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(jià)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(duì)各種除塵的機(jī)理、效果進(jìn)行了探索、實(shí)驗(yàn)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(duì)它存在的問題與不足，進(jìn)行了大量的理論研究與實(shí)踐；經(jīng)過理論研究、結(jié)構(gòu)研究及實(shí)驗(yàn)、使用，實(shí)踐已經(jīng)證明，袋除塵在干燥工況下其阻力能夠運(yùn)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(shí)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(shí)運(yùn)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(dòng)力學(xué)可知，物質(zhì)的動(dòng)能為：    
　　T = mv2/2    ………………………………………………（1）
　　式中：T —物質(zhì)所具有的動(dòng)能；
　　m —物質(zhì)的質(zhì)量；
　　v —物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)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(dòng)速度。

　　式中可看出，物質(zhì)所具有的動(dòng)能與其運(yùn)動(dòng)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(shí)，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(dòng)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(dòng)能來自于風(fēng)機(jī)電機(jī)。當(dāng)人為地控制氣體的動(dòng)能使其大幅度下降時(shí)，則動(dòng)力源的動(dòng)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(dòng)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(shí)塵源阻力可忽略不計(jì)，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(jiǎn)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(shí)，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(shí)用的濾料阻力計(jì)算公式，據(jù)前人的經(jīng)驗(yàn)、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(jiǎn)易近似公式表示為： 

　　………………………………………（2） 
　　式中：Ha——濾料阻力，Pa；
      ρ——?dú)怏w密度，kg/m³；
      λ——阻力系數(shù)，由特定條件下的實(shí)驗(yàn)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(gè)最大的相同點(diǎn)：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(gè)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(shí)，Ha =1c1；v1=3時(shí)，Ha=9c1；v1=1/3時(shí)， Ha = c1/9。即過濾速度降到三分之一時(shí)，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(gè)：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(shí)的濾料阻力便降到九分之一。這就能實(shí)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(shí)，Ha =1c2；把ω增加0.1到ω=1.1時(shí),則 Ha =c2/1.1。這時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)，令δ為1，Ha =1c3；當(dāng)總厚度為1.5mm時(shí),則δ為0.5，Ha =c3/2。以上三個(gè)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(jì)第一個(gè)量降速后的阻力，其它兩項(xiàng)忽略不計(jì)，或其它兩個(gè)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(diǎn)：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(shí)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(diǎn)無可否認(rèn)。

　　有資料介紹，袋除塵可以運(yùn)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(dòng)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(shí)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—?dú)怏w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(zhǎng)，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(huì)有更大的阻力消耗，這一點(diǎn)往往不會(huì)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—?dú)怏w密度，kg/m3；
　　L --管路長(zhǎng)度，m；
　　D —管路直徑，m；
　　v —?dú)饬魉俣?，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?dú)饬魉俣冉档?0%，只有管路直徑增加到1.414倍（即面積增加一倍）時(shí)才能實(shí)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 —?dú)怏w密度，kg/m3；
　　ζ1 ——局部阻力系數(shù)；
　　v —?dú)饬魉俣?，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(shí)才能實(shí)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(dòng)力

　　風(fēng)機(jī)的作用只有一個(gè)，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(dòng)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(jì)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(jì)算結(jié)果過于喜人，在此取保守?cái)?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(shí)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(shí)，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(shí)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(shí)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(gè)：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(jì)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(dòng)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(shí)現(xiàn)，唯獨(dú)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：
　　①2000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(jì)、制做、實(shí)驗(yàn)、失敗、改進(jìn)，確定了一種結(jié)構(gòu)；有3項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新，并申請(qǐng)了專利。
　?、?002年  用此結(jié)構(gòu)進(jìn)行了工業(yè)性應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，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(guó)大氣環(huán)境學(xué)術(shù)會(huì)議論文集》上，有6項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新，均申請(qǐng)了專利。（實(shí)驗(yàn)情況見本文3）
　　④2003年  繼續(xù)結(jié)構(gòu)研究，有1項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新申請(qǐng)了專利。
　?、?004年  研制成了理想的、構(gòu)造竟然是意想不到簡(jiǎn)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(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新申請(qǐng)了專利。（應(yīng)用情況見本文4）
　?、?005年  節(jié)能技術(shù)得到了完全成功的直到2008年的長(zhǎng)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(guó)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(guó)環(huán)境科學(xué)學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì)優(yōu)秀論文集》上。有2項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新申請(qǐng)了專利。
　　⑧2007～2008年  成功用在了6300KVA鐵合金電爐煙氣除塵上。07年有2項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新申請(qǐng)了專利。（應(yīng)用情況見本文6）
對(duì)袋除塵的研究從開始到今天已經(jīng)歷了9年時(shí)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(xiàng)已申請(qǐng)專利的技術(shù)創(chuàng)新，獲得了多項(xiàng)發(fā)明專利權(quán)，還有多項(xiàng)創(chuàng)新沒有申請(qǐng)專利。

　　3、工業(yè)實(shí)驗(yàn)

　　2002年，當(dāng)?shù)卣度肟蒲薪?jīng)費(fèi)20萬元，做了一臺(tái)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(chǎng)進(jìn)行了數(shù)月的實(shí)驗(yàn)；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(shí)驗(yàn)在項(xiàng)目驗(yàn)收時(shí)，受到了專家們的高度評(píng)價(jià)，并建議盡快投入工業(yè)性生產(chǎn)。 

　　4、應(yīng)用實(shí)例1 

　　2004年我們用9項(xiàng)新技術(shù)制作了一臺(tái)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(shí)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(xiàng)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(dòng)機(jī)構(gòu)、異形布袋、布袋自動(dòng)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(yùn)轉(zhuǎn)了半年時(shí)間。經(jīng)這次的實(shí)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(dòng)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(shí)例2

　　為了有一臺(tái)能長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)的節(jié)能型示范工程，根據(jù)用戶需要，我們?cè)O(shè)計(jì)制做了一臺(tái)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(yáng)塵點(diǎn)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(shí)連續(xù)不停正常運(yùn)行了兩年多時(shí)間，其效果好于預(yù)計(jì)；數(shù)據(jù)如下：

　　5.1袋除塵的實(shí)際阻力

　　開始使用的前10天，袋除塵的阻力為160pa，比預(yù)計(jì)低得太多；經(jīng)測(cè)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(jì)要求，一直就運(yùn)行在這個(gè)數(shù)值之間。實(shí)際阻力是普通產(chǎn)品的五分之一。

　　5.2系統(tǒng)管路的實(shí)際阻力

　　除塵器運(yùn)行的前10天，管路實(shí)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(shí)際總阻力

　　為除塵器與管路阻力之和，實(shí)際運(yùn)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(dòng)力與實(shí)際能耗

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

　　5.5實(shí)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(dòng)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(shí)踐證明理論研究正確

　　這次應(yīng)用設(shè)計(jì)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(jì)目的就很不錯(cuò)了，沒有想到的是，阻力幾乎比預(yù)計(jì)低了50%，完全出乎意料，好得出奇，實(shí)際數(shù)據(jù)接近理論計(jì)算。此產(chǎn)塵點(diǎn)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(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)，事實(shí)已證明本文的理論研究正確。

　　6、應(yīng)用實(shí)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(hào)電爐煙囪安裝運(yùn)行了一臺(tái)處理煙氣量為10萬m3、過濾面積為5400m2的方形、反吸振動(dòng)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(hào)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?jī)H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(cè)試驗(yàn)收，排放濃度為11.8mg/Nm3，并準(zhǔn)備在當(dāng)?shù)赝茝V使用。