第 1 章 绪论
1.1 研究背景
能源在经济发展和社会步中扮演着至关重要的角色，但环境污染问题是经济发展和社会进步不得不面对的问题[1]。改革开放以来，我国经济实现了长时间的快速增长，取得了举世瞩目的进步，成为世界第二大经济体，随着国民经济快速增长，能源的需求也日益增加。
煤炭在能源消耗份额中长时间超过 80%[2]，燃煤产生的高温烟气不仅含有大量余热、还有粉尘和有害气体，造成了环境污染，同时危害人类身体健康，巨大的烟气余热造成了浪费，使得经济发展与节能环保之间的矛盾日益加剧。
为了缓解燃煤产生的污染物对环境所造成的污染问题，解决方法有两种，一种是从根源上治理，使用清洁能源清洁燃烧，另一种是对烟气进行精细化的处理。目前工业锅炉不能做到完全清洁燃烧，因此，对烟尘排放精细化处理十分必要[3]。为此，对长春市部分代表性的锅炉房进行调研，针对锅炉吨位、省煤器配置、除尘器方式、排烟温度、省煤器损坏率等内容进行调研整理分析，整理结果如下表1-1。
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1.2 研究目的及意义
1.2.1 研究目的
目前工业锅炉省煤器清灰困难，表面积灰严重，影响烟气与水换热效果，且省煤器受烟气磨损情况严重。另外，布袋除尘器处于高温运行，非采暖季节停用，造成布袋表面板结，降低使用寿命，增加了系统运行成本。尤其是在严寒天气时侯，更最容易出现这些问题，影响供热正常运行。
因此，采用具有机械强度强，耐高温，耐腐蚀，膨胀系数低、使用寿命长的新型除尘显得尤为重要。陶瓷膜管除尘器具备这些优点，所以适合净化高温烟气。依据高温陶瓷膜管耐高温特点，由陶瓷膜制作成的除尘换热一体化设备安装在靠近锅炉尾部受热面之后，替代传统的省煤器和布袋除尘器，减少处理环节，降低运行成本，实现节能降耗保护环境。
1.2.1 研究意义
高温条件下，工业烟气粘滞力有较大的变化，湿度大幅下降，细颗粒凝聚现象大大降低，所以对微粒的分离有较高难度。布袋除尘器不能承受烟气的高温，湿式除尘器使其热能不能得到综合利用；静电除尘存在一次性投资高、占地面积大等方面的问题[4]。我国高温烟气的处理方法大多通过冷凝，将高温烟气将至200℃左右，再用布袋除尘器，这样不但增加了冷凝设备的投资和运行费用，同时使大量的热能流失。在对工业烟气进行除尘的同时，如能降低排烟温度，提高锅炉燃烧效率，这是我们追求的最终目标。
通过除尘换热一体化技术能替代省煤器和除尘器两个设备，同时还能提高锅炉燃烧效率和节省占地和投资，因此，新型陶瓷膜管除尘技术在集中供热的燃煤锅炉领域有着革命性意义。
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第 2 章 除尘换热一体化装置理论研究与设计
2.1 除尘过滤面积确定
实验地点位于长春国信供热工程有限公司锅炉房内，实验对象为 40 蒸吨烟管锅炉，取 1000m3/h 烟气作为研究对象，除尘换热一体化装置内安装高温陶瓷膜管进行过滤除尘，在陶瓷膜管外部一体化装置内壁安装换热管束进行换热。
目前集中供热锅炉中采用的除尘方式有干式、湿式、旋风除尘、布袋除尘等，然而，目前随着国家对环保力度的加大，排放污染物浓度根据国家规定的《锅炉大气污染物排放标准》GB13271-2014 执行，对控制的污染物各项指标都相对严格了。多种除尘类型只有布袋除尘器可达到相关要求标准，但在间歇运行的工业锅炉行业中，布袋除尘器造价高使用寿命短。高温陶瓷膜管符合上述要求，采用陶瓷膜管除尘换热技术同时能满足除尘和省煤器功能，既能到环保要求又能革新[27]。
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2.2 换热面积的确定
2.2.1 尺寸设计
如图 2-3 所示，除尘换热一体化装置中换热管的位置安装在高温陶瓷膜管外侧、外围护结构内壁中。因此，根据上述高温陶瓷膜管在除尘换热一体化装置内的设计来讨论该装置内换热管的管径、长度及布置方式等问题。
陶瓷膜管长度为 2600mm，考虑除尘器筒体以及连接安装空间等问题，换热管长度不能大于 2600mm，假定换热管束长度为 2000mm，在图 2-3 所示，陶瓷膜管外侧长 1700mm、宽 800mm，考虑实际现场安装等问题，预留出换热管束的安装空间尺寸，确定在陶瓷膜管束外侧长 2100mm×宽 1200mm 布置换热管，对不同管径进行排列。不同管径的换热管与换热面积之间的关系见表 2-3。
