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改良电袋复合式除尘器

第二十五届“冯如杯”学生创意大赛

改良电袋复合式除尘器

——基于化学团聚与移动极板技术

摘要

随着我国经济的快速发展，环境污染尤其是“雾霾”问题，日益引发人们的关注，而PM2.5也从新型词汇逐渐成为热门词汇。

不久前，著名记者柴静推出纪录片《穹顶之下》，将这一问题再度推向舆论风口浪尖。

本文旨在在现有的实际基础上设计一种新型的电袋复合式除尘器，主要用于燃煤工厂废气处理，减少PM2.5的排放。

该除尘器首先利用化学团聚剂对烟气进行预处理，增大颗粒物粒径，为后期烟尘收集提供方便。

然后在除尘部分采用先电后袋复合的方式除尘。

电除尘部分采用移动极板技术，仅需设置一组移动极板电极，变传统的振动清灰为电刷清灰，作为一级除尘单元主要除去粗颗粒烟尘。

布袋除尘部分通过干式过滤收灰，以脉冲反吹清灰，作为二级除尘单元主要除去剩余微细颗粒。

关键词：

PM2.5，除尘，化学团聚，移动极板技术，电袋复合

Abstract

Withtherapiddevelopmentofeconomyinourcountry,environmentalpollutionproblems,especiallythehazeacrossourcountry,israisingmoreandmoreattentionfromsociety.Meanwhile,thewordPM2.5isturnedhotfromnew.Beforelong,thedocumentaryUndertheSkyfromthefamousjournalist,ChaiJing,pushthisproblemtotheedgeofthepublicopinion.

Thisthesisisaimedatdesigninganewtypeofhybridelectrostaticbag-housesystembasedonthecurrentmodel.Thismachinewillbeusedtotreattheeffluent,especiallythePM2.5,ofcoal-firedplants.Thismachinewillapplythechemicalagglomeranttothesmokeaspretreatmentinordertoincreasethesizesofgranule.Itwillprovideconvenienceforfilter.Thentheelectrostaticandbag-housewilldedustonebyone.Theelectrostaticsection,asthefirstunittoremovethecoarse particles,useMEEPwhichturnvibrationdustingtobrushdusting.Thefabricsection,asthesecondunittoremovethefineparticles,usefiltrationand pulse back blow dedusting system.

Keywords:

