不同工况下电袋除尘器性能实验探究

赵毅+王佳男

摘 要： 随着国家对颗粒物的排放标准要求日趋严格，单一的除尘技术已经很难满足，电袋除尘器作为静电除尘器和布袋除尘器的结合体，能有效提高除尘效率，降低压力损失。通过搭建实验室规模电袋除尘器，改变电压、过滤风速等参数来测试电袋除尘器捕集效率和压力损失，同时对结果进行分析，希望为电袋除尘器的工程应用提供一定参考。

关键词：颗粒物 电袋除尘器 除尘效率 压力损失 工程应用

0引言

近年来，环境污染问题越来越受到人们重视，我国以煤炭为主的能源结构造成了粉尘、二氧化硫、氮氧化物等污染物的大量排放[1]。随着人们生活质量的提高，PM2.5逐渐进入了人们的视线，它是指空气动力学直径小于2.5um的粉尘颗粒，它不仅对人类的身体健康产生威胁，同时也会对生产与发展造成影响[2]。燃煤电站作为我国煤炭的主要消费场所，同时也是粉尘污染物的主要来源，对燃煤电站污染物排放的控制事关重大。目前单一的除尘技术已经很难满足日益严格的污染物排放标准，因此采用不同除尘技术联合除尘的方式成为当前研究热点[3]。

电袋除尘技术作为一种新型除尘技术，它是将传统静电除尘技术和布袋除尘技术有机结合起来，相比于传统电除尘器，它对细颗粒物具有更高的捕集效率，同时减小了占地面积，节省能耗[4]；相比布袋除尘器，电袋除尘器的压力损失更小，能有效延长滤袋的使用寿命，节约成本[5]。目前我国有些电厂已经建造电袋除尘器或是将已有的电除尘器改造成电袋除尘器，常见的电袋除尘器为前后串联型，它是将布袋除尘器接到电除尘器后面。粉尘先进入电除尘器部分进行荷电与捕集，逃逸出来的部分粉尘再进入布袋除尘部分进行二次捕集[6]，从电除塵部分逃逸出来的粉尘由于带有一定电荷，能在布袋表面形成疏松有序的荷电粉尘层，不仅提升了粉尘的捕集效率，同时也减少了压力损失[7]。本文通过改变电压、过滤风速等实验条件来研究实验室规模电袋除尘器除尘效率和压力损失情况。

1实验装置与方法

为了研究电袋除尘器的工作性能，搭建了如图1所示的实验台，实验台主要由4部分组成。

（1）烟气发生系统

烟气发生系统的核心装置为粉尘发生器，本实验选用TOPAS公司SAG-410L粉尘发生器，它是一种通用的干粉气溶胶扩散器，可均匀恒速的发生非粘性干粉。粉尘扩散过程分为两个步骤：第一步：使用传动牙轮皮带将粉末定量输送至扩散器，通过调节皮带的传送速度，可调节粉尘的发生浓度。第二步：当粉末从喷嘴喷出时，在喷嘴口形成的剪切力将团聚的粉末微粒分散开，从而形成气溶胶颗粒。

（2）电除尘部分

电除尘部分包括直流高压发生装置与电极线板构件两部分。

直流高压发生装置选用上海泰宜电气公司生产的TYZGF-60KV/5mA分体式直流高压发生器，相比于单体式直流高压发生器，它具有更高的稳定性。

电除尘区为单通道，通道内布置有电晕极和收尘极板。该实验台选用芒刺电晕放电极，线间距为400mm；芒刺设计为对称交错两列呈180度，芒刺间距100mm，长度为30mm。收尘极板采用不锈钢材质，长200 mm，高400mm，极板间距200mm。

电除尘区箱体选用有机玻璃，该部分包括前后两部分电场，电场内板线配置完全一致。本实验通过撤掉前、后半部分电场以及完整电场结构来实验三种不同电场结构。

（3）布袋过滤区

电除尘部分后连接的布袋过滤区是细粒子高效捕集的主要部分，它包括玻璃外壳，花板、金属笼骨以及滤袋。滤袋的制作选用了覆膜PPS滤料， 覆膜PPS滤料与PPS相比，厚度增加3mm，为PTFE涂层，覆膜平均孔径0.5-1.0um，初始压降增大只有50Pa，透气性和稳定性较好，粉尘能在表面形成分布均匀的粉尘颗粒层。

