隨著污染物排放總量控制的實施,國家對污染物排放限值提出了更高要求,如自2005年起新建的水泥廠,其生產設備排放的煙粉塵濃度不能超過50mg/Nm3和30mg/Nm3 ,自2004年起新建的火電廠,煙塵排放濃度不能超過50mg/Nm3。為了滿足這日趨嚴格的排放標準,高效率的凈化設備得到廣泛應用。袋式除塵器是眾多除塵器中效率高的設備,它能使煙粉塵出口濃度降至10mg/Nm3以下,所以在冶金、建材、化工行業得到廣泛應用。目前一些火電廠鍋爐除塵也逐漸轉向采用袋式除塵器,一些上了靜電除塵器的廠家也將改造為袋式除塵器;同時垃圾焚燒、垃圾焚燒發電廠、燃煤工業鍋爐及水泥、瀝青混凝土拌和站均在廣泛使用袋式除塵器,所以袋式除塵器的應用前景和發展形勢是非常好的。
       設計袋式除塵器好關鍵在兩個方面:一是類型和材料選擇,包括布料和清灰方式;二是參數設計,包括過濾風速、阻力降和效率核算。但現實中,工程人員在設計袋式除塵器時,往往不會認真計算,僅僅憑一些經驗參數做一些粗略估算,就開始制作設備,大多數情況下,這些設備也能將煙粉塵處理達標,究其原因,是袋式除塵器除塵效率很高,給設計人員的誤差范圍很大,從而掩蓋了設計人員所犯的錯誤,這種設備就長期穩定運轉來說是達不到要求的。所以,從技術方面來說,袋式除塵器設計,也應該和其他除塵器設計一樣,必須進行較為詳細的設計計算和驗算,才能做到既能保證污染物達標排放,又能做到節能和設備的長期穩定過程。
       目前工程上應用的布袋除塵器主要有兩類,一是脈沖袋式除塵器,二是反吹袋式除塵器,脈沖袋式除塵器因清灰效果好、過濾風速大、設備體積小,在各行業獲得日益廣泛的應用。脈沖袋式除塵器普遍使用針刺氈濾袋,過濾風速取值范圍較大,可在0.6~1.5m/min之間選取,正因為范圍較大,所以工程設計時,究竟取多大值必須加以研究。而反吹袋式除塵器一般使用織造布,過濾風速常在0.4~0.5m/min之間選取,因取值范圍小,工程設計時一般取中間值0.45m/min即可。本文主要對脈沖袋式除塵器的過濾風速的設計作一些實驗探討。因為過濾風速的大小是決定布袋除塵器除塵效率高低和能否長期有效運轉的關鍵參數。

1 過濾風速與煙粉塵粒徑之間的關系分析

      經分析,袋式除塵器過濾風速(也稱氣布比)一般與被處理的廢氣的溫度、含塵濃度和塵的粒徑密切相關,即
V=f (T, C, dp)
      在這三個參數中,主要還是粒子的粒徑,為了弄清過濾風速與粒徑之間的關系,我們作了如下實驗。
      作者在2003~2005年間設計制造了70余臺袋式除塵器,分別用在冶金(鐵合金、煉鋼)、水泥、燃煤鍋爐、機械加工(電焊、除銹)、化工(生產電石)等行業,經反復調試和改造,絕大部分設備除塵效率都達到99.9%以上,煙粉塵排放濃度小于30mg/Nm3,有的甚至小于10mg/Nm3。
      這里選取了用在鐵合金礦熱爐煙氣除塵的19臺除塵器,鐵合金礦熱爐煙塵由于煙塵粒徑細、煙氣溫度高,治理難度極大,不論機械式除塵器、濕式除塵器,還是靜電除塵器,均不能達標,只有采用布袋除塵器,且布袋除塵器中又只能選取脈沖清灰和逆氣流反吹清灰才行,因此19臺除塵器均采用長袋低壓脈沖袋式除塵器,所有礦熱爐煙氣在進入除塵器前,經冷卻將溫度降低至200℃左右,廢氣中煙塵濃度在進入除塵器前均在1.2~2.0g/Nm3之間,這樣就基本排除了煙塵濃度和煙氣濃度對過濾風速的影響。具體參數見表1。

