摘 要：袋式除尘器和电袋复合除尘器的粉尘排放来自于三个方面：透过滤料的粉尘，透过滤袋缝线处的粉尘和透过除尘器本体上泄漏点的粉尘。一般人们多注重滤料的捕集效率，而对其他2类粉尘泄漏源的研究较少，尤其是对滤袋缝线的粉尘泄漏影响几乎没有研究。本文通过大量的实验室试验数据和数值模拟计算，分析了这三种泄漏源对除尘器粉尘排放的影响程度，在此基础上，提出了粉尘要达到“超低排放”时应该采取的主要技术措施。
关键词：电袋复合除尘器 袋式除尘器 粉尘排放浓度
1 前言
随着我国国民经济的快速发展，大气环境污染问题日益严峻，大中城市的雾霾、酸雨等灾害性天气频发，严重影响了人们的身心健康和正常生活。燃煤电厂作为大气污染物排放的重要污染源之一，一直都是人们关注的焦点。现在，燃煤电厂大气污染物的“超低排放”已成热点话题。
袋式与电袋复合除尘器的核心部件是滤料，在排放要求日益严格的今天，滤料的过滤效率受到人们极大的关注。但除尘器的最终排放浓度不仅仅取决于滤料本身的过滤效率，经过缝制后滤袋的过滤效率以及除尘器本体是否存在泄漏等因素，都将对除尘器的最终粉尘排放产生极大的影响。本文将通过大量滤料的实验室试验结果，以及CFD数值模拟计算，对影响除尘器粉尘排放诸因子进行了初略的定量分析，以期对袋式/电袋复合除尘器如何达到“超低排放”起到一定的指导作用。
2 影响除尘器粉尘排放的因素
2.1 滤料的过滤性能
2.1.1滤料的过滤性能及实验室测试结果
滤料的过滤机制包括筛分、惯性碰撞、拦截、扩散和静电吸引等作用。筛分作用是滤料的主要滤尘机制之一。
滤料根据其结构不同，主要可分为机织布、无纺布和覆膜滤料三类。对机织布而言，开始过滤后，由于黏附力的作用，在经、纬线的网孔之间产生了粉尘架桥现象，并很快在滤料表面形成一次粉尘层。由于粉尘粒径一般都比纤维直径小，所以其筛分作用也更强烈，除尘效率也可明显提高。
与机织布相比，针刺毡滤料具有更细小、分布均匀且有一定纵深的孔隙结构，粉尘更不易穿过滤料，也更易在滤料表面形成一次粉尘层，所以可以获得更好的除尘效率。
覆膜滤料是在机织布或针刺毡表面覆盖具有大量微小孔隙的薄膜而成的滤料。薄膜孔径小到几乎可使所有粉尘都阻留在滤料表面，即直接靠滤料的作用捕集粉尘。既不依靠粉尘层的作用，又不让颗粒进入滤料深层，在获得更高除尘效率的同时，也使清灰变得容易，从而保持较低的压力损失。
滤料动态过滤性能测试仪是我国国家标准GB/T 6719-2009及国际标准ISO 11057-2011、德国标准VDI/DIN 3926以及日、美相关标准均推荐用以测试滤料过滤性能的试验设备。该测试仪可以通过反复的过滤—清灰过程来模拟现场条件下的除尘工艺，从而获得滤料的过滤性能。
测试仪结构如图1所示。
图1 滤料动态过滤性能测试仪
测试仪由发尘、清灰、自控和记录四部分组成。由发尘器定量供给的粉尘经压缩空气进行分散、混合后形成均匀、稳定的含尘气流;含尘气流经过滤料时，气流中的绝大部分粉尘被截留于滤料表面，气体得到过滤，而滤料的阻力由于粉尘的堆积而不断增加;当滤料的阻力增加到某一设定值后，控制系统自动启动脉冲喷吹程序，通过脉冲喷吹阀喷吹压缩空气清除滤料上堆积的粉尘，使得滤料的阻力立即降低，随之又自动进行下一循环的过滤—清灰过程。
