電袋復合除塵器大型化的關(guān)鍵技術(shù)探討

電袋復合除塵器有機結(jié)合靜電除塵和袋除塵兩種除塵機理，具有長期穩(wěn)定低排放、阻力低、節(jié)能等優(yōu)點，并且可對超細粉塵高效捕集和重金屬等協(xié)同脫除，自2005年應用于國內(nèi)燃煤鍋爐煙氣治理以來，得到快速發(fā)展，從最初的220t/h鍋爐發(fā)展到現(xiàn)在的1000MW機組，經(jīng)歷了從小型到大型化技術(shù)的不斷進步，以及濾料選擇由單一的PPS到耐強濾料和多品種濾料，濾袋長度從7m到8m甚至更長，并取得了相應大型結(jié)構(gòu)等技術(shù)的突破。

1 電袋復合除塵器大型化面臨的主要問題

大型化電袋除塵技術(shù)與中小型電袋除塵技術(shù)相比，除塵所處理的煙氣量較大。例如1臺600MW機組燃煤鍋爐處理煙氣量約300萬m3/h：1）為了減少占地面積和成本，除塵器需要設計高度更高、寬度更寬的結(jié)構(gòu)，并且需要更加充分利用有限的空間。這樣前級電場區(qū)的極板采用更高的極板，后級濾袋采用更長的濾袋，以及為減少脈沖閥儲氣罐所占用空間，需要采用噴吹量更大的脈沖閥；2）除塵設備的大型化使得除塵器的進出口數(shù)量、極板的通道數(shù)量、濾袋的數(shù)量、布置濾袋室的數(shù)量都較多，因此如何保證每個濾袋上流過的煙氣量相同，也是大型化電袋氣流分布需要解決的問題；3）除塵器結(jié)構(gòu)尺寸大，除了頂梁、立柱、中部承壓件和墻板等按常規(guī)方法外，需要采用雙灰斗技術(shù)；濾袋的長度較長使得濾袋上的粉塵多，濾袋負荷增加，造成懸掛長濾袋的花板負載增加而需要進行加強等；4）大型化的除塵器設備運行的可靠性更高，加上燃燒煤的種類多，鍋爐煙氣的成分復雜，需要采用耐煙氣腐蝕的長壽命濾料技術(shù)；5）大型化電袋復合除塵器的濾袋數(shù)量多，所需噴吹清灰壓縮空氣量大，脈沖閥數(shù)量多，這樣輸送壓縮空氣的分配和脈沖清灰控制技術(shù)變得更加復雜。

為解決大型化電袋除塵設備遇到的問題，經(jīng)過試驗研究和工程實踐，進行了如下關(guān)鍵技術(shù)的突破：1）長濾袋噴吹技術(shù)；2）大型化氣流分布技術(shù)；3）關(guān)鍵結(jié)構(gòu)計算技術(shù)；4）高強度濾料技術(shù)；5）清灰氣路分配和控制技術(shù)。

2 大型化電袋除塵關(guān)鍵技術(shù)

2.1 結(jié)構(gòu)改進技術(shù)

大型化電袋除塵設備結(jié)構(gòu)的高和寬的尺寸更大，其荷載及其組合更加復雜[1-5]，除了用簡單的靜力簡化計算外，還通過常規(guī)的有限元建模計算，能較為準確地反映結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，同時還可以通過屈曲分析或非線性分析手段來判別結(jié)構(gòu)的極限承載力，并形成一套嚴密的結(jié)構(gòu)計算方法。根據(jù)大型化的情況特別提出了如下花板加強和大板梁結(jié)構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)。

（1）花板加強計算

電袋復合除塵器大型化需要加長濾袋以提高容積率，濾袋長度的加長需要對支撐濾袋和袋籠的花板進行計算分析。花板加強方式有增加花板厚度、花板底部支撐工字鋼加強和在花板下部位于支撐工字鋼之間增加加強筋。為此首先建立花板模型[6]（見圖1），每個孔施加荷載為：恒載為花板自重、濾袋和袋籠，活載為濾袋積灰、清灰噴吹和檢修載荷組合等。通過有限元計算軟件MIDAS進行計算分析，使花板的最大應力和最大撓度得到滿足（見圖2）。

