（环境工程专业论文）袋式除尘器的除尘效率研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 我国许多老企业在2 0 世纪8 0 年代建成的布袋除尘器经过近2 0 年的使 用，结构开始老化，清灰发生困难，滤袋的非正常性破损越来越多，已不能 满足环保的要求，迫切需要进行更新改造。而对于另一些企业，由于生产规 模的不断扩大，原有的除尘系统已不能满足生产工艺的要求，目前也进入批 量的整治阶段。由于受场地、资金、时间等的限制，企业也急切盼望能有高 效、节能、实用的除尘改造技术。 在上述形势下，本文展开了对袋式除尘器的过滤性能研究，发现增效降 阻是人们一直关注的焦点。此外，纤维过滤经典理论的效率公式，以隐函数 的形式给出，不便于实际应用；同时此公式只适用于清洁过滤阶段，无法对 含尘过滤阶段的过滤效率进行预测。 针对以上问题，本文首先从理论上分析各因素单独变化时对过滤效率的 影响。在此基础上，搭建袋式除尘器过滤性能钡4 试实验台，分别在清洁滤料 过滤和含尘滤料过滤两种过滤方式下进行了实验研究。 清洁滤料过滤阶段，就过滤速度对过滤效率的影响进行实验研究，验证 了临界过滤速度的存在性。在低于临界过滤速度时，可以通过降低过滤速度 的方法来实现减阻增效的目的。对清洁滤科过滤效率公式进行显性化处理， 通过多元回归分析，得出过滤效率的多元回归关系式。与实验数据、理论计 算值进行比较，结果证明在清洁滤料过滤阶段，该式有一定的应用价值。 含尘滤料过滤阶段，以经典过滤理论为基础，结合含尘滤料过滤阶段自 身特点，建立数学模型，推导得出一套含尘纤维层过滤效率计算式。与原有 公式进行对比，结果显示该公式计算与实际情况相符。总结出了在清洁过滤 阶段、含尘过滤阶段、采用腹膜滤料时三种情况下的效率计算式。 本研究对于预测纤维过滤效率、提高袋式除尘器过滤性能，具有一定的 参考价值。 关键词：袋式除尘器、清洁过滤阶段、含尘过滤阶段、过滤效率 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 l 页 a b s t r a c t h a v eb e e nu s e df o rt w e n t yy e a r s ，b a gf i l t e r sw h i c hw e r ep r o d u c e db yo l d e n t e r p r i s e si n1 9 8 0 si nc h i n a ，a g e da n dw o r kd i f f i c u l t l y , a n dn o n n o r m a ld a m a g e o ft h eb a g sb e c o m em o r ea n dm o r e ，w h i c hc a nn o ts a t i s f yt h er e q u i r e m e n t so f e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n s ow en e e dr e n o v a t i o nb a d l y b e c a u s eo ft h ee x p a n s i o n o fp r o d u c t i o na n dd i s a b i l i t yo fm e e tt h ed e m a n d so fp r o d u c t i o np r o c e s st h e o r i g i n a ld u s tr e m o v a ls y s t e m ，s o m ee n t e r p r i s e sr e a l i z et h en e e d so fg e a r i n g b e c a u s eo ft h ev e u u e ，f u n d i n ga n dt i m e c o n s t r a i n t s ，e n t e r p r i s e sl o o kf o r w a r dt o e f f i c i e n t ，e n e r g y s a v i n g ，p r a c t i c a ld u s tm o d i f i c a t i o nt e c h n i q u e s a sm e n t i o n e db e f o r e ，t h et h e s i sf o c u s e so nt h ef i l t e r i n go fb a gf i l t e r sa n dw e f i n dt h a te f f i c i e n c yi sw h a tp e o p l ec o n c e r nm o s t m o r e o v e rt h ee f f i c i e n c yf o r m u l a o fc l a s s i c a lf i l t r a t i o nt h e o r yi se x p r e s s e da si m p l i c i tf u n c t i o na n di si n c o n v e n i e n t t ob eu s e d h o w e v e ri t o n l y c a nb e