一. 電袋混合技術(shù)提出的背景

1.可吸入顆粒物PM10、PM2.5(Particle matter)的控制

空氣中微細(xì)粒子的濃度與人們的患病率密切相關(guān),，導(dǎo)致城市人口患病率和死亡率增加的主要原因是空氣中懸浮顆粒物中的微細(xì)粒子的濃度,，而并非空氣中懸浮顆粒物的總量。吸入細(xì)顆粒是導(dǎo)致心血管和呼吸疾病的主要原因,。

空氣中的顆粒物通常稱為懸浮顆粒物（SPM）或總懸浮顆粒物（TSP）,。顆粒的大小對研究懸浮顆粒物與健康的關(guān)系十分重要，一般用其粒徑大小來描述,。PM10是指直徑小于10微米的顆粒物,；PM2.5是指粒徑小于2.5微米的顆粒物。這些細(xì)小的顆粒能夠通過呼吸進(jìn)入人體的呼吸道和肺部,，直徑小于10微米的顆粒物通常又稱為可吸入顆粒物,。

 人們在吸入空氣時，直徑為15?100微米的大顆粒通常被阻止在鼻孔和咽喉（鼻咽區(qū)）處,，而5?10微米的顆粒則能進(jìn)入肺部及氣管與支氣管,。直徑小于2.5微米的顆粒可以進(jìn)入細(xì)支氣管（呼吸支氣管）和肺泡區(qū),。由于細(xì)顆粒一般多為燃燒的產(chǎn)物,，其化學(xué)成份通常比來自土壤粘土的較粗顆粒物對人體危害更大。

近些年來,，人們越來越重視對可吸入顆粒物的控制,，加強(qiáng)了可吸入顆粒物控制設(shè)備和技術(shù)的開發(fā)。

2. 汞排放的控制

汞很易蒸發(fā)到空氣中引起危害,，因?yàn)? 

⑴ 在0℃時已蒸發(fā),，氣溫越高，蒸發(fā)愈快越多,。

⑵ 汞不溶于水,，可通過表面的水封層蒸發(fā)到空氣中。

⑶ 粘度小而流動性大,，容易碎成小汞珠,，無孔不入,，難清除，不及時清除的汞又因表面面積增加而大量蒸發(fā),，成為二次污染源,。
      過量吸入含有汞的粉塵及皮膚接觸汞時均可引起中毒。汞的毒作用是多方面的,，對人體的危害是嚴(yán)重的,。

燃煤廢氣的汞是以自然游離態(tài)、氧化物,、顆粒狀三種形式存在的,。汞的氧化物及顆粒狀的汞比較容易被收集，但自然游離態(tài)汞不容易從廢氣中分離收集,。廢氣清潔器（Scrubbers）的使用能分離出在煤燃燒時總釋放汞量的50％,， 然而，美國環(huán)保局(U.S.EPA)要求汞的收集率達(dá)到或超過80%,，為了提高汞的收集率,，嚴(yán)格控制汞的直接排放量，一項(xiàng)常采用的技術(shù)是：在廢氣中加入活性碳,，利用活性碳的吸附功能將廢氣的汞收集起來,。實(shí)驗(yàn)表明：使用電除塵器作為除塵設(shè)備時，由于缺少過濾器表面碳的堆積,，汞的收集效果明顯降低,，如果采用濾袋除塵器過濾，含汞的廢氣與濾袋表面的粉餅中的活性碳能充分接觸,，并且接觸時間越長,，汞的收集率越高。

3. 技術(shù)依托

科學(xué)家Frederick通過大量的實(shí)驗(yàn)證明：煙塵中粉塵顆粒的靜電荷對織物過濾的除塵率,、阻力以及清灰難易有影響,。他的這一觀點(diǎn)于1961 年以論文的形式發(fā)表，成為電袋復(fù)合技術(shù)技術(shù)依托和理論依據(jù),。

二．技術(shù)發(fā)展及現(xiàn)狀

㈠ EPA技術(shù)

在美國環(huán)保局（U.S.EPA）資助下,，美國南方研究所（SRI）研究開發(fā)了的電袋復(fù)合除塵新技術(shù)。

1．阿匹托隆(Apitron)

最早的阿匹托隆(Apitron)電袋除塵器是 1970 年美國精密工業(yè)公司試驗(yàn)生產(chǎn)的一種預(yù)荷電脈噴清灰的除塵器,，其原始的設(shè)計(jì)是在金屬絲網(wǎng)做成的圓筒形管子（袋籠）中心放一根電暈線,，管子（袋籠）外面套一條濾袋。軸向進(jìn)入管子（袋籠）的粉塵因電暈作用而荷電,，一部分被接地的金屬絲網(wǎng)管（袋籠）電極捕集,，其余荷電粉塵最終被最外層的濾袋捕集,。由于高壓電暈放電有時會損壞濾袋,，這種早期的設(shè)計(jì)后來被廢棄了,。這是我們目前所知道的最早的電袋復(fù)合除塵器。

