袋除塵節(jié)能75%和制造成本降低50%的研究與應(yīng)用(上)

　　除塵器有多種，常用高效除塵器只有兩種：布袋和電除塵。電除塵在所有除塵器中能耗最低；袋除塵雖價格較低，但其最大缺陷是阻力大、能耗高。業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為袋除塵存在著一些它必然存在的缺陷，是無人能克服也是無法能克服的，是不可能改變的。

　　在三十余年的除塵應(yīng)用與科研生涯中，我們對各種除塵的機(jī)理、效果進(jìn)行了探索、實驗和應(yīng)用。經(jīng)過艱難曲折和無數(shù)次失敗，進(jìn)行了一系列技術(shù)創(chuàng)新；在研制袋除塵的過程中，針對它存在的問題與不足，進(jìn)行了大量的理論研究與實踐；經(jīng)過理論研究、結(jié)構(gòu)研究及實驗、使用，實踐已經(jīng)證明，袋除塵在干燥工況下其阻力能夠運行在260pa以內(nèi)，系統(tǒng)總阻力在360pa左右；與已有技術(shù)相比，節(jié)能率為75%，其能耗與電除塵相當(dāng)，降到屬于低能耗除塵器的行列。實踐還證明,袋除塵能夠結(jié)露使用，只是需要相應(yīng)的配套機(jī)構(gòu)與設(shè)施,并且也可節(jié)能,此時運行阻力在500pa左右,系統(tǒng)總阻力小于800pa,節(jié)能率為60%。本文將有關(guān)研究及應(yīng)用情況加以介紹。

　　1、理論研究

　　1.1物質(zhì)的能量

　　由動力學(xué)可知，物質(zhì)的動能為：    
　　T = mv2/2    ………………………………………………（1）
　　式中：T —物質(zhì)所具有的動能；
　　m —物質(zhì)的質(zhì)量；
　　v —物質(zhì)的運動速度。

　　此式在本研究中,理解為被處理的廢氣所消耗的能量,其中m為廢氣質(zhì)量，v為流動速度。

　　式中可看出，物質(zhì)所具有的動能與其運動速度的平方成正比。而速度v可人為地進(jìn)行改變和控制，當(dāng)v降到三分之一時，其能量則降到九分之一。這就是研究節(jié)能的理論原理和依據(jù)。

　　1.2濾料的阻力

　　使用袋式除塵器，必定用風(fēng)機(jī)給氣體施加動能，將粉塵以氣體的形式使其強(qiáng)行通過濾料進(jìn)行過濾，然后把過濾后的清潔氣體徘入大氣。氣體的動能來自于風(fēng)機(jī)電機(jī)。當(dāng)人為地控制氣體的動能使其大幅度下降時，則動力源的動力消耗也可隨之大幅下降，而達(dá)到節(jié)約能源的目的。在除塵系統(tǒng)中，氣體的動能取決于風(fēng)機(jī)的全壓；而風(fēng)機(jī)全壓的大小又完全取決于除塵系統(tǒng)總阻力；一般情況下風(fēng)機(jī)全壓的數(shù)值取系統(tǒng)總阻力的1.2倍。系統(tǒng)總阻力由除塵器阻力、系統(tǒng)管網(wǎng)阻力和塵源阻力三部分組成；有時塵源阻力可忽略不計，也可歸為管網(wǎng)阻力。本研究只涉及除塵器和管網(wǎng)阻力兩部分；在較簡單的除塵系統(tǒng)中，這兩部分就稱為除塵系統(tǒng)總阻力。這時，袋除塵器的阻力又占總阻力的70%以上。袋除塵器的內(nèi)部阻力又由濾料阻力和袋口阻力兩部分組成。

　　濾料阻力的大小與許多因素有關(guān)，目前還沒有實用的濾料阻力計算公式，據(jù)前人的經(jīng)驗、資料和我們的研究所得出的結(jié)論已經(jīng)證明，在一特定條件下，過濾阻力的大小主要取決于過濾速度，基本與過濾速度的平方成正比[1]，用簡易近似公式表示為： 

　　………………………………………（2） 
　　式中：Ha——濾料阻力，Pa；
      ρ——氣體密度，kg/m³；
      λ——阻力系數(shù)，由特定條件下的實驗確定；
　　δ——濾料及粉塵層的厚度，mm；
　　ω——濾料的孔隙率，%；                       
　　v1——通過濾料的氣流速度，cm/s。

　　此式與（1）式有一個最大的相同點：均與速度的平方成正比。兩式的原理相同，結(jié)論一致。本式是研究袋除塵是否節(jié)能及節(jié)能數(shù)量多少的公式。

