改良電袋復(fù)合式除塵器

一引言1.1創(chuàng)意背景近年來以“霧霾”為代表的環(huán)境污染問題日益引發(fā)關(guān)注，細(xì)顆粒物PM2.5也逐漸為大家所熟知。細(xì)顆粒物是指環(huán)境空氣中空氣動力學(xué)直徑小于等于2.5微米的顆粒物，能較長時間懸浮于空氣中，對空氣質(zhì)量和能見度等有重要的影響，對人體健康造成巨大威脅。

研究者通過對北京市PM2.5進行源解析，發(fā)現(xiàn)北京市燃煤、二次硫酸鹽和硝酸鹽排放的PM2.5達(dá)到26%，而面對我國一次能源消耗中，煤炭占到消費總量的70％，約有75%的煤炭用于燃燒[1]這一國情，通過高效率的除塵器減少煤炭燃燒產(chǎn)生的細(xì)顆粒物無疑至關(guān)重要。為此，筆者希望在目前使用的除塵器的基礎(chǔ)上進行整合改良，運用聲波團聚預(yù)處理和可移動極板靜電除塵等技術(shù)，提出了新型的電袋復(fù)合式除塵器。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀目前，我國80%以上的大中型燃煤電站采用電除塵器去除顆粒物。電除塵器的總除塵效率雖可達(dá)99%以上，但對細(xì)顆粒物的捕獲率較低，以顆粒物數(shù)計仍有占飛灰總數(shù)90%以上的細(xì)顆粒物進入大氣中[2]，且對煤種變化較敏感，除塵效率受粉塵比電阻影響大。覆膜濾料的布袋和電袋除塵器對PM2.5總脫除效率可達(dá)99.9%，但是細(xì)小顆粒物的脫除效率卻較低,不適合在高溫、高濕環(huán)境下運行，濾料對耐腐蝕性等要求較高，需定期更換濾袋，且除塵效果易受吸收塔上部除霧器除霧能力及效果的限制。美國的PaloAlto電力研究、北達(dá)科他大學(xué)能源與環(huán)境研究中心先后研究開發(fā)出不同的電袋組合方式，并在BigBrown電站和OtterTail電力公司大石燃煤發(fā)電廠進行試運行，該設(shè)備長期運行性能穩(wěn)定，除塵效率能達(dá)到99.99%以上[3]。我國的復(fù)合除塵器在上世紀(jì)90年代時仍基本處于空白，于21世紀(jì)開始進入研發(fā)使用階段。但化學(xué)團聚技術(shù)目前仍未得到推廣使用，移動極板的靜電除塵技術(shù)也未見運用于復(fù)合式除塵器中。二核心創(chuàng)意2.1整體設(shè)計面對細(xì)顆粒物對目前靜電除塵和袋式除塵的挑戰(zhàn)較大，捕集效率較低的現(xiàn)狀，超細(xì)顆粒的團聚技術(shù)得到長足發(fā)展，筆者在對比研究了當(dāng)下不同團聚技術(shù)的發(fā)展情況后，決定采用化學(xué)團聚解決細(xì)顆粒物捕集效率較低這一問題。對于電袋復(fù)合式除塵的思路雖然早已提出，但將電場的收塵區(qū)和清灰區(qū)分離的移動極板技術(shù)運用于復(fù)合除塵的消息尚未見報道。筆者認(rèn)為經(jīng)過預(yù)處理和移動極板除塵后可有效降低布袋除塵壓力，進一步延長布袋使用周期，獲得更好的除塵效果?；谏鲜隹紤]，筆者設(shè)想的除塵器主要由以下部分構(gòu)成：化學(xué)團聚預(yù)處理裝置、移動極板的電除塵裝置、脈沖反吹式袋除塵裝置。簡化示意圖如下圖1所示煙氣SCR選擇性催化反應(yīng)器煙氣SCR選擇性催化反應(yīng)器鍋爐鍋爐熱空熱空氣化學(xué)團聚化學(xué)團聚煙氣脫硫系統(tǒng)煙囪布袋煙氣脫硫系統(tǒng)煙囪布袋過濾MEEP電除塵空氣空氣預(yù)熱器圖1復(fù)合除塵器簡化示意圖從鍋爐中出來的含粉塵煙氣首先進入SCR選擇性催化反應(yīng)器進行脫硝處理，以減少大氣二次污染物前驅(qū)物NOx的排放。