电袋复合除尘器大型化的关键技术探讨

2013-12-23郑奎照

中国环保产业 2013年11期

电袋复合除尘器有机结合静电除尘和袋除尘两种除尘机理，具有长期稳定低排放、阻力低、节能等优点，并且可对超细粉尘高效捕集和重金属等协同脱除，自2005年应用于国内燃煤锅炉烟气治理以来，得到快速发展，从最初的220t/h锅炉发展到现在的1000MW机组，经历了从小型到大型化技术的不断进步，以及滤料选择由单一的PPS到耐强滤料和多品种滤料，滤袋长度从7m到8m甚至更长，并取得了相应大型结构等技术的突破。

1 电袋复合除尘器大型化面临的主要问题

大型化电袋除尘技术与中小型电袋除尘技术相比，除尘所处理的烟气量较大。例如1台600MW机组燃煤锅炉处理烟气量约300万m3/h：1）为了减少占地面积和成本，除尘器需要设计高度更高、宽度更宽的结构，并且需要更加充分利用有限的空间。这样前级电场区的极板采用更高的极板，后级滤袋采用更长的滤袋，以及为减少脉冲阀储气罐所占用空间，需要采用喷吹量更大的脉冲阀；2）除尘设备的大型化使得除尘器的进出口数量、极板的通道数量、滤袋的数量、布置滤袋室的数量都较多，因此如何保证每个滤袋上流过的烟气量相同，也是大型化电袋气流分布需要解决的问题；3）除尘器结构尺寸大，除了顶梁、立柱、中部承压件和墙板等按常规方法外，需要采用双灰斗技术；滤袋的长度较长使得滤袋上的粉尘多，滤袋负荷增加，造成悬挂长滤袋的花板负载增加而需要进行加强等；4）大型化的除尘器设备运行的可靠性更高，加上燃烧煤的种类多，锅炉烟气的成分复杂，需要采用耐烟气腐蚀的长寿命滤料技术；5）大型化电袋复合除尘器的滤袋数量多，所需喷吹清灰压缩空气量大，脉冲阀数量多，这样输送压缩空气的分配和脉冲清灰控制技术变得更加复杂。

为解决大型化电袋除尘设备遇到的问题，经过试验研究和工程实践，进行了如下关键技术的突破：1）长滤袋喷吹技术；2）大型化气流分布技术；3）关键结构计算技术；4）高强度滤料技术；5）清灰气路分配和控制技术。

2 大型化电袋除尘关键技术

2.1 结构改进技术

大型化电袋除尘设备结构的高和宽的尺寸更大，其荷载及其组合更加复杂[1-5]，除了用简单的静力简化计算外，还通过常规的有限元建模计算，能较为准确地反映结构受力状态，同时还可以通过屈曲分析或非线性分析手段来判别结构的极限承载力，并形成一套严密的结构计算方法。根据大型化的情况特别提出了如下花板加强和大板梁结构关键技术。

（1）花板加强计算

电袋复合除尘器大型化需要加长滤袋以提高容积率，滤袋长度的加长需要对支撑滤袋和袋笼的花板进行计算分析。花板加强方式有增加花板厚度、花板底部支撑工字钢加强和在花板下部位于支撑工字钢之间增加加强筋。为此首先建立花板模型[6]（见图1），每个孔施加荷载为：恒载为花板自重、滤袋和袋笼，活载为滤袋积灰、清灰喷吹和检修载荷组合等。通过有限元计算软件MIDAS进行计算分析，使花板的最大应力和最大挠度得到满足（见图2）。

图1 花板模型图

图2 悬挂10米长花板挠度分布

（2）双灰斗大板梁计算

大型化电袋复合除尘器由于通道数多，除尘器的横向宽度大，由两个单灰斗组成，灰斗内部布置管撑，两灰斗之间不设立立柱支撑，而是通过板与加强筋相连组成一个大板梁式的双灰斗结构（如图3所示）[7]。该结构使得灰斗从大跨度分成两段变成小跨度，灰斗的高度大大降低，降低除尘器整体高度，同时还可以省去两灰斗之间的支柱，实现除尘器整体尺寸和重量的下降。