u s e du n d e r s t a t i o n a r y f i l t r a t i o n c o n d i t i o na n dc a nn o tw o r ku n d e rn o n s t a t i o n a r ym t r a t i o nc o n d i t i o n e x c e p tt h e s ep r o b l e m sh o wt op r e d i c tt h ep r e s s u r ed r o pu n d e rn o n - s t a t i o n a r y c o n d i t i o ni sa n o t h e rp r o b l e m i no r d e rt or e s o l v et h e s ep r o b l e m sm e n t i o n e d a b o v e ，f i r s t l yt h ea u t h o r a n a l y z e dt h ec h a n g el a wo ff i l t r a t i o ne f f i c i e n c yw h e ne a c hf a c t o rw h i c ha f f e c t s f i l t r a t i o ne f f i c i e n c yc h a n g e ds o l e l y i nt h eb a s eo ft h i s ，t h et e s t i n gs e to fb a g f i l t r a t i o nw a ss e tu p t h ee x p e r i m e n th a sb e e nd o n eu n d e rs t a t i o n a r yf i l t r a t i o n c o n d i t i o na n du o n s t a t i o n a r yf i l t r a t i o nc o n d i t i o nr e s p e c t i v e l y u n d e rc l e a nf i l t r a t i o ns t a g e ，f i r s t l yt h ea u t h o rt o o kt h es t u d ya b o u tt h ee f f e c t o ff i l t r a t i o nv e l o c i t yo nf i l t r a t i o ne f f i c i e n c y t h er e s e a r c hs h o w st h a tt h e r ee x i s t sa c r i t i c a lv e l o c i t y s ot h ep o i n to fc o n s t r u c t i o no p t i m i z a t i o ns h o u l db ec o n c e n t r a t e d o nt h ef i l t e rc y l i n d e r a tl a s tf r o mt h em u l t i a n a l y s i s ，t h er e g r e s s i o nr e l a t i o no f f i l t r a t i o ne f f i c i e n c yw a so b t a i n e d a f t e rc o m p a r i n gt h i sf o r m u l aw i t ht h et e s td a t a a n dt h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n t h ea u t h o rd r e wac o n c l u s i o nt h a tt h i sf o r m u l ac o u l d b eu s e dt op r e d i c tt h ef i l t r a t i o ne f f i c i e n c y u n d e rd u s tf i l t r a t i o ns t a g e ，t h ea u t h o rm a d eat h e o r e t i c a ld e r i v a t i o no f 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 | i 页 f i l t r a t i o ne f f i c i e n c yu n d e rd u s tf i l t r a t i o ns t a g e b a s e do nc l a s s i c a lf i l t r a t i o nt h e o r y , a c c o r d i n gt h ec h a r a c t e r i s t i co fd u s tf i l t r a t i o n ，t h ea u t h o rs e tu pt h em a t h e m a t i c a l m o d e la n do b t a i n e dae f f i c i e n c yf o r