谷艷玲，陳長征，谷曉嬌(沈陽工業(yè)大學機械工程學院，遼寧沈陽110870)

實驗研究

袋式除塵器高溫煙氣控制技術研究

谷艷玲，陳長征，谷曉嬌
(沈陽工業(yè)大學機械工程學院，遼寧沈陽110870)

大氣環(huán)境問題日益嚴重，在煙塵治理中袋式除塵越來越占居主導地位。為有效保證高溫煙氣除塵效果，降低成本，從溫度控制、清灰機制、壓力調控等方面進行研究。鑒于除塵參數復雜多變、工況波動大，將現代控制理論應用于袋式除塵器中。結合除塵經驗，改進隸屬度函數，設計除塵器溫度模糊控制器。通過對現場數據的采集和分析，對比控制結果。應用表明:模糊溫度控制方法和聯合清灰機制在袋式除塵器控制中具有良好的效果。

袋式除塵器;溫度控制;清灰機制;壓力調控;模糊控制

0　前言

袋式除塵器是治理空氣污染的高效除塵設備，在我國化工、冶金、礦山、機械、水泥、建材等行業(yè)早已得到廣泛應用，主要用來捕集細小、干燥的非纖維性粉塵。

在實際工程應用中，袋式除塵效率可達到99.99%以上，粉塵排放濃度能達到10 mg/m3以下，甚至達到1 mg/m3，基本上達到零排放。同時，袋式除塵器的分級效率也很高，對PM10、PM5、PM2.5等細微顆粒物都有很高的捕集效率，這是袋式除塵器的過濾除塵機理決定的，而其他除塵器做不到的，袋式除塵器除塵效率極高。袋式除塵器還是較好的物料收集器，在鋼鐵、水泥、有色冶金、化工等行業(yè)中應用，回收了在廢氣中的有用資源，取得了良好的經濟效益。袋式除塵器既可有效地保護大氣環(huán)境，又可回收許多寶貴的資源。在國家高度重視節(jié)約能源和環(huán)保能源的條件下粉塵治理有深遠的研究價值［1］，袋式除塵器在煙塵冶理中占有很大的份額，因此，為保證有效的除塵效果，研究袋式除塵器的高溫煙氣控制更有意義。

1　溫度控制

袋式除塵器在應用中經常遇到高溫煙氣，如火電廠燃煤鍋爐、工業(yè)爐窯、垃圾焚燒除塵等。袋式除塵器主要部分是濾袋，我國常用高溫煙氣凈化的濾料有聚苯硫醚纖維(PPS)、聚四氟乙烯纖維(PTFE，Teflon“特氟隆”)、聚酰亞胺纖維(P84)、芳綸(Nomex)及各種涂層復合材料等［2］。不同的濾料耐溫特性不同，見表1。當溫度高于纖維的連續(xù)使用溫度時，會加快化學反應速率，容易變形和老化［3］。袋式除塵器使用中，煙氣溫度過高會降低布袋壽命甚至可能燒毀布袋，而溫度過低則會發(fā)生結露，腐蝕布袋。因此，布袋除塵器在處理高溫煙氣時對煙氣溫度要求很高，對煙氣溫度的控制至關重要。

表1　濾料耐溫特性Tab.1 Temperature resistant of filtermaterial

1.1模糊控制

工業(yè)爐窯爐溫度高、波動大，而且冷卻狀況及外界溫度的變化，都將引起煙氣溫度的波動。一旦煙氣溫度超標，就會影響除塵器的運行效果和經濟性。袋式除塵器通過控制混風閥開度可使混合后的煙氣溫度降至設定溫度，混合后的煙氣溫度取決于冷卻氣體量。混風閥的實際工作流量與閥門開度并不成正比，即混合后的煙氣溫度與冷卻氣體量成典型非線形關系。

目前，袋式除塵的溫度控制主要有人工調整控制和傳統(tǒng)PID控制。人工控制時，只在超溫報警后進行溫度調節(jié)，實際的效果很不理想，煙氣溫度波動較大，不能使煙氣溫度長期處于最佳工作溫度。PID控制器因不能及時地調整自身的控制參數，容易出現超調和振蕩，自適應性較差［4-5］。模糊控制不需要對象模型，利用專家的模糊知識表達完成控制任務［6］。采用模糊控制器對煙氣溫度進行控制，在一定的范圍內取得了較好的控制效果［7］。