圖1 花板模型圖

圖2 懸掛10米長花板撓度分布

（2）雙灰斗大板梁計算

大型化電袋復合除塵器由于通道數(shù)多，除塵器的橫向?qū)挾却螅蓛蓚€單灰斗組成，灰斗內(nèi)部布置管撐，兩灰斗之間不設立立柱支撐，而是通過板與加強筋相連組成一個大板梁式的雙灰斗結(jié)構(gòu)（如圖3所示）[7]。該結(jié)構(gòu)使得灰斗從大跨度分成兩段變成小跨度，灰斗的高度大大降低，降低除塵器整體高度，同時還可以省去兩灰斗之間的支柱，實現(xiàn)除塵器整體尺寸和重量的下降。

2.2 氣流分布技術(shù)

大型電袋復合除塵器處理煙氣量大，袋區(qū)分室多，結(jié)構(gòu)復雜，例如1臺1000MW機組煙氣量約500萬m3/h，濾袋數(shù)約18,000條。為了實現(xiàn)特大型電袋復合除塵器各分室流量分配均勻且除塵器壓力損失最小，應用物模試驗和CFD流場優(yōu)化設計技術(shù)[8]。

通過搭建了1∶14的電袋復合除塵器氣流分布實體模型，和同時應用CFD軟件進行實體模型的建模計算。在實體模型上布置關(guān)鍵點流量和壓力的測試，通過改變相關(guān)結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)，尋找主要影響參數(shù)和最佳值。以及將計算結(jié)果和實驗數(shù)據(jù)進行反復分析比較、再試驗和驗證，為CFD選擇最適用的計算方法、湍流模型、邊界參數(shù)等。然后將應用于大型電袋復合除塵器全尺寸模擬計算。應用CFD對濾袋區(qū)下部導流板的設置的調(diào)整、凈氣室大小控制和階梯布置、出口提升閥與凈氣室數(shù)量和位置協(xié)調(diào)布置、提升閥的高度和孔徑的調(diào)整、出口煙道尺寸的設置等手段進行計算和調(diào)節(jié)，確定了結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化設計，不但實現(xiàn)進入除塵器各凈氣室的流量均勻，相對偏差小于5%，而且實現(xiàn)各個袋室內(nèi)濾袋過濾氣體流量基本一致，流量偏差相對均方根值小于0.25。這些偏差要求推薦寫入《火電廠用電袋復合除塵器》行業(yè)標準。圖4～圖7為CFD數(shù)值模擬計算的模型圖、速度云圖及不同結(jié)構(gòu)工況各室的流量偏差曲線圖。

通過分析比較，確定提升閥孔徑、高度和阻流板等部件的最佳設計參數(shù)，使電袋復合除塵器的內(nèi)部氣流分布均勻和壓力損失最小。

2.3 長濾袋技術(shù)

