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提高工业微细粉尘捕集效率研究 * 王成福 金华职业技术学院,浙江 金华 321007 摘要 传统的除尘方式难以控制工业微细粉尘的排放, 是引起我国多数城市空气环境质量超过 PM2. 5排放标准的主要 因素之一。在分析常规除尘器存在问题与微细粉尘荷电捕集机理的基础上, 提出前置烟道放置电凝并器、 前级电场电 极优化配置、 末级电场采用转动极板、 配套使用高频电源或脉冲电源的治理方案, 是有效捕集工业微细粉尘的重要手 段。同时, 还分析了影响电收尘效率的关键因素以及应该采取的措施, 为研发新一代静电除尘器提供理论指导。 关键词 工业粉尘;空气污染;PM2. 5;除尘效率 STUDY ON IMPROVED COLLECTION EFFICIENCY OF INDUSTRY FINE DUST PATICLES Wang Chengfu Jinhua Polytechnic,Jinhua 321007,China AbstractThe traditional dedusting way is very difficult to control industrial fine dust emission,which is one of the main factors to cause air environment quality below the requirements of new PM2. 5emission regulations in most cities in China. Based on the analysis of conventional precipitator defects and fine dust charge trapping mechanism,a new electrostatic dust removal scheme was put forward,which could integrate with coagulation in the flue,optimum electrode configuration at front fields , rotating polar plate at last field,good matched high-frequency power or pulse power and etc. ,that is the important means of effective trapping industrial fine dusts. In addition,the factors influencing collection efficiency were analyzed and the measures should be taken so as to provide theoretical guidance to develop a new generation of electrostatic precipitator. Keywordsindustrial dust;air pollution;PM2. 5;dust removal efficiency * 浙江省自然基金资助项目“微细粉尘荷电凝并机理及其捕集策略研 究” Y5110275 。 0引言 我国缺油、 少气、 富煤, 是煤炭消费大国, 全国所 排放粉尘量的 80 都来自煤炭的燃烧。2011 年全国 煤炭消费总量达到 35. 1 亿 t, 其中, 重点工业行业消 费煤 炭 总 量 达 到 32. 