1.2模糊變量

溫度控制的最終目的是將煙氣溫度維持在最佳工作范圍內，因此煙氣溫度偏差是非常重要的模糊輸入參數。而煙氣溫度偏差變化率能夠較好地反映煙氣溫度的變化情況，更好地反映了調節(jié)效果，作為另一個模糊輸入參數。影響煙氣溫度的關鍵因素是冷卻氣體量，具體到實際的過程中就是混風閥開度。

采用溫度偏差量E、溫度偏差變化率EC作為輸入;混風閥閥門開度U作為輸出。溫度偏差E(t)=T(t)－T0，T0為溫度給定值;混風閥開度(U)的基本論域為［0%，100%］，即［0°，90°］。量化等級范圍為［－6，+6］，E、U預設的模糊子集為:{負大(NB)，負中(NM)，負小(NS)，零(O)，正小(PS)，正中(PM)，正大(PB)}。EC預設的模糊子集為:{負大(NB)，負小(NS)，零(O)，正小(PS)，正大(PB)}。模糊參數隸屬函數m(E)、m(EC)、m(U)，采用三角函數。結合經驗知識，改進隸屬度函數，如圖1所示。改進后，每個參數對應的模糊子集主值的位置并不是均勻的。這主要是由各參數互為影響的大小決定的，只在對溫度有重要影響的地方才進行顯著變化，否則變化不大。在溫度控制問題上，按照人們的經驗，在溫度偏差E較大時可以粗略地進行調整，而越靠近理想溫度時要注意準確度。溫度偏差大，混風閥開度大，混風時間長，而過大的混風量可能導致反向調節(jié)，產生振蕩。因此，對于偏差E，靠近最小處的隸屬函數的區(qū)域小，中間區(qū)域比較大，而在最大的邊緣處隸屬度反而小。對于偏差變化率EC，靠近中間(絕對值最小)處的隸屬函數的區(qū)域最小，越靠近兩側邊緣越大。對于U，靠近全開(90°)的地方，隸屬函數的區(qū)域比較小，靠近全關(0°)區(qū)域比較大。

圖1　語言變量的隸屬函數Fig.1 Membership function of linguistic variables

1.3模糊規(guī)則

根據E和EC對U的影響關系及經驗，人為確定規(guī)則，所有規(guī)則都采用“IF A and B THEN C”的形式，得到混風閥開度(U)控制規(guī)則，見表2。

表2　溫度模糊控制Tab.2 The fuzzy control of temperature

改進后的模糊控制器控制效果良好，過渡時間短，收斂性和抗干擾能力有所提高。使系統(tǒng)溫度控制在布袋正常工作溫度，不僅防止高溫燒袋和低溫結露，更延長了布袋使用壽命。這樣使整個除塵系統(tǒng)處于一個穩(wěn)定、健康的運行狀態(tài)。

2　阻力調控

袋式除塵器的阻力，又稱“壓差”，是指煙氣通過除塵器時的壓力損失，即除塵器進、出口的壓力差。

袋式除塵器的工作阻力ΔP1，主要由ΔPj和ΔPf兩部分組成，即

式中，ΔPj為除塵器結構阻力，Pa;ΔPf為覆塵濾料阻力，Pa。

ΔPj是指氣體通過除塵器入口、出口產生的阻力，流經除塵器的煙氣流量和流速恒定下，基本不變。ΔPf是指在濾料表面形成粉塵層后，由濾料本身及粉塵覆層產生的阻力，如圖2所示。濾袋清灰后，其壓力損失能降到清灰前的20%～80%，為保證壓力穩(wěn)定選擇合適的清灰時間。

圖2　殘留在濾袋深層的粉塵Fig.2 Residual dust in deep bag

2.1袋式除塵器的管道阻力計算

除塵系統(tǒng)設計過程中，管道系統(tǒng)配置應從總體布局考慮，統(tǒng)一規(guī)劃，合理布局，力求簡單、緊湊、適用、美觀，而且安裝、操作、維修方便，并盡可能縮短管線長度，減少占地與空間，節(jié)省投資。管道布置應力求順直、減小阻力［8］。

除塵系統(tǒng)管路壓力損失主要由沿程壓力損失Δpl(管路直線部分阻力)和局部壓力損失Δpz(管路彎頭部分阻力)兩部分組成。

式中，λ為摩擦阻力系數;v為風管內氣體的平均流速，m/s;ρ為氣體的密度，kg/m3;l為風管長度，m;D為圓形風管的直徑，m;n為彎頭數量;z為彎頭局部壓力損失，Pa;ξ為局部阻力系數;v為氣體流速，m/s。

