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『環保資訊』月刊第39期

過濾式集塵設備及濾材之選用實務經驗

過濾式集塵設備及濾材之選用實務經驗

陳書育

正新橡膠

安全衛生課

一、前言

袋濾集塵機是產業界運用最廣,技術上也較其他設備成熟的一種。目前國內(不含金門)運轉中或興建中之21座焚化爐中就有19座使用袋濾集塵系統,因其具有乾式處理、無廢水污染且可回收有價物質之優點。但很可惜的是:一般工廠多不會選擇適用之袋濾集塵設備的濾材及過濾系統,任由集塵器製造商決定設計整個藍本。而製造商往往對使用後之效果並未追蹤檢討與數據蒐集分析,只強調以往業績。而工廠也很容易相信他們的說法,並未探討它應有的預期效果,因此設備常常未達應有之功能,失敗案例層出不窮,只是一次又一次成為製造廠商實驗對象,平白使工廠浪費金錢與時間,甚至影響生產力。由於目前使用之過濾式集塵設備及濾材種類繁多,工廠如何依粉塵特性選擇適用之濾材是非常重要的一環,因此,本文最主要目的是在討論過濾式集塵設備及濾材,對工廠現場實際使用後產生之問題點作的探討,提供讀者參考。

  二、粒狀物之處理

2.1袋濾集塵原理

袋濾集塵是應用纖維透氣的特性,使待處理之廢氣通過織布,粒狀物被織布纖維或已堆積其上的微粒攔阻而加以捕集,而達到除塵之目的。微粒被濾材收集的主機制有衝擊、直接截留及擴散三種

2.2濾布除塵方式  [ 經濟部工業局,1994 ]

除塵的方式大致可分為以下三個階段行,即所謂的深層過濾:

  1. 當廢氣夾雜大小不同的粒狀物通過纖維時,小顆粒的粒子仍能穿透,而大顆粒者則在纖維表面堆積。

  2. 接著廢氣再由大顆粒之間隙穿過而中等粒徑的塵粒則被大顆粒所捕集,最微小粒徑的顆粒則可通過。

  3. 由於廢氣不斷的通過,纖維表面將堆積一層厚灰,也由於顆粒的粒徑越小其間隙也越小,則微小粒徑的顆粒也會被捕集,而纖維透氣率將會降低,此時則應利用各種方式將纖維表層灰除去以保持透氣率,如此周而復始達到除塵的功能。

而另一種除塵方式為所謂的絕對過濾,即過濾時不用形成前述三種方式之濾餅,而是直接以濾材本身既定之過濾粒徑來過濾,如粉塵粒徑小於濾材可過濾粒徑則毫無過濾效果。

三、過濾式集塵設備未達預期效果之原因與範之道

3.1. 誤信商說詞

所謂在商言商,廠商在對業者明處流程設計及驗收條件時,常會展現出最優良一面來取得業者信任,而業者應如何因應呢?以下幾點拙見提供業界參考。

  1. 實地瞭解廠商之實績,要求廠商提供至少二處以上實際運作設備供自己參觀,並以最接近自己同性質工廠為佳(如有同業最好)。

  2. 選擇參觀之實績至少應有一年以上之運轉時間,所提供之檢測報告只能作為參考,不可完全相信,所謂「眼見為憑」。

  3. 參觀時必須有各類專業背景人才陪同,如保全、機械設計、電氣、環保及工安等。

  4. 私下詢問或探查已設置業者實際使用情形,包含效率、濾材壽命、故障率及操作維護費用等。

  5. 至少選擇三家廠商一起評估,而本身所要求之設計條件及處理效率應力求相同,以方便評估。

  6. 以最大或最壞之操作條件要求驗收,並要求驗收後至少有一年之保固期,如從未有同性質工廠設計實績或從未與該廠商合作過,可要求至少一年六個月以上之保固期。

  7. 應要求低於排放標準至少30%以上之驗收條件,同時檢測公司應由業者本身指定,不可任由廠商自行挑選。

3.2. 設備選用不當

 不瞭解各類集塵設備之基本使用功能,使用者常以初期設置成本來考量,往往造成許多誤判,以下表一就巿面上最常用之傳統式及彈夾式二種型式集塵設備來作說明。

3.3. 濾材選用錯誤

濾材之種類很多,每一種濾材都各有其優缺點,也各有其一定物理及化學特性,所以業者選用時應特別小心,如果選用不適用之濾材可能造成處理效率的低落、濾材壽命縮短及操作維護困難等問題點,各種材質濾布之基本特性如表二。