第二種阿匹托隆(Apitron)的結(jié)構(gòu)型式是將金屬極線和鋼板圓管組成的荷電器與濾袋分開,，移往濾袋的下端,，與濾袋相接。含塵氣體從下端進(jìn)入荷電器內(nèi),，塵粒荷電后一部分被管狀電極捕集,，然后含塵氣體向上流動，穿過濾袋流出去,，濾袋將剩下的粉塵捕集,。

實(shí)際上它就相當(dāng)于普通的管式電除塵器和袋式除塵器二級串聯(lián)。這種阿匹托隆(Apitron) 也是用脈沖噴吹清灰,。清灰時壓縮空氣從荷電器上端噴出,，誘導(dǎo)二次空氣從濾袋外面向內(nèi)流動，使濾袋內(nèi)壁附著的粉塵脫落,，一次和二次清灰空氣的混合氣流又把電暈線和金屬管壁上的粉塵吹掉,。這種脈沖清灰和通常脈沖噴吹袋式除塵器有所不同，其差異在于：

（1）脈沖空氣是在濾袋的底部噴入而不是在濾袋頂部,；

（2） 濾袋是內(nèi)側(cè)過濾而不是外側(cè)過濾,。為了解決荷電部分的反電暈問題，其收塵圓管的管壁是中空的,，可用水冷卻,。

美國南方研究所（SRI）在美國環(huán)境保護(hù)局（EPA）的支持下，于1977年12月至1978年11月用移動式Apitron除塵器在現(xiàn)場抽取一部分燃煤鍋爐所產(chǎn)生的煙氣進(jìn)行中試試驗(yàn)以及在實(shí)驗(yàn)工廠進(jìn)行的廢氣硅土粉塵收集實(shí)驗(yàn),。

南方研究所（SRI）于1979年2月發(fā)表了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的最終評價報告,，將實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與傳統(tǒng)的脈噴袋除塵器相比,，結(jié)論如下： 

⑴ 阿匹托隆(Apitron) 與傳統(tǒng)的脈噴袋除塵器相比，在相同過濾風(fēng)速時阻力明顯降低，過濾風(fēng)速提高到4倍時阻力相等,，阿匹托隆(Apitron)的清灰周期可大大延長。

⑵ 使用相同的濾袋,，阿匹托隆(Apitron)比傳統(tǒng)的脈噴袋除塵器的除塵效率大幅提高,。燃煤鍋爐飛灰的除塵效率為99.90～99.94%，其中0.2～1μm飛灰的除塵效率99.85～99.94%,；硅土粉塵的除塵效率達(dá)99.995～99.9994%,，其中0.2～1μm粉塵的除塵效率為99.85～99.94%。

⑶ 過濾風(fēng)速大幅提高,，阿匹托隆(Apitron)可以在2.4 m/min的過濾速度下長期穩(wěn)定地運(yùn)行,。

報告對實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)論作出如下分析：

⑴ 因?yàn)榧与妶隹梢栽黾臃埏灥目茁省Ｔ囼?yàn)時取出有電場與無電場的除塵室灰斗所收集的飛灰進(jìn)行比較，前者的氣孔比后者的多15~20%,。這說明電場引起了粉餅的結(jié)構(gòu)改變,，而且經(jīng)過清灰和灰斗貯存，長時間脫離電場,，這種改變還存在,。荷電塵粒形成的疏松粉餅層透氣性較好，另外還有一些粉塵沉降在金屬管上降低了濾袋過濾粉塵的濃度,，所以過濾風(fēng)速可大幅提高,。

⑵ 為什么加電場時除塵器的阻力會降低？這是由于粉塵在濾料內(nèi)的分布不同所致,。以氈濾料為例,，無電場時，粉塵進(jìn)入濾料中部纖維比較密的部分形成粉塵層,；而有電場時,，由于電的作用使大部分粉塵停留在表面纖維比較稀的部分，留下寬得多的縫隙讓空氣通過,，所以要使外加電場的織物過濾取得最佳效果,，濾料應(yīng)具有纖維較稀的表面層。同時顆粒微細(xì)的粉塵不易進(jìn)入濾料內(nèi)部或穿透濾料,，而在濾料表面形成了粉餅,。

