靜電激發(fā)型袋除塵器的機(jī)理及應(yīng)用前景
摘要:靜電激發(fā)型袋除塵器有別于常規(guī)的電袋結(jié)合除塵器，其是將電除塵器的預(yù)荷電原理作用于煙氣后，利用袋除塵器的濾袋做收塵極板來收集粉塵。本文通過分析Max-9TM ESFF的結(jié)構(gòu)介紹了其除塵機(jī)理，并分析了它的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞:電除塵器;袋除塵器;電袋復(fù)合除塵器;預(yù)荷電;靜電激發(fā)
1 前言
電除塵器和袋除塵器是目前工業(yè)煙氣凈化設(shè)備中最重要的兩種除塵設(shè)備，兩者的除塵機(jī)理不同，各有優(yōu)缺點(diǎn)。為提高煙氣凈化的效率，降低除塵設(shè)備的阻力，將電除塵和袋除塵的機(jī)理相結(jié)合的除塵器一直在不斷的研究中，并有一定的工業(yè)應(yīng)用。
電除塵器和袋除塵器的組合稱為電袋復(fù)合型除塵器。目前世界上有兩種型式的電袋復(fù)合除塵器，一種是“前電后袋”的復(fù)合型除塵器（COHPAC），即含塵煙氣先經(jīng)電除塵器除塵后，再進(jìn)入袋除塵器。這種除塵器的主要特點(diǎn)是經(jīng)電除塵器的預(yù)先除塵，降低了進(jìn)入袋除塵器的粉塵濃度，從而提高了袋除塵器的過濾風(fēng)速，延長了清灰周期，提高了濾袋壽命。這類除塵器在國內(nèi)已有工業(yè)應(yīng)用，尤其是在原有電除塵器的改造方面，具有一定的優(yōu)勢。另一種為嵌入式復(fù)合型除塵器，典型的是1990年由美國北達(dá)科他大學(xué)能源與環(huán)境研究中心開發(fā)的Advanced Hybrid Particulate Collector（AHPC，先進(jìn)混合型除塵器），在AHPC除塵系統(tǒng)中，沒有單獨(dú)的電除塵器或袋除塵器。在除塵器內(nèi)部，濾袋的兩側(cè)布置了多孔板，該多孔板即電除塵器的極板。煙氣在到達(dá)濾袋前，首先要流經(jīng)多孔板，大部分粉塵被除去，真正由濾袋捕集的只是少數(shù)（如圖1）。這種形式的除塵器在國外有文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)，在電力行業(yè)有所應(yīng)用。
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圖1 先進(jìn)混合型除塵器
而將電除塵的預(yù)荷電的原理作用于粉塵后，再利用袋除塵器進(jìn)行除塵的技術(shù)在國內(nèi)已有研究。如東北大學(xué)設(shè)計(jì)的靜電增強(qiáng)型袋除塵器的樣機(jī)已于1999年4月投入測試階段。其基本的原理是在袋除塵器的入口設(shè)置荷電器，使進(jìn)入除塵器的粉塵帶有一定的電荷，在濾袋表面產(chǎn)生一定的電場，從而增強(qiáng)纖維對粉塵的捕集力；同時(shí)，減輕了清灰力度。但是，由于電暈荷電器遠(yuǎn)離濾袋的上游，粉塵會(huì)喪失電荷而使空間電荷對濾袋表面電場的增強(qiáng)減至可以忽略的程度。
本文主要闡述的靜電激發(fā)型袋除塵器是指采用了濾袋作為電除塵器的收塵極板，粉塵的過濾又采用了袋除塵技術(shù)的一類除塵器。最典型的代表是被 USEPA（美國環(huán)保署）命名，且于1993年、2000年申請專利的ESFF（靜電激發(fā)型袋除塵器）。GE能源部于2003年獲得獨(dú)家特許使用權(quán)并商業(yè)化后將其命名為Max-9TMESFF（Max-9的意思是指除塵效率最多的9，即靜電激發(fā)后，除塵效率從99.9+%增加到 99.99+%）。本文將基于Max-9的基本結(jié)構(gòu)闡述其原理和應(yīng)用情況。