隨后煙氣進入聲波團聚預(yù)處理階段，使得顆粒物凝并，粒徑增大，便于后期荷電。煙氣進入移動極板靜電除塵器，采用刷除清灰方式提高除塵效率。最后粉塵含量相對較低的煙氣進入布袋進行干式過濾，這里采用目前袋式除塵器中應(yīng)用較廣泛的脈沖反吹式布袋除塵，完成對煙氣的進一步過濾。完成過濾的煙氣可根據(jù)需要進行脫硫處理，減少二次顆粒物前驅(qū)物SO3的排放。完成所有處理的煙氣可從煙囪排出。2.2預(yù)處理部分預(yù)處理是指對煙氣進行團聚處理以增大粒徑。在燃后區(qū)除塵設(shè)備前加入化學(xué)團聚促進劑，促進細(xì)顆粒物團聚凝并。這樣的處理程序相對獨立，既不會影響鍋爐內(nèi)正常的生產(chǎn),也不影響后面復(fù)合除塵設(shè)備的結(jié)構(gòu)與操作參數(shù)。這里選用的團聚劑溶液可以由果膠（pectingum，PG）、黃原膠（xanthangum，XTG）、海藻酸鈉（sodiumalginate，SA）等吸附效果較好的化學(xué)試劑配制。用霧化噴嘴將團聚劑溶液噴入緩沖罐中與一定溫度、一定顆粒濃度的煙氣充分混合接觸實現(xiàn)團聚。噴入的高分子團聚劑霧滴表面具有較高粘附活性，吸附在微粒表面上的高分子長鏈可能同時吸附在另一個微粒的表面上,通過“架橋”方式將兩個或更多的微粒連接在一起,形成團塊狀或長鏈狀,起到了團聚細(xì)顆粒增大其粒徑的作用。隨著高溫?zé)煔獾淖饔?，團聚促進劑溶液蒸發(fā),細(xì)顆粒間的液橋力逐漸轉(zhuǎn)化為固橋力,細(xì)顆粒團聚形成大的顆粒鏈或顆粒團，顆粒數(shù)濃度降低[4]。過程可參見下圖[5]圖2細(xì)微煙塵化學(xué)團聚長大原理圖2.3電除塵部分2.3.1電除塵原理電除塵的原理是通過靜電力將荷電的顆粒物從氣流中分離，達(dá)到凈化目的。電除塵部分放電極（即陰極）連接電源，收塵極（即陽極）接地。極板間的高壓電場產(chǎn)生電暈放電使空氣電離，并使煙氣中的粉塵顆粒荷電。荷電顆粒在電場力的作用下向陽極遷移并沉積，等待清除，煙氣得到凈化。其原理圖可見圖3[6]。2.3.2移動極板除塵過程移動極板點除塵（MEEP）是相對固定極板電除塵（ESP）而言的。移動極板靜電除塵的收塵極板由轉(zhuǎn)動的相互分離的極板組成，并由鏈條將其連接起來。極板上下兩端的鏈輪與驅(qū)動裝置連接，可驅(qū)動極板以預(yù)先設(shè)定的速度上下移動。放電極置于收塵極板圍成的區(qū)域中間，與收塵極形成靜電場。除塵的旋轉(zhuǎn)電刷置于灰斗內(nèi)部，無煙氣，極板不帶電。在粉塵積聚形成反電暈之前，圖3電除塵工作原理圖極板移動至清灰區(qū)域由旋轉(zhuǎn)電刷清理。由于收塵和清灰處于不同位置，所以不會造成二次揚塵，而且可以一直保證極板潔凈?？蓞⒖寄壳俺Ｓ玫囊苿訕O板原理圖圖4[7]及圖5。本文設(shè)想的電袋復(fù)合式除塵器在電除塵部分只設(shè)置一組移動極板，不設(shè)置固定極板，這樣可在保證除塵效率的同時有效降低成本。圖4MEEP電刷清灰示意圖鏈輪鏈輪收塵極板收塵極板環(huán)裝鏈條環(huán)裝鏈條滾輪滾輪圖5移動電極結(jié)構(gòu)示意圖2.4袋除塵部分袋除塵部分原理與設(shè)備相對簡單。煙氣流過來以后進入各個除塵分區(qū)，利用纖維編制物制作的袋式過濾元件來捕集含塵氣體中固體顆粒物。其作用原理是塵粒在繞過濾布纖維時因慣性力作用與纖維碰撞而被攔截。細(xì)微的塵粒(粒徑為1μm或更小)則受氣體分子沖擊(布朗運動)不斷改變著運動方向,由于纖維間的空隙小于氣體分子布朗運動的自由路徑,塵粒便與纖維碰撞接觸而被分離出來[8]。至此煙氣除塵過程結(jié)束。