而濾材之物理及化學特性對處理效率到底有何關聯。表示濾布物理性質之項目有重量、厚度、密度、構造組織等形狀性質,透氣性、耐熱性、導電性、撥水性等物理性質,抗拉、撕裂、破裂、抗摩擦等機械性質以及耐酸鹼、耐藥品等化學性質。其中除了化學性質與透氣性以外大部份物理性質均受使用之纖維性質決定。因此巿面上濾布之物性僅記載使用纖維材質、形狀性質及物理性質。

有關於濾材之種類、物理及化學特性比較詳細說明,在此不再多作敘述,有興趣者可參考經濟部工業局在1994年出版之「袋濾集塵機設計選擇與操作」。

表一  傳統式及彈夾式二種型式集塵設備之比較

項目

傳統式集塵設備  

彈夾式集塵設備

設置成本

佔地空間

較大 

過濾方式

深層過濾

絕對過濾  

濾袋特性 過濾面積較小,適用於容易形成塵餅之粉塵 間隙夾角甚小,粉塵容易架橋,會使過濾面變小,不適用容易結塊之粉塵  
處理粉塵濃度 比洨沒有粉濃度及粒徑限制

一般限制在2 g/m3以下

脈衝氣壓

3 /2 6 /2  

3/2以下  

溫度限制 濾材材質選擇性高,溫度容許範圍較大 一般採纖維紙質壓合,溫度有一定限制
除塵效果 附著濾材上之粉塵較容易清除   濾材容易造成阻塞,除塵更加困難
濾材長度 較無限制 一般在500 mm 1200 mm之間
濾材壽命 二年   2 4 個月
壓損 100 200 mmH2O   60 mmH2O以下
逆洗次數
操作方式 可連續使用 適合間斷使用  

 註:以上數據只是工作場所之經驗值,不預設任何立場僅供參考。  

表二  各種常見濾布之基本特性

濾布

最高溫度(℃)  

抗酸性 抗鹼性 抗撓曲磨損性 相對成本
連續 劇增
(Cotton) 82 107 很好 很好 1.33
聚丙烯 (Polypropylene) 88 93 好-絕佳 很好 絕佳 1.0
羊毛 (Wool) 93-102 121 很好 普通-好 2.0
尼龍 (Nylon) 93-107 121 差-普通 好-絕佳 絕佳 1.67
奧龍 (Orlon) 116 127 好-絕佳 普通-好 1.83
壓克力 (Acrylic) 127 137 普通 2.0
達克龍 (Dacron) 135 163 很好 1.87
諾美克斯(Nomex 204 218 差-好 好-絕佳 絕佳 5.33
鐵氟龍 (Teflon) 204-232 260 絕佳(除了對氯氣差之外) 絕佳(除了對三氯化物、氯氣和熔融的鹼金屬差之外) 普通 16.7
玻璃纖維 (Fiberglass) 260 288 普通-好 普通 普通 4.0

3.4. 對欲處理之粉塵特性不瞭解 [經濟部工業局, 1994]

粉塵特性對袋濾集塵機之設計有相當大的影響,然而目前尚無法應用粉塵之各項性質測定值,依理論或經驗作為袋濾集塵機之設計依據,而僅止於依經驗對具有極端性質之粉塵作個別對策而已。

3.4.1. 附著性、凝集性

粉塵振落效果或粉塵穿透濾布濃度均與凝集性、附著性有關,然目前尚無適切表示凝集性與附著性之方法,且此等特性與袋濾集塵機間之具體定量關係尚未明瞭,而僅能以經驗判斷之。