m u l at h r o u l g hd e d u c t i o n i ti sc o i n c i d e n c e w i t hr e a lp r o c e s s w es u mu pt h ee f f i c i e n c yc a l c u l a t i o ni nac l e a nf i l t r a t i o ns t a g e ， d u s tf i l t r a t i o ns t a g ea n dw h e nf i l t e r i n gw i t hp e r i t o n e a l a b o v ea l l ，t h es t u d yo ft h i sr e s e a r c hp r o j e c th a si m p o r t a n tm e a n i n gf o rb o t h e v a l u a t i o no fb a gf i l t e r sp e r f o r m a n c ea n dp r e d i c t i o no ft h ef i b r ef d t r a t i o n e f f i c i e n c y k e yw o r d s ：b a gf i l t e r s ，c l e a nf f l t r a t i o ns t a g e ，d u s tf i l t r a t i o ns t a g e ，f i l t r a t i o n e f f i c i e n c y 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 选题的意义 “十一五”期间，我国仍处于工业化中期阶段，也就是重化工时代。 这个时代，经济增长明显地具有重化工业为主导的特征，钢铁、水泥、电解 铝、氧化铝、铁合金、电石、焦炭、化工、电力等工业，需求旺盛，发展迅 猛。这些高物耗、高能耗产业的污染严重，此外我国城市化进程加快，集中 供热、垃圾焚烧，危险废物焚烧等发展也很快。这些都可能对大气环境造成 严重污染，使局部地区的大气环境进一步恶化。袋式除尘器是治理大气污染 的高效除尘设备，在实际工程应用中，除尘效率可达到9 9 9 9 以上，粉尘 排放浓度能达到l o m g m 3 以下，甚至达到l m g m 3 ，基本上达到零排放。同 时，袋式除尘器的分级效率也很高，对p m i o ，p m s ，p m 2 5 等细微颗粒物都 有很高的捕集效率，这是袋式除尘器的过滤除尘机理决定的。而其他除尘器 做不到的。正因为袋式除尘器除尘效率极高，所以在国内三十几个行业，尤 其是上述高污染行业中得以广泛应用，取得了很好的治理效果。袋式除尘器， 同时还是较好的物料收集器。作为物料收集器，在钢铁、水泥、有色冶金、 化工等行业中应用，回收了在废气中的有用资源，取得了良好的经济效益。 在当今资源短缺、大气环境污染严峻这种形势下，袋式除尘器必大有用武之 地，即可有效地保护大气环境，又可回收许多宝贵的资源。 随着环境标准的严格要求和排放标准的日益提高，高效除尘技术的市场 需求越来越大，除尘器产值增长迅猛。2 0 世纪8 0 年代中期，随着宝钢期 工程的建成，反吹风袋式除尘器也随着主体设备一同引入我国。进入9 0 年 代，随着长袋脉冲清灰技术及关键配套设备的研究在国外取得技术性突破， 长袋脉冲袋式除尘器的发展空间被打开，在一些领域大有取代反吹风袋式除 尘器和电除尘器的趋势。而在国内，对长袋脉冲除尘器清灰技术的研究还处 于起步阶段，没有形成系统性、科学性、实用性强的研究成果，制约了国内 长袋脉冲除尘器的发展。耳前在国内推广、使用较多的脉冲除尘器，一般都 是由企业出资、委托设计院从国# i - 弓i 进的成套设备或成套设计。由于受人力 和财力的限制，企业或设计院也很少对这些引进的除尘器做进一步的研究， 更谈不上更新或改进，而仅仅是在国内的其他工程中进行翻版、推广。有些 除尘器的运行情况还可以，而有些除尘器的运行情况刚并不理想。 同时，许多老企业在2 0 世纪8 0 年代建成的反吹风布袋除尘器经过近 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 2 0 年的使用，结构开始老化，清灰发生困难，滤袋的非正常性破损越来越 多，已不能满足环保的要求，迫切需要进行更新改造。而对于另一些企业， 由于生产规模的不断扩大，原有的除尘系统己不能满足生产工艺的要求，目 前也进入批量的整治阶段。由于受场地，资金、时间等的限制，企业也急切 盼望能有高效、节能、实用的除尘改造技术。 因此开发高效节能型袋式除尘器不仅具有迫切性和必要性，并且有很强 的现实意义。对袋式除尘器的过滤效率进行研究，一方面可以进一步弄清袋 式除尘器的过滤的机理，确定各参数对过滤效率的影响，为工程设计提供有 用的技术资料；另一方面可以为更加深入的研究指出方向，为将来开发更加 优秀的除尘装置打下良好的基础。因此，研究纤维过滤，努力提高袋式除尘 器的过滤性能，就显得十分必要。 1 2 文献综述 1 2 1 空气除尘的重要性 1 2 1 1 我国大气污染的严重性当今世界环境保护已成为世人关注的 热点，经济全球化的大潮和解决全球环境问题的呼声使环境与贸易的关系日 益密切，国际组织制订了一系列旨在保护环境的技术标准。