脉冲袋式除尘器过滤风速的确定

随着污染物排放总量控制的实施,国家对污染物排放限值提出了更高要求,如自2005年起新建的水泥厂,其生产设备排放的烟粉尘浓度不能超过50mg/Nm³和30mg/Nm³ ,自2004年起新建的火电厂,烟尘排放浓度不能超过50mg/Nm³。为了满足这日趋严格的排放标准,高效率的净化设备得到广泛应用。袋式除尘器是众多除尘器中效率高的设备,它能使烟粉尘出口浓度降至10mg/Nm3以下,所以在冶金、建材、化工行业得到广泛应用。目前一些火电厂锅炉除尘也逐渐转向采用袋式除尘器,一些上了静电除尘器的厂家也将改造为袋式除尘器;同时垃圾焚烧、垃圾焚烧发电厂、燃煤工业锅炉及水泥、沥青混凝土拌和站均在广泛使用袋式除尘器,所以袋式除尘器的应用前景和发展形势是非常好的。
       设计袋式除尘器好关键在两个方面:一是类型和材料选择,包括布料和清灰方式;二是参数设计,包括过滤风速、阻力降和效率核算。但现实中,工程人员在设计袋式除尘器时,往往不会认真计算,仅仅凭一些经验参数做一些粗略估算,就开始制作设备,大多数情况下,这些设备也能将烟粉尘处理达标,究其原因,是袋式除尘器除尘效率很高,给设计人员的误差范围很大,从而掩盖了设计人员所犯的错误,这种设备就长期稳定运转来说是达不到要求的。所以,从技术方面来说,袋式除尘器设计,也应该和其他除尘器设计一样,必须进行较为详细的设计计算和验算,才能做到既能保证污染物达标排放,又能做到节能和设备的长期稳定过程。
       目前工程上应用的布袋除尘器主要有两类,一是脉冲袋式除尘器,二是反吹袋式除尘器,脉冲袋式除尘器因清灰效果好、过滤风速大、设备体积小,在各行业获得日益广泛的应用。脉冲袋式除尘器普遍使用针刺毡滤袋,过滤风速取值范围较大,可在0.6~1.5m/min之间选取,正因为范围较大,所以工程设计时,究竟取多大值必须加以研究。而反吹袋式除尘器一般使用织造布,过滤风速常在0.4~0.5m/min之间选取,因取值范围小,工程设计时一般取中间值0.45m/min即可。本文主要对脉冲袋式除尘器的过滤风速的设计作一些实验探讨。因为过滤风速的大小是决定布袋除尘器除尘效率高低和能否长期有效运转的关键参数。

1 过滤风速与烟粉尘粒径之间的关系分析

      经分析,袋式除尘器过滤风速(也称气布比)一般与被处理的废气的温度、含尘浓度和尘的粒径密切相关,即
V=f (T, C, dp)
      在这三个参数中,主要还是粒子的粒径,为了弄清过滤风速与粒径之间的关系,我们作了如下实验。
      作者在2003~2005年间设计制造了70余台袋式除尘器,分别用在冶金(铁合金、炼钢)、水泥、燃煤锅炉、机械加工(电焊、除锈)、化工(生产电石)等行业,经反复调试和改造,绝大部分设备除尘效率都达到99.9%以上,烟粉尘排放浓度小于30mg/Nm3,有的甚至小于10mg/Nm3。
      这里选取了用在铁合金矿热炉烟气除尘的19台除尘器,铁合金矿热炉烟尘由于烟尘粒径细、烟气温度高,治理难度极大,不论机械式除尘器、湿式除尘器,还是静电除尘器,均不能达标,只有采用布袋除尘器,且布袋除尘器中又只能选取脉冲清灰和逆气流反吹清灰才行,因此19台除尘器均采用长袋低压脉冲袋式除尘器,所有矿热炉烟气在进入除尘器前,经冷却将温度降低至200℃左右,废气中烟尘浓度在进入除尘器前均在1.2~2.0g/Nm3之间,这样就基本排除了烟尘浓度和烟气浓度对过滤风速的影响。具体参数见表1。

