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一. 电袋混合技术提出的背景
1.可吸入颗粒物PM10、PM2.5(Particle matter)的控制
空气中微细粒子的浓度与人们的患病率密切相关，导致城市人口患病率和死亡率增加的主要原因是空气中悬浮颗粒物中的微细粒子的浓度，而并非空气中悬浮颗粒物的总量。吸入细颗粒是导致心血管和呼吸疾病的主要原因。
空气中的颗粒物通常称为悬浮颗粒物（SPM）或总悬浮颗粒物（TSP）。颗粒的大小对研究悬浮颗粒物与健康的关系十分重要，一般用其粒径大小来描述。PM10是指直径小于10微米的颗粒物；PM2.5是指粒径小于2.5微米的颗粒物。这些细小的颗粒能够通过呼吸进入人体的呼吸道和肺部，直径小于10微米的颗粒物通常又称为可吸入颗粒物。
人们在吸入空气时，直径为15?100微米的大颗粒通常被阻止在鼻孔和咽喉（鼻咽区）处，而5?10微米的颗粒则能进入肺部及气管与支气管。直径小于2.5微米的颗粒可以进入细支气管（呼吸支气管）和肺泡区。由于细颗粒一般多为燃烧的产物，其化学成份通常比来自土壤粘土的较粗颗粒物对人体危害更大。
近些年来，人们越来越重视对可吸入颗粒物的控制，加强了可吸入颗粒物控制设备和技术的开发。
2. 汞排放的控制
汞很易蒸发到空气中引起危害，因为:
⑴ 在0℃时已蒸发，气温越高，蒸发愈快越多。
⑵ 汞不溶于水，可通过表面的水封层蒸发到空气中。
⑶ 粘度小而流动性大，容易碎成小汞珠，无孔不入，难清除，不及时清除的汞又因表面面积增加而大量蒸发，成为二次污染源。
过量吸入含有汞的粉尘及皮肤接触汞时均可引起中毒。汞的毒作用是多方面的，对人体的危害是严重的。
燃煤废气的汞是以自然游离态、氧化物、颗粒状三种形式存在的。汞的氧化物及颗粒状的汞比较容易被收集，但自然游离态汞不容易从废气中分离收集。废气清洁器（Scrubbers）的使用能分离出在煤燃烧时总释放汞量的50％， 然而，美国环保局(U.S.EPA)要求汞的收集率达到或超过80%，为了提高汞的收集率，严格控制汞的直接排放量，一项常采用的技术是：在废气中加入活性碳，利用活性碳的吸附功能将废气的汞收集起来。实验表明：使用电除尘器作为除尘设备时，由于缺少过滤器表面碳的堆积，汞的收集效果明显降低，如果采用滤袋除尘器过滤，含汞的废气与滤袋表面的粉饼中的活性碳能充分接触，并且接触时间越长，汞的收集率越高。
3. 技术依托
科学家Frederick通过大量的实验证明：烟尘中粉尘颗粒的静电荷对织物过滤的除尘率、阻力以及清灰难易有影响。他的这一观点于1961 年以论文的形式发表，成为电袋复合技术技术依托和理论依据。
二．技术发展及现状
㈠ EPA技术
在美国环保局（U.S.EPA）资助下，美国南方研究所（SRI）研究开发了的电袋复合除尘新技术。
1．阿匹托隆(Apitron)
最早的阿匹托隆(Apitron)电袋除尘器是 1970 年美国精密工业公司试验生产的一种预荷电脉喷清灰的除尘器，其原始的设计是在金属丝网做成的圆筒形管子（袋笼）中心放一根电晕线，管子（袋笼）外面套一条滤袋。轴向进入管子（袋笼）的粉尘因电晕作用而荷电，一部分被接地的金属丝网管（袋笼）电极捕集，其余荷电粉尘最终被最外层的滤袋捕集。由于高压电晕放电有时会损坏滤袋，这种早期的设计后来被废弃了。这是我们目前所知道的最早的电袋复合除尘器。
第二种阿匹托隆(Apitron)的结构型式是将金属极线和钢板圆管组成的荷电器与滤袋分开，移往滤袋的下端，与滤袋相接。含尘气体从下端进入荷电器内，尘粒荷电后一部分被管状电极捕集，然后含尘气体向上流动，穿过滤袋流出去，滤袋将剩下的粉尘捕集。
实际上它就相当于普通的管式电除尘器和袋式除尘器二级串联。这种阿匹托隆(Apitron) 也是用脉冲喷吹清灰。清灰时压缩空气从荷电器上端喷出，诱导二次空气从滤袋外面向内流动，使滤袋内壁附着的粉尘脱落，一次和二次清灰空气的混合气流又把电晕线和金属管壁上的粉尘吹掉。这种脉冲清灰和通常脉冲喷吹袋式除尘器有所不同，其差异在于：
（1）脉冲空气是在滤袋的底部喷入而不是在滤袋顶部；
（2） 滤袋是内侧过滤而不是外侧过滤。为了解决荷电部分的反电晕问题，其收尘圆管的管壁是中空的，可用水冷却。
美国南方研究所（SRI）在美国环境保护局（EPA）的支持下，于1977年12月至1978年11月用移动式Apitron除尘器在现场抽取一部分燃煤锅炉所产生的烟气进行中试试验以及在实验工厂进行的废气硅土粉尘收集实验。
南方研究所（SRI）于1979年2月发表了实验结果的最终评价报告，将实验的结果与传统的脉喷袋除尘器相比，结论如下：
⑴ 阿匹托隆(Apitron) 与传统的脉喷袋除尘器相比，在相同过滤风速时阻力明显降低，过滤风速提高到4倍时阻力相等，阿匹托隆(Apitron)的清灰周期可大大延长。
⑵ 使用相同的滤袋，阿匹托隆(Apitron)比传统的脉喷袋除尘器的除尘效率大幅提高。燃煤锅炉飞灰的除尘效率为99.90～99.94%，其中0.2～1μm飞灰的除尘效率99.85～99.94%；硅土粉尘的除尘效率达99.995～99.9994%，其中0.2～1μm粉尘的除尘效率为99.85～99.94%。
⑶ 过滤风速大幅提高，阿匹托隆(Apitron)可以在2.4 m/min的过滤速度下长期稳定地运行。
