林 宏，鄧曉東，陳奎續(xù)，李梟鳴

(福建龍凈環(huán)保股份有限公司，福建 龍巖 364000)

1 引言

袋式除塵器是工業(yè)生產(chǎn)中廣泛采用的一種煙氣凈化設(shè)備[1-3]，其過(guò)濾元件種類很多，從材質(zhì)組分講，有棉、化纖、陶瓷、玻璃等[4]；從制造方法分，有織造、非織造材料。其中，非織造纖維濾料是由纖維構(gòu)成的一種非均質(zhì)、非連續(xù)的多孔體，對(duì)氣體有良好的通透性，對(duì)粉塵等有吸附能力，具有過(guò)濾效率高、阻力低、壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)[5]，在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用越來(lái)越廣泛，如聚酯(polyester，PET)、聚苯硫醚(polyphenylene sulfide，PPS)、芳香族聚酰胺(aromatic polyamide，AR)、聚酰亞胺(polyimide fiber，P84)、聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene，PTFE)等制作的過(guò)濾材料，已被廣泛應(yīng)用于電力[6-8]、鋼鐵[9]、水泥[10]等行業(yè)的超低排放改造。近幾十年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)纖維過(guò)濾材料的性能進(jìn)行了大量的研究，纖維形態(tài)性能的提升及其多樣化發(fā)展，促進(jìn)了其在過(guò)濾領(lǐng)域的應(yīng)用[11-12]。非織造纖維濾料的過(guò)濾效率與過(guò)濾風(fēng)速[13-14]、纖維直徑[15]、纖維填充率[16]、入口含塵濃度[17]密切相關(guān)。孫潔等[18]通過(guò)研究濾料結(jié)構(gòu)改變對(duì)纖維濾料過(guò)濾效果的影響，發(fā)現(xiàn)隨織物面密度的增大，濾料過(guò)濾效果有一定程度的提升。蔡偉龍等[18]研究了凈化材料的孔徑及分布對(duì)濾料過(guò)濾效果的影響，發(fā)現(xiàn)覆膜濾料具有孔徑較小且分布均勻的特點(diǎn)，而且過(guò)濾效果較好。

在袋式除塵器設(shè)計(jì)中，除塵效率計(jì)算不僅是一個(gè)重要的理論問(wèn)題，而且是一個(gè)非常重大的實(shí)際問(wèn)題。如果設(shè)計(jì)中除塵效率取值偏小，則除塵器運(yùn)行時(shí)出口粉塵排放濃度容易超標(biāo)；反之，取值偏大，則會(huì)造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。同時(shí)，當(dāng)煙氣進(jìn)入除塵器后，由于煙氣流速降低，部分粉塵會(huì)自然沉降，使得除塵器的除塵效率大于濾料的過(guò)濾效率。因此，一般用濾料的過(guò)濾效率計(jì)算結(jié)果來(lái)代替除塵器的效率。由于一些書籍或論文推薦的除塵效率計(jì)算方法與工程實(shí)踐差距較大，目前工程設(shè)計(jì)時(shí)袋式除塵器過(guò)濾效率的選取，大多以基于實(shí)驗(yàn)或工程得出的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)為主。本研究通過(guò)建立粉塵經(jīng)過(guò)纖維層過(guò)濾面的模型，從理論上推導(dǎo)過(guò)濾效率，得出濾層過(guò)濾效率的計(jì)算公式，同時(shí)以一些常用濾料為例，結(jié)合大量工程實(shí)踐數(shù)據(jù)，進(jìn)一步推導(dǎo)出一個(gè)實(shí)用簡(jiǎn)化公式，供袋式除塵工程設(shè)計(jì)時(shí)參考。

2 除塵效率公式推導(dǎo)與主要參數(shù)確定

2.1 濾袋與濾料結(jié)構(gòu)

濾袋是除塵器的主要過(guò)濾元件，一般采用濾布縫制成袋狀元件，大多是圓柱形，直徑為100～300mm，當(dāng)采用外濾式工作時(shí)，內(nèi)腔則需安裝一個(gè)袋籠。常見(jiàn)的濾料結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 常見(jiàn)的濾料結(jié)構(gòu)

上世紀(jì)70～80年代，袋除塵器多用于凈化溫度小于150℃的工業(yè)廢氣，且僅適用于濃度小于150mg/m3的排放要求[19]，所以濾料多采用聚酯質(zhì)機(jī)制布。隨著排放標(biāo)準(zhǔn)的提高，濾料目前已普遍采用針刺氈質(zhì)濾布，且克重增至550g/m2以上，并根據(jù)煙氣溫度大小采用不同材質(zhì)的濾布，此外，為增強(qiáng)濾布的抗拉強(qiáng)度，通常還增加一層網(wǎng)狀基布。

