論袋式除塵技術的進步
一、引言
近年來發達國家為控制污染總量，不斷提高排放要求，降低污染程度，同時促進了除塵技術的發展與進步。在實際應用中因袋式除塵器過濾材料的技術進步，使得出口排放降至十幾甚至幾毫克每標立方米的程度，大大改善了環境。在某些領域或生產工藝當中，袋式除塵器被大量使用，有些地方拆除舊的電除塵改換新的袋收塵器，袋收塵器在一定的條件下有取代電收塵器的趨勢。鋼鐵工業是使用袋式除塵器最多、設備容量最大的行業。20世紀80 年代初引進日本新日鐵技術建成的寶鋼一期工程中，袋收塵器占到全部收塵器總量的80%，而袋收塵器中的70%為反吹風類袋收塵器。隨著除塵技術的不斷發展，國內引進消化了大量國外技術，到目前國內鋼鐵工業粉塵治理多采用長袋、低壓脈沖袋式除塵器，這個發展有一個過程。評價袋式除塵器技術性能或裝備水平的主要標志是清灰性能的優劣、濾袋品質的高低、以及除塵系統的阻力控制。下面就此分別加以論述。
二、清灰技術的進展
我國在20世紀60年代試制成功了第一臺脈沖除塵器，寶鋼一期工程建成前，國內最大的單機脈沖除塵器為1728m2，處理風量21~26×104m3/h，袋長最大3m，脈沖閥由脈沖控制儀操縱。在20世紀90年代之前脈沖除塵器面對的幾大問題一直影響著它的使用及發展。一是脈沖閥膜片壽命短，膜片動作次數為10萬次以下，甚至更少；二是過去的脈沖除塵器全部為在線清灰方式，粉塵負荷大，脈沖閥動作頻次高。二者使得二、三個月更換一次膜片成為很正常的事，一臺除塵器上脈沖閥數目眾多，給使用維護造成極大的麻煩；其次，由于脈沖閥尺寸小，噴吹流量低，以前的脈沖除塵器濾波器袋直徑為120mm，長度最大不超過 3m，使得在處理較大煙氣量的場合，需要許多濾袋，很多個脈沖閥，造成占地面積大，維護量多，給脈沖除塵器大型化帶來困難。還有其他一些問題，如肪沖閥結構、壓縮空氣的凈化與脫水問題等等，因為種種原因的制約限制了脈沖除塵器的使用范圍。直到寶鋼一期工程建成，袋收塵器一直是以中小型脈沖清灰和機械回轉反吹清灰除塵器為主導。可以認為這是我國袋式除塵器發展的第一階段。
寶鋼項目引進后，國內袋收塵開始進入大型反吹風除塵器時代。反吹風除塵器的優點是：1、處理能力大，濾袋尺寸可以作出Φ300mm，長度超過10m，單臺面積可達2萬m2以上（國內單臺最大規模）；2、結構簡單，易損件少（一個濾室只有一套三通切換閥或翻板閥為運動部件），控制簡單，占地面積較小（與傳統的短袋在線脈沖除塵器相比）；3、維護方便，可在工作狀態下離線分室檢修。因此，大型反吹風設備成為20世紀80年代鋼鐵等行業大容量煙氣凈化的首選設備。
寶鋼大型反吹風除塵設備的使用給國內除塵凈化技術的發展開拓了思路，大家紛紛模仿、創造，在此后的十多年中使反吹風大布袋除塵器以其處理煙氣量大，結構簡單，維護方便而得到廣泛的應用。例如在鋼鐵工業的電爐煙氣、轉爐二次煙氣、混鐵爐、石灰窯、焦化工程、煉鐵車間的出鐵場等；水泥工業的回轉窯的窯頭、窯尾高溫煙報導凈化等；有色金屬工業中鋁電解槽的煙氣凈化；電力工業電站燃煤鍋爐的煙氣凈化等等。
大型反吹風除塵器在十多年的使用中也逐漸暴露出一些問題。反吹風清灰方式為弱清灰或收柔性清灰方式，對濾袋損傷相對較小，要求氣布比低，在粉塵粘性大，濃度較高時，過濾阻力上升較快，在一定的外部條件下容易糊袋。反吹風清灰是靠縮袋使粉塵層破裂，經過2~3 次縮袋，加之反向吹風，使濾袋內側破碎的大小粉塵餅、塊及粉塵顆粒脫離所粘附的濾布表面而落入灰倉，屬弱清灰方式，由于清灰后，在濾布表面形成的二次粉塵層剝離不夠完全，殘留的粉塵仍較多，造成濾布阻力偏高，隨著使用時間的延長，濾布阻力逐漸上升，可達3000~4000Pa，比正常值高出30%還多，使主風機性能參數發生變化，抽風量減小，嚴重影響系統排煙效果。由于除塵器阻力，風機壓頭提高，風機能耗增大，同時要使除塵器阻力降低，清灰頻頻增加，濾袋磨損加劇，除塵器的能耗也加大。經過20~30年的發展，肪沖噴吹在改進完善后以其強大的清灰能量又逐漸成為袋式除塵器的主要清灰方式。
