袋式除尘器除尘效率公式推导建立与工程验证

林 宏，邓晓东，陈奎续，李枭鸣

(福建龙净环保股份有限公司，福建 龙岩 364000)

1 引言

袋式除尘器是工业生产中广泛采用的一种烟气净化设备[1-3]，其过滤元件种类很多，从材质组分讲，有棉、化纤、陶瓷、玻璃等[4]；从制造方法分，有织造、非织造材料。其中，非织造纤维滤料是由纤维构成的一种非均质、非连续的多孔体，对气体有良好的通透性，对粉尘等有吸附能力，具有过滤效率高、阻力低、寿命长的优点[5]，在工业生产中应用越来越广泛，如聚酯(polyester，PET)、聚苯硫醚(polyphenylene sulfide，PPS)、芳香族聚酰胺(aromatic polyamide，AR)、聚酰亚胺(polyimide fiber，P84)、聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene，PTFE)等制作的过滤材料，已被广泛应用于电力[6-8]、钢铁[9]、水泥[10]等行业的超低排放改造。近几十年来，国内外学者对纤维过滤材料的性能进行了大量的研究，纤维形态性能的提升及其多样化发展，促进了其在过滤领域的应用[11-12]。非织造纤维滤料的过滤效率与过滤风速[13-14]、纤维直径[15]、纤维填充率[16]、入口含尘浓度[17]密切相关。孙洁等[18]通过研究滤料结构改变对纤维滤料过滤效果的影响，发现随织物面密度的增大，滤料过滤效果有一定程度的提升。蔡伟龙等[18]研究了净化材料的孔径及分布对滤料过滤效果的影响，发现覆膜滤料具有孔径较小且分布均匀的特点，而且过滤效果较好。

在袋式除尘器设计中，除尘效率计算不仅是一个重要的理论问题，而且是一个非常重大的实际问题。如果设计中除尘效率取值偏小，则除尘器运行时出口粉尘排放浓度容易超标；反之，取值偏大，则会造成较大的经济损失。同时，当烟气进入除尘器后，由于烟气流速降低，部分粉尘会自然沉降，使得除尘器的除尘效率大于滤料的过滤效率。因此，一般用滤料的过滤效率计算结果来代替除尘器的效率。由于一些书籍或论文推荐的除尘效率计算方法与工程实践差距较大，目前工程设计时袋式除尘器过滤效率的选取，大多以基于实验或工程得出的经验数据为主。本研究通过建立粉尘经过纤维层过滤面的模型，从理论上推导过滤效率，得出滤层过滤效率的计算公式，同时以一些常用滤料为例，结合大量工程实践数据，进一步推导出一个实用简化公式，供袋式除尘工程设计时参考。

2 除尘效率公式推导与主要参数确定

2.1 滤袋与滤料结构

滤袋是除尘器的主要过滤元件，一般采用滤布缝制成袋状元件，大多是圆柱形，直径为100～300mm，当采用外滤式工作时，内腔则需安装一个袋笼。常见的滤料结构如图1所示。

图1 常见的滤料结构

上世纪70～80年代，袋除尘器多用于净化温度小于150℃的工业废气，且仅适用于浓度小于150mg/m3的排放要求[19]，所以滤料多采用聚酯质机制布。随着排放标准的提高，滤料目前已普遍采用针刺毡质滤布，且克重增至550g/m2以上，并根据烟气温度大小采用不同材质的滤布，此外，为增强滤布的抗拉强度，通常还增加一层网状基布。

2.2 过滤效率计算

2.2.1 滤料过滤效率理论推导

为简化计算，作如下假设：

(1)粉尘粒径是均一的，且为20μm；

(2)气流速度沿滤层平面是均匀的；

(3)滤层的积灰很少，对过滤效率影响基本可以忽略。

过滤元件的立体图如图2所示。

图2 过滤元件滤料立体图

烟气通过过滤元件被净化，设元件高度为h，宽度为b，厚度为l，烟气流速(即过滤风速)为v，则烟气流通面积f为：

f=b×h

(1)

沿过滤元件厚度方向取x轴，在x轴上取一微距离dx，则微体积为：

dV=f×dx=b×h×dx

(2)

微体积内粉尘质量为：

dm≈cx×dV

(3)

式中：cx为x点断面的粉尘浓度，当dx很小时，在微体积内可认为是均值。

(4)

在所研究的微体积内，经时间间隔dt，则沉积到纤维上粉尘质量为：

d2m=-cx×ωx×dAc×dt

(5)

式中：dAc为微体积内过滤层的微分面积，ωx为粉尘向该面积的沉积速度

dAc=d×lf×b×h×dx

(6)

式中：lf为单位体积中纤维的长度总数，d为纤维直径。

设c为纤维的填充率，则：

(7)

(8)

微体积内的粉尘浓度变化率为：

(9)

由式(1)～(8)得：

(10)

设v0为过滤层内的气流速度，则：

dx=v0×dt

(11)

(12)

而：

(13)

式中：q为烟气流量。

将式(13)代入(12)，再代入(10)，可得：

(14)