第 3 章 除尘换热一体化实验 ................................... 22
3.1 实验目的及意义 .................................... 22
3.2 实验台 .......................................... 22
第 4 章 数据分析 .............................. 33
4.1 除尘效率分析 .................................... 33
.1.1 实验目的 .................................... 33
4.1.2 一体化装置除尘效率分析 ................................... 33
第 5 章 效益分析 ........................................... 46
5.1 经济效益分析 .................................... 46
5.2 环境效益分析 ...................................... 47
第 5 章 效益分析
5.1 经济效益分析
布袋除尘器的运行维护费用主要是考虑更换滤袋费用。选择滤袋需满足耐高温、耐腐蚀等条件，目前，一般采用复合滤袋，其使用寿命在 3~5 年。布袋除尘器进口的 PPS 优质滤料，并有防水防油特性，正常耐温 190℃，瞬间最高温度 220℃。滤袋材料 PPS 拒水防油抗高温氧化针刺毡，滤袋规格 φ130×6600 mm，550g/m2，滤袋的使用寿命为 3 年[38-40]。
高温陶瓷膜除尘换热一体化装置替代了传统工业锅炉的省煤器和除尘器，经实验测试测得陶瓷膜管的除尘效率高达 99.0%，高于布袋除尘器实测效率96.0%-99.0%，在除尘方面，陶瓷膜管的除尘效率优于布袋除尘器。由表 5-1 可知，陶瓷膜管初投资价格高于布袋除尘器，但在后期投入方面，陶瓷膜管使用寿命长无需经常更换滤芯，而布袋除尘器平均 2-3 年就要更换滤袋[41]。
在不考虑两者装置的反吹系统和风机等设备耗电的基础上，仅对过滤材料的初投资和运行费用相比较。处理烟气量单位面积上陶瓷膜管的价格约为 1500 元/m2，运行过程中无需考虑更换滤管，因此后期运行费用较少。布袋除尘器滤袋的价格约为 600 元/m2，运行过程中每 2~3 年更换一次滤袋，经计算在 6~7 年，布袋除尘器费用与陶瓷膜相当。
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第 6 章 总结与展望
6.1 主要结论及创新点
6.1.1 主要结论
（1）高温陶瓷膜除尘换热一体化装置在实际工程应用中除尘过滤效率高，实验测得其平均除尘效率（99.0%）高于布袋除尘器除尘效率（96.0%~99.0%）；
（2）一体化装置内烟气与换热管内水逆向流动时的换热能力高于同向流动时的换热能力，其换热效率可达 35%，如果加上设备和管道的散热损失，其换热效率可到 70%左右。
6.1.2 创新点
集除尘、换热一体化于一个整体，利用陶瓷膜管耐高温的特点，将一体化装置除尘位置前移且初步找到解决省煤器一些问题；同时缓解了因省煤器积灰、破损，影响换热和供热上的问题，同时提高除尘效率，为下一步探究工业锅炉脱硫脱硝提供思路。
燃煤锅炉向室外大气中排放的烟气中含有 PM2.5，不仅造成了环境污染而且严重危害着人类健康。外排的烟气携带一定量的温度，烟气的排空造成了余热的浪费。高温含尘烟气中的粉尘颗粒物由于粒径较小，根据国家规定的烟气排放要求，只有布袋除尘器可以满足。但布袋除尘器受高温烟气影响，在停运时布袋表面容易造成板结，降低其使用寿命；进入布袋除尘器的烟气要想温度低，省煤器的换热能力就要好，但现实情况省煤器表面积灰严重且清灰困难。因此，本文提出的除尘换热一体化工艺来解决当前技术手段存在的缺陷，除尘器与换热器进行耦合，对高温烟气过滤除尘的同时对烟气热量进行有效合理利用，以达到经济和环境的双重效益[48]。
参考文献（略）