袋除塵的清灰方式采用脈沖反吹式，即灰塵積累到一定厚度時向袋內(nèi)鼓入壓縮空氣反吹，壓縮空氣迅速膨脹是濾袋變形震動，并在逆氣流沖刷下將粉塵剝離至灰斗。這個過程中由于前面使用了化學(xué)試劑團聚，可能造成煙氣濕度較大，所以在做好袋除塵箱體保溫的基礎(chǔ)上可以對壓縮空氣適當(dāng)加熱，以防止結(jié)露現(xiàn)象發(fā)生，縮減濾袋壽命。三可行性分析3.1化學(xué)團聚技術(shù)的研究進展目前，通過物理或化學(xué)手段使PM2.5長成較大顆粒，并由現(xiàn)有除塵設(shè)備加以清除已成為控制PM2.5的主要技術(shù)發(fā)展方向之一。超細(xì)顆粒團聚促進技術(shù)主要有電團聚、聲團聚、磁團聚、熱團聚、湍流邊界層團聚、光團聚和化學(xué)團聚等,國外對這一方面研究比較全面,而國內(nèi)只對其中某些方法進行了比較系統(tǒng)的研究[9]。筆者通過閱讀文獻(xiàn)后認(rèn)為，化學(xué)團聚的方法廉價、高效，適合大規(guī)模推廣，符合我國燃煤為主的國情。另外有關(guān)學(xué)者對化學(xué)團聚技術(shù)的效果也做了研究。實驗表明，化學(xué)團聚技術(shù)可有效促進細(xì)顆粒物團聚長大，團聚劑溶液中添加約0.25%煙塵質(zhì)量的高聚物黏結(jié)劑即可使細(xì)顆粒物數(shù)濃度峰值粒徑提高4倍以上，數(shù)濃度降低40%以上。具體可參見下圖6[10]。圖6化學(xué)團聚劑添加前后燃煤細(xì)顆粒物的粒徑分布及數(shù)濃度變化同時研究表明化學(xué)團聚可以將電除塵器對細(xì)顆粒的捕集效率由83%增至92%[10]。圖7電除塵器前添加化學(xué)團聚劑時細(xì)顆粒物質(zhì)量濃度變化情況3.2移動極板技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀應(yīng)用移動極板技術(shù)的靜電除塵器目前已經(jīng)面世，常與固定電場結(jié)合使用。兩組固定電場后加一組移動極板電場，除塵效果即可相當(dāng)于過去的四電場靜電除塵器。同時占地面積降至74%，電力消耗降至67%[7]。移動電極式電除塵器研發(fā)成功之后，已經(jīng)有50多臺電除塵器采用了移動極板技術(shù)，其中最大的應(yīng)用實例有1000MW機組[11]?？梢妼⒁苿訕O板技術(shù)應(yīng)用于電袋復(fù)合式除塵器中并不存在無法克服的技術(shù)難題，具有一定的可行性。3.3脈沖反吹式布袋除塵技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀在布袋除塵領(lǐng)域，脈沖反吹除灰正逐漸取代過去的振動除灰。布袋除塵器也隨著濾袋材料不斷取得突破而擁有更加廣闊的發(fā)展前景。近年來,隨著濾布材料制造技術(shù)的發(fā)展,袋式除塵器在濾布的強度、耐高溫、耐腐、耐磨等方面都有很大的提高。下表1是目前常用濾料的技術(shù)參數(shù)[8]，相信隨著技術(shù)發(fā)展，將會有更高質(zhì)量的濾料應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)中。表1布袋除塵器常用濾料技術(shù)參數(shù)3.4預(yù)計使用效果與技術(shù)經(jīng)濟分析3.4.1國家新規(guī)與除塵現(xiàn)狀2011年，環(huán)保部發(fā)布了新的《火力發(fā)電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GBl3223-2011)，并從2012年1月1日起實施。