如何防治大气污 染，净化空气环境也是人们不断研究的课题。 中国是世界上最大的发展中国家，2 1 世纪是我国工业生产处于全面发 展时期，钢铁、水泥、煤炭、发电、化肥生产等行业迅速发展。同时由于我 国这些重化工、原材料、能源工业的生产工艺及设备相对落后，能源耗费量 大，污染严重。 随着我国城市化进程的加快，城市人口的急剧增加和工业的迅速发展， 我国烟气净化和工业除尘技术面临新的挑战。主要缘于以下因素： 我国经济继续保持高速发展，人民生活不断改善，公众对工作环境和生 活环境的要求迅速提高；随着我国加入w f o 、北京申奥成功，全世界对中国 的环境质量以及企业内部的环境质量更加关注，有了更高要求； ( 1 ) 国家主管部门正在修订有关法规，其中对于粉尘的控制更加严格， 新建或改造的除尘设备排尘浓度不得高5 0m g l m 5 ，就是以往执行较为宽松 标准的电力行业也不例外； ( 2 ) 对于微细粉尘的控制己进入实施阶段，p m l o 微细粉尘的控制已有 标准，关于p m z s 微细粉尘的控制也越来越受到重视； ( 3 ) 能源越来越成为人们关注的话题。能源再生、自身能耗的降低， 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 是对包括除尘技术在内的各种工业技术和产品的普遍要求； ( 4 ) 由于国家产业结构调整，一些企业的烟尘及工业粉尘的治理水平 下降，同国家和公众对环保更加严格的要求形成巨大反差： ( 5 ) 新兴技术( 例如纳米技术) 产业的涌现，既能促进除尘技术的发 展，也对除尘技术提出新的课题。 i 。2 1 。2 粉尘的危害先看一组数据，仅1 9 9 8 年，城市居民中恶性肿瘤 死亡率为1 2 8 5 8 人万人，呼吸道疾病死亡率为9 2 5 4 人万人。恶性肿瘤与 呼吸道系统疾病与环境密切相关，在恶性肿瘤中，城市仍以肺癌为最高，达 到2 5 5 9 人万人，这与城市大气污染直接相关。粉尘污染问题已经对人类和 动物健康产生了极大的负面影响。 直径为1 0 微米的浮尘会在肺部气管中沉积，造成支气管堵塞；直径在 4 0 微米以下的粉尘可以随呼吸气流运动，影响肺的正常工作。 因此，含尘气体在排放入大气之前必须进行必要的除尘过程，而如何控 制粉尘排放，尤其是直径在2 5 6 pr n 范围内的细微粉尘的排放是我国治理 大气污染、净化空气环境的关键。此外，在清洁生产，电子、精密仪器加工 等行业，对空气中含尘量的要求更高，一般都要求对一亚微米级粉尘除尘效 率要达9 9 9 7 以上。这对高效除尘及超高效除尘技术的发展提出了更高的 要求。 1 2 2 除尘技术分类及原理 为了消除工业生产排放的颗粒物对大气的污染，必须对排气中的颗粒物 加以净化，做到达标排放。从排气中去除或捕集颗粒物的技术称为除尘技术， 用以实现这一过程的设备称为除尘装置或除尘器。 除尘器的工作原理都是以作用力为理论基础。根据力的性质不同，设计 出不同的除尘器。传统的除尘技术包括：重力、惯性或离心分离、过滤、静 电和湿式净化。这里面仅用了两大净化机理：空气动力分离和静电收集。实 际上还存在其他许多外力，如泳力、分子力、磁力等都可以用于气溶胶粒子 的收集。除尘工程中常用的除尘器分为四大类，这些除尘器都是依靠各种作 用力从气体中分离和过滤粉尘粒子的。本节将对四类常用除尘器、磁力除尘 技术和凝聚除尘技术进行介绍。 1 2 2 1 机械除尘器的工作原理机械除尘器有重力沉降室，惯性除尘器 和旋风除尘器三个类别。它们的主要特点是结构简单、易于制造，价格低廉、 便于维护等，因而广泛的用于工业生产中：但一般来说，这类除尘器对大粒 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 径的颗粒物具有较高的分离效率，而对于小粒径颗粒物的捕获率相对较低。 因而这类除尘器常用在去除大颗粒粉尘及除尘效率要求不高的场合下使用。 有时也作为多级收尘系统的前置预收尘器； 重力沉降室工作利用的是重力，在重力作用下含尘气体中的粉尘在沉降 室被分离出来。惯性除尘器分离粉尘利用的是惯性力。惯性力是反映物质自 身运动状态寤勺力，受到外力时物质改变运动状态。在相同的作用力下惯性小 的物体比惯性大的物体容易改变运动状态，即得到的加速度比较大，这对惯 性小的粉尘是有利的。旋风除尘器利用的是离心力。所谓离心力是指做圆周 运动的物体对施于它的向心分离力。它是依据在旋转体的反作用力，利用离 心力分离非均相系统的分离过程通称为离心分离。它是依据在旋转过程中质 量大、旋转速度快的物质获得的离心力也大的原理进行工作的。 下面介绍具有代表性的机械除尘器旋 风除尘器的工作原理。 旋风除尘器的基本结构一般由进气口、筒 体、锥体、排气管及集尘箱等组成。根据含尘 气流人口方式的不同，又可分为切流反转式及 轴流式两种。 图1 - 1 为切流反转式旋风除尘器中含尘气 流的运动轨迹。流体从进气管进入旋风筒后， 由直线运动变为旋转运动，并在流体压力及筒 体内壁形状影响下螺旋下行，朝锥体运动。含 尘气体在旋转过程中产生离心力，使重度大于 气体的粉尘颗粒克服气流阻力移向边壁。颗粒 一旦与器壁接触，便失去惯性力而在重力及旋图卜1 旋风除尘器 转流体的带动下贴壁面向下滑落，最后从锥底 除尘过程示意图“1 排灰管排出旋风简。旋转下降的气流到达锥体 ：要鐾体；霎墨薯；嚣爰薯 端部附近某一位置后，以同样的旋转方向在除 尘器中由下折返向上，在下行气流内侧螺旋上行，最终连同一些未被分离的 细小颗粒一同排出排气管。