表面过滤技术在粉尘治理中的应用
2007-6-12
作者：陈绍龙
单位：山东建筑材料工业学院
1 深层过滤和表面过滤净化机理
多年来，应用于粉尘治理工作中的袋除尘器，都是一种深层过滤的净化机理，当含尘气体接触滤袋时，粗颗粒粉尘被阻留下来，而小于滤袋纤维孔隙的细颗粒粉尘，就会通过滤袋而逃逸，由于粉尘中这些细颗粒的含量约占30%以上，因此刚使用的滤袋收尘效率较低。
随着过滤过程的持续，滤袋的收尘效率才逐步提高，但是滤袋的阻力也随之增大，当阻力达到一定数值时，必须对其进行清灰，否则影响气体的通过量，造成收尘设备处理风量的减少，清灰又不能清得太干净，还要保持滤袋较高的收尘效率。其实滤袋清灰过程也不可能清理干净，因为有一部分与纤维孔隙大小相近的粉尘颗粒卡滞在孔隙中，使滤袋纤维逐渐形成局部或全部的堵塞。这也是深层过滤净化机理的弊端所在。
表面过滤技术是指粉尘不能透过滤袋纤维，而全部沉积在滤袋表面的净化机理。
2 复膜袋除尘器的研制
2.1 滤布选择
一般袋除尘器使用的滤布孔径，均为20～50μm，只能是深层过滤的净化机理。70年代，我国开始引进国外复膜滤布，薄膜表面微孔孔径为1～3μm，微孔密度在1.4×107/mm2左右，是表面过滤的理想材料，但是，产品价格昂贵(是普通滤布的80～100倍)。90年代中期，国产复膜滤布的研制成功，才真正解决了这个矛盾。我们选用了两种上海生产的复膜滤布，经测试其主要性能技术指标如表1所示。
表1 复膜滤布的主要技术性能
| 名称
| 质量
/(g/m2)
| 厚度
/mm
| 断裂强度
/(N/25mm)
| 使用温度
/℃
| 透气量
/〔cm3/(cm2·s)〕
|
| PTFE/涤纶针刺毡
| 679
| 2.3
| 1 265
| ≤100
| 8.5
|
| PTFE膜/玻璃纤维
| 568
| 0.64
| 3 169
| ≤260
| 8.5 |
我们用425号普通硅酸盐水泥，制成粉尘浓度为100g/m3的含尘气体，用208涤纶布和复膜涤纶针刺毡对比进行滤布过滤实验，过滤风速取3m/min，过滤时不清灰，每次试验10min，每2min测算一次除尘效率，试验装置如图1所示，试验结果见图2。
图1 试验装置流程图
1.料仓；2.加料机；3.分散箱；4.入口测孔；5.试验用袋除尘器；6.出口测孔；7.调风阀；8.风机
图2 滤布不清灰除尘效率
1.208涤纶布；2.复膜涤纶针刺毡
从图2中可看出，208涤纶布除尘效率开始不算高，随着一次粉尘层的形成，过滤净化作用越来越强，除尘效率逐步升高。复膜涤纶针刺毡的过滤过程一是起始的除尘效率较高；二是在没有人工清灰的情况下，由于薄膜表面光滑，堆积在其上的粉尘层有一个明显的脱落过程，反映在图形上是一个起浮状的波峰，这两个特点也是表面过滤机理的主要标志。
2.2 过滤风速
设计规范一般推荐适当降低过滤风速，以保证袋除尘器使用的可靠性，国内绝大部分袋除尘器过滤风速选择在0.5～1.5m/min的范围内，如果按这个推荐的过滤风速进行设计，复膜袋除尘器比普通除尘器的生产成本必然提高40%～80%，这在市场竞争的条件下，设备制造厂家和用户都很难接受。
用单幅切口法对208涤纶布与复膜涤纶针刺毡进行了扯裂强度试验，结果是后者比前者提高1～2倍。由此可见，复膜滤布比普通滤布坚固得多。
采用油压压力对这两种滤布进行破裂强度对比试验，将试件下面垫0.85mm厚的橡胶薄膜，然后用夹板固定，施加油压压力使其膨胀而破裂。这两种滤布的破裂强度都>3MPa，由于一般工业除尘系统中的通风压力和脉冲喷吹压力等都<1MPa，因此该布已经具备足够的抵御能力。然而工况压力时滤布会拉伸变形，长度延伸、滤袋下坠都会引起滤袋使用寿命和空隙率的变化。而复膜滤布增加了滤布的刚性，这正好弥补了普通滤布的不足。
通过复膜滤布的扯裂强度和破裂强度的试验研究，证实了复膜滤布的质量可以较大幅度地提高过滤风速，而对其使用寿命影响不大。从理论上测算，如果将复膜滤袋的过滤风速提高到常规推荐值(0.5～1.5m/min)的3～4倍，其使用寿命不会低于普通涤纶滤袋。后面的其他技术参数试验研究及其样机的工业性试验研究也证实了这一点。
2.3 压力损失
复膜滤布的出现，使滤料性能发生了改变，首先是薄膜上的微孔孔径比普通涤纶布的孔眼缩小了8～10倍，而微孔的密度有增无减，因为它的压力损失小，并没有影响稳定的高除尘效率；其二是薄膜表面光滑，使其捕集堆积的粉尘层会自动脱落，即使几小时，甚至几天不清灰，只要清一次，积灰即可清除干净，压力损失几乎接近原始的数值。
将两种滤料进行过滤压力损失试验研究，试验条件同前，过滤风速取3m/min，每10min对滤袋电磁振打一次，每次连续5s，测试结果如图3所示。
图3 袋除尘器顶部电磁振打清灰压力损失变化