1 亿 t, 占 煤 炭 消 费 总 量 的 91. 45 。在 2011 年全国工业煤炭消费中, 电力行业 煤炭消费约 19. 6 亿 t, 同比增长 11. 4 ; 钢铁行业消 费约 5. 8 亿 t, 同比增长 6. 8 ; 建材行业消费约 5. 1 亿 t, 同比增长 7. 4 ; 化工行业消费约 1. 6 亿 t, 同比 增长 13. 5 , 并且在“十二五” 期间, 这些工业领域将 得到持续快速发展, 必将引起更为严重的粉尘污染。 从 2011 年部分试点监测城市的监测结果来看, 目前 我国多数城市空气中的细颗粒物 PM2. 5 年均值为 58 μg/m3, 按新的国家环境空气质量标准进行评价即 PM2. 5年均值的二级空气标准为35 μg/m3, 多数城市 细颗粒物将超标。当前治理工业微细粉尘污染主要 采用高压静电除尘器、 布袋除尘器和电袋除尘器, 但 由于这些除尘器存在原理性缺陷或者工艺技术问题, 而对微细颗粒 PM2. 5的收集效果并不理想, 所以有必 要对微细粉尘的捕集机理进行系统性研究, 并且结合 电凝并、 电场电极优化配置、 转动极板、 高频电源与脉 冲电源的最新研究成果, 研发新一代高效节能型静电 除尘器, 并 使 除尘 器 的烟 尘 排 放 浓 度 长 期 稳 定 在 30 mg/m3以下, 对于改善和解决我国环境污染和能 源紧缺问题具有十分重要的意义。 1常规除尘器存在的问题 1. 1常规电除尘器面临的问题 目前在工业微细粉尘控制方面, 以采用电除尘 器、 布袋除尘器和电袋复合除尘器这 3 种高效除尘器 为主, 但是目前国内在役的这 3 种除尘器对于微细颗 26 环境工程 2013 年 4 月第 31 卷第 2 期 粒 PM2. 5的收集效果并不理想, 是造成我国众多城市 空气环境质量不达标的重要因素之一。而火电厂是 我国最大的燃煤用户, 2011 年占燃煤总量的 53 , 烟 尘排放量占全国工业烟尘排放量的 35 , 是工业微 细粉尘的最大产生源。我国从 2012 年 1 月起实行新 的 GB 132232011火电厂大气污染排放标准 , 规 定火 力 发 电 锅 炉 烟 尘 排 放 浓 度 最 高 限 值 为 30 mg/m3,重 点 地 区 最 高 限 值 为 20 mg/m3, 将 有 94 的电除尘器需要改造后方可达标。 常规电除尘器对 10 μm 以上颗粒虽然能够达到 99. 9 以上的除尘效率, 但对超细颗粒物 PM2. . 5的收 尘效果并不理想, 仍有高达 15 的颗粒会离开除尘 器排入大气, 这是因为超细粒子难以荷电, 电极振打 产生的二次扬尘和电气扬尘会使已捕集的微细粒子 逸出, 极板粘灰后会妨碍电场正常收尘, 高比电阻粉 尘产生的反电晕会造成除尘效率急剧下降, 和电除尘 器配套的单相 /三相工频高压电源性能有待提高等因 素引起的, 很有必要研究与开发新一代高效节能型静 电除尘器。 1. 2布袋除尘器面临的问题 布袋除尘器对于 2 μm 以上的粉尘, 其效率可达 99. 9 以上, 并且除尘效率稳定, 受粉尘理化特性、 比电阻、 锅炉负荷变化等工况条件影响小, 但是其对 微细颗粒 PM2. 5的收集是有限的, 主要是因为1 μm附 近的颗粒正好处于扩散和惯性混合区而较难被滤料 捕集, 而且其压力损失大, 风机能耗较大; 滤料对烟气 温度和烟气成分比较敏感, 锅炉爆管产生的水雾、 启 动点火用油雾化不好, 使粉尘成黏性造成糊袋; 若烟 气温度较高或者使用不恰当时, 滤袋较易破损并导致 超标排放, 正常滤袋寿命 2 ~ 3 年, 污损的滤袋不但引 起排放超标、 更换维修困难, 而且还会引起二次污染、 需要进行合理处置; 整体投资、 运行维护成本相对较 高, 限制了其应用范围。 