流体在旋风筒内的流线类似双螺旋线，通常将外 侧螺旋下行的气流称为外旋流，将内侧螺旋上行的气流称为内旋流。 1 2 2 2 静电除尘器工作原理静电除尘器分离粉尘靠的是静电力即库 仑力。除尘过程分为四个阶段。 a 气体电离 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 在电晕极与集尘极之间施加直流高电压( 4 0 7 0 k v ) ，使放电极发生电 晕放电，气体电离生成大量的自由电子和正离子。 b 粒子荷电 一般电晕极为负极，此时，正离子被电晕极吸引失去电荷，自由电子和 随即形成的负离子受电场力的驱使向集尘极移动，并充满到两极间的绝大部 分空间。含尘气流通过电场空间时，自由电子、正离子与粉尘碰撞并附着其 上，便实现了粒子荷电。 + 图卜2电除尘器的除尘过程示意图 l i 电晕极；2 电子：3 离子；4 尘粒；5 集尘极；6 供电装置；7 电晕区 c 粒子沉降 荷电粒子在电场力( 库仑力) 作用下，向异性电极方向移动，在电极上 进行电性中和，粒子沉积在电极上。 d 粒子清除 集尘极表面沉积的粒子和附着在放电极上的少量粒子，隔一定时间需用 机械振打等方法将其清除，使之落入下部灰斗中，完成除尘过程。 1 2 2 3 湿式除尘器工作原理湿式除尘器是利用液体去捕集气体中的 颗粒物，达到净化的目的。较其它三类除尘器( 机械除尘器、静电除尘器、 过滤式除尘器) 而言，湿式除尘器有它独特的优点：除尘效率高，甚至对亚 微米级的粉尘都有较高的去除率；除尘结构简单，占地面积小，造价低，操 作维护方便；能有效处理高温、高湿、易燃、易爆的含尘气体；能同时去除 废气中的气态污染物。正因为如此，湿式除尘器在工程上广泛应用。当然， 采用湿式除尘器时，必须解决好以下问题：需要有水处理系统，使除尘水闭 路循环使用，防止二次污染；设备要防腐：不易净化纤维性粉尘，憎水性粉 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 尘。 文丘里除尘器是种高效湿式除尘器。它主要由渐缩管、喉管、渐扩管、 脱水器四部分组成。废气进入渐缩管后，由于横截面面积不断减小，气流速 度不断增大当达到喉管时，流速达到最大值，通常是渐缩管入口流速的5 1 2 倍，如此高速运动的气流把从喉管附近喷射进来的水滴冲击成更小的雾 滴，由于速度高，尘粒表面的气膜被冲破，尘粒被水润湿。同时，在喉管中 由于动压急剧增大，静压减小，如同绝热膨胀一样，水滴迅速蒸发，因而气 体中的水蒸气开始冷凝，细小的尘粒成为冷凝核。这样，烟气中的颗粒物不 论粒径大小，其表面都会附着一层水膜，附着了水膜的尘粒与水滴或其它颗 粒相互碰撞，成为更大的聚合体。随后它们在脱水器中被捕集下来。 1 2 2 4 袋式除尘器工作原理袋式除尘器是利用多孔纤维材料制成的 滤袋( 简称布袋) 将含尘气流中的粉尘捕集下来的一种干式高效除尘装置。 由于其具有除尘效率高，尤其对微米及亚微米级粉尘颗粒具有较高的捕集效 率，且不受粉尘比电阻的影响；运行稳定，对气体流量及含尘浓度适应性强： 处理流量大，性能可靠等优点，因此广泛使用于工业含尘废气净化工程。但 目前存在的主要问题是：普通滤料不耐高温，若采用特殊滤料，则成本过高； 另外不适宣净化粘性及吸湿性强的含尘气体，否则气体温度低于露点温度 时，会发生糊袋现象，使除尘器不能正常工作。 袋式除尘器捕集粉尘时，主要是靠粉尘通过滤袋时产生的筛分、碰撞、 粘附、扩散、静电、重力等效应来捕集的。 a 筛分效应 当粉尘粒径大于滤袋纤维间隙或粉尘层孔隙时，粉尘颗粒将被阻留在滤 袋表面，该效应被称为筛分效应。清洁滤料的空隙一般要比粉尘颗粒大得多， 只有在滤袋表面上沉积了一定厚度的粉尘层之后，筛分效应才会变得明显。 b 碰撞效应 当含尘气流接近滤袋纤维时，空气将绕过纤维，而较大的颗粒则由于惯 性作用偏离空气运动轨迹直接与纤维相撞而被捕集。且粉尘颗粒越大、气体 流速越高，其碰撞效应也越强。 c 粘附效应 含尘气体流经滤袋纤维时，部分靠近纤维的尘粒将会与纤维边缘相接 触，并被纤维所钩挂、粘附而捕集。很明显，该效应与滤袋纤维及粉尘表面 特性有关。 d 扩散效应 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 当尘粒直径小于o 2pm 时，由于气体分子的相互碰撞而偏离气体流线 作不规则的布朗运动，碰到滤袋纤维而被捕集。这种由于布朗运动引起扩散， 使粉尘微粒与滤袋纤维接触、吸附的作用，称为扩散效应。粉尘颗粒越小， 不规则运动越剧烈，粉尘与滤袋纤维接触的机会也越多。 e 静电效应 滤料和尘粒往往会带有电荷，当滤料和尘粒所带电荷相反时，尘粒会吸 附在滤袋上提高除尘器的除尘效率。当滤料和尘粒所带电荷相同时，滤袋 会排斥粉尘，使除尘效率降低。 f 重力沉降 进入除尘器的含尘气流中，部分粒径与密度较大的颗粒会在重力作用下 自然沉降。 需要说明的是，袋式除尘器在捕集分离过程中，上述分离效应一般并不 同时发生作用，而是根据粉尘性质、滤袋材料、工作参数及运行阶段的不同， 产生的分离效应的数量及重要性亦各不相同。 以筛分效应为例，清洁滤袋经纬编织线孔隙一般为2 0um 5 0i in 1 ，开 始工作时含尘气流中的粉尘微粒大部分都会轻易穿过，滤袋的筛分作用十分 有限。