靜電激發型袋除塵器的機理及應用前景
摘要:靜電激發型袋除塵器有別于常規的電袋結合除塵器，其是將電除塵器的預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的結構介紹了其除塵機理，并分析了它的應用前景。
關鍵詞:電除塵器;袋除塵器;電袋復合除塵器;預荷電;靜電激發
1 前言
電除塵器和袋除塵器是目前工業煙氣凈化設備中最重要的兩種除塵設備，兩者的除塵機理不同，各有優缺點。為提高煙氣凈化的效率，降低除塵設備的阻力，將電除塵和袋除塵的機理相結合的除塵器一直在不斷的研究中，并有一定的工業應用。
電除塵器和袋除塵器的組合稱為電袋復合型除塵器。目前世界上有兩種型式的電袋復合除塵器，一種是“前電后袋”的復合型除塵器（COHPAC），即含塵煙氣先經電除塵器除塵后，再進入袋除塵器。這種除塵器的主要特點是經電除塵器的預先除塵，降低了進入袋除塵器的粉塵濃度，從而提高了袋除塵器的過濾風速，延長了清灰周期，提高了濾袋壽命。這類除塵器在國內已有工業應用，尤其是在原有電除塵器的改造方面，具有一定的優勢。另一種為嵌入式復合型除塵器，典型的是1990年由美國北達科他大學能源與環境研究中心開發的Advanced Hybrid Particulate Collector（AHPC，先進混合型除塵器），在AHPC除塵系統中，沒有單獨的電除塵器或袋除塵器。在除塵器內部，濾袋的兩側布置了多孔板，該多孔板即電除塵器的極板。煙氣在到達濾袋前，首先要流經多孔板，大部分粉塵被除去，真正由濾袋捕集的只是少數（如圖1）。這種形式的除塵器在國外有文獻報導，在電力行業有所應用。
 |
圖1 先進混合型除塵器
而將電除塵的預荷電的原理作用于粉塵后，再利用袋除塵器進行除塵的技術在國內已有研究。如東北大學設計的靜電增強型袋除塵器的樣機已于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置荷電器，使進入除塵器的粉塵帶有一定的電荷，在濾袋表面產生一定的電場，從而增強纖維對粉塵的捕集力；同時，減輕了清灰力度。但是，由于電暈荷電器遠離濾袋的上游，粉塵會喪失電荷而使空間電荷對濾袋表面電場的增強減至可以忽略的程度。
本文主要闡述的靜電激發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的一類除塵器。最典型的代表是被 USEPA（美國環保署）命名，且于1993年、2000年申請專利的ESFF（靜電激發型袋除塵器）。GE能源部于2003年獲得獨家特許使用權并商業化后將其命名為Max-9TMESFF（Max-9的意思是指除塵效率最多的9，即靜電激發后，除塵效率從99.9+%增加到 99.99+%）。本文將基于Max-9的基本結構闡述其原理和應用情況。
2 Max-9靜電激發型袋除塵器的結構
2.1 電除塵器的基本結構（如圖2）
 |
圖2 電除塵器的基本結構
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，實現放電極的清灰；下部通過導軌連接在一起，導軌通過絕緣瓷瓶固定在箱體上，防止震動清灰和氣流上升引起電極的偏移。收塵極由導電的濾袋和袋籠組成，在濾袋中編入導電纖維，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生率幾乎為零；在濾袋底部套上固定環，防止氣流對濾袋底部的沖擊而晃動。
2.2 袋除塵器的基本結構（如圖3）
 |
圖3 袋除塵器的基本結構
含塵煙氣從灰斗進入濾袋的中間，經過靜電激發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。控制系統根據阻力大小或一定的時間間隔，控制脈沖閥開啟，使高壓空氣從氣包內進入噴射管，而后從噴射孔中以較高速度噴出。高速氣流周圍形成一個相當于自己體積5～7倍的誘導氣流，一起進入濾袋內，使濾袋劇烈膨脹，引起沖擊振動，并在瞬時內產生由內向外的逆向氣流，使附著在濾袋外及吸入濾袋內部的塵粒被吹掃下來，落入灰斗。
3 靜電激發型袋除塵器的工作機理
在導電的濾袋和袋籠間間隔布置高壓電暈線，這時給電暈線施加電壓，即使沒有粉塵流動，也會在織物表面產生電場。當氣流從底部進入濾袋間后，附著于濾袋上的荷電粉塵又在整個濾袋表面產生電場；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的效果。實踐表明，最適于電除塵器工作的比電阻為 106 ～1011 Ω·cm，而對于激發來說，當比電阻在106 Ω·cm以下時，塵粒導電性能較好，到達濾袋表面立即釋放電荷。而且由于靜電感應可獲得和濾袋同極性的正電荷，當正電荷形成的排斥力大于粉塵的粘附力時，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，同時使部分濾袋失效。相反，當比電阻高于 1011 Ω·cm時，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一個新的電場，這個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愈來愈強的電場，如果不及時清灰，最后在這個區域的粉塵層空隙中就會出現電離，產生電暈放電。電暈放電產生的電子和負離子被吸向濾袋，正離子被濾袋排斥跑到氣流上升空間，這種現象也就是電除塵器運行中出現的反電暈現象。它的出現會嚴重降低電暈極的激發效果。
當荷電粉塵隨氣流接近濾袋表面時，使濾袋表面纖維感應帶電，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了濾袋表面纖維層的過濾效率；在電場力的作用下，微細粉塵在濾袋表面進行了凝并，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行。
上述的機理表明，對于低比電阻的粉塵，通過靜電激發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，電凝聚和互斥現象更顯著，有利于微細粉塵的捕集，阻力更低，但前提是要防止反電暈現象的發生。基于靜電激發對粉塵比電阻的敏感性，靜電激發的電壓選擇尤為重要。此外，清灰頻率的選擇和強度的設置也對靜電激發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，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，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，濾料應具有纖維較稀的表面層。所以，濾袋纖維的表面性質、導電性能對靜電激發的效果影響很大。
4 應用分析
GE能源公司2005年在Alabama Plant Miller 工廠鍋爐上使用的一臺Max-9TMESFF的數據如下表。
 |
其電壓控制應用了自動電壓控制系統SQ300，提高了靜電激發的效果，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%。
從靜電激發型袋除塵器的機理和Max-9TMESFF的應用數據來分析，靜電激發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，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勢來看，在有毒有害物質的回收方面（如利用活性炭吸附汞）具有很大的推廣作用。但是，在激發電壓的控制選擇和設備的大型化，以及降低造價方面還有待探索和實踐。所以，此類除塵器在國內的推廣和應用還需要一定的時間。
參考文獻：
[1] 黃煒，等.電-袋復合式除塵技術及應用[J].中國環保產業，2006，（4）.
[2] 吳京楊.電袋復合型除塵器的應用分析[J].能源環境保護，2007.（8）.
[3] 榮偉東，等.靜電增強布袋除塵器的實驗研究及應用[J].建筑熱能通風空調， 2003，（2）.
[4] 嵇敬文，等.電袋結合除塵器技術綜述[EB/OL].
[5] 黃斌，等.靜電對纖維濾料過濾飛灰顆粒的影響[J].中國電機工程學報， 2006，（12）.
使用微信“掃一掃”功能添加“谷騰環保網”