3.4.2. 粒徑佈(particle size distribution)

粒徑分佈對袋濾集塵機之主要影響為壓力損失與磨損,微細粉塵對壓力損失之影響尤大,對於袋濾集塵機或其他設備之磨損性以粗大粒子為大。粒徑愈小之粒子愈難捕集,目前一般捕集之粒徑範圍介於 0.110 mm10 mm 以上者甚易捕集,而 0.1 mm 以下者已對重量濃度影響不大。

3.4.3. 粒子形狀(particulate shape)

粒子之形狀多樣且複雜,而其定義與測定目前尚未建立通用且實用之方法。實際應用上,粒子形狀若屬於附著至某程度後易於振落者,對袋濾集塵機之集塵有利,但尚未有粒子形狀對袋濾集塵機效果影響之檢討報告。

3.4.4. 摩擦係數(摩擦角)(friction coefficient)

其數值愈大,附著力相對增加。就袋濾集塵機而言,粉塵如無某程度之附著力則無法發揮其捕集效能,但附著力太大卻為振落困難之原因,為此附著力須在適當範圈之內,一般粒子愈小,附著力愈大。

3.4.5. 含水率(水分)

通常無機物含水率少,而有機物尤以植物性者較多。含水率與附著力有相關性且直接影響振落作業,且與靜電特性有關,故應由捕集與振落兩方面加以檢討。

3.4.6. 靜電特性

粉塵粒子之靜電特性對集塵與振落有相當大之影響,因此去除靜電之濾布已廣為發展與推廣。

  1. 帶電系列(tribo-electrostatic series):物質有其固有之帶電順位,互相接觸時依其順位分別帶電。一般而言,濾布與粒子之帶電順位較接近時,帶電量少而較為理想。

  2. 介電率與導電率:物質有其固有之介電率。粒子或濾布之介電率大時,其靜電效果可促使集塵作用更為有效。

3.5. 處理流程對後續防制設備之影響

一般工廠在污染源處理流程中,可能會影響後續過濾設備及濾材,以下就比較常見的問題點作說明。

3.5.1.  酸露點

假如欲處理之廢氣含有酸性成份,如HClSOx它可能造成設備及濾材腐蝕問題,預防方法除了使用耐酸濾材及不袗結構外,另外二項必須同時進行的解決方法:a.以吸收劑處理,如以鹼性化學物質NaOHCaOCaCO3等來除酸。b.避開露點溫度,使凝結成酸露之機會降低。

而以吸收劑處理方面,在此建議以半乾式或乾式方法處理,可預防二次污染物產生(廢水),同時可保持濾袋乾燥及處理效率,而延長濾袋使用壽命。在酸露點方面,集塵機內部溫度應保持在露點溫度範圍以外,以下舉圖一SO3濃度供參考。

3.5.2.  水份

廢氣中含有水份時它可影響到粉塵之捕集及振落效率外,對於可再回收之粉塵會因含有水份影響它的回收價值,嚴重者收集下來粉塵會是泥漿狀態之物質,而又會產生前面所提到濾布阻塞、結構腐蝕、粉塵架橋、濾材壽命縮短、排料困難等問題。

 

圖一  SO3濃度的露點溫度 [經濟部工業局, 1993]

 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.5.3.    高溫

高溫或火花對袋濾式集塵器來說是非常重大致命傷,因此對於比較高溫的製程來說,如何選用濾材、設計降溫設施及攔截火花就顯得非常重要。在濾材方面應選擇像NomexRyton鐵氟龍、玻璃纖維等比較耐溫材質。而降溫及攔截火花方面可一併來考慮設計。一般而言,可在袋濾式集塵器前先設置一旋風集塵器以攔截較大顆粒火花,再來則以降溫塔來降低溫度並捕集剩餘之火花。降溫塔的設計必須考慮欲到達降溫之溫度範圍,在此須注意的是在到達袋濾式集塵器前不可有水份被帶入的情形發生。因此降溫塔之入水量多少必須充份去計算與控制,建議應交由比較有經驗之廠商規劃,否則失敗率相當高。