2.2 過(guò)濾效率計(jì)算

2.2.1 濾料過(guò)濾效率理論推導(dǎo)

為簡(jiǎn)化計(jì)算，作如下假設(shè)：

(1)粉塵粒徑是均一的，且為20μm；

(2)氣流速度沿濾層平面是均勻的；

(3)濾層的積灰很少，對(duì)過(guò)濾效率影響基本可以忽略。

過(guò)濾元件的立體圖如圖2所示。

圖2 過(guò)濾元件濾料立體圖

煙氣通過(guò)過(guò)濾元件被凈化，設(shè)元件高度為h，寬度為b，厚度為l，煙氣流速(即過(guò)濾風(fēng)速)為v，則煙氣流通面積f為：

f=b×h

(1)

沿過(guò)濾元件厚度方向取x軸，在x軸上取一微距離dx，則微體積為：

dV=f×dx=b×h×dx

(2)

微體積內(nèi)粉塵質(zhì)量為：

dm≈cx×dV

(3)

式中：cx為x點(diǎn)斷面的粉塵濃度，當(dāng)dx很小時(shí)，在微體積內(nèi)可認(rèn)為是均值。

(4)

在所研究的微體積內(nèi)，經(jīng)時(shí)間間隔dt，則沉積到纖維上粉塵質(zhì)量為：

d2m=-cx×ωx×dAc×dt

(5)

式中：dAc為微體積內(nèi)過(guò)濾層的微分面積，ωx為粉塵向該面積的沉積速度

dAc=d×lf×b×h×dx

(6)

式中：lf為單位體積中纖維的長(zhǎng)度總數(shù)，d為纖維直徑。

設(shè)c為纖維的填充率，則：

(7)

(8)

微體積內(nèi)的粉塵濃度變化率為：

(9)

由式(1)～(8)得：

(10)

設(shè)v0為過(guò)濾層內(nèi)的氣流速度，則：

dx=v0×dt

(11)

(12)

而：

(13)

式中：q為煙氣流量。

將式(13)代入(12)，再代入(10)，可得：

(14)

積分：

(15)

式中：c0、cl分別為濾料氣體進(jìn)出口處煙氣含塵濃度，l為濾層厚度。

(16)

(17)

則：

(18)

式中：α為濾料的結(jié)構(gòu)系數(shù)。

2.2.2 主要參數(shù)確定

(1)濾料結(jié)構(gòu)系數(shù)

工程上應(yīng)用的濾料品種很多，如PPS、P84、PPS+PTFE復(fù)合材料[21-22]等。不同濾料具有不同參數(shù)，在確定濾料材質(zhì)后，可確定參數(shù)c、d、l，將參數(shù)代入公式(18)，可得出對(duì)應(yīng)的α值。常見(jiàn)的幾種不同針刺氈濾料的參數(shù)及對(duì)應(yīng)值如表1所示。

表1 不同針刺氈濾料的參數(shù)及對(duì)應(yīng)α值Tab.1 The parameters of different needle felt filter materials and the corresponding α value

(2)沉積速度ωx

過(guò)濾過(guò)程的沉積速度ωx值主要決定于濾層的結(jié)構(gòu)，隨著過(guò)濾風(fēng)速的提高，ωx值也會(huì)變大。工程上合格濾料的ωx值多在3～5mm/s，通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)和工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，ωx取值可采用表2所列數(shù)據(jù)。

表2 ωx值與過(guò)濾風(fēng)速關(guān)聯(lián)參考值Tab.2 ωx value and filter wind speed correlation reference value

2.2.3 袋式除塵器所需過(guò)濾面積計(jì)算

以1臺(tái)660MW的燃煤鍋爐為例進(jìn)行計(jì)算說(shuō)明?？紤]到要滿足最新的污染物排放標(biāo)準(zhǔn)限值要求，對(duì)于大型燃煤機(jī)組、高濃度煙塵情況，不宜僅采用袋式除塵器進(jìn)行煙氣凈化，可選擇電袋除塵器。該項(xiàng)目處理煙氣量為320×104m3/h，煙氣溫度140℃，除塵器電場(chǎng)區(qū)進(jìn)口煙塵濃度為60g/m3，袋區(qū)進(jìn)口煙塵濃度為10g/m3，要求除塵器出口煙氣含塵濃度小于10mg/m3。

根據(jù)燃煤鍋爐煙氣的化學(xué)組成和粉塵特性，濾料可選取表1中的PPS濾料(基布為PTFE)，除塵器袋區(qū)過(guò)濾效率需達(dá)到：

(19)