2. Max9

在阿匹托隆(Apitron)取得中試實(shí)驗(yàn)成功的基礎(chǔ)上，通過多年的研究及改進(jìn),，美國環(huán)境保護(hù)局(EPA)將這項(xiàng)電袋混合除塵技術(shù)分別于1993年和2000年申請了專利,。

美國通用（GE）電力能源部于2003年3月獲得特許使用權(quán)， 使用該項(xiàng)技術(shù)生產(chǎn)出的電袋混合除塵最早被美國環(huán)境保護(hù)局(EPA)命名為靜電激發(fā)的袋除塵器（ESFF）,，由于這種除塵器有很高的除塵效率,，通用（GE）電力能源部將這種除塵器的商品名取為Max9，意為99.9％的小數(shù)點(diǎn)后還有更多的9,，寓意除塵效率高,。

Max-9 ESFF是基于靜電除塵技術(shù)/脈沖袋除塵技術(shù)相結(jié)合的混合型除塵器，使用高壓電極放電讓粉塵顆粒帶電,，用濾袋代替收塵極板,。

⑴Max-9設(shè)計(jì)綜述

廢氣通過管道從灰斗進(jìn)入Max-9后，在Max-9內(nèi)向上通過濾袋過濾,，并由頂部的袋口引出,，花板上部區(qū)域是凈氣氣箱，用壓縮空氣脈沖給除塵器清灰,，清灰時強(qiáng)烈的空氣沖擊穿過噴吹管,，清灰脈沖氣流從位于濾袋上方噴吹管的孔向下直接通過濾袋,，清灰定時順序控制。高壓系統(tǒng)工作的電流很低并且是在恒穩(wěn)態(tài)下,，Max-9工作電流很低,，意味著產(chǎn)生的火花能量很低，即使在處理高粉塵濃度下也沒有因火花燒壞濾袋的風(fēng)險,，整流變壓器也不需要電壓控制。工程設(shè)計(jì)及施工時要確保Max-9可靠接地,，保證均勻地分散電場,。

Max-9獨(dú)特而簡易的電袋結(jié)合技術(shù)使得其有前所未有的收塵效率，所有的放電極與傳統(tǒng)的靜電除塵器型式相同,，在Max-9內(nèi)放電極放電使粉塵電離（荷電）并聚集在濾袋的外表面,，由于粉塵粒子帶有相同極性的電荷，相互排斥,，使得粉餅呈多孔狀,，帶電的粉塵也很容易從濾袋剝離，多孔狀的粉塵層能透氣, 較高的過濾效率使Max-9能在高氣布比下運(yùn)行,，濾料技術(shù)的發(fā)展與提高確保了Max-9的優(yōu)越的除塵性能,。

圖1. Max-9的結(jié)構(gòu)示意圖

圖2. GE的Max-9中試設(shè)備內(nèi)部構(gòu)造圖

⑵ Max-9特點(diǎn)：

① 與傳統(tǒng)的袋除塵器相比，壓降減少60～80%,；

② 電袋結(jié)合技術(shù),，達(dá)到了前所未有的除塵效率；

③ 能單獨(dú)或與其他設(shè)備一起用于廢氣的Sox和汞的排放控制,；

④ 安裝停產(chǎn)時間短,；

⑤ 使用Max-9亞微粉粒子排放減少80～90%； 

⑥ 比任何收塵技術(shù)的除塵器占地面積都要??； 

⑦允許在高氣布比下工作。

㈡ EPRI技術(shù)—庫霍帕克（COHPAC）

EPRI即美國電力研究協(xié)會（Electric Power Research Institute,Inc.）,，位于美國加利福尼亞州帕羅奧多（Palo Alto）市,，該組織成立于1973年，是一個非贏利性的能源和電力科研機(jī)構(gòu),、協(xié)調(diào)組織,，經(jīng)費(fèi)由美國主要的公用電力公司資助。其主要任務(wù)是組織,、協(xié)調(diào)并統(tǒng)一規(guī)劃發(fā)電,、輸電、配電,、用電等方面的科研活動,，以及核能發(fā)電,、新技術(shù)開發(fā)利用、環(huán)境保護(hù)等方面的研究,，科技信息的交流等,。

COHPAC是Compact Hybrid Particulate Collector（緊縮混合型除塵器）的縮寫。這一技術(shù)是在1980 年代后期開發(fā)的,，其基本構(gòu)思就是在原有電除塵器的下游加一臺袋式除塵器,，來捕集電除塵器未能捕集的微細(xì)煙塵，使排放濃度能滿足法規(guī)的要求,。因?yàn)榇蟛糠譄焿m已被電除塵器捕集,，到達(dá)其下游脈沖袋式除塵器的粉塵量較少，所以袋式除塵器的氣布比可以提高,，一般是將單用脈沖袋式除塵器時的1.2 m/min提高至2.4 ~3m/min,，這樣袋式除塵器的體積和投資便可大大縮小。該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是前電后袋,。