PM2.5,dedusting,chemicalagglomernt,MEEP,hybridelectrostaticbag-housesystem

目录

摘要……………………………………………………………………………………………i

Abstract………………………………………………………………………………………ii

图表目录………………………………………………………………………………………v

一引言………………………………………………………………………………………1

1.1创意背景……………………………………………………………………………1

1.2国内外研究现状……………………………………………………………………1

二核心创意…………………………………………………………………………………2

2.1整体设计……………………………………………………………………………2

2.2预处理部分…………………………………………………………………………3

2.3电除尘部分…………………………………………………………………………3

2.3.1电除尘原理…………………………………………………………………3

2.3.2移动极板除尘过程…………………………………………………………3

2.4袋除尘部分…………………………………………………………………………5

三可行性分析………………………………………………………………………………6

3.1化学团聚技术的研究进展…………………………………………………………6

3.2移动极板技术的应用现状…………………………………………………………7

3.3脉冲反吹式布袋除尘技术的应用现状……………………………………………7

3.4预计使用效果与技术经济分析……………………………………………………8

3.4.1国家新规与除尘现状………………………………………………………8

3.4.2技术优势与预计使用效果…………………………………………………8

3.4.3技术经济分析………………………………………………………………8

3.5产品细节……………………………………………………………………………9

3.5.1技术参数问题………………………………………………………………9

3.5.2化学团聚剂的配制…………………………………………………………9

3.5.3静电除尘电源………………………………………………………………9

3.6存在的问题与不足…………………………………………………………………9

四应用前景…………………………………………………………………………………10

4.1应用场景…………………………………………………………………………10

4.2市场需求…………………………………………………………………………10

五结论………………………………………………………………………………………10

参考文献……………………………………………………………………………………11

图表目录

图1复合除尘器简化示意图………………………………………………………………2

图2细微烟尘化学团聚长大原理图………………………………………………………3

图3电除尘工作原理图……………………………………………………………………4

图4MEEP电刷清灰示意图…………………………………………………………………4

图5移动电极结构示意图…………………………………………………………………5

图6化学团聚剂添加前后燃煤细颗粒物的粒径分布及数浓度变化……………………6

图7电除尘器前添加化学团聚剂时细颗粒物质量浓度变化情况………………………6

表1布袋除尘器常用滤料技术参数………………………………………………………7

一引言

1.1创意背景

近年来以“雾霾”为代表的环境污染问题日益引发关注，细颗粒物PM2.5也逐渐为大家所熟知。

细颗粒物是指环境空气中空气动力学直径小于等于2.5微米的颗粒物，能较长时间悬浮于空气中，对空气质量和能见度等有重要的影响，对人体健康造成巨大威胁。

研究者通过对北京市PM2.5进行源解析，发现北京市燃煤、二次硫酸盐和硝酸盐排放的PM2.5达到26%，而面对我国一次能源消耗中，煤炭占到消费总量的70％，约有75%的煤炭用于燃烧[1]这一国情，通过高效率的除尘器减少煤炭燃烧产生的细颗粒物无疑至关重要。

为此，笔者希望在目前使用的除尘器的基础上进行整合改良，运用声波团聚预处理和可移动极板静电除尘等技术，提出了新型的电袋复合式除尘器。

1.2国内外研究现状

目前，我国80%以上的大中型燃煤电站采用电除尘器去除颗粒物。

电除尘器的总除尘效率虽可达99%以上，但对细颗粒物的捕获率较低，以颗粒物数计仍有占飞灰总数90%以上的细颗粒物进入大气中[2]，且对煤种变化较敏感，除尘效率受粉尘比电阻影响大。

覆膜滤料的布袋和电袋除尘器对PM2.5总脱除效率可达99.9%，但是细小颗粒物的脱除效率却较低,不适合在高温、高湿环境下运行，滤料对耐腐蚀性等要求较高，需定期更换滤袋，且除尘效果易受吸收塔上部除雾器除雾能力及效果的限制。

美国的PaloAlto电力研究、北达科他大学能源与环境研究中心先后研究开发出不同的电袋组合方式，并在BigBrown电站和OtterTail电力公司大石燃煤发电厂进行试运行，该设备长期运行性能稳定，除尘效率能达到99.99%以上[3]。

我国的复合除尘器在上世纪90年代时仍基本处于空白，于21世纪开始进入研发使用阶段。

但化学团聚技术目前仍未得到推广使用，移动极板的静电除尘技术也未见运用于复合式除尘器中。

二核心创意

2.1整体设计

面对细颗粒物对目前静电除尘和袋式除尘的挑战较大，捕集效率较低的现状，超细颗粒的团聚技术得到长足发展，笔者在对比研究了当下不同团聚技术的发展情况后，决定采用化学团聚解决细颗粒物捕集效率较低这一问题。

对于电袋复合式除尘的思路虽然早已提出，但将电场的收尘区和清灰区分离的移动极板技术运用于复合除尘的消息尚未见报道。

笔者认为经过预处理和移动极板除尘后可有效降低布袋除尘压力，进一步延长布袋使用周期，获得更好的除尘效果。

基于上述考虑，笔者设想的除尘器主要由以下部分构成：

化学团聚预处理装置、移动极板的电除尘装置、脉冲反吹式袋除尘装置。

简化示意图如下图1所示

烟气

SCR选择性催化反应器

锅炉

热空气

化学团聚

烟气脱硫系统

烟囱

布袋

过滤

MEEP

电除尘

空气

预热器

图1复合除尘器简化示意图

从锅炉中出来的含粉尘烟气首先进入SCR选择性催化反应器进行脱硝处理，以减少大气二次污染物前驱物NOx的排放。

随后烟气进入声波团聚预处理阶段，使得颗粒物凝并，粒径增大，便于后期荷电。

烟气进入移动极板静电除尘器，采用刷除清灰方式提高除尘效率。

最后粉尘含量相对较低的烟气进入布袋进行干式过滤，这里采用目前袋式除尘器中应用较广泛的脉冲反吹式布袋除尘，完成对烟气的进一步过滤。

完成过滤的烟气可根据需要进行脱硫处理，减少二次颗粒物前驱物SO3的排放。

完成所有处理的烟气可从烟囱排出。

2.2预处理部分

预处理是指对烟气进行团聚处理以增大粒径。

在燃后区除尘设备前加入化学团聚促进剂，促进细颗粒物团聚凝并。

这样的处理程序相对独立，既不会影响锅炉内正常的生产,也不影响后面复合除尘设备的结构与操作参数。

这里选用的团聚剂溶液可以由果胶（pectingum，PG）、黄原胶（xanthangum，XTG）、海藻酸钠（sodiumalginate，SA）等吸附效果较好的化学试剂配制。

