電袋復(fù)合除塵器有機(jī)結(jié)合靜電除塵和袋除塵兩種除塵機(jī)理，具有長期穩(wěn)定低排放、阻力低、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，并且可對(duì)超細(xì)粉塵高效捕集和重金屬等協(xié)同脫除，自2005年應(yīng)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(jī)組，經(jīng)歷了從小型到大型化技術(shù)的不斷進(jìn)步，以及濾料選擇由單一的PPS到耐強(qiáng)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(yīng)大型結(jié)構(gòu)等技術(shù)的突破。

1 電袋復(fù)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(tái)600MW機(jī)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(shè)計(jì)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(jí)電場區(qū)的極板采用更高的極板，后級(jí)濾袋采用更長的濾袋，以及為減少脈沖閥儲(chǔ)氣罐所占用空間，需要采用噴吹量更大的脈沖閥；2）除塵設(shè)備的大型化使得除塵器的進(jìn)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(gè)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(fù)荷增加，造成懸掛長濾袋的花板負(fù)載增加而需要進(jìn)行加強(qiáng)等；4）大型化的除塵器設(shè)備運(yùn)行的可靠性更高，加上燃燒煤的種類多，鍋爐煙氣的成分復(fù)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(fù)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(fù)雜。

為解決大型化電袋除塵設(shè)備遇到的問題，經(jīng)過試驗(yàn)研究和工程實(shí)踐，進(jìn)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(jì)算技術(shù)；4）高強(qiáng)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(jìn)技術(shù)

大型化電袋除塵設(shè)備結(jié)構(gòu)的高和寬的尺寸更大，其荷載及其組合更加復(fù)雜[1-5]，除了用簡單的靜力簡化計(jì)算外，還通過常規(guī)的有限元建模計(jì)算，能較為準(zhǔn)確地反映結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，同時(shí)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(yán)密的結(jié)構(gòu)計(jì)算方法。根據(jù)大型化的情況特別提出了如下花板加強(qiáng)和大板梁結(jié)構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)。

（1）花板加強(qiáng)計(jì)算

電袋復(fù)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(duì)支撐濾袋和袋籠的花板進(jìn)行計(jì)算分析。花板加強(qiáng)方式有增加花板厚度、花板底部支撐工字鋼加強(qiáng)和在花板下部位于支撐工字鋼之間增加加強(qiáng)筋。為此首先建立花板模型[6]（見圖1），每個(gè)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(jì)算軟件MIDAS進(jìn)行計(jì)算分析，使花板的最大應(yīng)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(jì)算

大型化電袋復(fù)合除塵器由于通道數(shù)多，除塵器的橫向?qū)挾却?，由兩個(gè)單灰斗組成，灰斗內(nèi)部布置管撐，兩灰斗之間不設(shè)立立柱支撐，而是通過板與加強(qiáng)筋相連組成一個(gè)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(shí)還可以省去兩灰斗之間的支柱，實(shí)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(fù)合除塵器處理煙氣量大，袋區(qū)分室多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，例如1臺(tái)1000MW機(jī)組煙氣量約500萬m3/h，濾袋數(shù)約18,000條。為了實(shí)現(xiàn)特大型電袋復(fù)合除塵器各分室流量分配均勻且除塵器壓力損失最小，應(yīng)用物模試驗(yàn)和CFD流場優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)[8]。

通過搭建了1∶14的電袋復(fù)合除塵器氣流分布實(shí)體模型，和同時(shí)應(yīng)用CFD軟件進(jìn)行實(shí)體模型的建模計(jì)算。在實(shí)體模型上布置關(guān)鍵點(diǎn)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(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行反復(fù)分析比較、再試驗(yàn)和驗(yàn)證，為CFD選擇最適用的計(jì)算方法、湍流模型、邊界參數(shù)等。然后將應(yīng)用于大型電袋復(fù)合除塵器全尺寸模擬計(jì)算。應(yīng)用CFD對(duì)濾袋區(qū)下部導(dǎo)流板的設(shè)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(shè)置等手段進(jìn)行計(jì)算和調(diào)節(jié)，確定了結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化設(shè)計(jì)，不但實(shí)現(xiàn)進(jìn)入除塵器各凈氣室的流量均勻，相對(duì)偏差小于5%，而且實(shí)現(xiàn)各個(gè)袋室內(nèi)濾袋過濾氣體流量基本一致，流量偏差相對(duì)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(fù)合除塵器》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。圖4～圖7為CFD數(shù)值模擬計(jì)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(shè)計(jì)參數(shù)，使電袋復(fù)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(yīng)力分布圖