　　式中看出，在一定的工況條件下，要想降低其阻力，其中有三個量可供選擇和改變：一是過濾速度v1，二是濾料的孔隙率ω，三是濾料及粉塵層的厚度δ。

　　1.2.1改變過濾速度v1 

　　將（2）式中v1改變，令其它為常數(shù)c1；當(dāng)v1=1時，Ha =1c1；v1=3時，Ha=9c1；v1=1/3時， Ha = c1/9。即過濾速度降到三分之一時，濾料阻力便降到九分之一。過濾速度降到三分之一的方法只有一個：將單位面積上的處理風(fēng)量減少到三分之一。例如：用來處理1萬m3/h風(fēng)量的過濾面積由100m2增加到300m2，總風(fēng)量不變，單位面積處理的風(fēng)量降到了三分之一，過濾速度就降到了三分之一，這時的濾料阻力便降到九分之一。這就能實現(xiàn)大大降低阻力和顯著節(jié)能的目的。

　　1.2.2改變?yōu)V料孔隙率ω            

　　將（2）式中的ω改變，令其它為常數(shù)濾c2；當(dāng)ω=1時，Ha =1c2；把ω增加0.1到ω=1.1時,則 Ha =c2/1.1。這時的濾料阻力減小了10%。濾料孔隙率ω與其阻力成反比，濾料孔隙率越大，其透氣性越好，阻力就越低。加大濾料孔隙率10%較容易實現(xiàn)，選透氣性好的濾料便可。

　　1.2.3改變?yōu)V料及粉塵層的厚度δ。

　　濾料及粉塵層的厚度越小，其阻力也越小。將（2）式中的δ改變，令其它為常數(shù)c3。濾料的厚度由1.5mm改用1mm厚的較溥濾料。關(guān)于粉塵層的厚度，由于單位面積處理的氣體量降到三分之一，所以單位面積的粉塵量也降到三分之一，其厚度便自然是降到三分之一；設(shè)其厚度由1.5mm降到0.5mm。這時的濾料及粉塵層的總厚度由3mm降到1.5mm，降低了50%。原來總厚度為3mm時，令δ為1，Ha =1c3；當(dāng)總厚度為1.5mm時,則δ為0.5，Ha =c3/2。以上三個量改變前后的乘積分別為1和
1/9×1/1.1×1/2 = 0.05，阻力降到5%，降幅達(dá)95%。在此只計第一個量降速后的阻力，其它兩項忽略不計，或其它兩個量不改變，也能降到九分之一，為原來阻力的11%，降幅達(dá)89%。也有不同觀點：袋除塵的阻力并非與過濾速度的平方成正比，認(rèn)同圖1[2] 所表示的關(guān)系。

圖中1為袋除塵自身的總阻力，是其它三種阻力之和。圖中可看出：過濾風(fēng)速增加一倍，則總阻力增加至三到四倍；實際它就是一條近似二次方曲線，與（1）（2）式并非矛盾；袋式除塵器的阻力基本是與過濾速度的平方成正比，由圖中曲線1為證，這一點無可否認(rèn)。

　　有資料介紹，袋除塵可以運行在500pa左右[3]，甚至可低達(dá)250pa[1]。為達(dá)到減小阻力，大幅度降低動力消耗的目的，采取加大過濾面積、降低過濾風(fēng)速的方法就能實現(xiàn)。

　　1.3 布袋袋口的局部阻力
　　…………（3）          
　　式中：Hb—袋口的局部阻力，pa；
　　ζ--局部阻力系數(shù)；
　　ρ—氣體密度，kg/m3；
　　v2—袋口內(nèi)的氣流速度，m/s。

　　此式也與（1）式相同，流速降到三分之一，則局部阻力降到九分之一。

　　由于袋口處的氣流速度較大，一般大于20m/s，而造成至少 200pa 的局部阻力損失。這是袋除塵阻力大的又一原因，是袋除塵內(nèi)部的一種嚴(yán)重缺陷。布袋越長，單袋處理風(fēng)量越大，袋口阻力就越大，尤其脈沖式大都用內(nèi)徑很小的文氏管，袋口處風(fēng)速很大，會有更大的阻力消耗，這一點往往不會引起人們的注意。 在處理相同風(fēng)量、布袋規(guī)格相同的前提下，布袋數(shù)量增加到三倍，則袋口風(fēng)速降到三分之一，其局部阻力便降到九分之一，即11%，降幅也為89%。袋式除塵器內(nèi)部的阻力由以上所述濾料的阻力和布袋袋口的局部阻力這兩部分組成，其阻力的總降幅為89%，降到已有阻力的11%。 