积分：

(15)

式中：c0、cl分别为滤料气体进出口处烟气含尘浓度，l为滤层厚度。

(16)

(17)

则：

(18)

式中：α为滤料的结构系数。

2.2.2 主要参数确定

(1)滤料结构系数

工程上应用的滤料品种很多，如PPS、P84、PPS+PTFE复合材料[21-22]等。不同滤料具有不同参数，在确定滤料材质后，可确定参数c、d、l，将参数代入公式(18)，可得出对应的α值。常见的几种不同针刺毡滤料的参数及对应值如表1所示。

表1 不同针刺毡滤料的参数及对应α值Tab.1 The parameters of different needle felt filter materials and the corresponding α value

(2)沉积速度ωx

过滤过程的沉积速度ωx值主要决定于滤层的结构，随着过滤风速的提高，ωx值也会变大。工程上合格滤料的ωx值多在3～5mm/s，通过大量实验和工程应用经验，ωx取值可采用表2所列数据。

表2 ωx值与过滤风速关联参考值Tab.2 ωx value and filter wind speed correlation reference value

2.2.3 袋式除尘器所需过滤面积计算

以1台660MW的燃煤锅炉为例进行计算说明。考虑到要满足最新的污染物排放标准限值要求，对于大型燃煤机组、高浓度烟尘情况，不宜仅采用袋式除尘器进行烟气净化，可选择电袋除尘器。该项目处理烟气量为320×104m3/h，烟气温度140℃，除尘器电场区进口烟尘浓度为60g/m3，袋区进口烟尘浓度为10g/m3，要求除尘器出口烟气含尘浓度小于10mg/m3。

根据燃煤锅炉烟气的化学组成和粉尘特性，滤料可选取表1中的PPS滤料(基布为PTFE)，除尘器袋区过滤效率需达到：

(19)

按表1取α值38.4，用插入法，初选过滤风速0.0155m/s(即0.93m/min)。按表2，ωx为2.85×10-3m/s，按式(18)计算k值，按式(17)计算η值。若η值小于η0，则重新选择过滤风速计算，直到η值大于且接近η0，再计算过滤面积a。

=7.06

η=1-exp(-k)

=99.91%

>99.9%

满足要求，则所需滤袋过滤面积a为：

=57347(m2)

(20)

当选取Ø160×8000mm规格的滤袋时，需：

=14265(条)

(21)

除尘器出口的粉尘排放浓度为：

cl=c0×(1-η)

=10×(1-0.9991)

=9(mg/m3)

<10(mg/m3)

(22)

3 过滤效率公式讨论

根据公式(17)可知，影响滤料过滤效率的参数包括过滤风速v，纤维直径d，纤维填充率c等。

3.1 过滤风速

文献研究表明，过滤风速越大，除尘效率越低[23-24]。由式(11)可知，当过滤风速增大时，所需滤袋过滤面积可减少，可降低设备费用，但过滤效率会降低，与前人文献研究结果相符。例如，风速v从1.0m/min提高至1.2m/min时，滤袋的过滤效率将从99.87%降至99.75%，如果除尘器入口的烟气含尘浓度保持不变，则出口的排放浓度将增大。

3.2 纤维直径

当纤维直径变小时，过滤效率将增大。但是，选用超细纤维滤料费用会增加，过滤层的阻力也会增大[25-26]。为解决该问题，近几年来，行业内普遍推广梯度滤料，其表层选用5μm的超细纤维以提高过滤效率，而在背风面采用较粗的25μm的纤维以降低过滤阻力。实践证明，这是很有效的方法。

3.3 纤维填充率

武松梅[27]、聂雪丽[28]等研究发现非织造过滤材料孔径对过滤效率有直接的影响，随着非织造过滤材料孔径的增大，过滤效率降低。例如填充率由0.185增至0.250，过滤材料孔径变小，能提高过滤效率，与前人研究相符，但相应的费用也会增加。

3.4 烟气含尘浓度

公式(17)中没有进口烟气含尘浓度参数，这是理论上的不足。实践表明，同一结构的滤料，当烟气含尘浓度增大时，过滤效率也会增大，这个问题有待进一步研究。

4 工程案例验证

现以应用较多的燃煤锅炉、水泥窑炉两个行业，共5项工程案例对公式(17)进行验证，包括燃煤锅炉50MW袋式除尘器1台，燃煤锅炉300MW、600MW电袋除尘器各1台，水泥窑炉2台。经测试，出口含尘浓度均可达到10mg/m3，甚至5mg/m3，工程实际过滤面积与设计过滤面积误差较小，相对误差在±0.6%之内。

表3 工程案例验证Tab.3 Engineering case verification

5 结论

(2)5个工程案例对推导公式的验证表明，除尘效率公式在燃煤锅炉和水泥窑炉等不同行业、PPS和P84等不同滤料结构的实际工程设计中可行，在能保证出口含尘浓度均可达到10mg/m3，甚至5mg/m3的条件下，工程实际过滤面积与设计过滤面积相对误差都在±0.6%之内，具有较好的适用性。