电袋复合除尘器脱除细颗粒物的效率影响因素研究*

朱召平

(福建龙净环保股份有限公司，国家环境保护电力工业烟尘治理工程技术中心，福建 龙岩 364000)

细颗粒物(PM2.5)易于富集空气中的有毒重金属、酸性氧化物及有机污染物等，又因其具有可吸入肺的特性，所以对人体健康的危害极大[1-3]。虽然我国《环境空气质量标准》(GB 3095—2012)对PM2.5进行了限定，但对燃烧源的PM2.5排放未有相关限制标准，但必将对燃烧源的PM2.5排放进行限制[4]。除尘技术是目前脱除燃烧源颗粒物的重要途径，已从最初的静电除尘技术和袋式除尘技术逐步发展到了电袋复合除尘技术等。电袋复合除尘技术[5-6]采用静电+袋式耦合的方式，一定程度上解决了静电除尘器脱除PM2.5效果差、袋式除尘器运行阻力大的问题[7]，逐渐成为了除尘行业的主流技术，但由于电袋复合除尘器发展时间较短[8-9]，对提高其脱除PM2.5的效率还有较大研究空间。

工程上滤袋通常由聚苯硫醚(PPS)和聚四氟乙烯(PTFE)组成，其中PPS纤维有常规纤维和超细纤维之分[10]。滤袋材质和后处理工艺都会对除尘效率造成影响[11-12]，本研究选取了工程上常见的6种典型滤袋材质，对比了涂层、浸渍、覆膜3种后处理工艺。过滤风速和运行阻力也都是影响电袋复合除尘器除尘效率的重要参数[13]，工程上过滤风速一般选择0.8～2.0 m/min[14]，本研究选取1.3、1.5、1.7 m/min进行实验。电袋复合除尘器的运行阻力一般≤1 200 Pa[15]，本研究选取650、800、1 000 Pa进行实验。针刺线、芒刺线等常用于静电除尘[16]，因此比较了工程上广泛应用的CS10A针刺线和RS芒刺线的除尘效率。增强电袋复合除尘器是一种新型的电袋复合除尘器，通过增强“电”与“袋”的耦合作用强化PM2.5凝并以提高对其捕集效率[17]，因此本研究对比了增强电袋复合除尘器和常规电袋复合除尘器的性能。

1 材料与方法

1.1 实验装置

在自行搭建的电袋复合除尘器实验平台上开展相关实验，实验平台主体结构如图1所示，滤袋规格为Φ160 mm×8 500 mm，总过滤面积为44 m2，入口烟尘质量浓度约为20 g/m3，设计出口烟尘排放质量浓度<10 mg/m3。

1—进口喇叭；2—灰斗；3—楼梯走道；4—壳体；5—电袋区；6—顶室；7—阳极系统；8—阴极系统；9—检测装置；10—清灰系统图1 电袋复合除尘器实验平台Fig.1 Experimental platform of electrostatic-fabric integrated precipitator

常规电袋复合除尘器采用电区+袋区结构，利用其研究不同后处理工艺、滤袋材质、运行阻力、过滤风速、极配形式对脱除PM2.5的效率影响。滤袋材质包括100%(质量分数，下同)PPS常规纤维+PTFE基布常规型(A型)、50% PPS常规纤维+50% PTFE纤维+PTFE基布混纺型(B型)、70%PPS常规纤维+30% PPS超细纤维+PTFE基布混纺型(C型)、70% PPS常规纤维+30% PPS超细纤维+PTFE基布梯度型(D型)、100% PPS常规纤维+PTFE基布覆膜型(E型)、50% PPS常规纤维+50% PTFE纤维+PTFE基布覆膜梯度型(F型)6种。然后将常规电袋复合除尘器改造成增强电袋复合除尘器，在电袋区保留原电区不变，将袋区改造成“电”与“袋”的混合区，即采用电区+混合区结构，用以对比研究不同电袋结构对脱除PM2.5效率的影响。

1.2 测试方法及仪器

本研究根据美国环境保护署的标准方法[18]采用芬兰Dekati公司的荷电低压撞击器(ELPI)对PM2.5脱除效率和烟尘总脱除效率进行测试。

1.3 实验工况设计

分别控制后处理工艺、滤袋材质、运行阻力、过滤风速、极配形式、电袋结构进行单因素实验设计，具体实验工况设计见表1。

2 结果与讨论

2.1 后处理工艺对电袋复合除尘器脱除PM2.5的影响

从图2可以看出，涂层、浸渍和覆膜3种后处理工艺对烟尘总脱除效率相差不大，分别为99.997 0%、99.996 1%、99.999 0%，其中覆膜比涂层高0.002 0百分点，比浸渍高0.002 9百分点，与寇婉婷等[19]、刘兴成等[20]发现的覆膜优于涂层、涂层优于浸渍的结果相符。涂层、浸渍和覆膜3种后处理工艺对PM2.5脱除效率分别为99.901 3%、99.967 4%、99.992 0%，差异较大，覆膜比涂层高0.090 7百分点，比浸渍高0.024 6百分点。不同后处理工艺后主要改变的是滤袋材质的孔径，而滤袋的过滤性能很大程度上取决于滤袋材质的孔径大小，孔径越小，一般对颗粒物的收集效率越高。因此，滤袋后处理工艺宜选用覆膜后处理工艺。