2.2 气流分布技术

大型电袋复合除尘器处理烟气量大，袋区分室多，结构复杂，例如1台1000MW机组烟气量约500万m3/h，滤袋数约18,000条。为了实现特大型电袋复合除尘器各分室流量分配均匀且除尘器压力损失最小，应用物模试验和CFD流场优化设计技术[8]。

通过搭建了1∶14的电袋复合除尘器气流分布实体模型，和同时应用CFD软件进行实体模型的建模计算。在实体模型上布置关键点流量和压力的测试，通过改变相关结构尺寸参数，寻找主要影响参数和最佳值。以及将计算结果和实验数据进行反复分析比较、再试验和验证，为CFD选择最适用的计算方法、湍流模型、边界参数等。然后将应用于大型电袋复合除尘器全尺寸模拟计算。应用CFD对滤袋区下部导流板的设置的调整、净气室大小控制和阶梯布置、出口提升阀与净气室数量和位置协调布置、提升阀的高度和孔径的调整、出口烟道尺寸的设置等手段进行计算和调节，确定了结构的最优化设计，不但实现进入除尘器各净气室的流量均匀，相对偏差小于5%，而且实现各个袋室内滤袋过滤气体流量基本一致，流量偏差相对均方根值小于0.25。这些偏差要求推荐写入《火电厂用电袋复合除尘器》行业标准。图4～图7为CFD数值模拟计算的模型图、速度云图及不同结构工况各室的流量偏差曲线图。

通过分析比较，确定提升阀孔径、高度和阻流板等部件的最佳设计参数，使电袋复合除尘器的内部气流分布均匀和压力损失最小。

2.3 长滤袋技术

图3 大板梁结构变形和应力分布图

大型机组电袋复合除尘器，其前级电场区极板高度通常为13～15m，而常规袋式除尘器滤袋长度一般为6～7m，如果将短滤袋应用于特大型电袋复合除尘器中，则除尘器容积利用率很低，将会增大除尘器的设备费用；并且大型机组电袋复合除尘器单室跨度大，通常在15m左右，若采用小口径脉冲阀喷吹清灰技术，喷吹滤袋数量受限，会造成袋区布置困难。为此，建立1∶1的全尺寸大型滤袋脉冲喷吹试验台，该试验台可以实现单个脉冲阀喷吹35条滤袋，滤袋长度最长可以达10m。通过脉冲喷吹试验，研究不同脉冲阀、不同滤袋数量、不同滤袋长度、不同喷吹压力下滤袋压力变化、喷吹管上压力波形的变化情况。从大量试验数据中分析喷吹量与喷吹压力、喷吹波形曲线与喷吹压力的对应关系，找出喷吹气流在喷吹管内形成的压力传递和压力分布规律以及滤袋上的压力分布规律。通过实验台的实测及理论计算方法对滤袋脉冲喷吹清灰过程中喷吹管和滤袋的压力进行研究，根据实验结果分析其变化规律。通过在脉冲喷吹实验台上开展长滤袋喷吹技术研究（见图8），开发出160mm宽×长度涵盖8～10m滤袋的可靠清灰技术。解决部分改造项目场地小的问题，使改造工程避免壳体进行尾部加长，减少新建机组项目占地面积，节省设备成本。经计算，若采用8m滤袋代替7m滤袋可节省15%以上占地面积，本体钢结构降耗15%[9]。

