加；随着过滤风速的升高，过滤阻力及其增长率均逐渐增加。当过滤风速由0.65 m/min增加到0.97 m/min，过滤阻力增长率由0.13 Pa/min增加到0.63 Pa/min。在过滤风速为0.65 m/min时，过滤阻力曲线出现明显的台阶状，这可能是因为粉尘在滤袋表面滑落。

表3 不同风机频率下各段静压及压力损失

图5 不同过滤风速下过滤阻力与运行时间的关系Fig.5 The relationship between filtration resistance and running time under different filtration velocity

2.4 本体阻力与测试风量的关系

试验参数：温度19 ℃，相对湿度64%。在清洁空气、清洁滤料条件下，系统各段的静压及压力损失见表3。本体阻力与测试风量的拟合关系如图6所示。

图6 本体阻力与测试风量的拟合关系Fig.6 The fitting relationship between pressure drop and gas volume

从表3、图6可以看出，在清洁空气和清洁滤料条件下，随着风机频率的增加，测试风量增加，进口管道静压与出口管道静压均增加，计算得到的系统的本体阻力也随之增加。为了更好地研究系统的性能，将本体阻力与测试风量(Q，m3/s)作曲线拟合，拟合方程为ΔP=72.15Q2+25.07Q，R=0.993 1，相关性较好。

3 结 论

(1) 清洁滤料过滤阻力随着过滤风速的增加而增加，两者成线性关系，拟合得到方程ΔPf=976.34v，R=0.994 1，相关性较好。由达西方程得到涤纶针刺毡滤料的阻力系数为5.39×107m_1，渗透率为3.71×10_11m2。

(2) 65 kV电场作用下，过滤阻力增长率(0.63 Pa/min)远小于无电场作用下的过滤阻力增长率(2.31 Pa/min)，荷电粉尘在滤料表面排列疏松，颗粒层渗透率比无电场作用下大，可以有效延长喷吹周期，减少喷吹过程对滤袋的冲刷。

(3) 过滤阻力增长率随着过滤风速增加而增加。过滤风速由0.65 m/min增加到0.97 m/min时，过滤阻力增长率由0.13 Pa/min增加到0.63 Pa/min。

(4) 电袋复合除尘器本体阻力和测试风量的拟合方程为：ΔP=72.15Q2+25.07Q，R=0.993 1，相关性较好。

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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)

张仕鼎，男，1989年生，硕士研究生，研究方向为大气污染控制理论与技术。#

。

*国家自然科学基金资助项目(No.51408455)。