此时对捕集粉尘起主要作用的是滤袋及粉尘的粘附、扩散及静电效应。 随着滤袋上捕集粉尘数量的增加及孔隙的减小，开始阻止粉尘中的较大颗粒 通过，筛分作用逐步增大，及至滤袋表面粉尘层形成之后，对微小颗粒也有 较强的捕集能力，此时筛分效应对除尘器的分离效率起主导作用。 1 ，2 2 5 磁力除尘技术磁分离技术用于生产实践已有很长的历史了。如 物料的提纯、磁力选矿等。2 0 世纪7 0 年代开始将磁分离技术用于冶炼、造 纸、电镀、化工等废水中的颗粒物的处理。由于空气亦是流体，而磁力能应 用于水污染的控制、那么磁力也就能应用于大气污染物的净化了。因此，磁 力除尘是可行的。8 0 年代开始了磁力除尘的应用研究。但到目前为止，关 于磁力除尘的研究还少。 磁力除尘的机理是：当含尘气流通过由永久磁铁或电磁铁产生的磁场 时，其中的磁性尘就沿磁力线排列，形成磁性纤维而被捕集。气流中的非磁 性尘，在通过由磁性尘形成的磁性纤维时( 相当于滤料层) ，由于碰撞作用 也被捕集下来【z j 。 和静电除尘器( 电力直接作用在尘粒上) 一样，磁力除尘器的磁力直接 作用在尘粒上，所以磁力除尘技术是一种节能型的除尘技术。静电除尘器有 电击穿现象，要求有一定的电极距离、规定的场强，特定的运行条件，而磁 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 力除尘的磁感应强度调节范围很宽，运行稳定、安全，并可在磁场内实现粒 子的近距离吸附。可见，磁力除尘技术具有很强的实用性。 磁力除尘的主要优点是；l 、对超微细尘粒的捕集效率很高；2 、可作为 第一级除尘器用在常规除尘设备前，不仅经济，而且除尘效率又很高；3 、 可进行高温烟气( 达4 8 0 ) 的除尘，并且不需要冷却系统：4 、把它接在 热交换器前，可防止后者受含尘热气流的腐蚀：5 、因磁场可透过水膜层， 故磁力除尘器既可做成千式的又可做成湿式的；6 、因磁场可透过非磁性膜 层，故磁铁既可放在磁性材料( 如不锈钢) 的保护外壳内，又可放在非磁性 材料( 如塑料) 的保护外壳内，以防腐蚀；7 、磁力除尘器( 用磁场) 比静 电除尘器( 用高压静电场) 安全：8 、因填科捕尘室的空隙率比常规过滤器 的大很多，所以在压降比较低的条件下，能允许很高的气流速度；9 、由于 它是一种强化捕尘过程以及它的压降较低，所以虽然产生磁场要消耗一部分 电力，但它比常规微粒控制技术的耗电要少：1 0 、由于它的运行速度高，所 以它既能节省除尘设备投资，又能节省除尘设备占据空间：1 l 、它发展到目 前阶段，完全是干式的，因此就不存在湿式洗涤装置的水质污染问题。1 2 、 由于可以采用4 0 0 系列磁性不锈钢制作捕尘镇料，故它可用于高温腐蚀环境 ( 只要选择合适的填料，它可耐达5 0 0 的高温) ：1 3 、由于它在整个捕尘过 程中都不会发生火花( 如静电除尘器则不然) ，故它亦可用于易燃易爆气体 的除尘【2 】。 1 2 2 6 凝聚除尘技术早在2 0 世纪初，人们开始了关于微粒的凝 聚( a g g l o m e r a t i o n ) 或称凝并( c o a g u l a t i o n ) 现象的研究。然而，直到上 个世纪末，气溶胶科学研究者才开始讨论在外电场作用力下带电粒子的凝并 行为i j j 。提高对微细粒子的控制水平，除改善除尘设备的配置外，还可以从 微细粒子本身入手。凝并技术就是使分散的微细粒子通过物理或化学作用互 相接触而结合成较大的颗粒。根据凝并机理的不同，主要分为热凝并、紊流 扩散凝并、声凝并及电凝并等。 关于热凝并的研究较为成熟。对于常温下单分散性的球形尘粒如将其 计数浓度为1 0 5 粒c m 3 ，降至i o 珥粒c m 3 ，也就是说让尘粒的体积等效径增 2 2 倍，忽略重力沉降和边壁效应，按经典的热凝并方程计算，其凝并时间 约为9 小时以上。显然，由于热凝并过程非常缓慢，难以到达有效分离细微 粉尘的实际要求。 利用声凝并可以大大提高微尘的凝并速率。实验室的声波除尘装置由声 波发生器、声凝并箱和分离器组成。含尘气流在凝并箱的滞留时间往往不超 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 过1 0 秒。声凝并方法收集亚微米粉尘是有效的，曾一度引起除尘界的极大 关注。然而，为了产生几十甚至几百上千赫的声波，需耗大量的电能，同时 还需要消除噪声的危害。因此，到目前尚未制造出实用的声波除尘器。 电凝并是提高粉尘凝并速率的有效方法之一。早在六十年代初，气溶胶 科学的奠基人f u c h s 就推导出带电粒子碰撞频率计算式h 。八十年代末， w i l l i a m s 及l o y a l k a 运用场论方法进一步完善了电凝并方程式曲j 。e l i a s s o n 等人的实验结果表明：在对称偶极荷电情况下，亚微米粒子的电凝并速率比 中性粒子的热凝并速率高1 0 2 至1 0 4 倍【6 】。这一研究结果引起气溶胶科学界 的广泛兴趣。不过，这些研究往往只限于在凝并箱中的静态无外力场情况下 粒子的电凝并过程。为再进一步增强凝并速率，引入外电场力是必要的。进 入九十年代，电凝并研究有了突破性进展。9 1 年w a t a n a b e 研制出用以收集 亚微米烟尘的电凝并电除尘科”。随后，k a u p p i n e n 等人提出了亚微米带电 粒子在交变电场中浓度随时间衰减百分率计算式【8 】。