大型機(jī)組電袋復(fù)合除塵器，其前級(jí)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(yīng)用于特大型電袋復(fù)合除塵器中，則除塵器容積利用率很低，將會(huì)增大除塵器的設(shè)備費(fèi)用；并且大型機(jī)組電袋復(fù)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(huì)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(yàn)臺(tái)，該試驗(yàn)臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)單個(gè)脈沖閥噴吹35條濾袋，濾袋長度最長可以達(dá)10m。通過脈沖噴吹試驗(yàn)，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(yàn)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(duì)應(yīng)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(shí)驗(yàn)臺(tái)的實(shí)測及理論計(jì)算方法對(duì)濾袋脈沖噴吹清灰過程中噴吹管和濾袋的壓力進(jìn)行研究，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析其變化規(guī)律。通過在脈沖噴吹實(shí)驗(yàn)臺(tái)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(xiàng)目場地小的問題，使改造工程避免殼體進(jìn)行尾部加長，減少新建機(jī)組項(xiàng)目占地面積，節(jié)省設(shè)備成本。經(jīng)計(jì)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(jī)組電袋復(fù)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(duì)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(qiáng)度濾料技術(shù)

濾袋是電袋復(fù)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(duì)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(yùn)行維護(hù)成本，同時(shí)，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(dá)標(biāo)，整體阻力能否滿足運(yùn)行要求。

（1）濾袋失效的工程教訓(xùn)和原因分析

燃煤鍋爐煙氣成分中對(duì)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(dāng)SO3、NO2、HF與H2O化合形成硫酸、硝酸和氫氟酸等，達(dá)到一定濃度后會(huì)對(duì)PPS產(chǎn)生腐蝕。2008年以前，由于整個(gè)行業(yè)對(duì)燃煤鍋爐煙氣成分了解不充分，在此之前投運(yùn)的袋類除塵項(xiàng)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(jià)比）。但在實(shí)踐應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，PPS濾料在復(fù)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(yīng)用情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)很多電廠的濾袋在短時(shí)間內(nèi)大面積破損，排放超標(biāo)。一段時(shí)間曾引起行業(yè)的恐慌，對(duì)PPS濾料應(yīng)用于燃煤煙氣治理提出各種疑問，除塵器為達(dá)到新的環(huán)保排放要求進(jìn)行升級(jí)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(duì)某200MW機(jī)組的燃煤鍋爐使用純PPS濾料不到一年時(shí)間發(fā)生濾袋大面積失效進(jìn)行調(diào)研分析，并與某纖維廠商在國內(nèi)的研究所一起進(jìn)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(duì)純PPS濾料的破損進(jìn)行分析，SEM（掃描電鏡）發(fā)現(xiàn)濾料纖維受腐嚴(yán)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(xué)化工學(xué)院進(jìn)行的電袋復(fù)合除塵器內(nèi)煙氣成分對(duì)PPS濾料的影響研究[10]，對(duì)新舊濾袋樣品進(jìn)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(xué)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(jìn)行驗(yàn)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(fù)合除塵器現(xiàn)場工況條件下所測的進(jìn)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(shí)驗(yàn)室用水和硝酸、硫酸配比成相應(yīng)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(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)證明單純的硫酸溶液對(duì)PPS濾料的機(jī)械性能影響很小。而當(dāng)硫酸溶液中含有硝酸時(shí)，酸性溶液對(duì)PPS纖維的氧化腐蝕性很強(qiáng)，造成PPS濾料的強(qiáng)度急劇下降。

某電廠200MW機(jī)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(qiáng)度濾料研發(fā)