建立流體模型，對管道內的阻力進行分析。模擬管道內氣流環(huán)境，分析管路彎頭局部壓力損失，對其進行數值計算，分析其性能。如圖3所示。

圖3　管道中截面壓力等值線譜Fig.3 Cross-section pressure contour line in pipeline

通過云圖可以看到，直管道中，管道內的阻力變化均勻，隨著距離的增大;直角管道中，管道內的阻力變化較大，特別是在轉彎處;鈍角管道中，管道內的阻力在轉彎處變化較大，但相比直角管道壓力損失明顯減小。通過上述分析可知，管道設計時，應盡量縮短直管道長度，減少彎頭個數，并且轉彎處盡量采用鈍角管道。

2.2清灰機制

對于袋式除塵器，脈沖清灰系統(tǒng)，控制參數主要是脈沖寬度和除塵周期。一般情況下是通過在實驗室試驗和現場調試而設定的，沒有一定的公式或函數。

傳統(tǒng)上除塵器清灰多采用定時或定壓差控制。定時清灰屬于開環(huán)控制，按照預先設定的清灰周期控制清灰，并不考慮除塵器實際阻力。定壓差清灰屬于簡單閉環(huán)控制，根據除塵器實際阻力的大小來控制清灰。清灰系統(tǒng)設定一個阻力上限值，當阻力大于上限時，開始清灰。

定時控制可能會產生因煙氣量變化而清灰頻率不變所導致一次粉塵層破壞的現象。定壓差控制就要嚴格保證壓力傳感器靈敏度狀況。而各種工業(yè)爐窯窯內本身就有一定的壓力要求，但無論定時或定壓差控制都不能兼顧窯內壓力要求。綜上分析，除塵系統(tǒng)采用定時、定壓差、窯壓三方聯合控制。根據時間、壓差及爐窯壓力的變化共同完成清灰動作，保證除塵器清灰系統(tǒng)的可靠運行。

3　應用

遼寧某玻璃廠制瓶車間，根據環(huán)境監(jiān)測站實際測量，治理前煙氣排放濃度的平均值為211.07 mg/m3。嚴重超過了《工業(yè)爐窯大氣污染物排放標準》(GB9078-1996)二級標準規(guī)定要求的粉塵濃度排放極限60 mg/m3。

3.1煙塵檢測

粉塵是玻璃窯高溫煙氣中的主要污染物，利用掃描電鏡對煙塵顆粒的物理形態(tài)在1 000到10 000倍放大狀態(tài)下進行觀測，結果如圖4所示。

圖4　粉塵顆粒形狀Fig.4 Dust particles shape

由圖片可清楚看到煙塵顆粒(放大1 000倍)呈大小不等的團球狀，顆粒邊緣(放大10 000倍)也成團球狀，并未見針狀煙塵。由此可見，該煙塵對除塵布袋損耗不會很大，并且容易清灰，適于采用袋式除塵方式。

3.2溫度控制

該爐窯煙氣溫度變化范圍較大，冬春季節(jié)用于廠區(qū)供暖，兩臺余熱回收鍋爐滿載運行，經檢測鍋爐出口溫度在165～220℃之間變化。夏秋季由于停止供暖，一臺余熱鍋爐停機，經檢測鍋爐出口溫度在226～292℃之間變化。實際運行中，濾料為拒水防油美萊斯復合針刺過濾氈，最低工作溫度為120℃，最佳工作溫度范圍為180～220℃，瞬時最高溫度為260℃。

冬春季時，煙氣溫度滿足該布袋的最佳工作范圍，因此煙氣直接通過管道進入除塵器內。夏秋季溫度較高，冷卻器啟動進行一級降溫，煙氣經過冷卻器降溫后，啟動混風閥，進行二級降溫，最后進入除塵器經行除塵。

設定煙氣溫度給定值T0=200℃，溫度偏差E的基本論域定義為［－60℃，+60℃］，溫度變化率EC基本論域定義為［－20℃/min，20℃/ min］，混風閥開度U的基本論域為［0°，90°］。

