空气除尘设备及技术的发展

第’“卷第‘•期现代化工·’••“Oct.’••“年‘•月ModernChemicalIndustry49·环保与安全空气除尘设备及技术的发展高坚1张卫东1郝新敏2张泽廷1(1.北京化工大学化学工程学院,北京100029;2.东华大学纺织学院,上海200051)摘要:介绍了目前主要的空气除尘设备的工作原理、除尘性能和适应场合。重点评述了改进的电除尘器和袋式除尘器的技术特点及在我国的应用情况和发展前景。指出以碳纤维膜作吸尘极的膜电除尘器可以提高除尘效率和操作性能,可同时实现除尘、脱硫、脱硝、除重金属,有望大量应用于我国的燃煤电厂;袋式除尘器的表面过滤技术已从预涂层发展到覆膜,由此发展的覆膜滤料以其低阻、高效及寿命长的特点成为袋式除尘器的发展方向。关键词:空气净化;除尘设备;高效除尘中图分类号:TQ028文献标识码:A文章编号:0253-4320(2003)10-0049-05DevelopmentofaircleaningequipmentandtechnologiesGAOJian1,ZHANGWei2dong1,HAOXin2min2,ZHANGZe2ting1(1.CollegeofChemicalEngineering,BeijingUniversityofChemicalTechnology,Beijing100029,China;2.CollegeofTextiles,DonghuaUniversity,Shanghai200051,China)Abstract:Thedevelopmentofaircleaningtechnologiesandequipmentforindustrialdustcontrollingwasreviewed.Ac2cordingtodustremovalmechanism,fordifferenttechnology,theoperationperformance,suchaseffectiveparticlediameterofbe2ingcollected;removalefficiencyandpressuredrop,werediscussed.Newtechnologiesincludingmembraneeletrostaticprecipita2torandsurface2filtrationwereintroduced,andtheapplicationstatusanddevelopmentalforegroundofthosetechnologiesinChinawerediscussed.Itwaspointedoutthatthenewtypeofmembraneelectrostaticprecipitator(MESP)withcarbonfibermembraneasdustabsorptionelectrodenotonlycouldimproveremovalefficiencyandoperationperformanceofESP,butalsohadmanyad2vantagessuchassulphurremoval,denitrationandheavymetalremoval;surfacefiltrationusedinbagfiltersactedastheinitiallayerfiltermediaatfirst,nowmembranefiltermediahadbecomeoneofmaindevelopmentaldirectionandwouldbehopefultoapplicationincoal2firedpowerplantsinChinabecauseofitsexcellentperformanceoflowresistance,highefficiency,longusefullife,etc.Keywords:aircleaning;dustremovalequipment;highefficiencydustremoval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,国际组织制定了一系列旨在保护环境的技术标准。如何防治大气污染、洁净空气环境也是人们不断研究的课题[1-2]。特别是我国的主要能源是煤炭,燃煤过程中会产生大量的煤粉尘,严重污染了大气环境。这些空气中细微煤粉尘,尤其是直径为215～6μm的飘尘对人体健康有极大危害。它不仅会在肺部沉积,还可以直接进入血液到达人体各部位。粉尘粒子表面还会附着各种有毒物质,收稿日期:2003-06-24;修回日期:2003-07-21它一旦进入人体,就会引发各种呼吸系统疾病,危害将更大。因此,控制粉尘尤其是直径为215～6μm的细微粉尘的排放,是我国治理大气污染、洁净空气环境的重要举措。此外,电子、精密仪器加工等行业对空气中含尘量的要求更高,一般都要求对亚微米级粉尘的除尘效率达99197%以上[3],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空气除尘设备的研究现状按捕集粉尘的作用力及原理,除尘设备可分为基金项目:国家高技术研究发展计划(2002AA64)及北京科技新星计划项目(H013610250112)作者简介:高坚(1978-),男,博士生;张卫东(1969-),男,博士,副教授,主要从事膜分离方面研究,通讯联系人,010-64434788,[e-mail]。文丘里管除尘器1111第’“卷第‘•期·50·现代化工4类:机械式除尘、电除尘、过滤式除尘和湿式洗涤备,包括旋风除尘及其他湿式除尘等;低效除尘设除尘设备。按除尘效率可分为:高效除尘设备,包括备,包括重力沉降、惯性除尘等。表1列出了各种除电除尘、袋式除尘、高效文丘里除尘等;中效除尘设尘设备的性能及其适应场合。