图4 新密电厂1000MW机组电袋复合除尘器CFD模型

图5 速度云图

图6 4种不同提升阀高度比袋室流量偏差曲线

图7 提升阀孔径对袋室流量偏差影响曲线

图8 8～10m滤袋压力分布图

2.4 高强度滤料技术

滤袋是电袋复合除尘器中最核心的部件之一，加上大型化除尘器要求可靠性更高，对滤袋的稳定性、使用寿命提出更高的要求。滤袋材质与烟气工况条件的匹配与否，将决定滤袋的使用寿命、系统稳定及运行维护成本，同时，其结构、性能的好坏，将直接影响除尘器的出口排放是否达标，整体阻力能否满足运行要求。

（1）滤袋失效的工程教训和原因分析

燃煤锅炉烟气成分中对PPS滤料造成腐蚀破坏影响的烟气成分主要为SO3、NO2、O2和HF等，在一定条件下，当SO3、NO2、HF与H2O化合形成硫酸、硝酸和氢氟酸等，达到一定浓度后会对PPS产生腐蚀。2008年以前，由于整个行业对燃煤锅炉烟气成分了解不充分，在此之前投运的袋类除尘项目，选择的滤袋材质均以PPS纤维为主材（PPS纤维具有较优良的抗酸、抗碱、抗水解性，以及良好的性价比）。但在实践应用中发现，PPS滤料在复杂的燃煤烟气中，承受酸腐蚀和高温氧化的能力不尽如意，行业中已发生多起因酸腐蚀及高温氧化引起PPS滤袋短期内大量破损的案例。2007年，有关专家到北京、山西、内蒙古、河南等电厂调研袋除尘器应用情况，结果发现很多电厂的滤袋在短时间内大面积破损，排放超标。一段时间曾引起行业的恐慌，对PPS滤料应用于燃煤烟气治理提出各种疑问，除尘器为达到新的环保排放要求进行升级改造电袋和袋除尘方式被其它除尘方式取代，使除尘技术出现倒退现象。

笔者曾对某200MW机组的燃煤锅炉使用纯PPS滤料不到一年时间发生滤袋大面积失效进行调研分析，并与某纤维厂商在国内的研究所一起进行烟气测试（见下表），测试结果表明，由于燃烧高硫煤，烟气中的SO2含量高，NO含量也高。并通过对纯PPS滤料的破损进行分析，SEM（扫描电镜）发现滤料纤维受腐严重，纤维表面出现大量裂痕，甚至开裂，红外光谱（FT-IR）分析表明，滤料材质PPS分子结构发生变化，主要是氧化与硫酸磺化所至，由此推断工况烟气含硫和NO2、氧气浓度较高，且有结露。通过福州大学化工学院进行的电袋复合除尘器内烟气成分对PPS滤料的影响研究[10]，对新旧滤袋样品进行元素分析，考察破旧滤袋的分子结构中增加了哪些元素以及各元素组成含量的变化，初步判断滤袋可能受到哪些化学腐蚀。然后采用电镜扫描分析SEM、X射线荧光分析XRF、X射线衍射分析XRD、红外光谱分析FT-IR进行验证（见图9），结果表明使用过的PPS滤料含氧量升高，S原子被氧化形成砜或亚砜。然后据电袋复合除尘器现场工况条件下所测的进口烟气的SO2和NOx浓度转换成SO3和NO2的浓度，依据这些浓度在实验室用水和硝酸、硫酸配比成相应浓度的单一酸，以及混酸，在一定的老化温度下放入PPS滤布，进行试验。试验证明单纯的硫酸溶液对PPS滤料的机械性能影响很小。而当硫酸溶液中含有硝酸时，酸性溶液对PPS纤维的氧化腐蚀性很强，造成PPS滤料的强度急剧下降。

某电厂200MW机组烟气成分表

图9 PPS新旧滤料和PPS纤维丝的红外光谱图

（2）高强度滤料研发

经过对PPS滤袋失效的原因分析找出了烟气中的主要影响成分，而这些烟气成分浓度的高低与燃烧煤种和燃煤锅炉形式等相关。通过国内除尘器厂、滤料厂、纤维研发公司和燃煤电厂的共同合作，以聚四氟乙烯（PTFE）长纤维基布和PPS、PTFE短纤维不同比例的针刺毡滤布，已经成为燃煤锅炉的首选滤料[11]。

