江苏环境科技
JiangsuEnvironmentalScienceandTechnology
Vol.20No.6Dec.2007
膜电除尘器-静电除尘新技术
高军凯,
黄
超,
齐旭东
天津
(河北工业大学能源与环境工程学院,
摘
300401)
要:膜电除尘器是将炭纤维或硅纤维编织膜作为集尘极的新式电除尘器,它克服了传统电除尘器存在的一些
缺点,进一步提高了除尘效率,降低了电除尘器的造价,同时能去除粉尘中的酸性盐。介绍了膜电除尘器的结构、特点及除尘性能,并指出了进一步研究的方向。关键词:
膜电除尘器;
集尘极;
毛细作用;
聚丙烯
中图分类号:X2文献标识码:A文章编号:1004-8642(2007)06-0064-04
MembraneElectrostaticPrecipitator-ANewTechniqueofElectrostaticPrecipitation
GAOJun-kai,HUANGChao,QIXu-dong
Abstract:Membraneelectrostaticprecipitatorisanewelectrostaticprecipitatorthatuseswovenmembraneofcarbonfibreorsilicafibreasitscollectingplate.Itovercomessomedefectsofthetraditionalelectrostaticprecipitators,enhancesthedustremovalefficiencyandsavesthecost.Atthesametimeitcanremovetheacidicsaltsinthedust.Thestructure,characteristicanddustremovalperformanceofmembraneelectrostaticprecipitatorareintroducedandsomefurtherresearchdirectionsarepresentedinthispaper.
Keywords:Membraneelectrostaticprecipitator;Collectingplate;Capillaryaction;Polypropylene
0引言
目前电除尘器被广泛应用于燃煤锅炉飞灰去
除、水泥厂烟尘去除及室内除尘等,它具有较高的除尘效率,并且压力损失小。通常情况下,其除尘效率
电除尘器还具有大于99%,压力损失小于1000Pa。
操作简单、处理烟气量大、耗电量小及设备耐用等优
点[1-4]。但传统电除尘器仍然存在一些问题[5-7],干式电除尘器的主要缺点有:①清灰时会产生二次扬尘;②不适合去除含尘气体中的氮氧化物与硫氧化物,因为在干式电除尘器中氮氧化物与硫氧化物通常以酸性气溶胶的形式被去除,而进入干式电除尘器的含尘气体的温度一般都比较高,不利于气溶胶的形成;③由于直径0.1~2.0μm的粉尘颗粒的内部荷电机理的局限性,干式除尘器对这个范围的颗粒的捕集效率不高。湿式电除尘器避免了二次扬尘问题,但主要存在以下缺点:①由于液体的表面张力作用及收尘极板表面不会绝对平滑(存在凹凸),使得自集尘极上部流下的水流不能均匀分布在极板上,集
尘极上容易形成局部干燥区,产生局部电阻,导致反电晕的产生,破坏了电场的稳定;②集尘极存在腐蚀问题,采取防腐措施导致了较高的投资成本。
针对传统电除尘器的以上缺点,美国俄亥俄大学经过多年的研究,研发出了膜电除尘器,并申请了专利[8],膜电除尘器的除尘理论最早由Pasic于1979年提出[9-10]。膜电除尘器成功地解决了干式及湿式电除尘器存在的一些问题,进一步提高了电除尘器的除尘效率,并提高了脱硫脱硝的能力。以下将详细介绍了膜电除尘器的结构、特点及除尘性能。
1结构与特点
收稿日期:2007-07-17基金项目:河北省自然科学基金(E2004000025).作者简介:高军凯(1979-),男,河北石家庄人,硕士,助教,主要从事环境管理及大气污染治理等教学科研工作.膜电除尘器与传统电除尘器在结构上的区别是:膜电除尘器利用炭纤维或硅纤维编织膜作为集尘极,代替了传统电除尘器中的金属集尘极。编织膜应具有质轻、抗拉强度大及抗腐蚀等特点[11]。不能导电的材料,如硅纤维编织膜等,不能用作干式膜电除尘器的集尘极。实验室用膜电除尘器内部结构如图1所示。