圖3 大板梁結(jié)構(gòu)變形和應力分布圖

大型機組電袋復合除塵器，其前級電場區(qū)極板高度通常為13～15m，而常規(guī)袋式除塵器濾袋長度一般為6～7m，如果將短濾袋應用于特大型電袋復合除塵器中，則除塵器容積利用率很低，將會增大除塵器的設備費用；并且大型機組電袋復合除塵器單室跨度大，通常在15m左右，若采用小口徑脈沖閥噴吹清灰技術(shù)，噴吹濾袋數(shù)量受限，會造成袋區(qū)布置困難。為此，建立1∶1的全尺寸大型濾袋脈沖噴吹試驗臺，該試驗臺可以實現(xiàn)單個脈沖閥噴吹35條濾袋，濾袋長度最長可以達10m。通過脈沖噴吹試驗，研究不同脈沖閥、不同濾袋數(shù)量、不同濾袋長度、不同噴吹壓力下濾袋壓力變化、噴吹管上壓力波形的變化情況。從大量試驗數(shù)據(jù)中分析噴吹量與噴吹壓力、噴吹波形曲線與噴吹壓力的對應關(guān)系，找出噴吹氣流在噴吹管內(nèi)形成的壓力傳遞和壓力分布規(guī)律以及濾袋上的壓力分布規(guī)律。通過實驗臺的實測及理論計算方法對濾袋脈沖噴吹清灰過程中噴吹管和濾袋的壓力進行研究，根據(jù)實驗結(jié)果分析其變化規(guī)律。通過在脈沖噴吹實驗臺上開展長濾袋噴吹技術(shù)研究（見圖8），開發(fā)出160mm寬×長度涵蓋8～10m濾袋的可靠清灰技術(shù)。解決部分改造項目場地小的問題，使改造工程避免殼體進行尾部加長，減少新建機組項目占地面積，節(jié)省設備成本。經(jīng)計算，若采用8m濾袋代替7m濾袋可節(jié)省15%以上占地面積，本體鋼結(jié)構(gòu)降耗15%[9]。

圖4 新密電廠1000MW機組電袋復合除塵器CFD模型

圖5 速度云圖

圖6 4種不同提升閥高度比袋室流量偏差曲線

圖7 提升閥孔徑對袋室流量偏差影響曲線

圖8 8～10m濾袋壓力分布圖

2.4 高強度濾料技術(shù)

濾袋是電袋復合除塵器中最核心的部件之一，加上大型化除塵器要求可靠性更高，對濾袋的穩(wěn)定性、使用壽命提出更高的要求。濾袋材質(zhì)與煙氣工況條件的匹配與否，將決定濾袋的使用壽命、系統(tǒng)穩(wěn)定及運行維護成本，同時，其結(jié)構(gòu)、性能的好壞，將直接影響除塵器的出口排放是否達標，整體阻力能否滿足運行要求。

（1）濾袋失效的工程教訓和原因分析

燃煤鍋爐煙氣成分中對PPS濾料造成腐蝕破壞影響的煙氣成分主要為SO3、NO2、O2和HF等，在一定條件下，當SO3、NO2、HF與H2O化合形成硫酸、硝酸和氫氟酸等，達到一定濃度后會對PPS產(chǎn)生腐蝕。2008年以前，由于整個行業(yè)對燃煤鍋爐煙氣成分了解不充分，在此之前投運的袋類除塵項目，選擇的濾袋材質(zhì)均以PPS纖維為主材（PPS纖維具有較優(yōu)良的抗酸、抗堿、抗水解性，以及良好的性價比）。但在實踐應用中發(fā)現(xiàn)，PPS濾料在復雜的燃煤煙氣中，承受酸腐蝕和高溫氧化的能力不盡如意，行業(yè)中已發(fā)生多起因酸腐蝕及高溫氧化引起PPS濾袋短期內(nèi)大量破損的案例。2007年，有關(guān)專家到北京、山西、內(nèi)蒙古、河南等電廠調(diào)研袋除塵器應用情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)很多電廠的濾袋在短時間內(nèi)大面積破損，排放超標。一段時間曾引起行業(yè)的恐慌，對PPS濾料應用于燃煤煙氣治理提出各種疑問，除塵器為達到新的環(huán)保排放要求進行升級改造電袋和袋除塵方式被其它除塵方式取代，使除塵技術(shù)出現(xiàn)倒退現(xiàn)象。