报告对实验得出的结论作出如下分析：
⑴ 因为加电场可以增加粉饼的孔率。试验时取出有电场与无电场的除尘室灰斗所收集的飞灰进行比较，前者的气孔比后者的多15~20%。这说明电场引起了粉饼的结构改变，而且经过清灰和灰斗贮存，长时间脱离电场，这种改变还存在。荷电尘粒形成的疏松粉饼层透气性较好，另外还有一些粉尘沉降在金属管上降低了滤袋过滤粉尘的浓度，所以过滤风速可大幅提高。
⑵ 为什么加电场时除尘器的阻力会降低？这是由于粉尘在滤料内的分布不同所致。以毡滤料为例，无电场时，粉尘进入滤料中部纤维比较密的部分形成粉尘层；而有电场时，由于电的作用使大部分粉尘停留在表面纤维比较稀的部分，留下宽得多的缝隙让空气通过，所以要使外加电场的织物过滤取得最佳效果，滤料应具有纤维较稀的表面层。同时颗粒微细的粉尘不易进入滤料内部或穿透滤料，而在滤料表面形成了粉饼。
2. Max9
在阿匹托隆(Apitron)取得中试实验成功的基础上，通过多年的研究及改进，美国环境保护局(EPA)将这项电袋混合除尘技术分别于1993年和2000年申请了专利。
美国通用（GE）电力能源部于2003年3月获得特许使用权， 使用该项技术生产出的电袋混合除尘最早被美国环境保护局(EPA)命名为静电激发的袋除尘器（ESFF），由于这种除尘器有很高的除尘效率，通用（GE）电力能源部将这种除尘器的商品名取为Max9，意为99.9％的小数点后还有更多的9，寓意除尘效率高。
Max-9 ESFF是基于静电除尘技术/脉冲袋除尘技术相结合的混合型除尘器，使用高压电极放电让粉尘颗粒带电，用滤袋代替收尘极板。
⑴Max-9设计综述
废气通过管道从灰斗进入Max-9后，在Max-9内向上通过滤袋过滤，并由顶部的袋口引出，花板上部区域是净气气箱，用压缩空气脉冲给除尘器清灰，清灰时强烈的空气冲击穿过喷吹管，清灰脉冲气流从位于滤袋上方喷吹管的孔向下直接通过滤袋，清灰定时顺序控制。高压系统工作的电流很低并且是在恒稳态下，Max-9工作电流很低，意味着产生的火花能量很低，即使在处理高粉尘浓度下也没有因火花烧坏滤袋的风险，整流变压器也不需要电压控制。工程设计及施工时要确保Max-9可靠接地，保证均匀地分散电场。
Max-9独特而简易的电袋结合技术使得其有前所未有的收尘效率，所有的放电极与传统的静电除尘器型式相同，在Max-9内放电极放电使粉尘电离（荷电）并聚集在滤袋的外表面，由于粉尘粒子带有相同极性的电荷，相互排斥，使得粉饼呈多孔状，带电的粉尘也很容易从滤袋剥离，多孔状的粉尘层能透气, 较高的过滤效率使Max-9能在高气布比下运行，滤料技术的发展与提高确保了Max-9的优越的除尘性能。
图1. Max-9的结构示意图
图2. GE的Max-9中试设备内部构造图
⑵ Max-9特点：
① 与传统的袋除尘器相比，压降减少60～80%；
② 电袋结合技术，达到了前所未有的除尘效率；
③ 能单独或与其他设备一起用于废气的Sox和汞的排放控制；
④ 安装停产时间短；
⑤ 使用Max-9亚微粉粒子排放减少80～90%；
⑥ 比任何收尘技术的除尘器占地面积都要小；
⑦允许在高气布比下工作。
㈡ EPRI技术—库霍帕克（COHPAC）
EPRI即美国电力研究协会（Electric Power Research Institute,Inc.），位于美国加利福尼亚州帕罗奥多（Palo Alto）市，该组织成立于1973年，是一个非赢利性的能源和电力科研机构、协调组织，经费由美国主要的公用电力公司资助。其主要任务是组织、协调并统一规划发电、输电、配电、用电等方面的科研活动，以及核能发电、新技术开发利用、环境保护等方面的研究，科技信息的交流等。
COHPAC是Compact Hybrid Particulate Collector（紧缩混合型除尘器）的缩写。这一技术是在1980 年代后期开发的，其基本构思就是在原有电除尘器的下游加一台袋式除尘器，来捕集电除尘器未能捕集的微细烟尘，使排放浓度能满足法规的要求。因为大部分烟尘已被电除尘器捕集，到达其下游脉冲袋式除尘器的粉尘量较少，所以袋式除尘器的气布比可以提高，一般是将单用脉冲袋式除尘器时的1.2 m/min提高至2.4 ~3m/min，这样袋式除尘器的体积和投资便可大大缩小。该系统的结构特点是前电后袋。
下面是COHPAC系统在美国的几个发电厂试用的情况：
（1）TU电气公司 Big Brown 电站的1MW 系统安装了一套COHPAC 中间试验设备，试验证明使用莱顿（Ryton）滤料在高的气布比下，可以保持袋式除尘器阻力在1500 Pa左右，排尘浓度平均小于10mg/Nm3。然后又安装了一套处理1176000m3/h 的COHPAC 系统，于1992年5月投入使用，运行7000 小时以上所积累的试验数据证明这套系统能保持排尘浓度小于10mg/Nm3，不透明度低于5%。
（2）Alabama 电力公司Miller 电站于1995 年9月安装了COHPAC 中间试验设备，经过2500 小时的试验表明，在气布比为2.7 m/min、在线清灰的情况下，袋式除尘器阻力可以保持在1250 Pa 以下。
（3）California Edison公司Mohave电站的1 台1MW的COHPAC中间试验设备，运行了大约2000小时，其气布比高达3.6 m/min，排尘浓度保持低于10mg/Nm3，袋式除尘器阻力在850~1050 Pa。
