靜電集塵技術應用

靜電集塵技術應用的歷史悠久，從公元1885年第一台商業靜電集塵器完成，陸陸續續的演進，硬體與軟體不斷的改良，尤其是直流電源與控制器之進步，加上電腦之問世後，對於靜電集塵器之運轉監視及效率的提升，更發揮了最大的效果。而近年來，在電源供給方面，有了高頻變壓器之應用，體積更小，重量更輕，既不佔空間又節省耗電量，更提高了集塵效率，將靜電集塵器的應用又推上另一高峰！
本書內容強調理論與實務兼具，除有完整流體與電氣動力學理論基礎外，並有靜電集塵器領域業界專家提供煙氣與粉塵特性對設計影響的實務經驗，涵蓋範圍相當廣泛，幾乎靜電集塵器會碰到的問題均有敘述，內容相當完整，是截至目前難得見到的一本靜電集塵技術應用的好書！

許金和

現職：台耘工業股份有限公司顧問

譯者序

「靜電集塵技術應用」一書，總共分成16章，本書的最主要作者「K. R. Parker」之號召下，有許多專業人士參與書寫。「靜電集塵」是屬於小領域的一塊，但其對日益嚴重的空氣污染防治，確扮演著極其重要的角色，工業用靜電集塵技術的應用範圍可說非常廣闊，從使用最多、最大型的燒煤及燒油發電廠到水泥廠、鋼鐵廠、造紙廠、垃圾焚化廠、化工廠，加上其他的工業，只要會從生產源排出污染物者，不論是粉塵(Dust)、薰煙(Fumes)、濃煙(Smoke)、霧氣(Fog)、氣霧( Mist)、飛灰(FlyAsh)、懸浮微粒(Particles)等等，均可藉由靜電集塵器的技術有效地去除，其效率已可高達99.9％，剩下0.1％之微小粒子，如PM2.5者，則可藉助「乾式靜電集塵器」與「移動式靜電集塵器」或「溼式靜電集塵器」的組合，或是「乾式靜電集塵器」與「袋式集塵器」的「電袋複合式」的組合，幾乎所有集塵器會遭遇的問題，均可迎刃而解！

靜電集塵技術應用的歷史悠久，從公元1885年第一台商業靜電集塵器完成，陸陸續續的演進，硬體與軟體不斷的改良，尤其是直流電源與控制器之進步，加上電腦之問世後，對於靜電集塵器之運轉監視及效率的提升，更發揮了最大的效果。而近年來，在電源供給方面，有了高頻變壓器之應用，體積更小，重量更輕，既不佔空間又節省耗電量，更提高了集塵效率，將靜電集塵器的應用又推上另一高峰！
本書原著之16章中，從「為什麼有靜電集塵器、集塵歷史的里程碑、靜電集塵器運轉的基本理論、乾式集塵器的機械設計考慮、空氣動力因素影響性能、粒子的物理和化學性質和它們對性能的影響、性能設計的注意事項、集塵器的電氣運轉、靜電集塵器的集塵器大小方法和模型、氣流中的粒子和重金屬的樣品分析、靜電集塵器的調試、乾式集塵器的應用、濕式靜電集塵器的設計和應用、薄霧集塵器的設計和應用、現有集塵器效率的升級、在靜電集塵技術領域的可能未來發展」等，含蓋範圍相當廣泛，幾乎靜電集塵器會碰到的問題均有敘述，內容相當完整，是截至目前難得見到的一本靜電集塵技術應用的好書！
筆者有幸參於此書的翻譯工作，唯筆者才疏學淺，加上欠缺語文之翻譯能力，有些地方恐怕無法譯出真義或文詞不順遂，尚請讀者不吝指教！本書承蒙好友黃勝良兄之協助校對，在此致十二萬分的謝意。

譯者：許金和
2014年3月1日

第一章為什麼有靜電集塵器？
第二章集塵歷史的里程碑
第三章靜電集塵器運轉的基本理論
第四章乾式集塵器的機械設計考慮
第五章空氣動力因素影響性能
第六章粒子的物理和化學性質和它們對性能的影響
第七章性能設計的注意事項
第八章集塵器的電氣運轉
第九章靜電集塵器的集塵器大小方法和模型
第十章氣流中的粒子和重金屬的樣品分析
第十一章靜電集塵器的調試
第十二章乾式集塵器的應用
第十三章濕式靜電集塵器的設計和應用
第十四章薄霧集塵器的設計和應用
第十五章現有集塵器效率的升級
第十六章在靜電集塵領域的可能未來發展