筆者曾對某200MW機組的燃煤鍋爐使用純PPS濾料不到一年時間發(fā)生濾袋大面積失效進行調(diào)研分析，并與某纖維廠商在國內(nèi)的研究所一起進行煙氣測試（見下表），測試結(jié)果表明，由于燃燒高硫煤，煙氣中的SO2含量高，NO含量也高。并通過對純PPS濾料的破損進行分析，SEM（掃描電鏡）發(fā)現(xiàn)濾料纖維受腐嚴重，纖維表面出現(xiàn)大量裂痕，甚至開裂，紅外光譜（FT-IR）分析表明，濾料材質(zhì)PPS分子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，主要是氧化與硫酸磺化所至，由此推斷工況煙氣含硫和NO2、氧氣濃度較高，且有結(jié)露。通過福州大學化工學院進行的電袋復合除塵器內(nèi)煙氣成分對PPS濾料的影響研究[10]，對新舊濾袋樣品進行元素分析，考察破舊濾袋的分子結(jié)構(gòu)中增加了哪些元素以及各元素組成含量的變化，初步判斷濾袋可能受到哪些化學腐蝕。然后采用電鏡掃描分析SEM、X射線熒光分析XRF、X射線衍射分析XRD、紅外光譜分析FT-IR進行驗證（見圖9），結(jié)果表明使用過的PPS濾料含氧量升高，S原子被氧化形成砜或亞砜。然后據(jù)電袋復合除塵器現(xiàn)場工況條件下所測的進口煙氣的SO2和NOx濃度轉(zhuǎn)換成SO3和NO2的濃度，依據(jù)這些濃度在實驗室用水和硝酸、硫酸配比成相應濃度的單一酸，以及混酸，在一定的老化溫度下放入PPS濾布，進行試驗。試驗證明單純的硫酸溶液對PPS濾料的機械性能影響很小。而當硫酸溶液中含有硝酸時，酸性溶液對PPS纖維的氧化腐蝕性很強，造成PPS濾料的強度急劇下降。

某電廠200MW機組煙氣成分表

圖9 PPS新舊濾料和PPS纖維絲的紅外光譜圖

（2）高強度濾料研發(fā)

經(jīng)過對PPS濾袋失效的原因分析找出了煙氣中的主要影響成分，而這些煙氣成分濃度的高低與燃燒煤種和燃煤鍋爐形式等相關(guān)。通過國內(nèi)除塵器廠、濾料廠、纖維研發(fā)公司和燃煤電廠的共同合作，以聚四氟乙烯（PTFE）長纖維基布和PPS、PTFE短纖維不同比例的針刺氈濾布，已經(jīng)成為燃煤鍋爐的首選濾料[11]。

2.5 清灰壓縮空氣分配和清灰控制技術(shù)

（1）清灰壓縮空氣分配技術(shù)

大型化電袋復合除塵器為了能夠?qū)崿F(xiàn)可靠的濾袋清灰，保證除塵器運行穩(wěn)定，需要對復雜的清灰壓縮空氣進行合理的分配。例如1臺1000MW機組電袋除塵器2列6室，氣包有12列共48個，需要清灰的淹沒式大口徑4寸脈沖閥約720多個，壓縮空氣的消耗量約40m3/min。為了保證除塵器上每個脈沖閥在清灰時所需的壓力、氣量滿足要求，同時相互之間不會影響，以及在設置規(guī)定的時間內(nèi)及時補充氣包的壓縮空氣，為實現(xiàn)可靠的清灰，需要進行復雜的壓縮空氣分配。

1） 根據(jù)對應脈沖閥的耗氣量、清灰周期、清灰壓力和氣包體積，設置多路供氣管路，實現(xiàn)每列氣包有一路供氣管道。并保證壓縮空氣在管道上的流速控制在一定范圍，減少能量損耗和保證供氣速度。

2） 根據(jù)氣路和耗氣量在除塵器底部設置多個大儲氣罐，大儲氣罐與向除塵器供氣的主管匹配，及時補充清灰所需的壓縮空氣。

3） 在進入氣包前設置三聯(lián)件，實現(xiàn)壓縮空氣壓力可調(diào)，控制脈沖閥清灰壓力。

4） 供氣管路互聯(lián)互通，實現(xiàn)故障時可以切換氣路，提高供氣的可靠性。

5） 氣包設置隔離管路，當某個脈沖閥出現(xiàn)故障時，可以及時切斷單個氣包的氣路，實現(xiàn)在線檢修脈沖閥，最大限度減少脈沖閥故障引起的除塵器系統(tǒng)阻力問題。