　　1.4系統(tǒng)管路的磨擦阻力     

　　磨擦阻力與氣體的粘滯性，管壁粗糙度、水力半徑、氣流速度有關(guān)，圓形管用公式表示為：        
　　…………………………………（4） 
　　式中：Hc —管道磨擦阻力，pa；
　　λ1—磨擦阻力系數(shù)；
　　ρ—氣體密度，kg/m3；
　　L --管路長度，m；
　　D —管路直徑，m；
　　v —氣流速度，m/s。

　　此式也與（1）式相同，流速降低50%，則磨擦阻力降到四分之一；要氣流速度降低50%，只有管路直徑增加到1.414倍（即面積增加一倍）時才能實現(xiàn)。由于磨擦阻力又與管路直徑成反比，則數(shù)值可降到1/4×1/1.414=1/5.656，即17.7%，降幅達(dá)82%。

　　1.5系統(tǒng)管路的局部阻力

　　產(chǎn)生系統(tǒng)管路局部阻力的構(gòu)件有改變流速、改變流向、改變流量三類，在此只考慮改變流向，用公式表示為：        　　　

　　……………………………（5）      
　　式中：Hd —管路局部阻力，pa；
　　ρ —氣體密度，kg/m3；
　　ζ1 ——局部阻力系數(shù)；
　　v —氣流速度，m/s。

　　此式也與（1）式相同，流速降低50%，局部阻力則降到四分之一，即降幅為75%。也只有管路直徑增加到1.414倍（即面積增加一倍）時才能實現(xiàn)。系統(tǒng)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風(fēng)機(jī)與動力

　　風(fēng)機(jī)的作用只有一個，克服除塵系統(tǒng)的全部阻力，把廢氣順利地抽出， 經(jīng)除塵后將清潔氣體排入大氣；阻力越大，克服阻力的動力也必須越強(qiáng)。風(fēng)機(jī)克服阻力的能力稱為全壓。

　　由以上的分析計算得：除塵器阻力降到11%,占總阻力的70%；管路阻力降到21.35%，占總阻力的30%；則總阻力降到0.11×0.70+0.2135×0.30=0.141,即14.1%。此計算結(jié)果過于喜人，在此取保守數(shù)20%，降幅為80%。 

　　風(fēng)機(jī)所需功率用公式表示為：  
　　………………………………………（6） 
　　式中：N ——風(fēng)機(jī)所需功率，kw；
　　K ——電機(jī)貯備系數(shù)，取1.2；
　　Q ——風(fēng)機(jī)的氣體流量，m³/s；
　　p ——風(fēng)機(jī)全壓，pa；一般除塵系統(tǒng)總阻力2500 pa，節(jié)能時取20%為500 pa，全壓取1.5倍為750 pa；           
　　η ——全壓效率,取0.90；
　　η1 ——風(fēng)機(jī)機(jī)械效率,取0.95。

　　當(dāng)用于風(fēng)量為10萬m3/h(27.778m3/s)時，風(fēng)機(jī)所需功率為：  

電機(jī)選用37kw，能耗約30kw。非節(jié)能型的總阻力一般取≥2000pa，全壓取3000 pa，這時的功率為117 kw, 電機(jī)選132 kw，能耗約120kw，是節(jié)能型的四倍；或者說低阻力時的節(jié)能率為75%。

　　式中可看出，在處理一定風(fēng)量的前提下，決定風(fēng)機(jī)功率的因素只有一個：風(fēng)機(jī)全壓，即除塵器阻力。阻力降到四分之一，所消耗功率同樣可降到四分之一。

　　1.7結(jié)論

　　由以上研究可知，袋除塵器及管路系統(tǒng)的總阻力從理論上計算，完全可以降到原來的20%，既減小80%；每處理1萬m3/h風(fēng)量所需動力為3kw，是現(xiàn)有非節(jié)能型產(chǎn)品的五分之一。

　　2、結(jié)構(gòu)研究 

　　目的：如何在袋除塵體積不變的前題下，將其過濾面積增加到三倍。

　　在袋除塵系統(tǒng)中，盡量避免水平管路或解決水平管路中積灰的前提下，其局部阻力和磨擦阻力的大幅度降低很容易實現(xiàn)，唯獨要研究的是除塵器本身。如果按常規(guī)，過濾面積增加到三倍，其生產(chǎn)成本、重量、體積也要增加到三倍，這是不可采取的。唯一的辦法只有在體積不變的前提下，將過濾面積增加到三倍；受畢威的布袋加折可增加面積一倍及信封式布袋的啟發(fā)，我們思考制做異形布袋。