按表1取α值38.4，用插入法，初選過(guò)濾風(fēng)速0.0155m/s(即0.93m/min)。按表2，ωx為2.85×10-3m/s，按式(18)計(jì)算k值，按式(17)計(jì)算η值。若η值小于η0，則重新選擇過(guò)濾風(fēng)速計(jì)算，直到η值大于且接近η0，再計(jì)算過(guò)濾面積a。

=7.06

η=1-exp(-k)

=99.91%

>99.9%

滿足要求，則所需濾袋過(guò)濾面積a為：

=57347(m2)

(20)

當(dāng)選取?160×8000mm規(guī)格的濾袋時(shí)，需：

=14265(條)

(21)

除塵器出口的粉塵排放濃度為：

cl=c0×(1-η)

=10×(1-0.9991)

=9(mg/m3)

<10(mg/m3)

(22)

3 過(guò)濾效率公式討論

根據(jù)公式(17)可知，影響濾料過(guò)濾效率的參數(shù)包括過(guò)濾風(fēng)速v，纖維直徑d，纖維填充率c等。

3.1 過(guò)濾風(fēng)速

文獻(xiàn)研究表明，過(guò)濾風(fēng)速越大，除塵效率越低[23-24]。由式(11)可知，當(dāng)過(guò)濾風(fēng)速增大時(shí)，所需濾袋過(guò)濾面積可減少，可降低設(shè)備費(fèi)用，但過(guò)濾效率會(huì)降低，與前人文獻(xiàn)研究結(jié)果相符。例如，風(fēng)速v從1.0m/min提高至1.2m/min時(shí)，濾袋的過(guò)濾效率將從99.87%降至99.75%，如果除塵器入口的煙氣含塵濃度保持不變，則出口的排放濃度將增大。

3.2 纖維直徑

當(dāng)纖維直徑變小時(shí)，過(guò)濾效率將增大。但是，選用超細(xì)纖維濾料費(fèi)用會(huì)增加，過(guò)濾層的阻力也會(huì)增大[25-26]。為解決該問(wèn)題，近幾年來(lái)，行業(yè)內(nèi)普遍推廣梯度濾料，其表層選用5μm的超細(xì)纖維以提高過(guò)濾效率，而在背風(fēng)面采用較粗的25μm的纖維以降低過(guò)濾阻力。實(shí)踐證明，這是很有效的方法。

3.3 纖維填充率

武松梅[27]、聶雪麗[28]等研究發(fā)現(xiàn)非織造過(guò)濾材料孔徑對(duì)過(guò)濾效率有直接的影響，隨著非織造過(guò)濾材料孔徑的增大，過(guò)濾效率降低。例如填充率由0.185增至0.250，過(guò)濾材料孔徑變小，能提高過(guò)濾效率，與前人研究相符，但相應(yīng)的費(fèi)用也會(huì)增加。

3.4 煙氣含塵濃度

公式(17)中沒(méi)有進(jìn)口煙氣含塵濃度參數(shù)，這是理論上的不足。實(shí)踐表明，同一結(jié)構(gòu)的濾料，當(dāng)煙氣含塵濃度增大時(shí)，過(guò)濾效率也會(huì)增大，這個(gè)問(wèn)題有待進(jìn)一步研究。

4 工程案例驗(yàn)證

現(xiàn)以應(yīng)用較多的燃煤鍋爐、水泥窯爐兩個(gè)行業(yè)，共5項(xiàng)工程案例對(duì)公式(17)進(jìn)行驗(yàn)證，包括燃煤鍋爐50MW袋式除塵器1臺(tái)，燃煤鍋爐300MW、600MW電袋除塵器各1臺(tái)，水泥窯爐2臺(tái)。經(jīng)測(cè)試，出口含塵濃度均可達(dá)到10mg/m3，甚至5mg/m3，工程實(shí)際過(guò)濾面積與設(shè)計(jì)過(guò)濾面積誤差較小，相對(duì)誤差在±0.6%之內(nèi)。

表3 工程案例驗(yàn)證Tab.3 Engineering case verification

5 結(jié)論

(2)5個(gè)工程案例對(duì)推導(dǎo)公式的驗(yàn)證表明，除塵效率公式在燃煤鍋爐和水泥窯爐等不同行業(yè)、PPS和P84等不同濾料結(jié)構(gòu)的實(shí)際工程設(shè)計(jì)中可行，在能保證出口含塵濃度均可達(dá)到10mg/m3，甚至5mg/m3的條件下，工程實(shí)際過(guò)濾面積與設(shè)計(jì)過(guò)濾面積相對(duì)誤差都在±0.6%之內(nèi)，具有較好的適用性。