1. 3电袋除尘器面临的问题 电袋除尘器利用前级电除尘区捕集了 80 ~ 90 的烟气粉尘, 大大降低了进入滤袋的烟尘浓度, 改善了沉积滤袋表面上粉尘层的过滤特性, 使滤袋的 透气性能、 清灰性能得到大幅改善, 比布袋除尘器更 低的运行阻力; 它的除尘效率高且不受煤种、 烟气工 况、 飞灰特性影响, 又解决了传统布袋过滤清灰时二 次扬尘和反复收集的问题, 排放浓度可以长期稳定在 30 mg/m3以下; 它的结构紧凑, 占地空间小, 减少了 清灰次数, 延长了滤袋的使用寿命, 建造费用与运行 成本低于袋式除尘器, 但是其辅助系统复杂、 故障率 高, 滤袋破损日常维护更换困难且导致超标排放, 污 损滤袋有二次污染以及对0. 2 μm以下烟尘束手无策 等袋式除尘器所存在的其他问题; 美国是开展电袋复 合除尘器的研究最早、 形式最多的国家, 但正式应用 在电厂上并不多, 欧洲也未见报导。我国的电袋复合 除尘器还处于一个发展、 试制、 技术尚未成熟阶段, 在 实际运行中还有许多隐含着更为难以解决的问题。 2微细粉尘荷电捕集机理 2. 1除尘效率与有效驱进速度 电除尘器捕集微细粉尘的效率和气体电离、 尘粒 荷电、 荷电尘粒的有效驱进速度等有关, 可用多依奇 Deutsch 除尘效率方程 [1]来表征, 其公式为 η 1 - e -Aωe/Q 1 式中η 为除尘效率, ;A 为有效集尘面积, m2;Q 为烟气流量, m3/s; ωe为有效驱进速度, m/s。有效驱 进速度 ωe 1 - β ω, β 为考虑本体结构、 烟气性质、 外加电压、 收尘板清洁度等因素影响后总的损失因 子;ω 为荷电尘粒的理论驱进速度, m/s。 有效驱进速度的数值选取对除尘效率、 ESP 体积 和烟尘排放浓度影响很大。影响有效驱进速度的因 素很多, 主要有粉尘比电阻、 粉尘颗粒大小、 工作电 压、 工作电流、 离子风、 有效收尘面积、 收尘极的清洁 度等 20 多种。国际上对有效驱进速度的取值是凭经 验的, 这些经验是对许多实际运行参数进行统计的结 果, 因而有相当的实用性。然而不同公司因其除尘技 术及其相关要求的不同, 各有不同的取值经验, 通常 是不能照搬的。同时, 国内的制造安装和管理技术与 国外相比仍有较大差距, 在选取中既要考虑投资费用 又要留有一定的余地, 而且还要考虑工艺布置和操作 情况等因素, 才能得到合理的数值。如果有效驱进速 度选取过大, 则会导致总收尘面积少、 ESP 体积小、 成 本低、 除尘效率低; 反之, 若有效驱进速度选取过小, 则会导致总收尘面积多、 ESP 体积大、 成本高、 除尘效 率高。目前, 工业发达国家及印度等国, 发电机组配 套 ESP 的有效驱进速度通常选为3. 5 ~ 5. 5 cm/s, 可 以作为我国设计 ESP 时参考。 2. 2理论驱进速度 理论驱进速度是理论分析计算结果, 它反映了与 一些参数的基本关系。荷电粉尘向收尘极的理论驱 进速度 [1]见式 2 。 36 环境工程 2013 年 4 月第 31 卷第 2 期 ω qEP 3πμd εrε0dE0Ep ε r 2 μCDfα 2 式中ω 为荷电粉尘的理论驱进速度, m/s;q 为粉尘 颗粒的荷电量, C;Ep为收尘极附近的电场强度, V/ m;d 为荷电尘粒的直径, m;μ 为气体的黏度, kg/ m s ;ε0为真空介电常数, ε0 8. 85 10 -12, F/m; εr为尘粒的相对介电常数;E0为荷电区的外加电场 强度, V/m; C 为微细粒子的坎宁安 Cunningham 滑 移校正系数,C 1 C1 2λ /d , C1为无量纲常数, 对于空气 C1 0. 