EPRI已将COHPAC成功地用于协同燃煤锅炉烟气的脱汞，并申请了专利，该技术被命名为TOXECONTM，这是基于在注入吸附剂工艺的烟气处理系统中使用电除尘器和高气布比的脉喷袋除尘器的组合。该技术适合于系统中已有电除尘器，通过在电收尘器后增加袋除尘器达到高效收集吸附剂和汞的目的。常用的吸附剂是活性碳。
图3. 美国电力研究协会(EPRI) 的TOXECON? 系统
3. DOE技术—AHPC
AHPC是Advanced Hybrid Particulate Collector（先进混合型除尘器）的缩写，该技术是在美国能源部（U.S. DOE）的资助下，由位于美国北达科他大学能源与环境研究中心开发的（University of North Dakota’s Energy & Environmental Research Center— EERC）。
这一技术是在1990 年代中期开发的，于1999年8月取得美国专利。GORE公司在这一技术的早期开发和目前的商业运作上都提供了技术和财力的支持，并且已经取得了该项技术的许可证以及在全世界范围内推广应用权力。目前，GORE公司正在全世界范围内选择合作伙伴，授予其许可证技术，并将其作为原始设备制造商（OEMs），允许他们使用该项技术，在指定的区域和市场设计、建造该系统。
与COHPAC不同的是该除尘器不是由电除尘器和袋除尘器串联而成，而是由一行电除尘器部件和一行滤袋相间排列而构成。也就是说滤袋在电除尘的粉尘收集板之间，粉尘收集板是多孔板，多孔板的开孔率为45%。粉尘可以通过多孔极板上的小孔流向滤袋，由于粉尘微粒在通过多孔板之前已经荷电，90%的粉尘微粒在到达滤袋之前就被粉尘收集板收集，只有一部分粉尘的气体通过多孔极板上的小孔流向滤袋，经滤袋过滤，将剩余的粉尘除去。滤袋脉喷清灰时，脱离滤袋的尘块经多孔极板回流，在电除尘区域被捕集，这样就大大减少了粉尘重返滤袋的机会，有效避免了滤袋对粉尘的二次吸附。同样的，收尘极板振打清灰时未落入灰斗的粉尘也会被滤袋捕集。多孔极板除了捕集荷电的尘粒外，还能保护滤袋免受放电的破坏
这一技术的中间试验装置于1999 年7 月开始运行，处理Otter Tail电力公司大石燃煤发电厂排放的15000 m3/h 烟气，烟气中含有电除尘器难以捕集的高比电阻飞灰，滤袋气布比为3.35~3.66 m/min。该设备长期运行性能稳定，采用在线清灰，平均在线脉冲清灰时间间隔大于20 min。除尘率能达到99.99%以上，阻力保持在1600~2000 Pa。
图4： AHPC 的设计构造图
图5. EERC的AHPC中试设备内部构造图
三．APHC在水泥厂的应用实例：
ELEX AG.是第一个从GORE公司购买许可证技术的OEM制造商，该公司从意大利水泥制造商SACCI公司下述的一水泥厂取得了第一个用AHPC取代电除尘器的设计及建造合同，水泥厂位于意大利Cagnano，原生产线为生产能力1100t/d水泥熟料的立波尔回转窑，使用静电除尘器除尘。2001年，该厂将立波尔窑改成预热器窑，生产能力增加到1400 t/d。同时，决定选择AHPC取代现有的静电除尘器。改造后希望将水泥窑尾、生料磨、篦冷机的废气集中一起进行处理。
表1 设计参数及性能指标
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处理烟气量/(m3/h
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400 000
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过滤风速/(m/min)
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3.65
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运行温度/（℃）
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150
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收尘器分室数/（个）
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3
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滤袋清灰方式
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定时在线脉喷清灰
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极板清灰方式
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定时旋转振打锤清灰
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极线清灰方式
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定时下降锤凸轮下落振打清灰