最初的研究是从干式电除尘器开始的,利用炭纤维编织膜作为集尘极,实验结果表明,干式膜电除尘器与传统干式电除尘器的除尘效率基本相同[11]。
第20卷第6期高军凯等膜电除尘器-静电除尘新技术
65
但用编织膜作为集尘极时大大减轻了电除尘器的重量,而且编织膜集尘极的成本远低于金属集尘极的成本。
集尘极
放电极
条件下,对空气动力学当量直径为20~25μm颗粒,湿式膜电除尘器是传统湿式电除尘器平均除尘效率的1.26倍。
在对细粉尘颗粒进行实验时,采用了氧化铁颗粒(1~5μm)和碳酸钙颗粒(2~3μm)。在相同条件下,对氧化铁颗粒和碳酸钙颗粒的平均除尘效率,湿式膜电除尘器分别是传统湿式电除尘器的1.31倍和1.3倍。由此可见,编织膜作为集尘极时除尘效果比金属集尘极好,尤其是在处理细颗粒粉尘时,去除效果更好。
2.2对盐类的去除
集水器聚碳酸酯基底
图1实验室用膜电除尘器内部结构
湿式膜电除尘器对酸性盐有着很好的去除效果。通过毛细作用,水流能使编织膜表面得到充分的润湿,酸性盐会溶解到编织膜表面的水膜中(比如对硫酸氨有较好的去除效果),这样湿式膜电除尘器在去除粉尘的同时又具有脱硫脱硝的功能。即使是粉尘和盐类渗入到膜的纤维中时,对粉尘及酸性盐的去除效果也不会受到影响[14]。
为了测试膜纤维间被粉尘和盐类渗入时编织膜的除尘性能,在实验之前将细粉尘颗粒致密地填加到膜纤维中。从理论上讲,由于渗入膜纤维中的粉尘颗粒不会被水流冲刷走,粉尘颗粒会在某种程度上限制膜表面的毛细作用,降低除尘效率。但实验结果却相反,与清洁膜的除尘效率比,当粉尘颗粒渗入到
可见,膜纤维间膜纤维里面后除尘效率提高了30%。
细粉尘的渗入强化了膜对粉尘的去除,原因可能是由于粉尘填堵了膜纤维间的缝隙,膜表面的水流更加均匀。
同样,盐类物质如硫酸盐渗入膜纤维后,膜表面仍然表现出良好的毛细作用。即使水流中断,膜纤维中的盐变干,当再次通水时水会迅速溶解盐类物质,膜表面恢复原除尘性能。即使水流速度低至0.01L・s-1,除尘效果也不会受到影响。
编织膜用作湿式电除尘器的集尘极时,表现出了比传统湿式电除尘器优异的除尘效果[12]。湿式膜电除尘器工作时,溢流水从集尘极的顶部均匀快速流下,在集尘极的表面形成一层水膜,水膜的厚度可以通过改变膜顶部溢流水的流速来控制。由于集尘极是炭纤维或硅纤维编织膜,因此水流通过毛细作用,很均匀地分布在膜的表面,在收集灰尘时不会出现局部干燥区,避免了局部电阻及反电晕的形成,加强了极间电流的稳定性,提高了除尘效率。利用编织膜做集尘极时,与金属集尘极相比不仅价廉,而且质轻,这样就大大降低了电除尘器的成本和重量。同时,编织膜采用抗腐蚀材料制作,解决了传统电除尘器集尘极存在的腐蚀问题。
2除尘性能-实验室实验结果介绍
俄亥俄大学在实验室内利用膜电除尘器及传统电除尘器模型进行了一系列除尘实验。实验所用膜为炭纤维膜或硅纤维膜,膜的厚度为0.5~1mm,每平方米的重量为0.5kg。由于实验用的电除尘器模型的集尘极的表面积比工业用电除尘器小的多,除尘效率也就低的多,所以在实验室中同时利用膜电除尘器及传统电除尘器模型进行实验,两者的实验条件、设备参数完全相同,这样就可以利用实验得到的数据比较膜电除尘器与传统电除尘器的除尘性能[13]。
干式膜电除尘器与传统干式电除尘器的除尘效率基本相同,但将编织膜用作湿式电除尘器的集尘极时,表现出了比传统湿式电除尘器优异的除尘效果。以下介绍利用湿式膜电除尘器和传统湿式电除尘器进行实验得到的结果。
3除尘性能———中试结果介绍
2.1
对不同粒径颗粒的去除
实验中膜电除尘器所用膜为硅纤维膜,测试了在不同温度及电压下对含尘气体的去除[14]。在相同
俄亥俄大学分别在乔治亚洲的CedarSprings工厂及第一能源部的BruceMansfield工厂进行了中试,用来测试湿式膜电除尘器在实际生产中的除尘性能,并与传统湿式电除尘器进行了对比。3.1CedarSprings工厂实验结果
CedarSprings工厂的实验是用来测试湿式膜电除尘器在粉尘浓度非常高的情况下的除尘性能。实验中所用膜为聚丙烯[15]。3.1.1除尘性能
图2为现场实验所用的湿式膜电除尘器中新安装的聚丙烯膜,图3为除尘操作进行5000h后的
66
江苏环境科技
3.1.2
用水量对比
2007年12月
聚丙烯膜。从图3中可以看到,聚丙烯膜及放电电极上布满了灰尘。图4为除尘操作进行5000h后聚丙烯膜的顶部,它被固定在用来布水的溢流管上。