86, λ 为气体分子的平均自由程, m; D 为微细粒子的扩散荷电因子;f 为考虑到气体湍流 和自由电子荷电的放大因子 ≥1 ;α 是带电粒子达 到饱和荷电的比例。由于 μ ∝ T1 /2和 λ ∝ T, 则由式 2 可以近似得到 ω ∝ T1 /2,它说明了烟气温度对理 论驱进速度的影响。 2. 3电场供电电压要求 由于荷电区的外加电场强度 E0近似与电场电压 的峰值 UP成正比, 收尘极附近的电场强度 Ep近似与 电场电压的平均值 Um成正比, 所以在本体结构、 运行 工况和烟气性质既定的情况下, 由式 2 可知, 理论 驱进速度 ω ∝ UPUm。其中, 峰值电压 UP决定尘粒 的荷电量, 进而决定电晕电流的大小, 平均电压 Um决 定荷电粒子向电极的移动速度, UP和 Um的大小要受 到电场电压波形和电除尘器内部火花电压限制以及 整流变压器的额定容量限制, 而火花电压又与电场电 极几何参数、 烟气性质、 电压波形和控制方式等有关。 为了提高微细粉尘的收尘效率, 就要尽可能地提高理 论驱进速度 ω, 即提高 UPUm的数值, 主要通过改善 供电电压波形和高压电源的优化控制来实现, 同时采 取合适的清灰方式, 以保持收尘板的清洁度, 避免二 次扬尘和反电晕的产生。 3提高工业微细粉尘捕集效率的措施 3. 1前置烟道双极静电凝聚技术 由式 2 可知, 理论驱进速度与荷电尘粒的直径 成正比, 双极静电凝聚技术就是使荷电尘粒变粗变 大, 进而提高微细粉尘的理论驱进速度和捕集效率的 技术。它利用放置在前置烟道中的凝聚器所产生的 正、 负两种极性放电, 导致微细尘粒荷不同电荷, 进而 在湍流输运和静电力共同作用下凝聚变大。气流首 先经过前置烟道凝聚器的双极荷电区, 双极荷电区有 一组正、 负电晕放电相间的平行通道, 粉尘通过双极 荷电区后, 其中有一半粉尘荷正电, 另一半粉尘荷负 电。荷电粉尘进入凝聚区后, 带正电的粒子和带负电 的粒子在湍流输送和静电力共同作用下碰撞凝聚, 小 颗粒变成大颗粒, 然后进入电除尘器内部被收集, 这 样便减少了微细粉尘的排放。例如, 柯小民, 张丽丽 的实验研究 [2]表明, 采用双极静电凝聚技术的电除 尘器, 能使 PM2. 5粒子减少 80 以上, 除尘效率提高 0. 21 ~ 0. 76 , 出口浓度减少 30 ~ 50 。 3. 2前级电场电极优化配置技术 根据电除尘器前后电场捕集粉尘浓度和粒径变 化, 通过调整电极配置几何参数优化电场特性, 可以 进一步提高对微细粉尘的捕集效率、 降低设备运行能 耗。传统静电除尘器的荷电区由于存在离子复合反 应和过早沉积现象, 导致输出的离子浓度较低, 输运 率不高, 从而使粉尘荷电沉降过程受到影响, 是造成 微细粉尘捕集率低的根本原因。依成武、 文明、 马帅 等 [3]提出了采用与气流方向垂直布置的收尘极板, 并将放电极设置在迎气流的集尘极间隙出口端的电 除尘器本体结构。经过实验表明, 由于间隙出口端风 压较大, 使流过放电电场的气流速度高达5 ~ 20 m/s, 大大增加了带电粒子的动能, 能使离子有效摆脱电场 的束缚, 进而提高离子输运率, 离子密度从原来106~ 107/cm3提高到 108~ 109/cm3, 烟尘的理论驱进速度 从原来的3 ~ 20 cm/s提高到20 ~ 200 cm/s。 