近期內0多年來，脈沖除塵器比20世紀80年代前的技術水平有了跳躍式的發展，原來許多局限的東西被打破，將優良的脈沖清灰功能充分發揮起來。具體為：
1、脈沖閥由原來的小口徑作到3”甚至更大，結構由單一的直角式發展出淹沒式,噴吹流量大幅增加,一個脈沖閥可同時噴吹多達20個直徑130mm、長度至少6m的濾袋，而且脈沖閥在0.2MP壓力下就能有效進行噴吹清灰，使其壓力適應范圍更寬，充分滿足各種工況的要求。
2、濾袋由從前的3m發展成今天通常的使用長度6m，更可擴展到8m長，占地面積減小，配用大尺寸脈沖閥（單閥服務過濾面積35~50m2），使得脈沖除塵器的大型化成為可能，到目前為止長袋脈沖除塵器已做了2萬多平方米，同大型反吹風的規模相差無幾。
3、由于脈沖清灰力大，濾袋表面的二次粉塵層剝離較徹底，清灰后濾袋阻力低，通常為700~1000Pa，正常運行情況下清灰阻力上限一般廟宇為 1200~1500Pa，遠遠低于反吹風除塵器的運行阻力，主風機能耗大大降低，而且系統運行平穩。兩者相比，弱清灰除塵器要求氣布比不能太高，通常情況下，反吹風方式比脈沖清灰（脈沖氣布比通常選擇1-2）過濾面積要大一倍，而同樣過濾面積的除塵器，反吹風比脈沖的體積亦要大出30%左右。單位過濾面積的鋼耗量負壓反吹風為35—50kg/m2，正壓反吹風為28—32 kg/m2，而長袋脈沖為18—26 kg/m2。歸納起來反吹風除塵跑龍套一次性投資大，能耗高，占地面積大。
綜上所述，袋式脈沖除塵器在諸多方面明顯優于反吹風除塵器，特別是長袋脈沖克服了以往的不足之后，這種優勢足以改變人產的認識和習慣。
寶鋼工程的建設對國內袋收塵器的發展起到了重要的作用。經過二十幾年的發展進步，大型袋式除塵器已由反吹風為主導轉向以長袋脈沖為首選的局面，特別是在鋼鐵工業中，目前在各工業粉塵治理中絕大部分采用長袋式低壓脈沖除塵設備，過濾面積從幾百平方米不等，低壓脈沖很好地適應了工廠管網壓力范圍，使用較方便，0.2Mpa 的壓力足以滿足清灰壓力的要求.也有些場合用高壓脈沖0.5—0.7Mpa,由于高壓脈沖對于氣源壓力要求較高，有些企業管網壓力不足，需另配壓縮空氣動力系統，造成多耗能源.。國內習慣將脈沖除塵器分為高壓和低壓，所用脈沖閥亦分為高、低壓產品，而國外品牌脈沖閥從其適用壓力范圍說無高低之分，國內產品有一部分只能用于低壓狀態下，原因是閥體結構和膜片質量問題。膜片在不同壓力下受到的沖擊是不同的，壓力高，沖擊壓力就大，有些國產膜片在低壓脈沖工作中，可達幾十萬次的使用壽命，在高壓下壽命難以保證。下面列出幾種品牌脈沖閥的技術指標，見下表。
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三、脈沖清灰技術
脈沖噴吹清灰分氣箱式噴吹和吹管噴吹。氣箱式噴吹為氣流對過濾室內的數條濾袋同時噴吹清灰，壓力0.5~0.7Mpa(美國富樂公司技術)。噴吹管噴吹為通過管上若干個噴嘴對每個濾袋進行噴吹。