第一章 為什麼有靜電集塵器？
1.1簡介
在許多國家的嚴格環境立法上，訂定更嚴厲的排放法規和標準，來管制所有來源中大氣細粒子的排放。隨著國際交流的容易和快速的方法，許多人認為控制污染是一個現代的概念;然而在歷史上，英國最先提出測量記錄，在1600年議會禁止在倫敦海邊燃燒亞煙煤，主要歸因於1956年所稱的“清潔空氣法”中「煙霧(smog)」的避免。但直到19世紀英國工業革命時，當水動力的方式改由燃燒含碳的燃料蒸發水產生蒸汽，但污染成為一個嚴重的威脅到那些生活和工作在附近的新工作者。問題在於製鐵業不斷的擴大需求，煉鐵高爐的快速發展以及大型化學的生產。首先在世界上試著去控制排放，當然在英國1863年訂定Alkali andworks法案，特別瞄準控制在使用勒布朗(Leblane)過程製造鈉碳酸鹽中氯化氫的排放。鹼法(AlkaliAct)進行了修訂，並在1906年擴展到覆蓋了大部分化學工程排放和可能的基礎上形成的最新環保法規。近年來，全球公認的問題是環境污染，大多數工業化國家都制定了覆蓋所有無法控制排放的立法。對富裕國家的人口密度高及重工業化有最嚴厲的措施，例如日本、北美和西歐。而發展中國家往往是因為大部分的重型設備都從工業化國家進口，依據於所供應的國家、建議或現有的法規和財務方面，許多工廠的設備都配有某種形式的污染控制裝置。有許多形式的排放是全世界關注的焦點，舉個例子，噪音、水質、氣體和懸浮微粒的排放，這是控制的主題，何種排放或排放水準在每個立法階段穩定減少。在英國從電力站的煙囪已經看到容許懸浮微粒排放率比在過去的30年下降了10倍，排放減至最低。於發展中國家在他們自己的權利上，正在穩定地被認可的，這些在立法中的改變，不能表示污染問題已被克服，仍然是有需要藉助主要的技術國家，以進一步改善「最新發展的技術-State of the Art」設備設計以減少污染。任何發展，改變既有設備的設計或新概念的應用，除了提高性能效率，也應該增加廠的可用性和更符合成本效益。
有很多污染控制的觀點；這份刊物，甚至在固體和液相兩者，限制本身夾帶懸浮微粒的控制，大部分生成的氣流採用靜電集塵，原理是很容易適用於液相流中收集粒子，提供載體介質具有電氣絕緣屬性。2

1.2控制系統的特點
從過程流中分離粒子的方法有許多使用不同的原理，舉個例子，重力或慣性分離中所用的旋風除塵器(cyclones)，壓緊和擴散適用於過濾布，電氣方法適用於靜電集塵和接觸，撞擊和衝擊用於濕式洗滌器(wet scrubbers)的情況。由於每種形式的分離器(separator)有不同的基本原理，關於收集效率、流程和應用程序的適用性，他們每個都有不同的屬性。上述設備形式的有效性，如圖1.1所示，一個粉塵光譜，它顯示了其合理的粒子大小範圍，收集效率也能達成。雖然所有各種方法在收集大粒子可以是非常有效率，換句話說，大於10 μm(1μm＝1×10-6m），如果他們遵守法律，主要有很多的過程，目前立法的排放水準意味著有效地分離為1μm或更小的粒子。
在理論上，慣性分離器的有效範圍，可以延長朝向亞微米範圍內，所需的離心力，也只能是減少該裝置的直徑而獲得，這限制了氣體的處理量，除非大量的個別分離器併聯運轉，這在許多工業生產過程變得不切實際。雖然濕式洗滌器有高能量，舉個例子，文氏管型，可以影響分離亞微米粒子，它的電力消耗，典型的1000mm水柱，可捕捉1μm粒子有99％的效率，不僅意味著運轉成本高，這將被包含液體流出物的粒子，這是需要處理以避免空氣污染問題變成更困難的水污染問題。裝備的選擇從大的過程氣流(50m3/s以上)有能力且有效地高效率的收集亞微米粒子，傾向於限制纖維過濾器和靜電集塵器有效的成本方面。