1.208涤纶布滤袋；2.复膜涤纶针刺毡滤袋
从图3中可以看出:1)普通滤袋的压力损失有一个较大的增长速率，而复膜滤袋的波幅比较平稳，压力损失的增长不大。同时，复膜滤袋的自清灰动作在图形上有明显反映；2)复膜滤袋的压力损失比普通滤袋要低20%～30%，这对于过滤风速的提高和除尘系统的风机节电创造了良好的条件。
2.4 清灰方式
我们用Φ190mm×1200mm规格的复膜滤袋分别进行脉冲喷吹、常压反吹、中部机械振打以及顶部电磁振打4种清灰方式的对比试验(见表2)。
表2 复膜滤袋清灰对比试验
| 清灰方式
| 脉冲喷吹
| 常压反吹
| 中部机械振打
| 顶部电磁振打
|
| 清灰时间/s
| 5
| 5
| 5
| 5
|
| 清灰前粉尘负荷/(g/m2)
| 292
| 283
| 286
| 291
|
| 清灰后粉尘负荷/(g/m2)
| 3
| 11
| 23
| 26
|
| 清灰效率/%
| 99.0
| 96.1
| 91.1
| 91.1 |
试验结果表明，复膜滤袋具有良好的清灰性能，过滤面积在100m2以下的中小型复膜袋除尘器完全可以采用顶部电磁振打清灰方式，这样可以大幅度地降低设备制造成本，也给操作维护带来了极大的方便。
2.5 改进措施
我们对回转反吹扁袋除尘器进行了三个方面改进:
1)滤袋由208涤纶布换成复膜涤纶针刺毡，由于过滤风速可提高到2.5～3m/min，因此过滤面积减到原来的1/3，设备体积明显缩小。滤袋更换周期由3～6个月增加到2～3年。
2)改滤袋的外部过滤式为内部过滤式，省去了支撑滤袋的铁笼骨架，也避免了滤袋划破的隐患。
3)改机构复杂的回转反吹清灰为简单的顶部电磁振打清灰，减少了设备投资和装机容量，而且提高了自动控制水平，既节能又便于操作维护。
改进前后袋除尘器技术经济指标对比见表3。
表3 袋除尘器技术经济指标对比
| 设备名称
| 回转反吹扁袋除尘器
| 复式复膜袋除尘器
|
| 粉尘类型
| 水泥
| 水泥
|
| 型号规格
| FD180－78
| FFD－60
|
| 滤袋材质
| 208涤纶布
| 复膜涤纶针刺毡
|
| 处理风量/(m3/h)
| 10 800
| 10 800
|
| 允许入口浓度/(g/m3)
| 200
| 200
|
| 压力损失/Pa
| 120
| 100
|
| 除尘效率/%
| ≥99.90
| ≥99.99
|
| 装机容量/kW
| 4.2
| 0.5
|
| 设备重量/kg
| 4 800
| 3 200
|
| 参考价格/万元
| 6～7
| 5～6
|
| 除尘投资成本/(元/m3)
| 6
| 5
|
| 滤袋使用寿命/a
| 0.5
| 2～3 |
3 工业性试验运行
3.1 低含尘浓度气体的处理
原料、生料、水泥储库以及仓、罐顶部排气口的粉尘浓度一般在20～30g/m3以下，水泥或熟料散装工艺作业点扬尘也在30g/m3以下。这些地方直接用负压抽吸、滤袋过滤就可以完成净化任务，我们在省内外一些厂家安装的复膜袋除尘器都取得了较好的效果(见表4)。
表4 复膜袋除尘器运行情况实测数据
| 工厂代号
| 扬尘点
| 废气量/(m3/h)
| 含尘浓度/(mg/m3)
| 废气温度/℃
| 排放浓度/(mg/m3)
| 除尘效率/%
|
| XL
| 水泥散装
| 1 800
| 28 321.6
| 22
| 1.8
| 99.993
|
| SD
| 熟料散装
| 3 200
| 29 872.3
| 34
| 1.8
| 99.994 |
3.2 高含尘浓度气体的处理
熟料预粉碎的细碎破碎机，扬尘比较严重，一般都在40g/m3以上，有的甚至达到70～80g/m3。对于这些高含尘浓度气体的处理，一般采用复合除尘工艺较好，即把袋除尘器的圆形壳体作成旋风除尘器的形式，让进风口从侧面切线方向进入，使部分颗粒较大的粉尘沉降下来，其余再由筒体中部的滤袋过滤。因为这里有离心力沉降、惯性重力沉降以及滤袋过滤等方法联合作业，因此我们称其为复式复膜袋除尘器，使用这种除尘器一般在3～5个月内就可以全部收回设备投资。实际运行效果见表5。
表5 复式复膜袋除尘器使用现场实测数据
| 工厂代号
| 扬尘点
| 废气量/(m3/h)
| 含尘浓度/(mg/m3)
| 废气温度/℃
| 排放浓度/(mg/m3)
| 除尘效率/%
|
| QW-
| 熟料破碎
| 4 300
| 56 731.7
| 53
| 4.2
| 99.992
|
| RZ
| 水泥粉磨
| 5 800
| 61 243.3
| 51
| 4.1
| 99.993 |
来源：水泥 2000.7
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