經(jīng)過對(duì)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(fù)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(yùn)行穩(wěn)定，需要對(duì)復(fù)雜的清灰壓縮空氣進(jìn)行合理的分配。例如1臺(tái)1000MW機(jī)組電袋除塵器2列6室，氣包有12列共48個(gè)，需要清灰的淹沒式大口徑4寸脈沖閥約720多個(gè)，壓縮空氣的消耗量約40m3/min。為了保證除塵器上每個(gè)脈沖閥在清灰時(shí)所需的壓力、氣量滿足要求，同時(shí)相互之間不會(huì)影響，以及在設(shè)置規(guī)定的時(shí)間內(nèi)及時(shí)補(bǔ)充氣包的壓縮空氣，為實(shí)現(xiàn)可靠的清灰，需要進(jìn)行復(fù)雜的壓縮空氣分配。

1） 根據(jù)對(duì)應(yīng)脈沖閥的耗氣量、清灰周期、清灰壓力和氣包體積，設(shè)置多路供氣管路，實(shí)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(shè)置多個(gè)大儲(chǔ)氣罐，大儲(chǔ)氣罐與向除塵器供氣的主管匹配，及時(shí)補(bǔ)充清灰所需的壓縮空氣。

3） 在進(jìn)入氣包前設(shè)置三聯(lián)件，實(shí)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(shí)現(xiàn)故障時(shí)可以切換氣路，提高供氣的可靠性。

5） 氣包設(shè)置隔離管路，當(dāng)某個(gè)脈沖閥出現(xiàn)故障時(shí)，可以及時(shí)切斷單個(gè)氣包的氣路，實(shí)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(shí)與其對(duì)應(yīng)的有旁路閥、提升閥和多條氣路壓力檢測和報(bào)警，各室壓差檢測、除塵器進(jìn)出口壓差檢測和報(bào)警等，需要的控制點(diǎn)數(shù)量巨大、復(fù)雜和可靠性要求高。這樣對(duì)電控設(shè)備的要求更高、電氣控制的技術(shù)更加復(fù)雜。

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

2） 在配電方面用電設(shè)備更多，電動(dòng)閥、儀表等多。

3） 清灰控制有定時(shí)清灰、定壓清灰、在線清灰、離線清灰和超越清灰等。同時(shí)還要實(shí)現(xiàn)與預(yù)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(hù)底層的過程中，對(duì)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(diǎn)火期間、煙氣溫度過高和預(yù)熱器爆管時(shí)，需要讓煙氣不從濾袋上流過而直接從旁路達(dá)到除塵器出口，以保護(hù)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(yùn)行過程中除塵器的煙氣氣路不會(huì)大波動(dòng)地打開和關(guān)閉，導(dǎo)致鍋爐系統(tǒng)燃燒無法正常運(yùn)行。

為減少I/O點(diǎn)，對(duì)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(yīng)脈沖的噴吹動(dòng)作。

4） 更復(fù)雜的報(bào)警功能。各濾袋室壓差，除塵器多個(gè)室的進(jìn)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(jìn)出口煙氣溫度異常的檢測報(bào)警。

3 大型化關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)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(fù)合除塵器，并在2008年北京奧運(yùn)工程項(xiàng)目成功運(yùn)行，此后大型電袋CFD氣流均布技術(shù)、高強(qiáng)度濾料技術(shù)被推薦寫入《燃煤電廠用電袋復(fù)合除塵器》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。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(xiàng)技術(shù)，已經(jīng)在大量的大型電袋復(fù)合除塵器上應(yīng)用。目前在新密成功運(yùn)行的世界上最大的2×1000MW機(jī)組的電袋復(fù)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(fù)合除塵器的關(guān)鍵技術(shù)是為適應(yīng)市場需求而研發(fā)的，涉及的內(nèi)容有機(jī)械結(jié)構(gòu)、化學(xué)化工材料學(xué)、計(jì)算流體力學(xué)（CFD）和電氣控制技術(shù)等，是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。通過產(chǎn)、學(xué)、研的共同研究開發(fā)和大量的工程成功實(shí)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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[12] 福建人民網(wǎng) http//Fujian.people.com.cn/ 龍凈環(huán)保1000MW機(jī)組電袋復(fù)合 除塵技術(shù)創(chuàng)“國際高峰”[Z]. 2013-6-15.