滤料性能测试需依次经过初始阶段、老化阶段、稳定化阶段和老化后阶段这样4个阶段。整个测试过程中，滤料两侧的阻力由系统自动记录，透过滤料的微量粉尘为采样器中的滤膜所捕获，通过称量滤膜的重量和系统记录的过滤时间，得到滤料的排放浓度和除尘效率。
浙江菲达利用该测试仪，按VDI 3926标准，近年对国内主要滤料厂家的百余个滤料进行了过滤性能测试，掌握了大量的数据。表1给出了滤料性能测试的试验基本条件，表2给出了100个试验滤料在初始阶段及老化后阶段的粉尘排放统计结果。
从表2可见，在试验条件下，滤料本身的粉尘排放浓度是极低的。初始阶段(洁净滤料，30个清灰周期)的平均排放浓度绝大部分滤料不到1.5mg/m3，老化试验结束后，所有滤料的平均浓度不到0.5mg/m3，远低于现场运行的袋式除尘器或电袋复合除尘器的排放浓度。
现场工况条件千差万别，影响粉尘排放的主要因子如粉尘特性、运行条件(过滤速度、清灰频率)等也与实验室存在较大差异，要定量对这些因子的影响进行评价比较困难，但可依据一些试验结果对其进行定性评判，以期对控制粉尘排放起到指导性的作用。
2.1.2粉尘粒径的影响
粉尘粒径大小，直接影响滤料的过滤效率。图2给出了某种滤料在不同状态下的分级过滤效率。由于除覆膜滤料外，一般滤料主要依靠表面粉尘层的过滤作用，所以随着粉尘层在滤料表面堆积状态的变化，滤料的过滤效率也有所不同，清洁滤料的除尘效率最低，粉尘层堆积后最高，清灰后有所下降。另外，对于粒径为0.2~0.4μm左右的粉尘，在不同状况下的过滤效率皆最低，这是因为这一粒径范围的粉尘正处于惯性碰撞和拦截作用范围的下限，扩散作用范围的上限。但无论是对于洁净滤料，还是存在粉饼层的滤料，总的趋势是相同的，就是滤料对大粒径的粉尘有更好的过滤效率，粒径大于0.5μm时，此趋向非常明显。
1— 积尘后的滤料;2—振打后的滤料;3—清洁滤料
图2 滤料在不同状况下的分级效率[1]
本文测试采用的标准粉尘中位径是4.5μm，而电厂燃煤锅炉飞灰的中位径要远大于这一数值，一般可达到数十μm。也就是说，在其他条件相同的情况下，实验室的试验条件更易造成粉尘的泄漏。
2.1.3过滤速度的影响
过滤速度是袋式除尘器/电袋复合除尘器设计中一个极其重要的参数，过滤速度对设备的阻力影响极大，同时也对设备的排放浓度有一定的影响。在机织布条件下，较小的过滤速度有助于建立粉尘层，从而明显提高除尘效率(图3)。
图3 过滤速度与穿透率的关系[2]
当使用针刺毡或覆膜滤料时，过滤速度对除尘效率的影响虽不如机织布那么明显，但随着过滤速度的增加，粉尘更易穿透滤料，同时清灰频率也将增加，而后者也是导致粉尘排放增加的一个因素。也就是说，不管采用何种滤料，过滤速度的增加都会造成粉尘排放的增加。
实验室试验时，标准规定的过滤速度是2m/min，要远大于现场一般的1m/min~1.2m/min。从这一点看，在其他条件相同的情况下，也是实验室的试验条件更易造成粉尘泄漏。
2.1.4清灰周期的影响
一般滤料主要依赖于表面的粉饼层来起到过滤作用，但因每次清灰都会破坏表面的粉饼层，所以对一般滤料而言，清灰后粉尘的泄漏量是最大的，然后随着过滤时间的增加，粉饼层得到修复，粉尘泄漏量迅速减小。
图4 粉尘量泄漏量的时间变化关系
