袋除尘节能75%和制造成本降低50%的研究与应用(上)

　　除尘器有多种，常用高效除尘器只有两种：布袋和电除尘。电除尘在所有除尘器中能耗最低；袋除尘虽价格较低，但其最大缺陷是阻力大、能耗高。业内普遍认为袋除尘存在着一些它必然存在的缺陷，是无人能克服也是无法能克服的，是不可能改变的。

　　在三十余年的除尘应用与科研生涯中，我们对各种除尘的机理、效果进行了探索、实验和应用。经过艰难曲折和无数次失败，进行了一系列技术创新；在研制袋除尘的过程中，针对它存在的问题与不足，进行了大量的理论研究与实践；经过理论研究、结构研究及实验、使用，实践已经证明，袋除尘在干燥工况下其阻力能够运行在260pa以内，系统总阻力在360pa左右；与已有技术相比，节能率为75%，其能耗与电除尘相当，降到属于低能耗除尘器的行列。实践还证明,袋除尘能够结露使用，只是需要相应的配套机构与设施,并且也可节能,此时运行阻力在500pa左右,系统总阻力小于800pa,节能率为60%。本文将有关研究及应用情况加以介绍。

　　1、理论研究

　　1.1物质的能量

　　由动力学可知，物质的动能为：    
　　T = mv2/2    ………………………………………………（1）
　　式中：T —物质所具有的动能；
　　m —物质的质量；
　　v —物质的运动速度。

　　此式在本研究中,理解为被处理的废气所消耗的能量,其中m为废气质量，v为流动速度。

　　式中可看出，物质所具有的动能与其运动速度的平方成正比。而速度v可人为地进行改变和控制，当v降到三分之一时，其能量则降到九分之一。这就是研究节能的理论原理和依据。

　　1.2滤料的阻力

　　使用袋式除尘器，必定用风机给气体施加动能，将粉尘以气体的形式使其强行通过滤料进行过滤，然后把过滤后的清洁气体徘入大气。气体的动能来自于风机电机。当人为地控制气体的动能使其大幅度下降时，则动力源的动力消耗也可随之大幅下降，而达到节约能源的目的。在除尘系统中，气体的动能取决于风机的全压；而风机全压的大小又完全取决于除尘系统总阻力；一般情况下风机全压的数值取系统总阻力的1.2倍。系统总阻力由除尘器阻力、系统管网阻力和尘源阻力三部分组成；有时尘源阻力可忽略不计，也可归为管网阻力。本研究只涉及除尘器和管网阻力两部分；在较简单的除尘系统中，这两部分就称为除尘系统总阻力。这时，袋除尘器的阻力又占总阻力的70%以上。袋除尘器的内部阻力又由滤料阻力和袋口阻力两部分组成。

　　滤料阻力的大小与许多因素有关，目前还没有实用的滤料阻力计算公式，据前人的经验、资料和我们的研究所得出的结论已经证明，在一特定条件下，过滤阻力的大小主要取决于过滤速度，基本与过滤速度的平方成正比[1]，用简易近似公式表示为： 

　　………………………………………（2） 
　　式中：Ha——滤料阻力，Pa；
      ρ——气体密度，kg/m³；
      λ——阻力系数，由特定条件下的实验确定；
　　δ——滤料及粉尘层的厚度，mm；
　　ω——滤料的孔隙率，%；                       
　　v1——通过滤料的气流速度，cm/s。

　　此式与（1）式有一个最大的相同点：均与速度的平方成正比。两式的原理相同，结论一致。本式是研究袋除尘是否节能及节能数量多少的公式。

　　式中看出，在一定的工况条件下，要想降低其阻力，其中有三个量可供选择和改变：一是过滤速度v1，二是滤料的孔隙率ω，三是滤料及粉尘层的厚度δ。

　　1.2.1改变过滤速度v1 

　　将（2）式中v1改变，令其它为常数c1；当v1=1时，Ha =1c1；v1=3时，Ha=9c1；v1=1/3时， Ha = c1/9。即过滤速度降到三分之一时，滤料阻力便降到九分之一。过滤速度降到三分之一的方法只有一个：将单位面积上的处理风量减少到三分之一。例如：用来处理1万m3/h风量的过滤面积由100m2增加到300m2，总风量不变，单位面积处理的风量降到了三分之一，过滤速度就降到了三分之一，这时的滤料阻力便降到九分之一。这就能实现大大降低阻力和显著节能的目的。