根據圖1的曲線形式,可初步估計過濾風速與煙塵粒徑有明確的函數關系,將表1的數據進行曲線擬合分析,可得到如下結果:

由此可見,長袋低壓脈沖袋式除塵器的過濾風速與煙粉塵的粒徑的對數成正比關系。同時,我們在實驗室模擬時發現當粒子粒徑小于1um時,脈沖除塵器過濾風速不能大于0.6m/min,這表明凈化粒徑小于1um的粉塵,用脈沖清灰除塵器和反吹清灰除塵器過濾風速基本一樣(反吹清灰除塵器過濾風速一般為0.45m/min),但反吹清灰除塵器的造價比相同過濾面積的脈沖除塵器要小得多,因此在凈化粒徑小于1um的粒子時,宜采用反吹清灰除塵器,這樣既能保證除塵的效果,又能節約投資。

2 過濾風速與溫度、濃度和粒徑的綜合關系

        從理論上分析,過濾風速與溫度之間的關系應該不密切,只不過凈化微細粉塵(粒徑<1um)時,溫度越高,粒子布朗擴散越強,過濾風速宜取較小值,可使效率高一些。關于廢氣中煙粉濃度對過濾風速的影響,相對說來就要大一些:一般說來,廢氣中煙粉塵濃度越高,過濾風速就應小一些,這樣才能減少清灰次數,維持煙粉塵穩定排放。如果濃度較高,過濾風速也較大,不僅會發生粒子穿透,而且布袋上的粉塵層很快增厚,阻力迅速增大,相應地清灰頻率也就增加,脈沖布袋除塵器,因清灰力度較大,雖然不會破壞初層粉塵,但清灰后,總有一段時間,除塵效率會下降(有時甚至會低于98% ),如果清灰次數越多,那么這種現象也就越多,進而影響除塵器的總效率,這對于排放要求很嚴格的行業(如排放濃度要求小于30mg/Nm3),是不容易達到要求的。因此,需將過濾風速取小一些,從而減少清灰次數,保持除塵器在高效率下正常運轉。
       過濾風速到底和廢氣溫度、煙粉塵濃度有何具體關系,我們可從實驗上加以研究,表2是作者為各行業設計的除塵器的工作參數表(僅選取了除塵效率在9919%以上的設備或出口排放濃度小于30mg/Nm3的設備)。

從表2的數據可粗略看出,煙塵粒徑越小,過濾風速就越小;從圖2和圖3的關系曲線可看出廢氣中含塵濃度越高,過濾風速就越小;廢氣溫度越高,過濾風速越小。因此,可近似認為過濾風速與廢氣溫度、煙粉塵濃度成反比。由于廢氣溫度、煙塵濃度、煙粉塵粒徑3個變量是互不相關的獨立變量,任何獨立的隨機變量其聯合出現的概率密度等于其各自的概率密度之積,所以我們可以認為過濾風速與廢氣溫度、煙塵濃度和粒徑的綜合關系是它們各自獨立關系的積,也即:

 將表2的數據代入上式,經曲線擬合,我們得到如下關系式:


       由此可見,脈沖清灰袋式除塵器過濾風速與廢氣溫度和廢氣中的煙粉塵濃度成反比,與煙粉塵粒徑的對數成正比。
       該式雖是通過曲線擬合得到的,但我們在2005年后設計脈沖除塵器時,其過濾風速的選取均是采用該模式計算,每臺除塵器的除塵效果都達到了要求(除塵效率達到99.9%或排放口濃度小于30g/Nm3)。

3 結 論

      過濾風速的選取是袋式除塵器設計的關鍵參數,直接關系到除塵效率的高低。本文在對工程應用中的各除塵器的相關參數測定后,通過曲線擬合,得出過濾風速與廢氣溫度、廢氣中的煙粉塵濃度、煙粉塵粒徑之間的數學模型。同時經檢驗采用該模型來指導設計,在一定范圍內是可行的。