为了使荷电微细粉尘得到充分捕集以及避免清 灰产生的二次扬尘, 根据荷电尘粒能否有效捕获, 很 大程度取决于尘粒和收集板之间的电场吸力, 为此金 华大维电子科技有限公司 [4]研发了通透型捕集电场 结构, 气流从通道前端进入, 但通道末端封闭, 气流只 能通过通透型收尘板流向两侧, 气流呈突然扩散进入 隔壁通道再流出, 而相邻通道的气流方向相反, 即相 邻通道一个只有进气口而另一个的进气口封闭而只 有出气口, 迫使荷电尘粒近乎零距离穿过阳极板; 同 时还使收尘面周围的气体趋向静态, 呈现清灰处于离 线模式, 使尘粒趋向极板处于几乎无阻力状态, 此时 被振打而飘落的粉尘不可能再逆向飘回到进来的主 通道中, 有效克服了二次扬尘。配备高频电源供电, 提高了 PM2. 5的捕集效率, 设备经过汤阴亚新钢铁厂 灰窑、 山东莘县华详热电有限公司使用效果良好。 3. 3末级电场旋转电极技术 常规电场难以有效避免振打清灰所引起的二次 扬尘, 烟气窜流、 漏风、 局部高流速等引起的气体扬尘 和大电流强电晕所引起的电气扬尘, 极板粘灰以及反 46 环境工程 2013 年 4 月第 31 卷第 2 期 电晕所引起的除尘效率下降, 为此提出了转动极板技 术。转动极板技术是一种采用固定电极和转动电极 相组合的静电除尘技术, 一般在粉尘浓度较高的第一 和第二电场安装固定电极, 在电除尘器末级电场安装 转动电极, 并使转动电极电场的入口粉尘浓度低于 1 g/m3, 以提高其传动机构的使用寿命。在末级电 场, 它利用转动电极收集粉尘, 将振打清灰改为旋转 刷清灰, 清灰刷布置在灰斗内转动, 从而有效清除移 动极板表面的粉尘, 从工艺上改变常规电除尘器的捕 集和清灰方式, 以适应超细颗粒粉尘和高比电阻颗粒 粉尘的收集, 达到提高除尘效率的目的 [5]。它既弥 补了常规静电除尘器对高比电阻、 超细粉尘、 高黏度 粉尘难收难清、 容易二次扬尘等不足, 又弥补了布袋 除尘器的设备阻力大、 运行费用高、 日常维护工作量 大、 难以处理高温高湿烟气等方面的缺陷, 能够达到 国家环保新标准的要求。例如, 自 2010 年以来, 浙江 菲达环保科技股份有限公司研发生产的大型燃煤电 站配套旋转电极式电除尘器, 先后在内蒙古包头第一 热电厂 300MW 机组工程、 内蒙古达拉特电厂 330MW 机组工程等燃煤电站投入工业性应用, 产品经过测 试, 各项技术指标达到或优于设计要求, 粉尘出口排 放浓度达到30 mg/m3以下。 3. 4配套使用高频电源或脉冲电源 高频电源的工作频率为20 ~ 50 kHz, 输入三相平 衡、 功率因素高达 0. 9 以上, 电能转换效率高达 90 以上, 输出电压的纹波系数小于 0. 2 , 输出电压几 乎是恒稳的纯直流, 能提高电场的闪络电压 可达到 工频电源二次电压的 130 , 其输出电压 平均值 与峰值电压几乎相等且始终临近火花击穿电压, 相当 于工频电源输出电压的峰值。当电场发生火花放电 时, 高频电源可以在很短的时间< 25 μs, 而工频电 源需要10 000 μs 即可检测到火花发生并立刻关闭 供电脉冲, 因而火花能量小, 电场恢复快 仅需工频 电源恢复时间的 20 , 从而进一步提高电场的平均 电压, 其平均电压可达工频电源的 1. 3 倍, 峰值电晕 电流可达工频电源的 2 倍,因而有利于提高除尘效 率,一般可使出口排放浓度降低 30 以上。另外, 在 捕集高比电阻粉尘时, 高频电源能够精确控制 IGBT 的开通、 关断时间来控制脉冲宽度、 脉冲频率、 占空 比, 使二次电压在伏安曲线的拐点处之下运行, 而不 超过反电晕的临界点, 以减少反电晕的发生, 进而获 得最佳除尘 效 果 [7], 保 证 出 口 粉 尘 排 放 浓 度 小 于 30 mg/m3。例如, 龙岩坑口电厂 1 号、 2 号炉为同样 炉型 135 MW机组 , 使用双室五电场电除尘器, 于 2007 年进行了高频电源改造与对比试验。