　　異形布袋研制和應(yīng)用的基本過程：
　?、?000年  一年的理論研究，既本文的1
　　②2001年  根據(jù)理論研究的結(jié)論經(jīng)過數(shù)十次的設(shè)計、制做、實驗、失敗、改進(jìn)，確定了一種結(jié)構(gòu)；有3項技術(shù)創(chuàng)新，并申請了專利。
　?、?002年  用此結(jié)構(gòu)進(jìn)行了工業(yè)性應(yīng)用實驗，達(dá)到了節(jié)能的目的，寫了一篇論文，刊登在2002年出版的《第九界全國大氣環(huán)境學(xué)術(shù)會議論文集》上，有6項技術(shù)創(chuàng)新，均申請了專利。（實驗情況見本文3）
　?、?003年  繼續(xù)結(jié)構(gòu)研究，有1項技術(shù)創(chuàng)新申請了專利。
　?、?004年  研制成了理想的、構(gòu)造竟然是意想不到簡單的一種節(jié)能結(jié)構(gòu)基本型式─—異形布袋,進(jìn)行了第一次工業(yè)應(yīng)用，達(dá)到了節(jié)能的目的,使用半年后該廠拆除。有2項技術(shù)創(chuàng)新申請了專利。（應(yīng)用情況見本文4）
　　⑥2005年  節(jié)能技術(shù)得到了完全成功的直到2008年的長期的應(yīng)用。（應(yīng)用情況見本文5）
　?、?006年  作技術(shù)總結(jié)，寫了篇論文，發(fā)表在《中國環(huán)保產(chǎn)業(yè)》雜志2006年第三期上；用戶也寫了篇論文，題目為“袋除塵節(jié)能75%的技術(shù)在我公司的應(yīng)用”，刊登在《中國環(huán)境科學(xué)學(xué)會學(xué)術(shù)年會優(yōu)秀論文集》上。有2項技術(shù)創(chuàng)新申請了專利。
　?、?007～2008年  成功用在了6300KVA鐵合金電爐煙氣除塵上。07年有2項技術(shù)創(chuàng)新申請了專利。（應(yīng)用情況見本文6）
對袋除塵的研究從開始到今天已經(jīng)歷了9年時間，經(jīng)多年的應(yīng)用已經(jīng)證明：完全達(dá)到了驚人的節(jié)能60～80%的目的，且技術(shù)已經(jīng)成熟，并可用在各種行業(yè)；做到了在現(xiàn)有體積內(nèi)增加過濾面積2～6倍的目的，還意想不到的是此技術(shù)竟能降低成本50%，也達(dá)到了驚人的程度；這期間共有16項已申請專利的技術(shù)創(chuàng)新，獲得了多項發(fā)明專利權(quán)，還有多項創(chuàng)新沒有申請專利。

　　3、工業(yè)實驗

　　2002年，當(dāng)?shù)卣度肟蒲薪?jīng)費20萬元，做了一臺體積12m3、重量1.8t、過濾面積300m2、、處理風(fēng)量8000m3/h、內(nèi)外多圈連續(xù)反吹、外濾式回轉(zhuǎn)袋除塵器，安裝在水泥廠立窯煙囪上，在現(xiàn)場進(jìn)行了數(shù)月的實驗；竟意外發(fā)現(xiàn)袋除塵在結(jié)露狀態(tài)下也能使用，數(shù)據(jù)為：除塵器阻力500pa左右，系統(tǒng)總阻力760pa左右，排放濃度54 mg/Nm3； 2003年初，此實驗在項目驗收時，受到了專家們的高度評價，并建議盡快投入工業(yè)性生產(chǎn)。 

　　4、應(yīng)用實例1 

　　2004年我們用9項新技術(shù)制作了一臺可結(jié)露使用的直徑和高度均為5米的步進(jìn)回轉(zhuǎn)單袋反吹圓柱形（無錐形積灰斗）、過濾面積為3000m2的外濾式袋除塵器，用在水泥廠立窯煙氣除塵且安裝在30米高的立窯樓頂上；處理風(fēng)量6.9萬m3/h,除塵器阻力500 pa，總阻力小于800pa，風(fēng)機(jī)電機(jī)22kw，電流40A，實際能耗20kw，合2.9kw/萬m3；排放濃度為148mg/Nm3；除塵器總體積為98m3,面積體積比為31m2/m3；總重量15噸，鋼耗為5kg/m2。9項新技術(shù)為：大小多圈步進(jìn)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、大小多圈回轉(zhuǎn)單袋返吹機(jī)構(gòu)、大蓋轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)、異形布袋、布袋自動檢漏機(jī)構(gòu)、布袋清灰裝置、防燒保護(hù)器、灰塵收集器和無堵塞排灰機(jī)構(gòu)。