2.2 滤袋材质对电袋复合除尘器脱除PM2.5的影响

从图3可知，A～F型6种滤袋材质对烟尘总脱除效率分别为99.997 0%、99.996 9%、99.991 1%、99.998 8%、99.999 7%、99.999 5%，对PM2.5脱除效率分别为99.901 3%、99.912 8%、99.870 0%、99.968 5%、99.998 3%、99.998 1%。可以看出，覆膜型滤袋材质对提高烟尘总脱除效率和PM2.5脱除效率都最好。覆膜型滤袋材质的孔径远远小于非覆膜型滤袋材质[21]。滤袋的过滤方式分为深层过滤和表面过滤。当含尘气体通过滤袋时，非覆膜型滤袋材质先以深层过滤方式过滤，即通过滤料纤维间孔隙将粉尘拦截，随着过滤时间延长，滤料表面孔隙变小才形成了表面过滤，除尘效率才增大[22]。而覆膜型滤袋材质利用微孔薄膜的筛滤作用，始终是真正的表面过滤[23]。因此，滤袋材质建议选用E型。

表1 实验工况设计Table 1 Experimental conditions design

图2 不同后处理工艺对过滤效率的影响Fig.2 The influence of different post-treatment processes on filtration efficiency

图3 不同滤袋材质对过滤效率的影响Fig.3 The influence of different filter material qualities on filtration efficiency

2.3 运行阻力对电袋复合除尘器脱除PM2.5的影响

由图4可以看出，随着运行阻力增大，电袋复合除尘器的烟尘总脱除效率和PM2.5脱除效率提高，但由于烟尘总脱除效率总体已超过99.9%所以提高幅度不大，而对PM2.5的脱除效率提高较为明显。原因是随着运行阻力增加，即清灰周期延长，滤袋表面形成的粉饼层变厚，可以更有效地拦截颗粒粉尘，提高电袋复合除尘器对PM2.5的脱除效率。当运行阻力从650 Pa增加到800 Pa时，电袋复合除尘器对PM2.5脱除效率提高了0.119 0百分点；当运行阻力从800 Pa增加到1 000 Pa时，电袋复合除尘器对PM2.5的脱除效率又提高了0.067 0百分点。因此，运行阻力选择1 000 Pa为宜。

图4 不同运行阻力对过滤效率的影响Fig.4 The influence of different running resistance on filtration efficiency

2.4 过滤风速对电袋复合除尘器脱除PM2.5的影响

由2.1节至2.3节可以清楚地看到，电袋复合除尘器的烟尘总脱除效率已相当高，因此2.4节和2.5节就暂不考虑烟尘总脱除效率。由图5可以看出，电袋复合除尘器对PM2.5脱除效率随过滤风速增大而下降，过滤风速从1.3 m/min提高到1.5 m/min，电袋复合除尘器对PM2.5脱除效率下降了0.008 0百分点，过滤风速从1.5 m/min提高到1.7 m/min，电袋复合除尘器对PM2.5脱除效率又下降了0.008 0百分点。根据滤袋材质的过滤机理可知，过滤风速越大，烟尘的动能越大，越难被滤料纤维和滤料表面形成的尘膜截留。有研究发现，烟尘排放浓度与过滤风速的平方成正比[24]。因此，过滤风速宜选择1.3 m/min。

图5 不同过滤风速对过滤效率的影响Fig.5 The influence of different filtration wind speeds on filtration efficiency

2.5 极配形式对电袋复合除尘器脱除PM2.5的影响

由图6可以看出，在入口烟尘质量浓度分别约为10、20、30 g/m3的条件下均发现芒刺线对PM2.5脱除效率比针刺线高，分别高0.010 0百分点、0.048 0百分点、0.023 0百分点。因此，采用芒刺线时，电袋复合除尘器脱除PM2.5效率优于针刺线。

图6 不同极配形式对过滤效率的影响Fig.6 The influence of different pole configurations on filtration efficiency

2.6 电袋结构对电袋复合除尘器脱除PM2.5的影响

从表2可以看出，全运行时，常规电袋复合除尘器出口烟尘质量浓度是增强电袋复合除尘器的2.6倍，烟尘总脱除效率降低了0.026 9百分点；电区停运时，常规电袋复合除尘器出口烟尘质量浓度是增强电袋复合除尘器的2.4倍，烟尘总脱除效率降低了0.020 5百分点。

此外，全运行时，常规电袋复合除尘器出口PM2.5质量浓度是增强电袋复合除尘器的1.6倍，PM2.5脱除效率降低了0.134 4百分点；电区停运时，常规电袋复合除尘器出口PM2.5质量浓度是增强电袋复合除尘器的1.5倍，PM2.5脱除效率降低了0.201 4百分点。由此说明，增强电袋复合除尘器过滤效率更高，更有利于捕集PM2.5，而且增强电袋复合除尘器的出口烟尘排放浓度符合设计要求，而常规电袋复合除尘器达不到。比较全运行和电区停运的结果可以发现，混合区对脱除烟尘和PM2.5效果起到至关重要的作用。

相比常规电袋复合除尘器，增强电袋复合除尘器的结构特点决定了其荷电颗粒到达滤袋表面的时间更短，荷电量衰减更小。因此，增强电袋复合除尘器在脱除烟尘，尤其是脱除PM2.5上更有优势。

3 结 论

增强“电”与“袋”耦合作用强化PM2.5凝并以提高对其捕集效率的增强电袋复合除尘器在脱除烟尘，尤其是脱除PM2.5上比常规电袋复合除尘器更有优势，建议选用100% PPS常规纤维+PTFE基布覆膜型滤袋材质，滤袋后处理工艺用覆膜，运行阻力选择1 000 Pa，过滤风速选择1.3 m/min，极配形式用RS芒刺线。