其中, 1 号 炉的第一电场由原来龙净公司0. 8 A/66 kV工频电源 改造为0. 8 A/80 kV高频电源, 第二至第五电场仍采 用工频电源, 而 2 号炉各电场均采用原来的工频电 源, 并进行了基本同等条件的对比试验。测试结果 1 号炉浊度仪的浊度值由改造前的 26 下降为改造后 的 17 , 改造后 第 一 电场仓泵输灰 量是改造前的 1. 25 倍 ~ 1. 33 倍, 采用高频电源单电场除尘效率比 工频电源提高了 4. 54 , 出口排放降低 32. 6 。测 试结果表明采用高频电源除尘效率明显提高 [6]。 脉冲电源的供电实质是在一定的直流电压之上 叠加一个宽度为数十微秒而电压峰值又很高的窄脉 冲。由式 2 可知, 荷电粉尘的理论驱进速度与电场 电压的峰值及平均值成正比, 而脉冲供电可以在很短 的时间内在电极上施加快速上升的脉冲, 提高了电场 击穿电压, 所以施加在电场上的峰值电压比工频电源 电压高出 1. 5 倍 ~ 4 倍。脉冲供电时的阴极具有非 常均匀的电晕分布和很强的电晕放电能力, 从而提高 了粉尘荷电概率, 对粉尘性质的变化有良好的适应 性, 有利于克服反电晕现象 [8]。例如, 丹麦 FLSmidth 大气治理公司生产的第四代 COROMAX 电除尘用脉 冲电源 [8], 其典型参数是额定脉冲宽度为75 μs, 脉冲 重复频率为2 ~ 100 Hz, 基础直流电压为60 kV, 脉冲 幅值为80 kV, 电流峰值为9 kA。安装在南美洲的一 个烧结厂, 电除尘器为双室三电场, 使用 6 台第 4 代 COROMAX 脉冲电源供电, 其排放浓度的测试结果为 6 mg/m3。 4结束语 随着我国工业经济的快速发展和煤炭消耗量的 持续上升, 必将引起更为严重的空气环境污染。工业 微细粉尘由于荷电难、 易产生二次扬尘而使常规电除 尘很难捕集; 布袋除尘器和电袋除尘器虽能捕集微细 粉尘, 但是捕集数量有限, 而且还存在使用控制不好 滤袋容易破损、 运行维护成本较高、 电袋除尘工艺不 够成熟等问题而限制了它们的应用。实验研究和工 程应用表明, 前置烟道放置凝聚器, 前级电场电极优 化配置, 末级电场采用转动极板, 配套使用高频电源 或脉冲电源供电的电除尘器, 能有效提高工业微细粉 尘 PM2. 5的捕集效率。当前我国在高频电源和转动极 下转第 71 页 56 环境工程 2013 年 4 月第 31 卷第 2 期 1进气流量影响着入口浓度和停留时间, 分别 采取 0. 1, 0. 3, 0. 5 m3/h的流量进气, 反应器各段的 去除效率均随着进气流量的增高而降低。当进气流 量为0. 1 m3/h时达到最大的甲苯去除率, 此时入口浓 度范围为 100 ~ 400 mg/m3, 停留时间为 254. 34 s, 甲 苯去除率为 100 。 2反应器的体积去除负荷随入口体积负荷的增 加而增加, 随着入口体积负荷的增加, 体积去除负荷 逐渐偏离 100 去除线, 在反应器第三阶段, 数据点 基本与 100 去除线重合, 表明生物过滤反应器能有 效去除甲苯废气。 3以普通活性炭为填料的反应器 A 在 12 h 的 运行周期内, 对甲苯的去除效率随着时间不断降低; 以复合生物活性炭为填料的反应器 B, 对甲苯的去除 效率随着时间逐渐升高, 在 3 ~ 4 h 后均大于 90 , 比 较而言, 反应器 B 的性能优于反应器 A。 参考文献 [1]张胜田. 中国污染场地管理面临的问题及对策[J]. 环境科学 与管理,2007, 32 6 5- 7. 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