下面是COHPAC系統(tǒng)在美國的幾個發(fā)電廠試用的情況：

（1）TU電氣公司 Big Brown 電站的1MW 系統(tǒng)安裝了一套COHPAC 中間試驗(yàn)設(shè)備,，試驗(yàn)證明使用萊頓（Ryton）濾料在高的氣布比下，可以保持袋式除塵器阻力在1500 Pa左右,，排塵濃度平均小于10mg/Nm3,。然后又安裝了一套處理1176000m3/h 的COHPAC 系統(tǒng)，于1992年5月投入使用,，運(yùn)行7000 小時以上所積累的試驗(yàn)數(shù)據(jù)證明這套系統(tǒng)能保持排塵濃度小于10mg/Nm3,，不透明度低于5%。

（2）Alabama 電力公司Miller 電站于1995 年9月安裝了COHPAC 中間試驗(yàn)設(shè)備,，經(jīng)過2500 小時的試驗(yàn)表明,，在氣布比為2.7 m/min、在線清灰的情況下,，袋式除塵器阻力可以保持在1250 Pa 以下,。

（3）California Edison公司Mohave電站的1 臺1MW的COHPAC中間試驗(yàn)設(shè)備，運(yùn)行了大約2000小時,，其氣布比高達(dá)3.6 m/min,，排塵濃度保持低于10mg/Nm3，袋式除塵器阻力在850~1050 Pa,。

 EPRI已將COHPAC成功地用于協(xié)同燃煤鍋爐煙氣的脫汞,，并申請了專利，該技術(shù)被命名為TOXECONTM,，這是基于在注入吸附劑工藝的煙氣處理系統(tǒng)中使用電除塵器和高氣布比的脈噴袋除塵器的組合,。該技術(shù)適合于系統(tǒng)中已有電除塵器，通過在電收塵器后增加袋除塵器達(dá)到高效收集吸附劑和汞的目的,。常用的吸附劑是活性碳,。

           圖3. 美國電力研究協(xié)會(EPRI) 的TOXECON? 系統(tǒng)

3. DOE技術(shù)—AHPC 

AHPC是Advanced Hybrid Particulate Collector（先進(jìn)混合型除塵器）的縮寫,，該技術(shù)是在美國能源部（U.S. DOE）的資助下，由位于美國北達(dá)科他大學(xué)能源與環(huán)境研究中心開發(fā)的（University of North Dakota’s Energy & Environmental Research Center— EERC）,。

這一技術(shù)是在1990 年代中期開發(fā)的,，于1999年8月取得美國專利。GORE公司在這一技術(shù)的早期開發(fā)和目前的商業(yè)運(yùn)作上都提供了技術(shù)和財力的支持,，并且已經(jīng)取得了該項(xiàng)技術(shù)的許可證以及在全世界范圍內(nèi)推廣應(yīng)用權(quán)力,。目前，GORE公司正在全世界范圍內(nèi)選擇合作伙伴,，授予其許可證技術(shù),，并將其作為原始設(shè)備制造商（OEMs），允許他們使用該項(xiàng)技術(shù),，在指定的區(qū)域和市場設(shè)計(jì)、建造該系統(tǒng),。

與COHPAC不同的是該除塵器不是由電除塵器和袋除塵器串聯(lián)而成,，而是由一行電除塵器部件和一行濾袋相間排列而構(gòu)成。也就是說濾袋在電除塵的粉塵收集板之間,，粉塵收集板是多孔板,，多孔板的開孔率為45%。粉塵可以通過多孔極板上的小孔流向?yàn)V袋,，由于粉塵微粒在通過多孔板之前已經(jīng)荷電,，90%的粉塵微粒在到達(dá)濾袋之前就被粉塵收集板收集，只有一部分粉塵的氣體通過多孔極板上的小孔流向?yàn)V袋,，經(jīng)濾袋過濾,，將剩余的粉塵除去。濾袋脈噴清灰時,，脫離濾袋的塵塊經(jīng)多孔極板回流,，在電除塵區(qū)域被捕集，這樣就大大減少了粉塵重返濾袋的機(jī)會,，有效避免了濾袋對粉塵的二次吸附,。同樣的，收塵極板振打清灰時未落入灰斗的粉塵也會被濾袋捕集,。多孔極板除了捕集荷電的塵粒外,，還能保護(hù)濾袋免受放電的破壞