3.6.  忽略了二次運轉費用

工廠設立最主要目的是為了賺錢,因此成本考量會是一般業者最在意的問題,所以往往業者只考慮到初期設置成本而忽略到二次運轉費用。而二次運轉費用包含了風量大小、濾材的選擇、出料過程、吸風罩之設計、壓降大小、逆洗頻率、操作之方便性、維護頻率及維護難易等,因此一個設計良好的集塵設施雖然初設成本會較昂貴些,但如將二次運轉費用詳細計算在內,一兩年之後成本上不一定會比較高,這是值得業界去深思的。尤其在濾袋逆洗頻率方面,建議以壓降大小控制取代原先以時間控制逆洗次數之方法,相信可節省不少的高壓空氣費用。

3.7.  迷信過濾速度愈高處理效率愈好  [ 環境保護署, 2001 ]

過去集塵設備一直被標榜過濾速度愈高處理效率愈好,但是經過長期運轉後出現了以下之問題。

  1. 壓損斜率偏高。

  2. 濾袋壽命較預期短。

  3. 膜片閥壽命較預期短。

  4. 壓縮空氣消耗量較預期多。

  5. 排放量較高。

  6. 機械動作頻率加快。

然而降低過濾速度之作法則是加大過濾面積,雖然一次投資費用提高,二次運轉費用卻降低了,而其優點如下:

  1. 壓力降較低排風機動力消耗少。

  2. 排放濃度降低。

  3. 高壓空氣消耗少。

  4. 有擴充性。

  5. 機械壽命延長,保養及汰換率降低。

可是必須注意的是在降低過濾速度比例上必須在合理範圍之內。

3.8. 其他

其他如集塵斗、風車及保護裝置的設計也非常重要。很多失敗案例常發生在集塵斗排灰困難,這其中包含了集塵器與粉塵排出口之氣密性、集塵斗之角度、粉塵之架橋、氣流上升速度、粉塵含水率等問題。而在風車方面最常要考慮的有因傳動裝置不平衡與掁動產生之噪音、處理高溫廢氣時其軸承是否有降溫裝置、粉塵是否易於附著於葉片及風車裝設之位置等問題。最後在保護裝置方面考慮的有停電、故障、高溫或其他意外事故發生時之緊急排放裝置,甚至在處理可能發生爆炸之粉塵時,應有安全門之設計。  

  四、

在國內使用業者對於過濾式集塵設備及濾材選擇並沒有快速又方便之檢驗設備,往往只能靠過去經驗及理論來互相搭配,去選擇適合所需要之設備及配備,過去一直沒有人提出來探討。而今天提出探討之主要訴求是希望根據以上之檢討,給業者一個思考方向,不要再一味只希望能儘快處理污染問題,而沒有正視後續可能產生之問題。然而,對於一些必須靠防制設備才可處理的粉塵污染,本文則是希望能讓相關業界,對於過濾式集塵設備及濾材之選擇有較佳的選擇方向,以投資最經濟之設備與操作維護成本,選擇最佳之濾材,達到最好的粉塵處理效率。

  參考文獻

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經濟部工業局,袋濾集塵機設計選擇與操作,經濟部工業污染防治技術服務團,台北(1994)。

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經濟部工業局,模具式焚化爐操作維護手冊,中國術技術服務社,台北(1993)。

袁中新,空氣污染物控制技術訓練—粒狀污染物之特性與分類,經濟部工業局,台北( 1992 )。

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環境保護署,袋式集塵器操作維護訓練手冊,行政院環境保護署,台北( 2001)。

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環境保護署人員訓練所,空氣污染甲級專責人員訓練教材-空氣污染概論,行政院環境保護署。

環境保護署人員訓練所,空氣污染甲級專責人員訓練教材-污染排放特性與排放推估,行政院環境保護署。

環境保護人員訓練所,空氣污染防制法,行政院環境保護署,台北 ( 2000)。