l o f f l e r 等人建立了偶 极气溶胶在交变电场中的电凝并三维模式及数值解【9 】。由于荷电方式、粉尘 物化性质等因素的影响。粉尘群的的正负电荷量往往是非对称。为此，向晓 东和c o l b e c k 研究了非对称偶极气溶胶的电凝并过程【l o 】，从而加深了对电凝 并现象的认识。目前，应用电凝并技术收集亚微米粉尘是国外气溶胶界的一 个研究热点。 集微细水雾捕尘、声波凝聚降尘、惯性沉降分离为一体的综合除尘系统 在理论和实验方而也取得了一定的进展。微细水雾除尘是各种捕尘与凝步机 理的综合利用，但水雾及粉尘都很小，。捕集与凝并可能不足以使并合物从气 流中分离，要有效净化气流，还需采用加强凝并与沉降分离的措施。该技术 采用超声雾化技术，使水充分雾化，微细粒子得以声凝并，最后实现微细水 雾捕尘。 1 2 3 各类除尘器的主要性能比较分析 除尘器的技术性能指标主要包括除尘效率、压力损失、处理气体量与负 荷适应性等几个指标，下表为各类除尘器的性能比较。 1 2 3 1 除尘效率在除尘工程设计种一般采用全效率作为考核指标，有 时也使用分级效率进行表达。 ( 1 ) 全效率全效率为除尘器除下的粉尘量与进入除尘器的粉尘量之 百分比，如下式所示： ，72 g 2 g lx 0 0 ( 1 - 1 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 式中，7 除尘器的效率，； g 1 进入除尘器的粉尘量，g s ： g 广除尘器除下的粉尘量，g s 。 表1 - 1各类除尘器的性能比较 指标适用温 类耋 优点缺点适用范围 度 机械式 结构简单，易于除尘效率低，对小 大粒径颗粒 制造价格较低，颗粒粉捕获效率高 除尘器物 便于维护低 除尘效率高，消 电除尘耗能量少，处理 对高电钻率和低 能用于亚微 较高 器烟气量大，自动 电阻率的粉尘不 米级的粒子 化程度高 能直接处理 运行稳定，对含 袋式除尘浓度适应强， 滤料不耐高温，不对微米和亚 尘器处理流量大，性 宜净化粘性和吸微米级颗粒较低 湿性气体捕集效率高 能可靠 湿式除 结构简单，占地可镜二次污染，不对亚微米粉 面积小，操作维宜净化纤维、憎水尘有较高的 高 7 尘器 护方便，造价低性粉尘除尘效率 由于在现场无法直接测出进入除尘器粉尘量，应先测出除尘器进出口气 流中的含尘浓度和相应的分量，再用下式计算： 卵；q - c , - q 2 c 2x 1 0 0 ( 1 2 ) q - c l 式中q 1 除尘器入口风量，m 3 s 5 c 1 除尘器入1 2 1 浓度，m g m 35 q 2 除尘器出1 2 风量，m 3 s ； c 广除尘器出口浓度，m g m 3 。 ( 2 ) 总效率在除尘器系统中若有除尘效率分别为r l l 、r l2 r l 。的 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 几个除尘器串联运行时，除尘系统的总效率用n 表示，按下式计算： n = 1 一( 1 一q 1 ) ( 1 一n2 ) ( 1 - - qn ) ( 1 - 3 ) ( 3 ) 穿透率穿透率p 为除尘器出口粉尘的排出量与入口处粉尘的进入 量的百分比，按下式计算： p - 器x 1 0 0 。( 1 - q ) x 1 0 0 ( 1 - 4 ) 、一1 ￥1 ( 4 ) 分级效率分级效率仉为除尘器对某一粒径范围缸。内粉尘的除 尘效率，如下式所示： r 兰2 1 0 0 ( 1 - 5 ) 。丛一 式中一在艋，的粒径范围内，除尘器捕集的粉尘量，g s ； s ；一在d 的粒径范围内，进入除尘器的粉尘量，g s 。 1 2 3 2 压力损失除尘器压力损失为除尘器进、出i ：1 处气流的全压绝对 值之差，表示气体流经除尘器所耗的机械能，当知道该除尘器的局部阻力系 数亭值时，可用下式计算。在现场可用压力表直接测出。 妒。宇学 ( 1 5 ) 2 式中p 一除尘器的压力损失，p a ； p o 一处理气体的密度，k g m 3 ： y 一除尘器入口处的气流速度，m s 。 1 2 3 3 处理废气量表示除尘器处理废气能力的大小，一般用体积流量 ( m 3 h 或m 3 s ) 表示，也有质量流量( k g h 或k g s ) 表示的。 1 2 3 4 负荷适应性负荷适应性良好的除尘器，当处理气体量或污染物 浓度在较大范围内波动时，仍能保持稳定的除尘效率，适中的压力损失和足 够高的作业效率。 1 2 4 袋式除尘器的发展 袋式除尘是一种较老的除尘技术。1 8 8 1 年德国b e t h 工厂的机械振动清 灰袋式除尘器获得德国专利并开始袋式除尘器的商业化生产。随着人类对环 境质量与生存的认识不断加深及技术进步，袋式除尘器的清灰技术以及袋滤 技术得以迅速发展与提高。 袋式除尘器的优劣主要依靠其除尘效率体现，袋式除尘器的高除尘效率 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 与它的除尘机理是分不开的，目前袋式除尘器对工业废气中微粒粉尘的控 制，尤其是对高温冶炼和燃料燃烧生成的高活性微粒粉尘的控制，在技术上 己日益成熟。其对微粒粉尘的除尘效率在9 9 以上，且规格齐全，适用范围 广，不受粉尘比电阻的影响，不存在水污染问题。在采取其他技术措施的条 件下，可同时净化工业废气中的固、液、气三类污染物。