　　1.2.2改变滤料孔隙率ω            

　　将（2）式中的ω改变，令其它为常数滤c2；当ω=1时，Ha =1c2；把ω增加0.1到ω=1.1时,则 Ha =c2/1.1。这时的滤料阻力减小了10%。滤料孔隙率ω与其阻力成反比，滤料孔隙率越大，其透气性越好，阻力就越低。加大滤料孔隙率10%较容易实现，选透气性好的滤料便可。

　　1.2.3改变滤料及粉尘层的厚度δ。

　　滤料及粉尘层的厚度越小，其阻力也越小。将（2）式中的δ改变，令其它为常数c3。滤料的厚度由1.5mm改用1mm厚的较溥滤料。关于粉尘层的厚度，由于单位面积处理的气体量降到三分之一，所以单位面积的粉尘量也降到三分之一，其厚度便自然是降到三分之一；设其厚度由1.5mm降到0.5mm。这时的滤料及粉尘层的总厚度由3mm降到1.5mm，降低了50%。原来总厚度为3mm时，令δ为1，Ha =1c3；当总厚度为1.5mm时,则δ为0.5，Ha =c3/2。以上三个量改变前后的乘积分别为1和
1/9×1/1.1×1/2 = 0.05，阻力降到5%，降幅达95%。在此只计第一个量降速后的阻力，其它两项忽略不计，或其它两个量不改变，也能降到九分之一，为原来阻力的11%，降幅达89%。也有不同观点：袋除尘的阻力并非与过滤速度的平方成正比，认同图1[2] 所表示的关系。

图中1为袋除尘自身的总阻力，是其它三种阻力之和。图中可看出：过滤风速增加一倍，则总阻力增加至三到四倍；实际它就是一条近似二次方曲线，与（1）（2）式并非矛盾；袋式除尘器的阻力基本是与过滤速度的平方成正比，由图中曲线1为证，这一点无可否认。

　　有资料介绍，袋除尘可以运行在500pa左右[3]，甚至可低达250pa[1]。为达到减小阻力，大幅度降低动力消耗的目的，采取加大过滤面积、降低过滤风速的方法就能实现。

　　1.3 布袋袋口的局部阻力
　　…………（3）          
　　式中：Hb—袋口的局部阻力，pa；
　　ζ--局部阻力系数；
　　ρ—气体密度，kg/m3；
　　v2—袋口内的气流速度，m/s。

　　此式也与（1）式相同，流速降到三分之一，则局部阻力降到九分之一。

　　由于袋口处的气流速度较大，一般大于20m/s，而造成至少 200pa 的局部阻力损失。这是袋除尘阻力大的又一原因，是袋除尘内部的一种严重缺陷。布袋越长，单袋处理风量越大，袋口阻力就越大，尤其脉冲式大都用内径很小的文氏管，袋口处风速很大，会有更大的阻力消耗，这一点往往不会引起人们的注意。 在处理相同风量、布袋规格相同的前提下，布袋数量增加到三倍，则袋口风速降到三分之一，其局部阻力便降到九分之一，即11%，降幅也为89%。袋式除尘器内部的阻力由以上所述滤料的阻力和布袋袋口的局部阻力这两部分组成，其阻力的总降幅为89%，降到已有阻力的11%。 

　　1.4系统管路的磨擦阻力     

　　磨擦阻力与气体的粘滞性，管壁粗糙度、水力半径、气流速度有关，圆形管用公式表示为：        
　　…………………………………（4） 
　　式中：Hc —管道磨擦阻力，pa；
　　λ1—磨擦阻力系数；
　　ρ—气体密度，kg/m3；
　　L --管路长度，m；
　　D —管路直径，m；
　　v —气流速度，m/s。

　　此式也与（1）式相同，流速降低50%，则磨擦阻力降到四分之一；要气流速度降低50%，只有管路直径增加到1.414倍（即面积增加一倍）时才能实现。由于磨擦阻力又与管路直径成反比，则数值可降到1/4×1/1.414=1/5.656，即17.7%，降幅达82%。

　　1.5系统管路的局部阻力

　　产生系统管路局部阻力的构件有改变流速、改变流向、改变流量三类，在此只考虑改变流向，用公式表示为：        　　　

　　……………………………（5）      
　　式中：Hd —管路局部阻力，pa；
　　ρ —气体密度，kg/m3；
　　ζ1 ——局部阻力系数；
　　v —气流速度，m/s。

　　此式也与（1）式相同，流速降低50%，局部阻力则降到四分之一，即降幅为75%。也只有管路直径增加到1.414倍（即面积增加一倍）时才能实现。系统管路的磨擦阻力和局部阻力平均可降到（0.177 + 0.25)÷2×100%=21.35% 。           