1.3運轉控制的原理
就完整性，上面概述設備的各種主要類型的運轉原理，可以概括如下：
1.3.1慣性分離
有許多不同的形式和安排的收集器使用此種原理，通常被稱為旋風或離心收集器，導致之氣流是由於在一個圓缸形的容器自旋(spin)或快速的回轉(rotate rapidly)。由於相較於氣體的分子，懸浮微粒有更高的質量，離心力的結果使粒子飄移流向容器壁，其中他們在該裝置低流量區域中被帶走。旋風除塵器是一個非常簡單的裝置，具有廣泛的運轉溫度，但需要一個驅動力，舉個例子，有效的分離壓力降大約是100mm水柱。對於大多數實際應用中，它用於高效率收集，限制懸浮微粒的粒子直徑大於10μm。
1.3.2濕式洗滌器
所有濕式洗滌器之運轉在完全紊亂區域的裝置接觸大量的液體粒子，該粒子被允許撞擊或衝擊在液滴上，通常為水，使得他們的大小和質量的增加。由於較大的水潤濕(water-wetted)的粒子，他們從一個簡單的衝擊或分隔器的旋風形式所夾帶氣流可以被移除。作為一個接觸/壓緊裝置，粒子液滴碰撞的有效性是依賴於設備中的總能量消耗，這可以是泵浦的電力，提供小液體的目標粒子或壓降，發展相對較高的粒子/液滴速度，需要確保衝擊發生。對於亞微米粒子，文氏洗滌器，效率有99％的區域，總運轉電力的需求等同於約1500mm的水柱。洗滌器的設計相對簡單；具有佔地面積小，它可以處理全方位的氣體溫度和不敏感的粘粉塵，但可能遭受侵蝕和腐蝕。它的用法通常是有限的，對於高效率收集任務，有小的氣體流量的過程，因為高電力需求，大量用水，可能的污水問題和很差的捲流浮力，除非進行氣體再熱，濕式洗滌器因為有優異的質量轉換特性，無論如何，被廣泛用於控制氣體的排放，換句話說，從許多酸性氣體的過程。

1.3.3袋式集塵器
其原理是裝滿懸浮微粒氣流通過一個多孔膜進行過濾懸浮微粒，並允許清潔氣體通過。由於遺留的粒子沉積和建立起來形成一個積層，所述的分離效率，基本上是最簡單的形式，一個攔截和擴散機制的增加，使得粒子比收集膜孔徑大小具有更小的直徑，在一個工廠的原始設計，組成的媒介物有形成一個平紋布成袋或短襪;過濾材料現在通常是氈和表面處理，以減少粒子滲透，同時仍保持高氣體的多孔性。從理論上講，這樣的設備應該是接近100％，在建立的媒介物的積層捕獲粒子，然而為了維持運轉的壓力降，舉個例子，100-150mm水柱，定期從媒介物移除這積層是必要的。假設媒介物可以滿足釋放的粉塵層，藉由振動或空氣反向吹掃，以重新獲得一個低的壓力降，在過濾器返回到作業時，較細粒子總是有一定程度的漏損量，它會自動限制最終的效率和排放水準。從成立之初，當媒介物由自然纖維製造成一個袋子或短襪的形式，運轉溫度範圍由使用合成的纖維、機織物和燒結金屬或以各種形式的陶瓷等等來考慮。在後者中，運轉溫度可以依據於選擇的媒介物，可接近於1000℃，儘管過濾器實際的形式在極端溫度下可以是不同的，分離的原理維持不變。同時發展的特殊媒介質的塗料和裝飾，簡化清潔和一般的運轉，延長了媒介物的期望壽命，這能使供應商除了性能，考慮堅定承諾/保證對媒介物的壽命，這是特別重要的大型應用，在大多數發電廠的情況下，用於處理輸出500MW鍋爐裝置約需35000個傳統的袋子，以避免主要排放的偏移和違反法規，需要執行嚴格的維修/更換濾袋程序。處理一個「問題很多的飛灰」，靜電集塵器安裝費用與等效袋式過濾器相比，成本會有點便宜，但它的運轉電力、壓縮機維護和清潔機制，再加上一個完整的媒介物(袋式過濾器)更換的費用，大概每3年左右的時間，以確保符合排放標準，必須牢記，並加到整體的成本比較上。圖1.2比較各種捕捉系統已安裝的資本和15年的總成本，為250MW的電廠設計，以滿足排放50 mg/Nm3O2乾基6 %。其成本計算指出，對於一個反向氣體袋式集塵器或脈動噴射纖維過濾器的成本保持不變，無關磨煤機燃料灰(PFA-pulverised fuel ash)的電阻率，而靜電集塵器(ESP)對灰電阻率會增加比例。總體來說，將所有一切費用列入考慮，ESP仍有經濟優勢。還有一點，需要仔細考慮一些應用，如果從袋中過濾媒介物去除灰分變得困難和壓降的不斷增加，如引風機(IDF-induced draught fan)達到它的最大壓力能力或馬達電力的限制，工廠過程氣體處理量，輸出將因此降低。