取夏季某天發(fā)生人工參與調整時間段的人工控制結果與第二天同一時間段模糊控制結果進行比較，如圖4所示。人工控制采用極限超溫報警的形式，即只要煙氣溫度在溫度范圍內人工不予干預，超溫報警后人工調整，調整結果與工人的反應時間及經驗有關，具有不確定性。采用模糊控制，煙氣溫度雖仍然具有一定波動性，但基本穩(wěn)定在最佳使用溫度為200℃上下，未發(fā)生超溫現象。

圖5　溫度控制結果對比圖Fig.5 Temperature comparison chart of fuzzy control and manual control

3.3清灰機制

玻璃爐窯的窯壓是窯內的一個重要參數，要求能保持微正壓，而且保持壓力穩(wěn)定。如果窯壓過大不僅會降低成型玻璃液的質量，還會影響燃燒，損壞窯體。

除塵器在試用期間，開始采用定壓差除塵，壓力傳感器在一個月內出現故障。維修時，采用定時除塵。定時除塵期間，發(fā)生窯壓超高現象，工人只好將備用管路開通，致使部分煙氣未經除塵直接排入大氣。最后，采用定時定壓差、定窯壓聯合控制。除塵運行期間，窯壓基本穩(wěn)定，同時除塵器阻力正常，運行良好。

4　結論

袋式除塵器在處理高溫煙氣時，在溫度控制中采用模糊控制具有良好的除塵效果。結合經驗知識，考慮參數間的相互影響關系，模糊參數的隸屬函數采用非均勻分布的三角函數。清灰機制打破傳統(tǒng)，提出定時、定壓差和定窯壓聯合控制機制。現場應用效果良好，溫度始終處于正常工作范圍，避免高溫燒袋、低溫結露，從而有效保證了設備正常運行，有效降低了成本。清灰系統(tǒng)工作正常，窯爐壓力未因為除塵器阻力而產生不穩(wěn)定情況。除塵效果良好，達到國家標準，布袋壽命延長。

［1］我國袋式除塵行業(yè)2012年發(fā)展綜述［J］．中國環(huán)保產業(yè)，2013(5)．

［2］張鵬，朱銳鈿，倪冰選．高溫煙氣凈化用合成纖維發(fā)展現狀［J］．中國纖檢，2011(11):80－81．

［3］SANG Yuong Yeo，oh Seung Kin，Effects of Processing Condition on the Filtration Performances of Nnonwovens for Bag Filter Media［J］．Journal of Materials Science，2005(4):5393－5398．

［4］黑偉亮，謝劍英，王林．新型布袋除塵控制系統(tǒng)的設計與實現［J］．自動化儀表，2006，27(3): 56－58．

［5］王卓，高鵬，夏國慶．基于模糊控制的電解整流電源系統(tǒng)設計［J］．重型機械，2009(3):47－50．

［6］諸靜．模糊控制理論與系統(tǒng)原理［M］．北京:機械工業(yè)出版社，2005．

［7］齊曉芳，陳長征．變工況玻璃窯爐布袋除塵器溫度控制方法［J］．機械工程師，2010(1):103－105．

［8］周興求．環(huán)保設備設計手冊大氣污染控制設備［M］．北京:化學工業(yè)出版社，2004．

Research on high tem perature fume control technology of bag house dusting

GU Yan-ling，CHEN Chang-zheng，GU Xiao-jiao
(School of Mechanical Engineering，Shenyang University of Technology，Shenyang 110870，China)

With the atmospheric environment problem increasingly serious，bag house dusting plays a central role in smoke and dust treatment．In order to ensure dusting results by high temperature fume and cut costs，the paper studies the key techniques of bag house of temperature control，cleaningmechanism，pressure regulation and so on．In view of the fact that the parameters ofbag house are complex and theworking condition fluctuates severely，modern control theory is applied in bag dusting technology．Based on the dusting experience，the membership function is improved，and the temperature fuzzy controller for dust collector is designed，and through collecting and analyzing of field data，the control results are compared．The results show that the temperature fuzzy control method and themultidimensional cleaningmechanism have good control effect in bag house dusting．

bag house dusting;temperature control;cleaningmechanism;pressure regulation;fuzzy control

TP273;TH6

A

1001－196X(2015)02－0017－05

2014－11－18;

2014－12－25

國家自然科學基金資助項目(51205259、51305276)

谷艷玲(1976－)，女，沈陽工業(yè)大學講師，博士研究生。主要研究方向:智能控制、機械振動噪聲控制。