本实验需要连续稳定操作，实验中压力变化不宜太大，且实际工程中覆膜滤料的使用具有较高的经济性，因此选择覆膜PPS作为滤料进行研究。

（4）分析测试系统

颗粒物的分级捕集效率测定主要由ELPI+（Electrical Low Pressure Impactor，静电低压撞击器）完成[8]，仪器主要分为3部分：电晕极、撞击器和多通道静电计。电晕极的作用是通过ELPI+的内部电极来对进入撞击器之前的颗粒进行饱和荷电，从而用于测量进入撞击器的细颗粒物数浓度[9]。撞击器的作用是通过空气动力学原理将颗粒物分级，在拓展级的辅助下可以将粒径范围为0.007-10um的颗粒分为15级。静电计的作用是用于测量颗粒物经过撞击器每一级的感应电流。测试时先后在除尘器入口，和出口分别测试分级数浓度，再得到分级效率。

滤袋前后压降的测试选用海盟恒创（国产）TH2000型压力变送器，量程：0-1MPa，精度：0.25%；以及罗斯蒙特（进口）2051CD型差压变送器，量程：-1～1kPa，精度：0.075%。通过连接到电脑上，可以在线实时读取数据。

本实验选用的是标准实验A1粉尘，中位径为4.31um，比电阻为9.54 ？？cm，设置除尘器入口粉尘浓度为1g/m3，过滤风速分别选取1 m/min、1.5 m/min和2m/min，对应流量分别为49.2 m3/h、73.8m3/h和98.4m3/h，通过改变电场结构、电场电压、过滤风速来研究电袋除尘器的捕集效率和滤袋前后压力变化。

2实验结果与讨论

2.1颗粒物的捕集效率

对颗粒物的捕集效率进行实验，在不同电场结构下改变电场部分电压和过滤风速，对除尘器进、出口粉尘数浓度进行在线测定，得到数浓度后再利用公式进行分级捕集效率的计算，结果如图2所示。

从图2可以看出，当过滤风速为1m/min时，无论是部分电场结构或是完整电场结构，当电压为0KV时，电袋除尘器对粉尘颗粒都具有90%以上的捕集效率，说明单一的布袋除尘器对粉尘也具有一定的捕集效果。升高电压后，颗粒物的各级捕集效率都得到提高，且在一定范围内，颗粒物的分级捕集与电场电压成正相关。观察左、中两幅图可发现：保留前半部分电场和后半部分电场两种情况颗粒物的分级捕集效率差别并不是很大，效率值主要集中在94%以上，最大捕集效率可达99.5%左右；在保留完整电场的情况下颗粒物的分级捕集效率主要集中在96%以上，最大捕集效率也高于保留部分电场的情况，可达99.8%；在粒径为0.2um左右处，三种电场结构下颗粒物的分级捕集效率出现最小值，这与该粒径颗粒荷电困难存在一定关系。endprint

在此基础上改变过滤风速，选取过滤风速为1.5m/min和2.0m/min时进行实验。实验发现颗粒物的分级捕集效率与电压和电场结构的关系仍具有相同规律，实验数据如图3、图4所示。颗粒物的分级捕集效率随电压增大而增大，保留前后半部分电场情况下，颗粒物的分级捕集效率相差不大，但与完整电场情况下存在一定差距。

对比图2、图3和图4，观察相同电场结构下颗粒物的分级捕集效率，可以发现在升高相同电压情况下，过滤风速越小，分级捕集效率越高。以完整电场结构为例，当过滤风速为1m/min时，不加电的情况下，分级捕集效率最大值可达94%，当电压达到最大值45KV时，分级捕集效率最大值可达99.8%；当过滤风速为1.5m/min时，这两个数值分别为93%和99.7%；当过滤风速为2.0m/min时分别为92.8%和99.6%。前、后半部分电场结构的情况下也具有相同规律，无论是最大效率值还是平均值都有所减小，这说明过滤风速越大越不利于除尘器对粉尘的捕集。

为了更全面的研究过滤风速对除尘效率的影响，我们利用膜托装置和分析天平，采用称重法对总捕集效率进行测定。过滤风速扔选取1.0m/min、1.5m/min和2.0m/min，得到数据如图5所示。

从图5中可以看出无论哪一种电场结构，颗粒物的总捕集效率都随电压升高而增大，保留前半部分电场与后半部分电场两种结构总捕集效率并未有明显差异，而完整电场结构下总捕集效率稍高一些。每种结构下都可以清楚看到随着过滤风速的增加，总捕集效率在下降。