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每室滤袋数/（条）
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200
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每室滤袋排数（排）
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10
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每排滤袋数量（条）
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20
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同排滤袋中心距（inch）
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8
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两排滤袋中心距（inch）
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24
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滤料材质
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GORE NO-STAT?（GORE-TEX?抗静电覆膜毡）
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窑尾（含生料磨）与篦冷机烟气体积比
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60/40
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窑尾（含生料磨）烟气浓度（g/m3）
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55
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篦冷机烟气烟气浓度/（g/m3）
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2
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保证排放浓度/（mg/m3）
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<10
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滤袋寿命/年
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6
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图6.用于水泥厂的3室AHPC除尘器
从表1可以看出：由于AHPC过滤风速接近普通窑系统喷吹收尘器（过滤风速<1.0m/min）的4倍，滤袋的使用寿命达到了普通窑系统喷吹收尘器（窑头滤料NOMEX：2年，窑尾玻纤覆膜：3年）的2～3倍。无论收尘器的钢耗、占地面积、安装费用、使用成本、收尘效率等性能指标与传统的电除尘器或袋除尘器相比，都有质的飞跃。
四．电袋混合除尘器的前景
以上三种技术流派的电袋混合除尘器，其技术原理相同，都是首先用于电场的燃煤锅炉废气处理，包括除尘和脱汞，尤其在收集微细颗粒粉尘时表现出了卓越的性能，这三种电袋混合除尘器有各自的特点。
1. 以EPA和SRI技术专利为依托的Max-9，由于直接将收尘滤袋作为收尘极，除尘器内部结构比较简单，电场电流低，仅为粉尘微粒提供荷电的放电极提供电源，该除尘器特点为：高压电源耗电量小，设备钢耗最低，占地面积最小。
2. EPRI的库霍帕克（COHPAC）除尘器是前电后袋串联式除尘器，特别适合系统已有电除尘器但不能达标运行，在对原有电除尘器改造后，在电收尘器后再增加一台高气布比袋收尘器，以提高收尘效率和除尘能力。改造后的电除尘器起预收尘和对未收集的粉尘颗粒预荷电作用。
3. DOE和EERC的AHPC技术本质是多台前电后袋串联式除尘器的并联，独特的结构确保废气在进滤袋前已预收尘、粉尘颗粒已经荷电，多孔极板的均风效果极佳，除尘器可以有更高的气布比，特别适合处理高浓度粉尘的废气。
这三种电袋混合除尘器在经过大量的中试和现场实验，技术已成熟可靠，已具备大量推广应用的条件，高性能纤维过滤材料及覆膜滤料技术的日益成熟，为滤袋在高气布比下长期稳定工作提供了保证，电袋混合除尘器的出现是除尘技术的的飞跃。
来源：水泥技术杂志
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