用雾化喷嘴将团聚剂溶液喷入缓冲罐中与一定温度、一定颗粒浓度的烟气充分混合接触实现团聚。

喷入的高分子团聚剂雾滴表面具有较高粘附活性，吸附在微粒表面上的高分子长链可能同时吸附在另一个微粒的表面上,通过“架桥”方式将两个或更多的微粒连接在一起,形成团块状或长链状,起到了团聚细颗粒增大其粒径的作用。

随着高温烟气的作用，团聚促进剂溶液蒸发,细颗粒间的液桥力逐渐转化为固桥力,细颗粒团聚形成大的颗粒链或颗粒团，颗粒数浓度降低[4]。

过程可参见下图[5]

图2细微烟尘化学团聚长大原理图

2.3电除尘部分

2.3.1电除尘原理

电除尘的原理是通过静电力将荷电的颗粒物从气流中分离，达到净化目的。

电除尘部分放电极（即阴极）连接电源，收尘极（即阳极）接地。

极板间的高压电场产生电晕放电使空气电离，并使烟气中的粉尘颗粒荷电。

荷电颗粒在电场力的作用下向阳极迁移并沉积，等待清除，烟气得到净化。

其原理图可见图3[6]。

2.3.2移动极板除尘过程

移动极板点除尘（MEEP）是相对固定极板电除尘（ESP）而言的。

移动极板静电除尘的收尘极板由转动的相互分离的极板组成，并由链条将其连接起来。

极板上下两端的链轮与驱动装置连接，可驱动极板以预先设定的速度上下移动。

放电极置于收尘极板围成的区域中间，与收尘极形成静电场。

除尘的旋转电刷置于灰斗内部，无烟气，极板不带电。

在粉尘积聚形成反电晕之前，

图3电除尘工作原理图

极板移动至清灰区域由旋转电刷清理。

由于收尘和清灰处于不同位置，所以不会造成二次扬尘，而且可以一直保证极板洁净。

可参考目前常用的移动极板原理图图4[7]及图5。

本文设想的电袋复合式除尘器在电除尘部分只设置一组移动极板，不设置固定极板，这样可在保证除尘效率的同时有效降低成本。

图4MEEP电刷清灰示意图

链轮

收尘极板

环装链条

滚轮

图5移动电极结构示意图

2.4袋除尘部分

袋除尘部分原理与设备相对简单。

烟气流过来以后进入各个除尘分区，利用纤维编制物制作的袋式过滤元件来捕集含尘气体中固体颗粒物。

其作用原理是尘粒在绕过滤布纤维时因惯性力作用与纤维碰撞而被拦截。

细微的尘粒（粒径为1μm或更小）则受气体分子冲击（布朗运动）不断改变着运动方向,由于纤维间的空隙小于气体分子布朗运动的自由路径,尘粒便与纤维碰撞接触而被分离出来[8]。

至此烟气除尘过程结束。

袋除尘的清灰方式采用脉冲反吹式，即灰尘积累到一定厚度时向袋内鼓入压缩空气反吹，压缩空气迅速膨胀是滤袋变形震动，并在逆气流冲刷下将粉尘剥离至灰斗。

这个过程中由于前面使用了化学试剂团聚，可能造成烟气湿度较大，所以在做好袋除尘箱体保温的基础上可以对压缩空气适当加热，以防止结露现象发生，缩减滤袋寿命。

三可行性分析

3.1化学团聚技术的研究进展

目前，通过物理或化学手段使PM2.5长成较大颗粒，并由现有除尘设备加以清除已成为控制PM2.5的主要技术发展方向之一。

超细颗粒团聚促进技术主要有电团聚、声团聚、磁团聚、热团聚、湍流边界层团聚、光团聚和化学团聚等,国外对这一方面研究比较全面,而国内只对其中某些方法进行了比较系统的研究[9]。

笔者通过阅读文献后认为，化学团聚的方法廉价、高效，适合大规模推广，符合我国燃煤为主的国情。

另外有关学者对化学团聚技术的效果也做了研究。

实验表明，化学团聚技术可有效促进细颗粒物团聚长大，团聚剂溶液中添加约0.25%烟尘质量的高聚物黏结剂即可使细颗粒物数浓度峰值粒径提高4倍以上，数浓度降低40%以上。