2 Max-9靜電激發(fā)型袋除塵器的結(jié)構(gòu)
2.1 電除塵器的基本結(jié)構(gòu)（如圖2）
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圖2 電除塵器的基本結(jié)構(gòu)
放電極由布置在4條均布的濾袋間的電暈線組成，電暈線通過絕緣瓷瓶支撐在花板上，頂部通過鋼管式框架連接起來，并與電磁振打器連接在一起，實(shí)現(xiàn)放電極的清灰；下部通過導(dǎo)軌連接在一起，導(dǎo)軌通過絕緣瓷瓶固定在箱體上，防止震動(dòng)清灰和氣流上升引起電極的偏移。收塵極由導(dǎo)電的濾袋和袋籠組成，在濾袋中編入導(dǎo)電纖維，為防止電阻過高，影響濾袋和袋籠的放電性能，將每個(gè)袋籠帽連接接地電線，防止靜電在濾袋上積累，使濾袋周圍電火花的發(fā)生率幾乎為零；在濾袋底部套上固定環(huán)，防止氣流對濾袋底部的沖擊而晃動(dòng)。
2.2 袋除塵器的基本結(jié)構(gòu)（如圖3）
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圖3 袋除塵器的基本結(jié)構(gòu)
含塵煙氣從灰斗進(jìn)入濾袋的中間，經(jīng)過靜電激發(fā)后的帶電粉塵沉積在濾袋表面，粉塵被阻流在濾袋外，過濾后氣體通過濾袋中間上升到上箱體，最后從排氣口排出。每排濾袋上部均裝有一根噴吹管，噴吹管上有噴孔與每條濾袋的中心相對應(yīng)。控制系統(tǒng)根據(jù)阻力大小或一定的時(shí)間間隔，控制脈沖閥開啟，使高壓空氣從氣包內(nèi)進(jìn)入噴射管，而后從噴射孔中以較高速度噴出。高速氣流周圍形成一個(gè)相當(dāng)于自己體積5～7倍的誘導(dǎo)氣流，一起進(jìn)入濾袋內(nèi)，使濾袋劇烈膨脹，引起沖擊振動(dòng)，并在瞬時(shí)內(nèi)產(chǎn)生由內(nèi)向外的逆向氣流，使附著在濾袋外及吸入濾袋內(nèi)部的塵粒被吹掃下來，落入灰斗。
3 靜電激發(fā)型袋除塵器的工作機(jī)理
在導(dǎo)電的濾袋和袋籠間間隔布置高壓電暈線，這時(shí)給電暈線施加電壓，即使沒有粉塵流動(dòng)，也會(huì)在織物表面產(chǎn)生電場。當(dāng)氣流從底部進(jìn)入濾袋間后，附著于濾袋上的荷電粉塵又在整個(gè)濾袋表面產(chǎn)生電場；靜電的主要作用在于電暈線放電后，使粉塵附上足夠的電荷（更易穿透的顆粒攜帶電荷較少），粉塵的帶電量及其在濾袋上的排列反映了電激發(fā)的效果。實(shí)踐表明，最適于電除塵器工作的比電阻為 106 ～1011 Ω·cm，而對于激發(fā)來說，當(dāng)比電阻在106 Ω·cm以下時(shí)，塵粒導(dǎo)電性能較好，到達(dá)濾袋表面立即釋放電荷。而且由于靜電感應(yīng)可獲得和濾袋同極性的正電荷，當(dāng)正電荷形成的排斥力大于粉塵的粘附力時(shí)，沉積在濾袋上的粉塵脫離濾袋而重返氣流。重返氣流的粉塵在濾袋上部再次荷電，又被濾袋捕集，最后可能造成濾袋之間的頂部空間粉塵富集，同時(shí)使部分濾袋失效。