標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定自實施日起，通過項目環(huán)境影響報告書審批的新、擴、改建的火電廠項目，燃煤鍋爐的煙塵排放濃度不得超過30mg/m3。顯而易見，目前大部分工廠的煙塵排放是達(dá)不到要求的。我國的靜電除塵器占絕大部分，但對高比電阻粉塵清除能力有限。除塵效率較好的固定極板靜電除塵器一般在四電場以上，但是電場數(shù)目的增多勢必帶來投入成本和占地面積的增加。而使用的袋式除塵器雖然除塵效率高，但濾袋更換頻繁，后期投入成本尤其是維修費用遠(yuǎn)高于靜電除塵器。另外我國作為燃煤大國，資源嚴(yán)重不足，導(dǎo)致燃煤電廠容易改變煤種，如使用粉塵量極大的灰煤，且洗煤技術(shù)應(yīng)用率不高，使實際情況偏離設(shè)計值的現(xiàn)象非常普遍。而設(shè)計的改良電袋復(fù)合式除塵器有望有效適應(yīng)不同煤種，改變這一現(xiàn)狀。3.4.2技術(shù)優(yōu)勢與預(yù)計使用效果新型的除塵器能有效收集高比電阻粉塵，除塵效率基本不受粉塵性質(zhì)影響，有效克服了普通固定極板靜電除塵中易出現(xiàn)反電暈的缺點。同時電刷清灰的方式也不會造成二次揚塵。除塵效率有望高于目前常用的除塵器，應(yīng)該會遠(yuǎn)低于國家要求的30mg/m3。與普通的電袋復(fù)合式除塵器相比，該設(shè)計采用了化學(xué)團聚預(yù)處理和移動極板技術(shù)，在一級除塵單元中具有明顯優(yōu)勢，給二級除塵的濾袋壓力更小，最終的除塵效果也應(yīng)該會更好。而且普通的電袋復(fù)合式除塵器在靜電除塵部分應(yīng)該需要兩組固定電極，這樣就會造成占地面積增大，運行費用升高，能耗大，檢修工作量大。3.4.3技術(shù)經(jīng)濟分析有文獻(xiàn)表明，在300MW機組和600MW機組配置下，普通的電袋復(fù)合式除塵器的技術(shù)經(jīng)濟性均高于電除塵器和袋式除塵器[12]。新型的復(fù)合式除塵器增加了團聚預(yù)處理，可能會造成成本提高，但僅僅使用一組電極除塵設(shè)計減少了電場數(shù)目，可以有效降低電除塵部分的成本。雖然新型的電袋復(fù)合除塵器初次投入的設(shè)備費用可能略高于靜電除塵器和袋式除塵器，但運行費用和排污費用都會低于二者，而且煙塵的排放濃度也有望創(chuàng)造新低。也就是說新型的電袋復(fù)合式除塵器是一種具有長期效應(yīng)的設(shè)備投資，其運行過程中節(jié)約的資金可有效減輕企業(yè)的經(jīng)營成本，同時低排污由于契合了公眾期望還能為企業(yè)樹立良好的企業(yè)形象，形成品牌效應(yīng)，這帶來的長期效益是難以估量的。另外經(jīng)過團聚預(yù)處理和靜電除塵，可以減輕濾袋壓力，延長濾袋清灰周期，有效保護濾袋，更換濾袋的時間間隔大大延長，顯著節(jié)約了運行維護成本。所以這種電袋復(fù)合式除塵器還是有比較高的綜合技術(shù)經(jīng)濟性，適合在中國市場推廣使用。3.5產(chǎn)品細(xì)節(jié)3.5.1技術(shù)參數(shù)問題由于筆者水平有限，產(chǎn)品的一些細(xì)節(jié)之處不能給出相應(yīng)的設(shè)計方案。許多技術(shù)參數(shù)，如電場風(fēng)速、板間距、極板驅(qū)動速度、電除塵器的總收塵面積、比收塵面積、除塵器長寬高、灰斗、進出氣煙箱尺寸等，需要在實際的生產(chǎn)使用過程中不斷積累經(jīng)驗，不斷調(diào)試，以取得最好的除塵效果。