表1 - 2 是袋式除尘 技术的主要发展概况。 目前袋式除尘器已经大量应用于水泥厂，燃煤电厂，钢铁工业，有色冶 金工业。另外，在机械、蓄电池、炭黑、电力、煤炭、陶瓷、化工、化肥、 医药、农药、轻工、烟草、面粉、饲料、油料加工、粮库、港口转运、交通 筑路、垃圾焚烧等三十多个行业都广泛采用了袋式除尘器。另外在安全防爆 技术方面应用也十分广泛。 表1 - 2 袋式除尘技术的主要发展概况 时间 清灰技 笠 术 滤料备注 机械振德国b e t c h 1 工厂的机械振动清灰袋除尘器首次获 1 8 8 1 天然纤维如棉 德国专利，并开始袋式除尘嚣的商业化生产清灰技 动 布、毛呢等 1 9 2 1反吹风术改进为反吹风和机械振动二者结合 逆喷型 h j h e r s e “2 “1 发明了逆喷型吹气环清灰技术使 1 9 5 4得袋式除尘器实现连续操作，处理量提高数倍，滤 吹气 合成纤维如 袋压力较稳定 脉冲喷2 0 8 绒布、7 2 9 t vr e i n a u e r “3 1 发明，被认为是袋式 1 9 5 7 织布、玻璃纤除尘技术的重大改进 回转反维、针刺毡式日本首先开发成功，同期美国也推出r j ，r f ，p n 等 1 9 6 2 吹 滤布，以及9 0 型号的系列产品，适用于中、小风量的废气处理 1 9 7 0 大型反年代后出现的 7 0 年代以后，美、日、澳及欧州等国家相继开发了 及以 吹风 覆膜滤料 大型袋式除尘器，应用于燃煤电站、干法水泥口转 大型脉 窑窑尾和电炉除尘。单台过滤面积超过1 0 0 0 0 m 2 的 后 冲 不在少数1 1 ，2 5 清灰方式的发展 从表1 - 2 可阻看出，袋式除尘技术的发展主要是清灰方式和滤料的发展。 从清灰方式发展情况看，近年来国内外众多学者都在这一领域做了大量的研 究。 1 9 9 5 年，】a c r o s s 和r h e l s t r o o m 1 5 】设计了一种在过滤过程中持续监 测袋式除尘器滤袋中粉尘质量和过滤压降的系统，该系统使滤饼层的建立以 及脱落过程得以在线观测，为进一步模拟研究清灰过程中粉尘定时迁移提供 了理论依据，该系统也成为过滤清灰研究中核心的角色。 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 1 9 9 5 年1 0 月，x l i 和a j c h a m b e r s l ”1 在以前的研究基础之上建立了 一个通过机械振动清灰的粉尘收集和移除的模型。该研究使得相当复杂的机 械振动清灰这一动态系统得以再现。 声波辅助反吹清灰技术也是近年来得以广泛应用的清灰方式之一。早在 1 9 8 4 年，r o b e rc c a r r 和w a l l a c eb s m i t h l ”j 的研究就表明，利用静电场可 以使荷电荷极化，导致粉尘层疏松，从而有利于清灰；另外，利用声波也可 以改善反吹清灰效果，反吹清灰在一些应用场所效果不理想，声波辅助技术 是降低袋式除尘器残余阻力和残留粉尘量的一种手段。 1 9 9 9 年，胡长金和马广大【l 驯在不同的声波作用下，测定了除尘器内的 残余阻力和清灰周期，阐明了声波反吹清灰效果与声波频率和声压的关系。 通过实验进一步证明，声波反吹清灰能有效地改善反吹清灰效果。实验证明， 在反吹清灰3 0 秒的过程中间鸣喇叭1 0 秒是最佳的组合方式。 脉冲喷吹清灰袋式除尘器是2 0 世纪6 0 年代发展起来并得到广泛应用的 除尘设备，随后，脉冲喷吹类袋式除尘器占据了主导地位。脉冲喷吹清灰是 一种采用高压脉冲喷吹逆向气流产生的压力波，使粉尘从滤袋表面上脱落的 方法。它是袋式除尘器的一种高效清灰方式。其优点是清灰效率高，能有效 地保证较低的阻力和较高的净化效率。早在1 9 8 1 年，m 】e l l e n b e e k e r 和 d l e i t h 【l 圳通过研究指出，清灰气流要吹掉沉积在滤袋上的粉尘，其速度必 须比过滤气流高得多。f l o f f e 一2 0 j 曾测得在大多数情况下将尘粒从纤维上吹 落的气流速度至少要达到1 0 2 0 m s ，而m 】e l l e n b e e k e r 和d l e i t h 在实验 室测得脉冲喷吹时的气流速度仅为0 3 0 - 5 m 俗；因此可以认为，脉冲喷吹 气流对粉尘剥落所起的作用很大。脉冲喷吹清灰主要是由于滤袋振动生产的 反向加速度，使尘粒获得较大剥离力才使其具有很高的清灰效率。 2 0 0 2 年，刘华等【z l j 提出对脉冲喷吹清灰机理问题的解析求解方法，用 柔性薄膜模拟滤袋，探讨了脉冲荷载作用下柔性薄膜的振动特性，求得了薄 膜振动变形的加速度随时间变化的规律。由于尘粒由薄膜表面分离下来所需 的力与薄膜振动的反向加速度有关，所以所得的研究结果可用于计算尘粒从 滤袋表面剥离所需的力。其工程意义是对所用滤料几何物理特性和袋式除尘 器运行参数作最佳组合，从而获得达到增效减阻的目的。 1 2 6 滤料的发展及分类 1 2 。6 1 滤料的发展目前袋式除尘器的研究主要集中在滤料的研究上， 滤料是其核心。滤料性能和质量的好坏，直接关系到袋式除尘器的性能和使 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 用寿命。滤料的发展从使用天然纤维如棉布、毛呢等，到现在人工合成纤维， 如2 0 8