对其进行机理分析，颗粒物在除尘器内运动过程中首先经过电除尘部分，电除尘部分通过粉尘的荷电和捕集过程可以对大部分颗粒进行捕集，当过滤风速增加時，粉尘从电场中通过的时间会缩小，因此在经过相同电场时，粉尘颗粒的荷电效果变差，可能会有一部分粉尘颗粒不能有效荷电，同时由于停留时间短，捕集效果也会变差，这样从这电除尘部分逃逸出来的粉尘颗粒不但数量增多且单颗粒电荷量也减少。在布袋除尘部分，带电颗粒会在布袋上形成疏松多孔的荷电粉尘层，荷电粉尘层对颗粒具有一定的捕集作用，尤其是在捕集后期，对颗粒物的捕集主要是由粉尘层来完成。由于过滤风速的增大，导致粉尘颗粒电荷量减小，因此荷电粉尘层形成变缓慢，降低了捕集效果，同时由于过滤风速的增大，滤袋两侧压差变大，会使得部分粉尘颗粒从滤布的空隙穿透过去，致使捕集效率的下降。

2.2滤袋前后压降

滤袋的制作选用了覆膜PPS滤料，首先在不发生粉尘和不通电的情况下，考察滤袋前后压降与过滤风速之间的关系。如图6所示，布袋前后压降与过滤风速基本呈线性关系，压降随过滤风速的增大而增大。通过线性拟合得到线性相关指数可达99%以上，得到布袋前后压降与过滤风速的关系式y=252.02x-45.63。

在此基础上，我们选取过滤风速为2.0m/min，通过改变电压观察布袋前后压降随时间变化情况，如图7所示。随着除尘器工作时间的增加，粉尘会逐渐覆盖在滤布表面，因此布袋前后压降会持续增加。在电压为0KV时，工作两小时后布袋前后压降可达1000Pa，但随着电压的升高，达到这一压降所需时间逐渐增加。当电压为25KV时，布袋前后压降达到1000Pa需要四个小时以上。

造成这一结果的主要原因是，电压升高后有利于电除尘部分对粉尘的荷电与捕集，一方面电压升高后电除尘部分对粉尘的捕集效率增加，使得逃逸到布袋除尘部分的粉尘量减少，因此覆盖在滤布上的粉尘量也减少了；另一方面，电压升高后，同等情况下逃逸出来的粉尘也能携带更多的电荷量，这样更有利于粉尘颗粒在滤袋表面形成荷电粉尘层，由于电荷间的相互作用使得粉尘层更加疏松有序，更有利于气体透过，减小了阻力，从而也减小了压降。

3 结语

本实验研究了电压、过滤风速和电场结构对电袋除尘器捕集效率的影响，同时也研究了布袋前后压降与过滤风速和电压的关系，通过对实验结果的分析，得到如下结论：

（1）颗粒物的捕集效与电压成正相关，与过滤风速成负相关。

（2）保留前半部分电场或后半部分电场两种情况下捕集效率无明显差异，但与完整电场情况相比有所降低。

（3）布袋前后压降随过滤风速的增大而增大，在升高电场电压时，布袋前后压降随时间增长缓慢，即达到相同压降时所需时间增加。

后续会对这些变量对除尘性能的影响做更深入的分析研究，包括量化关系以及机理的探究，同时也会对影响电袋除尘器除尘性能的其他因素进行实验研究，包括粉尘种类，空气湿度等因素，希望对电袋除尘器的工程应用提供借鉴和参考。

参考文献：

[1]熊桂龙， 李水清， 陈晟，等. 增强PM_（2.5）脱除的新型电除尘技术的发展[J]. 中国电机工程学报， 2015， 35（9）：2217-2223.

[2]唐孝炎.大气环境化学. 北京： 高等教育出版社，1990.164.

[3]Yao Q，Li S Q，Xu H W，et al.Studies on formation and control of combustion particulate matter in China ： a review[J].ENERGY，2009，34（9）：1296-1309.

[4]唐敏康， 马艳玲， 郭海萍. 电袋除尘技术的研究进展[J].有色金属科学与工程， 2011， 2（5）：53-56.

[5]戴日俊，李伟.电-袋复合除尘器捕集微细粒子的理论浅析[J].电力科技与环保， 2011， 27（2）：22-24.

[6]聂孝峰， 李东阳， 郭斌. 燃煤电厂电袋复合除尘器技术优势[J]. 电力科技与环保， 2013， 29（1）：24-27.

[7]唐敏康， 余骏斌， 贺玲，等.电袋除尘器中荷电烟尘粒子在滤袋表面的堆积机理[J].工业安全与环保，2015（11）：79-83.

[8]Keskinen J， Pietarinen K， LehtimaK ki M.Electrical low pressure impactor[J].Journal of Aerosol Science，1992，23（4）：353-360.

[9]骆仲泱，江建平， 赵磊，等. 不同电场中细颗粒物的荷电特性研究[J]. 中国电机工程学报， 2014， 34（23）：3959-3969.

作者简介：

赵毅（1956-），男，满族，河北省秦皇岛人，教授，博士生导师，研究方向为大气与水污染控制工程。endprint