图4表示了在进行滤料动态过滤性能测试时，用粒子计数仪测到的穿透滤料的颗粒物数量与过滤过程的相关性。从图中可见，在整个过滤过程中，粉尘的泄漏主要发生在清灰后一段不长的时间内。在一个清灰周期中，大部分时间内透过滤料的颗粒物几乎为0。换言之，在其他条件相同的情况下，更多的清灰次数，或者说是更短的清灰周期，意味着更高的粉尘排放浓度。如表3所示的A厂滤料，在其他试验条件完全相同的情况下，若将清灰设定阻力从1000Pa提高到1800Pa，清灰周期会随之从206s延长到514s，粉尘排放则从0.081mg/m3降至0.027mg/m3。
大量实验室试验表明，在标准的试验条件下，大部分滤料的清灰周期只有2~3分钟，而现场袋式除尘器由于过滤速度较低，清灰周期一般都有数十分钟，电袋复合除尘器甚至更长，实验室试验的清灰周期要大大短于现场的清灰周期。也就是说就清灰周期的角度来说，也是实验室试验条件会更易造成粉尘泄漏。
总述以上试验结果，可以得到如下结论：尽管现场除尘器的运行条件与实验室试验条件存在差异，但因实验室的试验条件更有利于粉尘泄漏，所以可以认为由于滤料原因造成的粉尘泄漏，现场的实际排放量不会高于实验室的试验结果。
2.1.5粉尘浓度的影响
在广为应用的各种工业除尘器中，一般来说，随着除尘器入口粉尘浓度的增加，除尘器出口浓度也随之增加。如电除尘器、旋风除尘器就是这样的“恒定效率”除尘器。而像袋式除尘器或电袋复合除尘器是用滤料保证最终排放浓度的，一般认为是“恒定排放浓度”除尘器，即除尘器的排放浓度与除尘器的入口粉尘浓度无关或关系不大。为确定粉尘浓度对滤料排放浓度的影响，本文在其他条件完全相同的情况下，用粒子计数仪测试了不同粉尘浓度条件下滤料的粉尘泄漏量。
图5给出了穿过滤料的粉尘泄漏量与时间的变化关系。由图可见，当粉尘浓度从2.5mg/m3增加到7.5mg/m3后，清灰周期明显缩短，粉尘泄漏的峰值有所增加。图6给出的是对应于图5的6个清灰周期，每个清灰周期中累计的粉尘排放量。由图6可见，尽管粉尘浓度增加到原先的3倍，粉尘泄漏的峰值也有所增加，但1个清灰周期中，粉尘的累计泄漏量并没有增加。这可理解为由于粉尘浓度的增加，由于清灰造成的一次粉尘层的破坏可以更快地得到修复，而一旦修复完成后，粉尘的泄漏量几乎降至为0，因而，就一个清灰周期来说，粉尘的泄漏量不会增加。
图5 不同浓度下粉尘泄漏量的时间变化关系
图6 1个清灰周期中累计的粉尘排放量
就上述试验结果可知，在其他条件相同的情况下，若粉尘浓度增加，会使滤料的清灰周期缩短从而造成排放浓度增加。即粉尘浓度对滤料的排放浓度造成的影响是由于清灰次数增多所造成的。虽然现场运行条件下，处理烟气的烟尘浓度会远大于试验条件下的粉尘浓度，但如前所述，实验室试验的清灰频率远大于现场运行的袋式除尘器或电袋复合除尘器，所以从这一点来说，也是实验室试验条件更易造成粉尘泄漏。
2.2滤袋缝线对粉尘排放的影响
现场使用的滤袋与实验室测试的滤料在过滤性能方面的差别在于前者有缝线而后者没有，为了掌握缝线对滤袋过滤性能的影响，本文也采用滤料动态过滤性能测试仪对其进行了测试。
图7 试验滤袋的缝线照片
试验选取了三个不同厂家生产的材质相同的滤袋进行过滤性能测试，并与其滤料(无缝线)的测试结果进行了对比。其中B厂滤袋的缝线处采用了涂胶封缝的方式来减少粉尘泄露，有缝线(机)表示采用机器涂胶方式，有缝线(手)表示采用手工涂胶方式。A、C滤袋的缝线处均没有涂胶。