（2）清灰控制技術(shù)

大型電袋除塵器脈沖閥數(shù)量多，同時與其對應的有旁路閥、提升閥和多條氣路壓力檢測和報警，各室壓差檢測、除塵器進出口壓差檢測和報警等，需要的控制點數(shù)量巨大、復雜和可靠性要求高。這樣對電控設備的要求更高、電氣控制的技術(shù)更加復雜。

1） 采用大型PLC（例如采用西門子S7-400），其運算速率高、內(nèi)存容量更大、I/O點更多和通信網(wǎng)絡功能豐富。同時要求電源冗余、網(wǎng)絡冗余、I/O熱插拔。

2） 在配電方面用電設備更多，電動閥、儀表等多。

3） 清灰控制有定時清灰、定壓清灰、在線清灰、離線清灰和超越清灰等。同時還要實現(xiàn)與預涂灰連鎖控制，即在除塵器投入使用前在濾袋表面形成一層保護底層的過程中，對各室提升閥要求全部打開，旁路閥全部關(guān)閉，脈沖清灰要停止。以及在鍋爐燃油點火期間、煙氣溫度過高和預熱器爆管時，需要讓煙氣不從濾袋上流過而直接從旁路達到除塵器出口，以保護濾袋。電控方面需要打開旁路閥后不久關(guān)閉提升閥。以及保證在運行過程中除塵器的煙氣氣路不會大波動地打開和關(guān)閉，導致鍋爐系統(tǒng)燃燒無法正常運行。

為減少I/O點，對脈沖閥清灰控制采用行列矩陣控制形式，即電磁脈沖閥跨接在行線和列線之間，通過行線和列線的接通，來控制相應脈沖的噴吹動作。

4） 更復雜的報警功能。各濾袋室壓差，除塵器多個室的進出口壓差、清灰氣包壓力、提升閥和旁路閥氣路壓力，以及除塵器進出口煙氣溫度異常的檢測報警。

3 大型化關(guān)鍵技術(shù)的應用

2008年4月，大型脈沖閥在北京京能熱電200MW電除塵器改造為電袋復合除塵器，并在2008年北京奧運工程項目成功運行，此后大型電袋CFD氣流均布技術(shù)、高強度濾料技術(shù)被推薦寫入《燃煤電廠用電袋復合除塵器》行業(yè)標準。大型清灰壓縮空氣分配技術(shù)和PLC清灰控制技術(shù)等各項技術(shù)，已經(jīng)在大量的大型電袋復合除塵器上應用。目前在新密成功運行的世界上最大的2×1000MW機組的電袋復合除塵器，技術(shù)水平國際領(lǐng)先[12]。

4 結(jié)語

大型化電袋復合除塵器的關(guān)鍵技術(shù)是為適應市場需求而研發(fā)的，涉及的內(nèi)容有機械結(jié)構(gòu)、化學化工材料學、計算流體力學（CFD）和電氣控制技術(shù)等，是一項復雜的系統(tǒng)工程。通過產(chǎn)、學、研的共同研究開發(fā)和大量的工程成功實踐，證明以上關(guān)鍵技術(shù)的突破基本可解決電袋除塵器大型化的問題。

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[3] 趙熙元主編.建筑鋼結(jié)構(gòu)設計手冊[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1995，12.

[4] 陳大先主編.機械設計手冊[M].北京：化學工業(yè)出版社，2004，9.

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[10] 福州大學研究報告.電袋復合除塵器內(nèi)煙氣成分對PPS濾料的影響[R].2012，12.

[11] 張建軍，等.聚四氟乙烯在袋式除塵濾料（袋）上的應用[C].全國袋式除塵 技術(shù)研討會，2011，10.

[12] 福建人民網(wǎng) http//Fujian.people.com.cn/ 龍凈環(huán)保1000MW機組電袋復合 除塵技術(shù)創(chuàng)“國際高峰”[Z]. 2013-6-15.