　　1.6风机与动力

　　风机的作用只有一个，克服除尘系统的全部阻力，把废气顺利地抽出， 经除尘后将清洁气体排入大气；阻力越大，克服阻力的动力也必须越强。风机克服阻力的能力称为全压。

　　由以上的分析计算得：除尘器阻力降到11%,占总阻力的70%；管路阻力降到21.35%，占总阻力的30%；则总阻力降到0.11×0.70+0.2135×0.30=0.141,即14.1%。此计算结果过于喜人，在此取保守数20%，降幅为80%。 

　　风机所需功率用公式表示为：  
　　………………………………………（6） 
　　式中：N ——风机所需功率，kw；
　　K ——电机贮备系数，取1.2；
　　Q ——风机的气体流量，m³/s；
　　p ——风机全压，pa；一般除尘系统总阻力2500 pa，节能时取20%为500 pa，全压取1.5倍为750 pa；           
　　η ——全压效率,取0.90；
　　η1 ——风机机械效率,取0.95。

　　当用于风量为10万m3/h(27.778m3/s)时，风机所需功率为：  

电机选用37kw，能耗约30kw。非节能型的总阻力一般取≥2000pa，全压取3000 pa，这时的功率为117 kw, 电机选132 kw，能耗约120kw，是节能型的四倍；或者说低阻力时的节能率为75%。

　　式中可看出，在处理一定风量的前提下，决定风机功率的因素只有一个：风机全压，即除尘器阻力。阻力降到四分之一，所消耗功率同样可降到四分之一。

　　1.7结论

　　由以上研究可知，袋除尘器及管路系统的总阻力从理论上计算，完全可以降到原来的20%，既减小80%；每处理1万m3/h风量所需动力为3kw，是现有非节能型产品的五分之一。

　　2、结构研究 

　　目的：如何在袋除尘体积不变的前题下，将其过滤面积增加到三倍。

　　在袋除尘系统中，尽量避免水平管路或解决水平管路中积灰的前提下，其局部阻力和磨擦阻力的大幅度降低很容易实现，唯独要研究的是除尘器本身。如果按常规，过滤面积增加到三倍，其生产成本、重量、体积也要增加到三倍，这是不可采取的。唯一的办法只有在体积不变的前提下，将过滤面积增加到三倍；受毕威的布袋加折可增加面积一倍及信封式布袋的启发，我们思考制做异形布袋。

　　异形布袋研制和应用的基本过程：
　　①2000年  一年的理论研究，既本文的1
　　②2001年  根据理论研究的结论经过数十次的设计、制做、实验、失败、改进，确定了一种结构；有3项技术创新，并申请了专利。
　　③2002年  用此结构进行了工业性应用实验，达到了节能的目的，写了一篇论文，刊登在2002年出版的《第九界全国大气环境学术会议论文集》上，有6项技术创新，均申请了专利。（实验情况见本文3）
　　④2003年  继续结构研究，有1项技术创新申请了专利。
　　⑤2004年  研制成了理想的、构造竟然是意想不到简单的一种节能结构基本型式─—异形布袋,进行了第一次工业应用，达到了节能的目的,使用半年后该厂拆除。有2项技术创新申请了专利。（应用情况见本文4）
　　⑥2005年  节能技术得到了完全成功的直到2008年的长期的应用。（应用情况见本文5）
　　⑦2006年  作技术总结，写了篇论文，发表在《中国环保产业》杂志2006年第三期上；用户也写了篇论文，题目为“袋除尘节能75%的技术在我公司的应用”，刊登在《中国环境科学学会学术年会优秀论文集》上。有2项技术创新申请了专利。
　　⑧2007～2008年  成功用在了6300KVA铁合金电炉烟气除尘上。07年有2项技术创新申请了专利。（应用情况见本文6）
对袋除尘的研究从开始到今天已经历了9年时间，经多年的应用已经证明：完全达到了惊人的节能60～80%的目的，且技术已经成熟，并可用在各种行业；做到了在现有体积内增加过滤面积2～6倍的目的，还意想不到的是此技术竟能降低成本50%，也达到了惊人的程度；这期间共有16项已申请专利的技术创新，获得了多项发明专利权，还有多项创新没有申请专利。