表1各种除尘设备的性能及其适应场合作用力有效捕集处理气速/除尘效率/阻力/适用场合备注粒径/μmm·s-1%kPa机械式除尘器沉降室重力5005～1050～601一级粗除尘低效惯性除尘器惯性力2012～1560～6502～1一级粗除尘低效旋风分离器离心力510～3075～9004～2二级除尘中效过滤式除尘器11111袋式除尘器重力、惯性力、粘高效、超高效过滤高效0105～20999908～2附力、电场力等(过滤气速)除尘重力、惯性力、粘11颗粒层除尘器104～08991高效过滤除尘高效附力、电场力等05(过滤气速)08～2111电除尘器电场力7～3099高效、高温除尘高效0501～02湿式除尘器111重力喷雾洗涤器重力、惯性力60～808二级除尘中效5005～15冲击水浴除尘器重力、惯性力58～15859二级除尘较高效重力、惯性力054～5958～10高效除尘高效,但阻力大,费水111沉降室沉降室也叫重力除尘器,是一种借助重力作用使含尘气体中粉尘自然沉降以达到净化气体目的的装置。当含尘气体水平通过沉降室时,尘粒受沉降力的作用向下运动,经过一定时间后尘粒沉降到沉降室的底部而分离,净化后的气体通过出口排出。沉降室的沉降速度太小,一般只用于分离50μm以上的尘粒。因此沉降室通常用于粗尘粒的预除尘。112惯性除尘器惯性除尘器是利用粉尘在运动中惯性力大于气体惯性力的作用,将粉尘从含尘气体中分离出来的设备。其利用一系列的挡板,惯性大的颗粒被阻挡下落,小的颗粒绕板而过。粉尘粒径越大、气流速度越大、挡板数越多和距离越小,则除尘效率越高,但压力损失也越大。这种除尘器结构简单,分离临界粒径为20～30μm,压力损失为100～1000Pa。113旋风分离器旋风分离器是利用旋转的含尘气体所产生的离心力,将粉尘从气流中分离出来的一种干式气-固分离装置。当含尘气体进入旋风分离器时,气流将由直线运动变为圆周运动。含尘气体在旋转过程中产生离心力,将密度大于气体的尘粒甩向器壁,进入排灰管。旋风分离器用于工业生产已有100余年历史[5]。对于捕集、分离5～10μm粉尘的效率较高,一般能达85%,但对于5μm以下的颗粒效率只有50%。同时,旋风分离器的理论与实验研究十分困难,其应用也因此受到限制。旋风分离器有如下特点:结构简单,不需特殊的附属设备;操作、维护简单,压力损失中等,动力消耗不大;操作弹性大,性能稳定,不受含尘气体的浓度和温度等影响。旋风分离器对粉尘的物理性质无特殊要求,作为一种重要的二级除尘设备被广泛应用于化工、石油、冶金、建筑、矿山、机械、轻纺等工业部门。114湿式除尘器湿式除尘器是使含尘气体与水或其他液体接触,利用水滴和尘粒的惯性碰撞等作用把尘粒从气流中分离出来的设备。其除尘机理是:当含有悬浮尘粒的气体与水相遇接触且气体冲击到湿润的器壁时,尘粒被器壁所粘附,或者当气体与喷洒的液滴相遇时,液体在尘粒质点上凝集,增大了质点的质量,而使之降落。在湿式除尘器中,气体与液体的接触方法有2种,一种是气体与水膜和已被雾化了的水滴接触,如文丘里管除尘器、水膜除尘器等;另一种是气体冲击水层时鼓泡,以形成细小的水滴和水膜,如冲击式除尘器、自激式除尘器等。总的来说,湿式除尘器主要靠惯性碰撞、粘附、扩散3种作用将粉尘除去。湿式除尘器类型较多,而最具代表性的是文丘里管除尘器和水膜除尘器[3]。文丘里管除尘器能除去1～5μm的尘粒,效率较高,而且不会产生二次飞’••“年‘•月高坚等:空气除尘设备及技术的发展·51·扬,特别适宜具有粘附和潮解性的粒径1μm以下的粉尘。其缺点在于:首先压降大,当去除1μm以上的尘粒时压降约2000Pa,效率约90%,当粉尘粒径小于015μm时,压降高达10000Pa,效率也较低;其次是含尘污水的处理问题,文丘里管除尘器的用水量较大,在设计与使用时必须充分考虑。水膜除尘器效率不如文丘里管除尘器,一般为85%～90%,但因其用水量较少,阻力相对较低(一般仅为100～150Pa),也得到较广泛的应用。115电除尘器自1906年F1G1Cottrell在工业上应用静电除尘器(ESP)以来,ESP已发展成一种公认的高效除尘装置[6]。其工作原理为:将直流高压施加于放电极和收尘极之间形成电场,使气体电离,让悬浮微粒荷电收集电场中荷电微粒并将其排除到外部。在合适条件下使用ESP,其效率可达99%甚至更高。电除尘器性能的提高,不仅取决于除尘器本身的结构,而且还取决于高低供电装置的供电质量、控制性能和供电方式的改进。目前ESP在化工、发电、水泥、冶金、造纸等工业部门被广泛应用。尤其在我国燃煤电厂,除尘设备基本都使用ESP。但是ESP对直径011～2μm尘粒的除尘效率较差,且ESP的除尘性能受粉尘电阻率的支配。一般来说,粉尘的电阻率为104～5×1010Ω·cm属正常范围,如低于此范围则易导致再飞扬,而高于此范围则易发生反电晕现象,并使除尘性能下降。由于粉尘电阻率与粉尘化学成分直接相关,所以ESP在某些场合不能适用。例如:粉煤灰的主要化学成分为SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、Na2O、TiO2、P2O3、Li2O等,其中SiO2和Al2O3占70%以上。若SiO2和Al2O3两项占粉煤灰的质量分数大于90%,则静电除尘器难于收尘。由于燃煤电厂煤种变化较大,因此粉尘的化学成分波动也较大,给电除尘的运行带来一定的困难。116袋式除尘器自1881年德国Betch工厂的机械振动清灰袋式除尘器获德国专利并开始袋式除尘器的商业化生产以来,袋式除尘器的清灰技术及袋滤技术得以迅速发展和提高[7]。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,技术上已日趋成熟。其对微粒粉尘的除尘效率在99199%以上,排放气的质量浓度小于50mg/m3,甚至可低达10mg/m3,且规格齐全,适用范围广,不受粉尘电阻率的影响,不存在水污染问题。在采取其他技术措施的条件下,可同时清洁工业废气中的固、液、气3类污染物。袋式除尘器的工作原理为:当含尘气体进入除尘器时,粗粉尘因受导流板的碰