相反，當(dāng)比電阻高于 1011 Ω·cm時(shí)，粉塵在濾袋沉積后，電荷不容易釋放，促使粉塵層和濾袋之間出現(xiàn)一個(gè)新的電場，這個(gè)新的電場一方面使粉塵牢牢地吸附在濾袋表面，不易脫落；另一方面伴隨著帶電粉塵的不斷增加，粉塵層和濾袋之間存在著一個(gè)愈來愈強(qiáng)的電場，如果不及時(shí)清灰，最后在這個(gè)區(qū)域的粉塵層空隙中就會(huì)出現(xiàn)電離，產(chǎn)生電暈放電。電暈放電產(chǎn)生的電子和負(fù)離子被吸向?yàn)V袋，正離子被濾袋排斥跑到氣流上升空間，這種現(xiàn)象也就是電除塵器運(yùn)行中出現(xiàn)的反電暈現(xiàn)象。它的出現(xiàn)會(huì)嚴(yán)重降低電暈極的激發(fā)效果。
當(dāng)荷電粉塵隨氣流接近濾袋表面時(shí)，使濾袋表面纖維感應(yīng)帶電，在靜電力作用下塵粒在纖維表面沉降，所以粉塵的荷電增強(qiáng)了濾袋表面纖維層的過濾效率；在電場力的作用下，微細(xì)粉塵在濾袋表面進(jìn)行了凝并，顆粒粒徑增大。沉積在濾袋表面的荷電粉塵，比空氣更具導(dǎo)電性，使電場更集中，后來的粉塵粒子不斷沉積其上并形成松散的堆積狀，因而透氣性好，氣流通過壓力減小。這種沉積形式使反吹氣流或其他類型的清灰容易進(jìn)行。
上述的機(jī)理表明，對于低比電阻的粉塵，通過靜電激發(fā)來提高袋除塵器的功效并不明顯。而對于高比電阻的粉塵，附著在濾袋表面的粉塵帶電量相對更多，電凝聚和互斥現(xiàn)象更顯著，有利于微細(xì)粉塵的捕集，阻力更低，但前提是要防止反電暈現(xiàn)象的發(fā)生；陟o電激發(fā)對粉塵比電阻的敏感性，靜電激發(fā)的電壓選擇尤為重要。此外，清灰頻率的選擇和強(qiáng)度的設(shè)置也對靜電激發(fā)的效果起到一定的控制作用。在滿足煙氣工況的前提下，對濾料的選擇，以氈濾料來看，在無電場時(shí)，粉塵在濾料中部纖維比較密的部分形成粉塵層；而在有電場時(shí)，由于電場的作用使大部分粉塵停留在表面纖維比較稀的部分，留下較寬縫隙讓空氣通過。所以，要使外加電場的織物過濾取得最佳效果，濾料應(yīng)具有纖維較稀的表面層。所以，濾袋纖維的表面性質(zhì)、導(dǎo)電性能對靜電激發(fā)的效果影響很大。
4 應(yīng)用分析
GE能源公司2005年在Alabama Plant Miller 工廠鍋爐上使用的一臺Max-9TMESFF的數(shù)據(jù)如下表。
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其電壓控制應(yīng)用了自動(dòng)電壓控制系統(tǒng)SQ300，提高了靜電激發(fā)的效果，避免了火花放電對濾袋的影響。通過加靜電和不加靜電的比較，壓差減少了3/4；排放濃度減少80%～90%。
從靜電激發(fā)型袋除塵器的機(jī)理和Max-9TMESFF的應(yīng)用數(shù)據(jù)來分析，靜電激發(fā)可以顯著地提高袋除塵效率，尤其是減少了呼吸性粉塵（PM2.5）的逃逸；同時(shí)，可以在提高袋除塵器氣布比的前提下，降低袋除塵器的壓差；粉塵在濾袋的布置形式使清灰強(qiáng)度和頻率大大降低，提高了濾袋的使用壽命。尤其是對捕集高比電阻粉塵具有的優(yōu)勢來看，在有毒有害物質(zhì)的回收方面（如利用活性炭吸附汞）具有很大的推廣作用。但是，在激發(fā)電壓的控制選擇和設(shè)備的大型化，以及降低造價(jià)方面還有待探索和實(shí)踐。所以，此類除塵器在國內(nèi)的推廣和應(yīng)用還需要一定的時(shí)間。
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