根据标准规定的试验方法，滤料性能测试依次经过初始阶段、老化阶段、稳定化阶段、老化后测试阶段，这样4个阶段，老化后的粉尘排放测试结果如表3所示。C厂的滤料(有缝线)试样，由于缝制问题(图7)，针孔非常明显，在试验的初始阶段，便由于粉尘穿透严重，导致采样器的滤膜被堵塞，测试无法继续进行，粉尘排放浓度是到该试验结束时的平均值。
三个试样无缝线时的测试结果差别不大，但有缝线后其测试结果大相径庭。
从试验结果看，A、B、C三个厂家的滤袋缝制，分别代表了优、良、差三个不同的层次， A厂家，有无缝线其排放浓度均相差不大，缝制工艺好;B厂家，采用机器进行涂层封缝的效果比较好，可以看到缝线没有对粉尘排放造成额外的影响，但采用手工进行涂层封缝其效果却不尽人意，缝线工艺有待改进;C厂家的滤袋缝合处针孔十分明显，有缝线的排放浓度为无缝线的200多倍，即使将试验的过滤速度从2m/min降至1m/mim，粉尘排放浓度依然达到47.1mg/m3，这样的滤袋显然是不合格的。
对于C厂滤料，在过滤速度2m/min的条件下，无缝线的排放浓度不到有缝线的0.5%，可以认为对有缝线试样，粉尘基本上都是从缝线处泄漏的。若假定一条直径Φ130mm的滤袋，其缝线具有与本次试样相同的泄漏率，并忽略滤料部分的粉尘泄漏，可以计算出滤袋出口排放浓度达16.9 mg/m3。
本文的试验结果表明，滤袋缝制质量对粉尘排放的影响远大于滤料本身的影响，滤料厂家或制袋厂家应引起高度重视。
2.3 除尘器壳体漏焊的影响
影响除尘器的粉尘排放，除了从滤料本身透过的粉尘，从滤袋缝线处透过的粉尘，还包括除尘器内部一些应该密封但未密封处的泄漏。
假设除尘器花板处有一漏焊，其长度为1m，宽度为3mm，花板上下的压差为1000Pa，根据CFD数值模拟计算可知，漏焊处的气流速度可达35m/s。对于一台入口浓度为20g/m3，烟气量为2,000,000m3/h的袋式除尘器来说，这样一处漏焊贡献的粉尘量可使除尘器的粉尘排放浓度增加约3.8mg/m3。如该除尘器的某条滤袋上有1个直径100mm的破洞，则其粉尘排放将因此破洞增加约10mg/m3，如折算到标况条件下，约可增加15mg/Nm3。
从上述粗略的计算可知，除尘器本体部分的泄漏可对粉尘排放造成极大的影响，除尘器厂家必须严把安装质量关，更需防止破袋现象的发生。
3 结论
综合以上研究结果，可得出如下结论：
1)针刺毡滤料具有很高的除尘效率，在实验室条件下，大部分滤料经过老化后粉尘排放浓度小于0.5mg/m3，只有极个别滤料其粉尘排放浓度大于1mg/m3。
2)滤袋的缝制质量对粉尘排放有明显的影响，缝制差的滤袋透过缝线处的粉尘泄漏远大于滤料本身产生的泄漏。采用涂胶封缝方式对防止泄漏有较好的效果，但涂胶质量同样对防泄漏效果有很大的影响，涂胶的耐久性也是值得关注的问题。
3)除尘器内部的泄漏可对粉尘排放产生显著的影响。一条不大的缝隙，就可使除尘器的粉尘排放增加数mg/m3。
4)相对于滤料本身产生的粉尘泄漏量，滤袋缝线处与除尘器内部泄漏处的粉尘可能会大得多。要保证袋式除尘器或电袋复合除尘器的粉尘排放达到燃煤电厂“超低排放”要求，保证滤袋的缝制质量与除尘器本体的安装质量是极其重要的。
参考文献
[1]马广大，大气污染控制工程(第二版)，中国环境科学出版社，2004
[2]大谷吉生、瀬戸章文，工業ナノ粒子のフィルタ性能試験に関する手順書，ver:1(2009.5.20)