脈沖清灰原理是噴吹氣流的充氣作用將濾袋由過濾狀態向中心收縮狀向外鼓起變形、振動，導致濾袋外表面的粉塵層破裂，同時脈沖氣流使袋內空氣振動，帶動濾袋的微振，加上噴吹氣流和引射氣流的逆向吹風作用，實現粉塵脫離濾袋表面的過程，達到清灰的目的。覆膜濾袋為表面過濾，難于形成完整可靠的粉塵層，因而清灰主要是由上濾袋振動及逆向氣流來完成的。關于清灰當中反向氣流的作用，有國外學者實際測得脈沖噴吹所造成的反向氣流速度僅為3-5cm/s，而靠氣流反向吹落濾布表面粉塵顆粒的速度至少應為10-20m/s，真正起作用的主要是脈沖氣流引起的空氣振動，帶動濾袋壁的來回運動，而且這種運動的初始速度極大。高、低壓噴吹管在噴吹清灰中，高壓壓力大（0.5~0.7MPa）,噴射孔小(Ф12~Ф13mm);低壓壓力小(0.2~0.3MPa)，噴射孔大(Ф18~Ф20mm)，二者噴吹氣量相關不多，高壓孔小，噴射速度大，引射流量比低壓要多，在噴吹相同尺寸、相同數量的濾袋情況下，在袋底的剩余壓力也比低壓略大。由此可見，高壓清灰力較強，一般用于粉塵粘性大、顆粒細、濃度高、潮濕狀態下的場合，具體應用當然要結合工況參數綜合考慮。通常情況下，低壓脈沖噴吹已完全可以滿足使用要求。低壓脈沖噴吹技術是在高壓脈沖的基礎上發展形成的，它具有很多的優越性。有觀點認為低壓噴吹狀態下濾袋獲得的清灰強度更高。像類似的技術問題有很多尚需要實驗研究來解決。
噴吹管噴吹還有一個問題，過去的短袋脈沖出塵器，都要在文丘里管喉部狹小，
過濾氣流通過此處產生局阻，使除塵器的整體阻力增加。有一種說法，放置文丘里管與直接脈沖噴吹相比，并不能使引射流量增加，反而不如直接噴吹的引射流量大。文丘里管主要功能是保住噴射壓力，將其有效地傳遞到達長濾袋的底部。現在制作的大型長袋脈沖除塵器，在一般工況下已較少使用文丘里管，一方面在清灰系統設計上已充分考慮了能有效噴吹濾袋的數量及達袋底的噴吹強度：另一方面，不設文丘里管既減少了設備阻力也節省了投資。
四、濾料技術的進展
一臺好的出塵器設備，除塵效率至關重要。高除塵效率需要優良的過濾材料來保證。袋式除塵器的進步主要是過濾材料的進步。值得注意的是，由美國戈爾公司首先開發成功的聚四膜的表面過濾，使之成為低阻高效、高可靠性的新型過濾材料，這是技術上的一大進步。
薄膜濾料在機織布和針刺氈等濾料表面覆以帶微孔的聚四氟乙烯薄摸。覆膜濾料關鍵在聚四氟乙烯薄膜，它是立體網裝結構的微孔膜，孔徑偽0.2~3.5/μm ，膜的空隙率達80~90%，透氣性好，透氣量達3~6m3/ m2.min，濾塵效率高，耐化學腐蝕，表面光滑，磨擦系數低，剝離性好，耐連續調溫達287℃。覆膜濾料用薄膜表面過濾積塵，無需普通濾料的粉塵層參與過濾，壓降低，節省風機電耗，減少清灰次數并延長清灰周期。對潮濕和粘性和粘性粉塵它不象普通濾料那樣，在清灰不利的情況下，濾料表面粉塵越粘越多，造成糊袋、板結、壓差迅速上升的現象。由于膜表面光滑及憎水性，即使有潮濕粉塵粘結，在清灰外力的作用下，也容易脫落，保持過濾阻力平穩。覆膜濾料的微孔結構濾塵效率極高，比普通濾料提高1-2個數量級，可滿足最嚴格的排放要求，特別是對人體可吸入性粉塵（<5μm），同樣有很高的過濾效率。
目前國內已有多家企業生產聚四氟乙稀薄膜材料，雖然性能指標等參數與美國戈爾公司產品有此差別，但低廉的價格和較好的過濾性能，還是得到廣大用戶的認可，所以逐漸得到推廣應用，幾家公司均有相當大的生產能力。高溫濾料也有較大的發展，品種增加很多，改變了以往高溫只能使用玻纖機織布的局面。高溫濾料有諾梅克斯、玻纖膨體紗、玻纖針刺氈、氟美斯針刺氈等，溫度適用范圍也在擴大，并可在其上覆膜，增強使用的適應性，給設計、使用提供了很大方便。
五、袋除塵器的阻力控制