根据图1的曲线形式,可初步估计过滤风速与烟尘粒径有明确的函数关系,将表1的数据进行曲线拟合分析,可得到如下结果:

由此可见,长袋低压脉冲袋式除尘器的过滤风速与烟粉尘的粒径的对数成正比关系。同时,我们在实验室模拟时发现当粒子粒径小于1um时,脉冲除尘器过滤风速不能大于0.6m/min,这表明净化粒径小于1um的粉尘,用脉冲清灰除尘器和反吹清灰除尘器过滤风速基本一样(反吹清灰除尘器过滤风速一般为0.45m/min),但反吹清灰除尘器的造价比相同过滤面积的脉冲除尘器要小得多,因此在净化粒径小于1um的粒子时,宜采用反吹清灰除尘器,这样既能保证除尘的效果,又能节约投资。

2 过滤风速与温度、浓度和粒径的综合关系

        从理论上分析,过滤风速与温度之间的关系应该不密切,只不过净化微细粉尘(粒径<1um)时,温度越高,粒子布朗扩散越强,过滤风速宜取较小值,可使效率高一些。关于废气中烟粉浓度对过滤风速的影响,相对说来就要大一些:一般说来,废气中烟粉尘浓度越高,过滤风速就应小一些,这样才能减少清灰次数,维持烟粉尘稳定排放。如果浓度较高,过滤风速也较大,不仅会发生粒子穿透,而且布袋上的粉尘层很快增厚,阻力迅速增大,相应地清灰频率也就增加,脉冲布袋除尘器,因清灰力度较大,虽然不会破坏初层粉尘,但清灰后,总有一段时间,除尘效率会下降(有时甚至会低于98% ),如果清灰次数越多,那么这种现象也就越多,进而影响除尘器的总效率,这对于排放要求很严格的行业(如排放浓度要求小于30mg/Nm3),是不容易达到要求的。因此,需将过滤风速取小一些,从而减少清灰次数,保持除尘器在高效率下正常运转。
       过滤风速到底和废气温度、烟粉尘浓度有何具体关系,我们可从实验上加以研究,表2是作者为各行业设计的除尘器的工作参数表(仅选取了除尘效率在9919%以上的设备或出口排放浓度小于30mg/Nm3的设备)。

从表2的数据可粗略看出,烟尘粒径越小,过滤风速就越小;从图2和图3的关系曲线可看出废气中含尘浓度越高,过滤风速就越小;废气温度越高,过滤风速越小。因此,可近似认为过滤风速与废气温度、烟粉尘浓度成反比。由于废气温度、烟尘浓度、烟粉尘粒径3个变量是互不相关的独立变量,任何独立的随机变量其联合出现的概率密度等于其各自的概率密度之积,所以我们可以认为过滤风速与废气温度、烟尘浓度和粒径的综合关系是它们各自独立关系的积,也即:

 将表2的数据代入上式,经曲线拟合,我们得到如下关系式:


       由此可见,脉冲清灰袋式除尘器过滤风速与废气温度和废气中的烟粉尘浓度成反比,与烟粉尘粒径的对数成正比。
       该式虽是通过曲线拟合得到的,但我们在2005年后设计脉冲除尘器时,其过滤风速的选取均是采用该模式计算,每台除尘器的除尘效果都达到了要求(除尘效率达到99.9%或排放口浓度小于30g/Nm³)。

3 结 论

      过滤风速的选取是袋式除尘器设计的关键参数,直接关系到除尘效率的高低。本文在对工程应用中的各除尘器的相关参数测定后,通过曲线拟合,得出过滤风速与废气温度、废气中的烟粉尘浓度、烟粉尘粒径之间的数学模型。同时经检验采用该模型来指导设计,在一定范围内是可行的。