　　因該廠座落在開發(fā)區(qū)中心，于2005年初拆除，除塵器只運轉(zhuǎn)了半年時間。經(jīng)這次的實際使用證明：具有重大意義的節(jié)能技術(shù)是完全成功的；其異形布袋、布袋自動檢漏機(jī)構(gòu)、灰塵收集器、防燒保護(hù)器、無堵塞排灰機(jī)構(gòu)也是完全成功的；還證明布袋能夠結(jié)露使用，其配套裝置要改進(jìn)，其它則需要進(jìn)一步完善。

　　5、應(yīng)用實例2

　　為了有一臺能長期運轉(zhuǎn)的節(jié)能型示范工程，根據(jù)用戶需要，我們設(shè)計制做了一臺處理風(fēng)量為9000m3/h、方形、反吹內(nèi)濾式袋除塵，安裝在某水泥廠干燥的揚塵點處，在無人操作的情況下，從2005年10月到2008年的現(xiàn)在，已24小時連續(xù)不停正常運行了兩年多時間，其效果好于預(yù)計；數(shù)據(jù)如下：

　　5.1袋除塵的實際阻力

　　開始使用的前10天，袋除塵的阻力為160pa，比預(yù)計低得太多；經(jīng)測試風(fēng)量又不足，調(diào)整后為220～260pa，風(fēng)量和阻力都好于設(shè)計要求，一直就運行在這個數(shù)值之間。實際阻力是普通產(chǎn)品的五分之一。

　　5.2系統(tǒng)管路的實際阻力

　　除塵器運行的前10天，管路實際阻力為60pa，調(diào)整后為100pa，包括集塵罩的阻力。也是普通技術(shù)的五分之一。

　　5.3除塵系統(tǒng)實際總阻力

　　為除塵器與管路阻力之和，實際運行在320～360pa之間，既清灰后320pa，清灰前小于360pa。仍是普通技術(shù)的五分之一。

　　5.4風(fēng)機(jī)動力與實際能耗

　　實際使用風(fēng)機(jī)動力為4kw，電流6.8a，電機(jī)空載電流3a，真正作用于除塵的實際電流3.8a。

　　5.5實際技術(shù)數(shù)據(jù)

　　1、處理風(fēng)量              8600m3/h       

　　2、除塵器阻力           220～260pa      

　　3、除塵系統(tǒng)總阻力       320～360pa     

　　4、風(fēng)機(jī)動力             4kw            

　　5、過濾面積                320m2  

　　6、除塵器面積/體積比       21m2/m3  

　　7、除塵效率                99.8%

　　8、排放濃度             13.99 mg/Nm3

　　5.6實踐證明理論研究正確

　　這次應(yīng)用設(shè)計的目標(biāo)是：除塵器阻力低于500 pa，系統(tǒng)總阻力在600 pa左右。認(rèn)為使用后能達(dá)到設(shè)計目的就很不錯了，沒有想到的是，阻力幾乎比預(yù)計低了50%，完全出乎意料，好得出奇，實際數(shù)據(jù)接近理論計算。此產(chǎn)塵點原來用袋除塵的風(fēng)機(jī)功率為37kw，還不能用，相比節(jié)能率大于80%。實踐是檢驗真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)，事實已證明本文的理論研究正確。

　　6、應(yīng)用實例3

　　用此節(jié)能技術(shù)于2007年10月在外省某鐵合金廠6300KVA的一號電爐煙囪安裝運行了一臺處理煙氣量為10萬m3、過濾面積為5400m2的方形、反吸振動內(nèi)濾式袋除塵，從20米高引到地面，總阻力600～1000pa，既清灰前1000 pa，清灰后600 pa，風(fēng)機(jī)電機(jī)75kw，電流80～100A；該廠相同的二號電爐袋除塵電流始終穩(wěn)定在400A上，相比節(jié)能大于75%。本節(jié)能袋除塵器主箱體體積為120m3，每立方米體積內(nèi)有45m2的過濾面積，重量僅有十噸多，鋼耗為2.5kg/m2，成本僅有十多萬元（用正壓，外殼為0.5mm厚彩板），系統(tǒng)總成本20多萬元； 12月底通過當(dāng)?shù)丨h(huán)保部門的測試驗收，排放濃度為11.8mg/Nm3，并準(zhǔn)備在當(dāng)?shù)赝茝V使用。