除塵器的另一個重要指標設備阻力同樣是不可忽視的。如何控制除塵器的阻力是設備和濾料生產企業的一個課題。控制阻力不單是設備本身的問題，對一個除塵系統來說，首先要明確系統的工況參數，選擇合理的工藝措施和匹配的除塵設備，其中首要的是除塵器的濾料，它關系到除塵效率、運行阻力及使用壽命和投資等。除塵器的阻力80%來自于濾料，因而如何降低濾料的阻力成為主要矛盾。一般工況下，確定了合適的氣布比，有完善的清灰系統，濾料阻力都能控制在合理的范圍內。但對于較特殊的工況，如煙氣溫度較大，粉塵細而粘性大，煙塵中有油煙成份的就應采取相應的措施。例如在含油煙和粘性較大的粉塵凈化系統中，常采用預涂層技術，即在除塵器未投稿正式運行前人為發塵。粉塵種類有白云石粉、石灰石粉和氧化鋁粉等，它們均是較松散、易清灰、對粘性煙塵有吸附作用的物質，讓這種特定的粉塵在濾布上形成較牢固的一次粉塵層，防止粘性粉塵和煙氣凝結出的油漬直接粘連在纖維上，堵塞小組料纖維間的空隙，形成糊袋，使清灰困難，造成除塵器阻力上升過快，直到最后無法運行的結果。這種特定的粉塵層在濾料纖維與粘性粉塵或油漬間起到隔離作用。預涂層還相應帶來其他的輔助作用。在實際工程中這項技術已得到普遍應用，效果良好，已有專用的預噴涂機械設備（發塵裝置）在使用，定期對濾袋做預噴涂層處理，維持濾袋上特定粉塵層的作用，以保證濾袋使用的可靠性及壽命。種種措施的目的都是為了降低濾袋阻力或將其穩定在合理的范圍內。
除塵器阻力另一部分來自于除塵器的結構。各種除塵器的結構阻力的構成無大差異，數值在300~500Mpa 左右，以脈沖除塵器為例，結構上分為在線和離線兩種形式，在長袋脈沖出現之前，幾乎全部為在線形式，由于長袋大型脈沖除塵技術的出現，針對工況變化及優化設備參數和性能考慮，發展出離線清灰方式。所謂離線，就是將一整體分為若干個小過濾室，每一過濾室由一個閥門控制，使其能按著一定的程度，開啟關閉閥門，閥開時為正常過濾狀態，閥閉上，這一過濾室的濾袋處于靜止狀態，此時對其噴吹清灰，脫離濾料表面的粉塵，能從容地自由沉降，落在灰斗中，而不必象在線清灰狀態下受過濾氣流影響，使脫離的部分粉塵末沉降下來就又附在濾袋上。實際應用中為強化清灰效果及降低過濾阻力，大量使用離線方式。所以研討離線結構部分的阻力具有實際意義。離線結構中，總面積幾千平方米過濾面積的除塵器，單室面積至少在幾百平方米，一室的煙氣量都要通過離線閥排出，因而閥口尺寸的大小直接關系到此處結構的阻力高低，設計上不宜將通過閥門的風速定得過大，一般不宜超過10m/s。閥門的局部阻力hf=（v2/2g）r，閥門局阻hf的大小與v的平方成正比。一方面從加工及使用可靠性講，閥做的越小越好，而另一面閥口越大，閥口的局阻越小，因而設計中要二者兼顧，綜合考慮。減少結構阻力的另一方面應盡量避免除塵器進出風口與相接管道斷面有過大的變化，排風口斷面風速盡量低些。另外，煙氣總管向各分室灰斗分支管道及進風擋板結構要合理有效，減小不必要的局阻增加。特別是進風擋板安裝形式不合理，不但不能起到將大顆粒粉塵攔截的作用，反而增加阻力。
控制袋除塵器運行阻力的最有效方法之一為差壓自動控制，即壓差達到除塵器設計阻力上限時，通過傳感器啟動自動清灰程序。國內很多工程中已將原來較多使用的定時控制方法（即根據計算或使用經驗得出清灰周期而人為廟宇時間周期對其控制）改為差壓、時間混合的控制程序，使除塵器運行狀態更趨合理，減少不必要的清灰動作次數，延長濾袋及脈沖閥等部件的使用壽命。
綜上所述，袋式除塵技術的關鍵之一是有適應不同工況條件的優質濾料；其二，要求強勁可靠的清灰機構，控制設備阻力；其三，有完善合理的自動控制程序，保持除塵設備連續穩定地運轉。當前大型除塵設備多采用計算機可編程序控制器，對除塵器的壓差、溫度、流量等狀態參數進行實時監控，對運動部件可進行故障檢測等。
袋式除塵器具有廣泛的適應性。隨著技術的發展，新技術新產品不斷涌現，目前已有附載催化劑的過濾材料問世，在濾塵的同時，將有毒有害氣體一并凈化。例如在垃圾焚燒處理過程中，二惡英等有害物質隨著粉塵同時存在，有了除毒濾料可同時除塵除毒，而不需另設除毒凈化裝置，節省了大量投資。可以預計袋式除塵技術將會隨時代發展，不斷擴大其應用領域。
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