這一技術(shù)的中間試驗(yàn)裝置于1999 年7 月開始運(yùn)行，處理Otter Tail電力公司大石燃煤發(fā)電廠排放的15000 m3/h 煙氣,，煙氣中含有電除塵器難以捕集的高比電阻飛灰,，濾袋氣布比為3.35~3.66 m/min。該設(shè)備長期運(yùn)行性能穩(wěn)定,，采用在線清灰,，平均在線脈沖清灰時間間隔大于20 min,。除塵率能達(dá)到99.99%以上，阻力保持在1600~2000 Pa,。

圖4： AHPC 的設(shè)計(jì)構(gòu)造圖

圖5. EERC的AHPC中試設(shè)備內(nèi)部構(gòu)造圖

三．APHC在水泥廠的應(yīng)用實(shí)例：

ELEX AG.是第一個從GORE公司購買許可證技術(shù)的OEM制造商,，該公司從意大利水泥制造商SACCI公司下述的一水泥廠取得了第一個用AHPC取代電除塵器的設(shè)計(jì)及建造合同，水泥廠位于意大利Cagnano,，原生產(chǎn)線為生產(chǎn)能力1100t/d水泥熟料的立波爾回轉(zhuǎn)窯,，使用靜電除塵器除塵。2001年,，該廠將立波爾窯改成預(yù)熱器窯,，生產(chǎn)能力增加到1400 t/d。同時,，決定選擇AHPC取代現(xiàn)有的靜電除塵器,。改造后希望將水泥窯尾、生料磨,、篦冷機(jī)的廢氣集中一起進(jìn)行處理,。 

表1 設(shè)計(jì)參數(shù)及性能指標(biāo)

圖6.用于水泥廠的3室AHPC除塵器

從表1可以看出：由于AHPC過濾風(fēng)速接近普通窯系統(tǒng)噴吹收塵器（過濾風(fēng)速<1.0m/min）的4倍，濾袋的使用壽命達(dá)到了普通窯系統(tǒng)噴吹收塵器（窯頭濾料NOMEX：2年,，窯尾玻纖覆膜：3年）的2～3倍,。無論收塵器的鋼耗、占地面積,、安裝費(fèi)用,、使用成本、收塵效率等性能指標(biāo)與傳統(tǒng)的電除塵器或袋除塵器相比,，都有質(zhì)的飛躍,。 

四．電袋混合除塵器的前景

以上三種技術(shù)流派的電袋混合除塵器，其技術(shù)原理相同,，都是首先用于電場的燃煤鍋爐廢氣處理,，包括除塵和脫汞，尤其在收集微細(xì)顆粒粉塵時表現(xiàn)出了卓越的性能,，這三種電袋混合除塵器有各自的特點(diǎn),。

1. 以EPA和SRI技術(shù)專利為依托的Max-9，由于直接將收塵濾袋作為收塵極,，除塵器內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較簡單,，電場電流低，僅為粉塵微粒提供荷電的放電極提供電源,，該除塵器特點(diǎn)為：高壓電源耗電量小,，設(shè)備鋼耗最低，占地面積最小,。

2. EPRI的庫霍帕克（COHPAC）除塵器是前電后袋串聯(lián)式除塵器,，特別適合系統(tǒng)已有電除塵器但不能達(dá)標(biāo)運(yùn)行,，在對原有電除塵器改造后，在電收塵器后再增加一臺高氣布比袋收塵器,，以提高收塵效率和除塵能力,。改造后的電除塵器起預(yù)收塵和對未收集的粉塵顆粒預(yù)荷電作用。

3. DOE和EERC的AHPC技術(shù)本質(zhì)是多臺前電后袋串聯(lián)式除塵器的并聯(lián),，獨(dú)特的結(jié)構(gòu)確保廢氣在進(jìn)濾袋前已預(yù)收塵、粉塵顆粒已經(jīng)荷電,，多孔極板的均風(fēng)效果極佳,，除塵器可以有更高的氣布比,，特別適合處理高濃度粉塵的廢氣,。

這三種電袋混合除塵器在經(jīng)過大量的中試和現(xiàn)場實(shí)驗(yàn),，技術(shù)已成熟可靠,，已具備大量推廣應(yīng)用的條件，高性能纖維過濾材料及覆膜濾料技術(shù)的日益成熟,，為濾袋在高氣布比下長期穩(wěn)定工作提供了保證,，電袋混合除塵器的出現(xiàn)是除塵技術(shù)的的飛躍,。

來源：水泥技術(shù)雜志