2.5 清灰压缩空气分配和清灰控制技术

（1）清灰压缩空气分配技术

大型化电袋复合除尘器为了能够实现可靠的滤袋清灰，保证除尘器运行稳定，需要对复杂的清灰压缩空气进行合理的分配。例如1台1000MW机组电袋除尘器2列6室，气包有12列共48个，需要清灰的淹没式大口径4寸脉冲阀约720多个，压缩空气的消耗量约40m3/min。为了保证除尘器上每个脉冲阀在清灰时所需的压力、气量满足要求，同时相互之间不会影响，以及在设置规定的时间内及时补充气包的压缩空气，为实现可靠的清灰，需要进行复杂的压缩空气分配。

1）根据对应脉冲阀的耗气量、清灰周期、清灰压力和气包体积，设置多路供气管路，实现每列气包有一路供气管道。并保证压缩空气在管道上的流速控制在一定范围，减少能量损耗和保证供气速度。

2）根据气路和耗气量在除尘器底部设置多个大储气罐，大储气罐与向除尘器供气的主管匹配，及时补充清灰所需的压缩空气。

3）在进入气包前设置三联件，实现压缩空气压力可调，控制脉冲阀清灰压力。

4）供气管路互联互通，实现故障时可以切换气路，提高供气的可靠性。

5）气包设置隔离管路，当某个脉冲阀出现故障时，可以及时切断单个气包的气路，实现在线检修脉冲阀，最大限度减少脉冲阀故障引起的除尘器系统阻力问题。

（2）清灰控制技术

大型电袋除尘器脉冲阀数量多，同时与其对应的有旁路阀、提升阀和多条气路压力检测和报警，各室压差检测、除尘器进出口压差检测和报警等，需要的控制点数量巨大、复杂和可靠性要求高。这样对电控设备的要求更高、电气控制的技术更加复杂。

1）采用大型PLC（例如采用西门子S7-400），其运算速率高、内存容量更大、I/O点更多和通信网络功能丰富。同时要求电源冗余、网络冗余、I/O热插拔。

2）在配电方面用电设备更多，电动阀、仪表等多。

3）清灰控制有定时清灰、定压清灰、在线清灰、离线清灰和超越清灰等。同时还要实现与预涂灰连锁控制，即在除尘器投入使用前在滤袋表面形成一层保护底层的过程中，对各室提升阀要求全部打开，旁路阀全部关闭，脉冲清灰要停止。以及在锅炉燃油点火期间、烟气温度过高和预热器爆管时，需要让烟气不从滤袋上流过而直接从旁路达到除尘器出口，以保护滤袋。电控方面需要打开旁路阀后不久关闭提升阀。以及保证在运行过程中除尘器的烟气气路不会大波动地打开和关闭，导致锅炉系统燃烧无法正常运行。

为减少I/O点，对脉冲阀清灰控制采用行列矩阵控制形式，即电磁脉冲阀跨接在行线和列线之间，通过行线和列线的接通，来控制相应脉冲的喷吹动作。

4）更复杂的报警功能。各滤袋室压差，除尘器多个室的进出口压差、清灰气包压力、提升阀和旁路阀气路压力，以及除尘器进出口烟气温度异常的检测报警。

3 大型化关键技术的应用

2008年4月，大型脉冲阀在北京京能热电200MW电除尘器改造为电袋复合除尘器，并在2008年北京奥运工程项目成功运行，此后大型电袋CFD气流均布技术、高强度滤料技术被推荐写入《燃煤电厂用电袋复合除尘器》行业标准。大型清灰压缩空气分配技术和PLC清灰控制技术等各项技术，已经在大量的大型电袋复合除尘器上应用。目前在新密成功运行的世界上最大的2×1000MW机组的电袋复合除尘器，技术水平国际领先[12]。