在CedarSprings工厂进行的实验中,测试了湿式膜电除尘器集尘极表面产生均匀水膜所需要的最小水量,并与传统湿式电除尘器进行了对比。实验结果发现,传统湿式电除尘器的金属集尘极,每米宽度上每分钟需要75L的水流量才能获得均匀的水流膜,而湿式膜电除尘器为每分钟2.3L。可见,膜电除尘器可以大大缩减水的用量。
3.2BruceMansfield工厂实验结果
在BruceMansfield工厂的实验中,为了直接对比湿式膜电除尘器与传统湿式电除尘器的除尘性能,将两者并列安装用于粉尘处理,如图5所示[15]。
图2清洁的聚丙烯膜集尘极
图5
图3
操作5000h后的聚丙烯集尘极及放电极
BruceMansfield工厂安装的两台湿式电除尘器
两者设计尺寸尽可能一致,并且拥有共同的进气集管和排气集管。通过对含有固体颗粒、酸性气溶胶及氧化汞的气体的处理,对两者的除尘性能进行了比较。湿式膜电除尘器采用聚丙烯膜作为集尘极。
实验结果表明,对固体颗粒的平均去除率,湿式膜电除尘器为96%,传统湿式电除尘器为94%;对酸性气溶胶的平均去除率,湿式膜电除尘器为93%,传统湿式电除尘器为78%;对氧化汞的平均去除率,湿式膜电除尘器为83%,传统湿式电除尘器为75%[15]。在实验中,除尘器对固体颗粒的去除效果总是好于酸性气溶胶,这可能是由于酸性气溶胶中颗粒
图4操作5000h后集尘极顶部
大小在0.5~1μm之间,这个尺寸的颗粒在电除尘器中不容易被荷电。
在CedarSprings工厂进行的实验发现,当除尘操作进行一段时间,膜表面被粉尘覆盖后,膜表面分布水的性能得到了改善,在CedarSprings工厂对此进行了量化实验。将新的及使用过的聚丙烯膜分别垂直悬挂在溢流管上,在水流速度都是3.8L・min-1的情况下,没有使用过的聚丙烯膜在2min后膜表面有50%被水渗透,而使用过的被粉尘覆盖的聚丙烯膜在1min内被水渗透98%。可见,膜的表面被粉尘覆盖后,膜表面布水性能被改善,因此除尘效率得到提高,这正好与实验室中得到的实验结果相符合。
4编织膜的特点
俄亥俄大学通过一系列实验对不同材料编织膜的电阻性、抗腐蚀性、润湿性、抗燃烧性及机械强度进行了测试,结果表明由炭纤维、聚丙烯、聚四氟乙烯及硅纤维编织的膜可以替代金属板作为集尘极,它们具有投资少、机械强度高、抗高温与耐腐蚀等优点[10]。经过粗略计算,利用编织膜作为集尘极的费用每平方米为5~10美元,而利用镍合金作为集尘极的费用大约是每平方米100美元[14]。
第20卷第6期高军凯等膜电除尘器-静电除尘新技术
67
[参考文献]
在CedarSprings工厂进行的实验中对聚丙烯膜的破裂强度进行了测试,电除尘器在经过5000h的实际运行后,测得6个样本聚丙烯膜的破裂强度分别是1953,2588,2295,2334,2344和2490
μg・m-2,而新聚丙烯膜的平均破裂强度为2222・m-2[12]。可见聚丙烯膜的破裂强度在实际生产操kg
作中并没有降低。
膜表面有水膜流动时,水流方向受膜表面的编织方式的影响,由于毛细作用的存在,水流会沿织物表面间隙流动[13]。因此,所选用编织膜表面的编织方式应该能够保证水流沿垂直方向向下流动。当然,膜材料的选取要根据具体的情况而定,比如要考虑被处理烟气的温度及其化学组成等,这样才能选到最合适的材料。
5结论与展望
湿式膜电除尘器工作时水流通过集尘极表面,由于毛细作用的存在,水流在编织膜表面的分布很均匀,膜表面不会形成局部干燥区,避免了局部电阻的形成,使得极间电场与电流更加稳定,因此提高了除尘效率。湿式膜电除尘器还能够去除粉尘中的酸性盐,如硫酸氨等,而且利用编织膜作集尘极具有防腐蚀性。同时,由于编织膜集尘极的成本低于金属集尘极,所以膜电除尘器比传统电除尘器造价低。可见,膜电除尘器在除尘领域有着广阔的应用前景。但对膜电除尘器的研究还只是初步阶段,还需要在以下几个方面进行进一步研究:
(1)对编织膜的抗腐蚀性、抗拉强度、抗高温性及润湿性等进行研究,以寻找适合某特定烟气性质的编织膜材料。
(2)测试编织膜的除尘寿命,并实时监测除尘效率及膜的抗腐蚀性、抗拉强度、抗高温性、润湿性等随操作时间的变化,进一步研究膜电除尘器应用于工业生产的可行性。
(3)研究选用碱性液体作为湿式膜电除尘器溢流液时对粉尘中酸性盐的去除效率。碱性液作为溢流液进一步提高了集尘极的导电性,同时碱性液易于吸收粉尘中的酸性盐,如硫酸氨,提高了对酸性盐的去除效率。因此,有望实现湿式膜电除尘器在去除粉尘的同时脱硫脱硝。