3.5.2化學(xué)團聚劑的配制團聚劑的配制也需要在實踐中總結(jié)經(jīng)驗，得到高除塵率、低成本時的團聚劑溶液成分與濃度。目前實驗中效果較好的團聚劑有XTG（黃膠原）和PFS（聚合硫酸鐵），可以為未來團聚劑的配制提供方向。3.5.3靜電除塵電源靜電除塵電源是靜電除塵系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分,其性能直接影響除塵器的除塵效果。高頻開關(guān)電源（SIR電源）可有效應(yīng)對閃絡(luò)問題，同時運行電壓高、除塵效率高、能耗低、可間歇供電[11]，具有傳統(tǒng)電源不可比擬的優(yōu)勢，可以考慮在成本允許的范圍內(nèi)作為本設(shè)計的使用電源。3.6存在的問題與不足1、許多具體結(jié)構(gòu)不能給出方案，很多工業(yè)生產(chǎn)長期積累的經(jīng)驗與設(shè)計技巧筆者并不具備。另外不同處理單元之間的連接細(xì)節(jié)也仍不明晰，許多結(jié)構(gòu)上的設(shè)計涉及到力學(xué)、工程學(xué)等多方知識，比如團聚處理后的煙氣和電除塵后的煙氣都要經(jīng)過氣流分布板，對此筆者只能采納現(xiàn)有方案，無法根據(jù)新型除塵器結(jié)構(gòu)設(shè)計出這些元件。2、電除塵要求的煙氣溫度一般高于袋除塵，所以二者的溫度兼容性可能會在一定程度上影響除塵效率。筆者主要寄希望于提高電除塵和袋除塵的協(xié)同關(guān)系以及濾料技術(shù)的快速發(fā)展，使用耐高溫同時低成本的濾料。四應(yīng)用前景4.1應(yīng)用場景該除塵器主要應(yīng)用于火電廠以及其他燃煤工廠，作為目前廣泛使用的電除塵器和袋式除塵器的替代品，推動我國除塵器的更新，在最大程度上降低煙塵尤其是PM2.5的排放濃度。4.2市場需求目前我國社會的環(huán)保意識日益增強，經(jīng)濟結(jié)構(gòu)模式由粗放型經(jīng)濟向集約型經(jīng)濟轉(zhuǎn)變，由高碳經(jīng)濟型向低碳經(jīng)濟型轉(zhuǎn)變，由忽略環(huán)境型向環(huán)境友好型轉(zhuǎn)變。全社會正努力實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，實現(xiàn)經(jīng)濟的高質(zhì)量增長。所以該除塵器作為環(huán)保減排類產(chǎn)品應(yīng)該會受到社會與市場的歡迎。同時，隨著國家排污標(biāo)準(zhǔn)的不斷嚴(yán)格，執(zhí)行力的不斷增強，國內(nèi)有一大批煙塵排放超標(biāo)的工廠面臨除塵器的更新?lián)Q代，但煤炭作為支柱能源的現(xiàn)狀短期內(nèi)不會改變。所以該除塵器可謂生逢其時，相信加上政府有關(guān)部門的鼓勵與扶助，將會在除塵領(lǐng)域大顯身手。五結(jié)論“霧霾”、“PM2.5”無疑是當(dāng)今社會的熱點詞匯，這其中反映了百姓對國家環(huán)保事業(yè)的期望與關(guān)注。今年的兩會再次提及GDP的高質(zhì)量增長，重申不能再以環(huán)境破壞為代價換取短期的經(jīng)濟高速增長，不能走先污染再治理的老路?！肮?jié)能減排”關(guān)乎國計，關(guān)乎民生，是為實現(xiàn)中國夢必須完成的任務(wù)。對除塵器的這次改進僅僅是為實現(xiàn)我國可持續(xù)發(fā)展的一點小小建議，但我相信只要全社會群策群力，積極為國家發(fā)展建言獻(xiàn)策，就一定能讓天更藍(lán)，水更清，國家更強盛。參考文獻(xiàn)[1]英國BP公司.BP世界能源統(tǒng)計年鑒[Z].201