具体可参见下图6[10]。

图6化学团聚剂添加前后燃煤细颗粒物的粒径分布及数浓度变化

同时研究表明化学团聚可以将电除尘器对细颗粒的捕集效率由83%增至92%[10]。

图7电除尘器前添加化学团聚剂时细颗粒物质量浓度变化情况

3.2移动极板技术的应用现状

应用移动极板技术的静电除尘器目前已经面世，常与固定电场结合使用。

两组固定电场后加一组移动极板电场，除尘效果即可相当于过去的四电场静电除尘器。

同时占地面积降至74%，电力消耗降至67%[7]。

移动电极式电除尘器研发成功之后，已经有50多台电除尘器采用了移动极板技术，其中最大的应用实例有1000MW机组[11]。

可见将移动极板技术应用于电袋复合式除尘器中并不存在无法克服的技术难题，具有一定的可行性。

3.3脉冲反吹式布袋除尘技术的应用现状

在布袋除尘领域，脉冲反吹除灰正逐渐取代过去的振动除灰。

布袋除尘器也随着滤袋材料不断取得突破而拥有更加广阔的发展前景。

近年来,随着滤布材料制造技术的发展,袋式除尘器在滤布的强度、耐高温、耐腐、耐磨等方面都有很大的提高。

下表1是目前常用滤料的技术参数[8]，相信随着技术发展，将会有更高质量的滤料应用到工业生产中。

表1布袋除尘器常用滤料技术参数

3.4预计使用效果与技术经济分析

3.4.1国家新规与除尘现状

2011年，环保部发布了新的《火力发电厂大气污染物排放标准》（GBl3223-2011），并从2012年1月1日起实施。

标准中规定自实施日起，通过项目环境影响报告书审批的新、扩、改建的火电厂项目，燃煤锅炉的烟尘排放浓度不得超过30mg/m3。

显而易见，目前大部分工厂的烟尘排放是达不到要求的。

我国的静电除尘器占绝大部分，但对高比电阻粉尘清除能力有限。

除尘效率较好的固定极板静电除尘器一般在四电场以上，但是电场数目的增多势必带来投入成本和占地面积的增加。

而使用的袋式除尘器虽然除尘效率高，但滤袋更换频繁，后期投入成本尤其是维修费用远高于静电除尘器。

另外我国作为燃煤大国，资源严重不足，导致燃煤电厂容易改变煤种，如使用粉尘量极大的灰煤，且洗煤技术应用率不高，使实际情况偏离设计值的现象非常普遍。

而设计的改良电袋复合式除尘器有望有效适应不同煤种，改变这一现状。

3.4.2技术优势与预计使用效果

新型的除尘器能有效收集高比电阻粉尘，除尘效率基本不受粉尘性质影响，有效克服了普通固定极板静电除尘中易出现反电晕的缺点。

同时电刷清灰的方式也不会造成二次扬尘。

除尘效率有望高于目前常用的除尘器，应该会远低于国家要求的30mg/m3。

与普通的电袋复合式除尘器相比，该设计采用了化学团聚预处理和移动极板技术，在一级除尘单元中具有明显优势，给二级除尘的滤袋压力更小，最终的除尘效果也应该会更好。

而且普通的电袋复合式除尘器在静电除尘部分应该需要两组固定电极，这样就会造成占地面积增大，运行费用升高，能耗大，检修工作量大。

3.4.3技术经济分析

有文献表明，在300MW机组和600MW机组配置下，普通的电袋复合式除尘器的技术经济性均高于电除尘器和袋式除尘器[12]。

新型的复合式除尘器增加了团聚预处理，可能会造成成本提高，但仅仅使用一组电极除尘设计减少了电场数目，可以有效降低电除尘部分的成本。

虽然新型的电袋复合除尘器初次投入的设备费用可能略高于静电除尘器和袋式除尘器，但运行费用和排污费用都会低于二者，而且烟尘的排放浓度也有望创造新低。

也就是说新型的电袋复合式除尘器是一种具有长期效应的设备投资，其运行过程中节约的资金可有效减轻企业的经营成本，同时低排污由于契合了公众期望还能为企业树立良好的企业形象，形成品牌效应，这带来的长期效益是难以估量的。

另外经过团聚预处理和静电除尘，可以减轻滤袋压力，延长滤袋清灰周期，有效保护滤袋，更换滤袋的时间间隔大大延长，显著节约了运行维护成本。

所以这种电袋复合式除尘器还是有比较高的综合技术经济性，适合在中国市场推广使用。

3.5产品细节

3.5.1技术参数问题

由于笔者水平有限，产品的一些细节之处不能给出相应的设计方案。

许多技术参数，如电场风速、板间距、极板驱动速度、电除尘器的总收尘面积、比收尘面积、除尘器长宽高、灰斗、进出气烟箱尺寸等，需要在实际的生产使用过程中不断积累经验，不断调试，以取得最好的除尘效果。