[1]MizunoA.Electrostaticprecipitation[J].TransactionsonDielectricsandElectricalInsulation,2000,7(5):615-624.[2]WhiteH.Electrostaticprecipitationofflyash[J].JournaloftheAirPollutionControlAssociation,1977(27):15-21.[3]AltmanR,OffenG,BuckleyW,etal.Wetelectrostaticprecipitation:demonstrationpromiseforfineparticulatecontrol-partI[J].JournalofPowerEngineering,2001,105(1):37-39.
[4]郝吉明,马广大.大气污染控制工程[M].第2版.北京:高等教育出版社,2002:178-182.
[5]AltmanR,BuckleyW,RayI.Wetelectrostaticprecipitation:demonstrationpromiseforfineparticulatecontrol-partII[J].JournalofPowerEngineering,2001,105(1):42-44.
[6]HuangSheng-Hsiu,ChenChih-Chieh.Loadingcharacteristicsofaminiaturewire-plateelectrostaticprecipitator[J].Aerosolscienceandtechnology,2003(37):109-121.
[7]郭静,阮宜纶.大气污染控制工程[M].北京:化学工业出版社,2001:95-100.
[8]PasicH,AlamK,BaylessD.Membraneelectrostaticprecipitator[P].USA:PatentNo.6231643,2001.
[9]PasicH.Dynamicresponseofplatesinelectrostaticprecipitators:[Ph.D.Thesis][R].USA:MechanicalEngineeringDepartment,StanfordUniversity,1979.
[10]HerrmannHG.Methodofremovingparticulatematterfrom
precipitatorplate[P].USA:PatentNo.4276056,1981.
[11]BaylessDJ,PasicH,AlamMK,etal.Useofmembrane
collectorsinelectrostaticprecipitators[J].Journaloftheairandwastemanagementassociation,2001(51):1401-1407.[12]BaylessDJ,PasicH,AlamMK,etal.Membranebased
wetelectrostaticprecipitation.ProceedingsoftheeighteenthannualinternationalPittsburghcoalconference[R].Sydney,Australia,UniversityofPittsburgh,2001:28-40.
[13]PasicH.Membranebasedelectrostaticprecipitation[J].
Electrostaticprecipitatorsandmembranes,2001(11):28-31.
[14]DavidJ,BaylessDJ,KhairulAlam,etal.Membrane-
basedwetelectrostaticprecipitation[J].Fuelprocessingtechnology,2004(85):781-798.
[15]DavidJ,BaylessDJ,LimingShi,etal.Membrane-based
wetelectrostaticprecipitator[J].Journaloftheairandwastemanagementassociation,2005(55):784-791.
(责任编辑朱鼎一)
因篇幅问题不能全部显示,请点此查看更多更全内容