　　3、工业实验

　　2002年，当地政府投入科研经费20万元，做了一台体积12m3、重量1.8t、过滤面积300m2、、处理风量8000m3/h、内外多圈连续反吹、外滤式回转袋除尘器，安装在水泥厂立窑烟囱上，在现场进行了数月的实验；竟意外发现袋除尘在结露状态下也能使用，数据为：除尘器阻力500pa左右，系统总阻力760pa左右，排放浓度54 mg/Nm3； 2003年初，此实验在项目验收时，受到了专家们的高度评价，并建议尽快投入工业性生产。 

　　4、应用实例1 

　　2004年我们用9项新技术制作了一台可结露使用的直径和高度均为5米的步进回转单袋反吹圆柱形（无锥形积灰斗）、过滤面积为3000m2的外滤式袋除尘器，用在水泥厂立窑烟气除尘且安装在30米高的立窑楼顶上；处理风量6.9万m3/h,除尘器阻力500 pa，总阻力小于800pa，风机电机22kw，电流40A，实际能耗20kw，合2.9kw/万m3；排放浓度为148mg/Nm3；除尘器总体积为98m3,面积体积比为31m2/m3；总重量15吨，钢耗为5kg/m2。9项新技术为：大小多圈步进回转机构、大小多圈回转单袋返吹机构、大盖转动机构、异形布袋、布袋自动检漏机构、布袋清灰装置、防烧保护器、灰尘收集器和无堵塞排灰机构。

　　因该厂座落在开发区中心，于2005年初拆除，除尘器只运转了半年时间。经这次的实际使用证明：具有重大意义的节能技术是完全成功的；其异形布袋、布袋自动检漏机构、灰尘收集器、防烧保护器、无堵塞排灰机构也是完全成功的；还证明布袋能够结露使用，其配套装置要改进，其它则需要进一步完善。

　　5、应用实例2

　　为了有一台能长期运转的节能型示范工程，根据用户需要，我们设计制做了一台处理风量为9000m3/h、方形、反吹内滤式袋除尘，安装在某水泥厂干燥的扬尘点处，在无人操作的情况下，从2005年10月到2008年的现在，已24小时连续不停正常运行了两年多时间，其效果好于预计；数据如下：

　　5.1袋除尘的实际阻力

　　开始使用的前10天，袋除尘的阻力为160pa，比预计低得太多；经测试风量又不足，调整后为220～260pa，风量和阻力都好于设计要求，一直就运行在这个数值之间。实际阻力是普通产品的五分之一。

　　5.2系统管路的实际阻力

　　除尘器运行的前10天，管路实际阻力为60pa，调整后为100pa，包括集尘罩的阻力。也是普通技术的五分之一。

　　5.3除尘系统实际总阻力

　　为除尘器与管路阻力之和，实际运行在320～360pa之间，既清灰后320pa，清灰前小于360pa。仍是普通技术的五分之一。

　　5.4风机动力与实际能耗

　　实际使用风机动力为4kw，电流6.8a，电机空载电流3a，真正作用于除尘的实际电流3.8a。

　　5.5实际技术数据

　　1、处理风量              8600m3/h       

　　2、除尘器阻力           220～260pa      

　　3、除尘系统总阻力       320～360pa     

　　4、风机动力             4kw            

　　5、过滤面积                320m2  

　　6、除尘器面积/体积比       21m2/m3  

　　7、除尘效率                99.8%

　　8、排放浓度             13.99 mg/Nm3

　　5.6实践证明理论研究正确

　　这次应用设计的目标是：除尘器阻力低于500 pa，系统总阻力在600 pa左右。认为使用后能达到设计目的就很不错了，没有想到的是，阻力几乎比预计低了50%，完全出乎意料，好得出奇，实际数据接近理论计算。此产尘点原来用袋除尘的风机功率为37kw，还不能用，相比节能率大于80%。实践是检验真理的唯一标准，事实已证明本文的理论研究正确。

　　6、应用实例3

　　用此节能技术于2007年10月在外省某铁合金厂6300KVA的一号电炉烟囱安装运行了一台处理烟气量为10万m3、过滤面积为5400m2的方形、反吸振动内滤式袋除尘，从20米高引到地面，总阻力600～1000pa，既清灰前1000 pa，清灰后600 pa，风机电机75kw，电流80～100A；该厂相同的二号电炉袋除尘电流始终稳定在400A上，相比节能大于75%。本节能袋除尘器主箱体体积为120m3，每立方米体积内有45m2的过滤面积，重量仅有十吨多，钢耗为2.5kg/m2，成本仅有十多万元（用正压，外壳为0.5mm厚彩板），系统总成本20多万元； 12月底通过当地环保部门的测试验收，排放浓度为11.8mg/Nm3，并准备在当地推广使用。