3.5.2化学团聚剂的配制

团聚剂的配制也需要在实践中总结经验，得到高除尘率、低成本时的团聚剂溶液成分与浓度。

目前实验中效果较好的团聚剂有XTG（黄胶原）和PFS（聚合硫酸铁），可以为未来团聚剂的配制提供方向。

3.5.3静电除尘电源

静电除尘电源是静电除尘系统中的关键部分,其性能直接影响除尘器的除尘效果。

高频开关电源（SIR电源）可有效应对闪络问题，同时运行电压高、除尘效率高、能耗低、可间歇供电[11]，具有传统电源不可比拟的优势，可以考虑在成本允许的范围内作为本设计的使用电源。

3.6存在的问题与不足

1、许多具体结构不能给出方案，很多工业生产长期积累的经验与设计技巧笔者并不具备。

另外不同处理单元之间的连接细节也仍不明晰，许多结构上的设计涉及到力学、工程学等多方知识，比如团聚处理后的烟气和电除尘后的烟气都要经过气流分布板，对此笔者只能采纳现有方案，无法根据新型除尘器结构设计出这些元件。

2、电除尘要求的烟气温度一般高于袋除尘，所以二者的温度兼容性可能会在一定程度上影响除尘效率。

笔者主要寄希望于提高电除尘和袋除尘的协同关系以及滤料技术的快速发展，使用耐高温同时低成本的滤料。

四应用前景

4.1应用场景

该除尘器主要应用于火电厂以及其他燃煤工厂，作为目前广泛使用的电除尘器和袋式除尘器的替代品，推动我国除尘器的更新，在最大程度上降低烟尘尤其是PM2.5的排放浓度。

4.2市场需求

目前我国社会的环保意识日益增强，经济结构模式由粗放型经济向集约型经济转变，由高碳经济型向低碳经济型转变，由忽略环境型向环境友好型转变。

全社会正努力实现可持续发展，实现经济的高质量增长。

所以该除尘器作为环保减排类产品应该会受到社会与市场的欢迎。

同时，随着国家排污标准的不断严格，执行力的不断增强，国内有一大批烟尘排放超标的工厂面临除尘器的更新换代，但煤炭作为支柱能源的现状短期内不会改变。

所以该除尘器可谓生逢其时，相信加上政府有关部门的鼓励与扶助，将会在除尘领域大显身手。

五结论

“雾霾”、“PM2.5”无疑是当今社会的热点词汇，这其中反映了百姓对国家环保事业的期望与关注。

今年的两会再次提及GDP的高质量增长，重申不能再以环境破坏为代价换取短期的经济高速增长，不能走先污染再治理的老路。

“节能减排”关乎国计，关乎民生，是为实现中国梦必须完成的任务。

对除尘器的这次改进仅仅是为实现我国可持续发展的一点小小建议，但我相信只要全社会群策群力，积极为国家发展建言献策，就一定能让天更蓝，水更清，国家更强盛。

参考文献

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[2]刘勇，赵汶，刘瑞，杨林军.化学团聚促进电除尘脱除PM2.5的实验研究[J].化工学报.2014（9）

[3]朱永超,李坚,徐鹏.新型电袋复合除尘器性能研究[J].化学工程学报.2011（9）

[4]赵永椿,张军营,魏凤,陈俊,郑楚光.燃煤超细颗粒物团聚促进机制的实验研究[J].化工学报.2007（11）

[5]赵汶,刘勇,鲍静静,耿俊峰,杨林军.化学团聚促进燃煤细颗粒物脱除的试验研究[J].中国电机工程学报.2013（20）

[6]Varonos，gamemnonA．PredictionoftheCleaningefficiencyofanElectrostaticPrecipitator[J]．JournalofElectrostatics，2002，55

（2）：

111～133

[7]周晨霞.移动极板静电除尘器——技术优势.2009-第十三届中国电除尘学术会议

[8]王鸿合,张斌.布袋除尘器技术及其应用[J].吉林电力.2004（5）

[9]魏凤,张军营,王春梅,郑楚光.煤燃烧超细颗粒物团聚促进技术的研究进展[J].煤炭转化.2003（3）

[10]赵汶,刘勇，鲍静静，耿俊峰，杨林军.化学团聚促进燃煤细颗粒物脱除的试验研究[J].中国电机工程学报.2013（20）

[11]贾博强.燃煤电厂电除尘器的优化仿真设计研究[D].华北电力大学.2013

[12]史妍婷.电力热力的生产与供应业燃煤锅炉PM2.5减排策略研究[D].哈尔滨工业大学.2013