袋式除尘器高温烟气控制技术研究

谷艳玲，陈长征，谷晓娇(沈阳工业大学机械工程学院，辽宁沈阳110870)

实验研究

袋式除尘器高温烟气控制技术研究

谷艳玲，陈长征，谷晓娇
(沈阳工业大学机械工程学院，辽宁沈阳110870)

大气环境问题日益严重，在烟尘治理中袋式除尘越来越占居主导地位。为有效保证高温烟气除尘效果，降低成本，从温度控制、清灰机制、压力调控等方面进行研究。鉴于除尘参数复杂多变、工况波动大，将现代控制理论应用于袋式除尘器中。结合除尘经验，改进隶属度函数，设计除尘器温度模糊控制器。通过对现场数据的采集和分析，对比控制结果。应用表明:模糊温度控制方法和联合清灰机制在袋式除尘器控制中具有良好的效果。

袋式除尘器;温度控制;清灰机制;压力调控;模糊控制

0　前言

袋式除尘器是治理空气污染的高效除尘设备，在我国化工、冶金、矿山、机械、水泥、建材等行业早已得到广泛应用，主要用来捕集细小、干燥的非纤维性粉尘。

在实际工程应用中，袋式除尘效率可达到99.99%以上，粉尘排放浓度能达到10 mg/m3以下，甚至达到1 mg/m3，基本上达到零排放。同时，袋式除尘器的分级效率也很高，对PM10、PM5、PM2.5等细微颗粒物都有很高的捕集效率，这是袋式除尘器的过滤除尘机理决定的，而其他除尘器做不到的，袋式除尘器除尘效率极高。袋式除尘器还是较好的物料收集器，在钢铁、水泥、有色冶金、化工等行业中应用，回收了在废气中的有用资源，取得了良好的经济效益。袋式除尘器既可有效地保护大气环境，又可回收许多宝贵的资源。在国家高度重视节约能源和环保能源的条件下粉尘治理有深远的研究价值［1］，袋式除尘器在烟尘冶理中占有很大的份额，因此，为保证有效的除尘效果，研究袋式除尘器的高温烟气控制更有意义。

1　温度控制

袋式除尘器在应用中经常遇到高温烟气，如火电厂燃煤锅炉、工业炉窑、垃圾焚烧除尘等。袋式除尘器主要部分是滤袋，我国常用高温烟气净化的滤料有聚苯硫醚纤维(PPS)、聚四氟乙烯纤维(PTFE，Teflon“特氟隆”)、聚酰亚胺纤维(P84)、芳纶(Nomex)及各种涂层复合材料等［2］。不同的滤料耐温特性不同，见表1。当温度高于纤维的连续使用温度时，会加快化学反应速率，容易变形和老化［3］。袋式除尘器使用中，烟气温度过高会降低布袋寿命甚至可能烧毁布袋，而温度过低则会发生结露，腐蚀布袋。因此，布袋除尘器在处理高温烟气时对烟气温度要求很高，对烟气温度的控制至关重要。

表1　滤料耐温特性Tab.1 Temperature resistant of filtermaterial

1.1模糊控制

工业炉窑炉温度高、波动大，而且冷却状况及外界温度的变化，都将引起烟气温度的波动。一旦烟气温度超标，就会影响除尘器的运行效果和经济性。袋式除尘器通过控制混风阀开度可使混合后的烟气温度降至设定温度，混合后的烟气温度取决于冷却气体量。混风阀的实际工作流量与阀门开度并不成正比，即混合后的烟气温度与冷却气体量成典型非线形关系。

目前，袋式除尘的温度控制主要有人工调整控制和传统PID控制。人工控制时，只在超温报警后进行温度调节，实际的效果很不理想，烟气温度波动较大，不能使烟气温度长期处于最佳工作温度。PID控制器因不能及时地调整自身的控制参数，容易出现超调和振荡，自适应性较差［4-5］。模糊控制不需要对象模型，利用专家的模糊知识表达完成控制任务［6］。采用模糊控制器对烟气温度进行控制，在一定的范围内取得了较好的控制效果［7］。

1.2模糊变量

温度控制的最终目的是将烟气温度维持在最佳工作范围内，因此烟气温度偏差是非常重要的模糊输入参数。而烟气温度偏差变化率能够较好地反映烟气温度的变化情况，更好地反映了调节效果，作为另一个模糊输入参数。影响烟气温度的关键因素是冷却气体量，具体到实际的过程中就是混风阀开度。

采用温度偏差量E、温度偏差变化率EC作为输入;混风阀阀门开度U作为输出。温度偏差E(t)=T(t)－T0，T0为温度给定值;混风阀开度(U)的基本论域为［0%，100%］，即［0°，90°］。量化等级范围为［－6，+6］，E、U预设的模糊子集为:{负大(NB)，负中(NM)，负小(NS)，零(O)，正小(PS)，正中(PM)，正大(PB)}。EC预设的模糊子集为:{负大(NB)，负小(NS)，零(O)，正小(PS)，正大(PB)}。模糊参数隶属函数m(E)、m(EC)、m(U)，采用三角函数。结合经验知识，改进隶属度函数，如图1所示。改进后，每个参数对应的模糊子集主值的位置并不是均匀的。这主要是由各参数互为影响的大小决定的，只在对温度有重要影响的地方才进行显著变化，否则变化不大。在温度控制问题上，按照人们的经验，在温度偏差E较大时可以粗略地进行调整，而越靠近理想温度时要注意准确度。温度偏差大，混风阀开度大，混风时间长，而过大的混风量可能导致反向调节，产生振荡。因此，对于偏差E，靠近最小处的隶属函数的区域小，中间区域比较大，而在最大的边缘处隶属度反而小。对于偏差变化率EC，靠近中间(绝对值最小)处的隶属函数的区域最小，越靠近两侧边缘越大。对于U，靠近全开(90°)的地方，隶属函数的区域比较小，靠近全关(0°)区域比较大。

图1　语言变量的隶属函数Fig.1 Membership function of linguistic variables

1.3模糊规则

根据E和EC对U的影响关系及经验，人为确定规则，所有规则都采用“IF A and B THEN C”的形式，得到混风阀开度(U)控制规则，见表2。

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

改进后的模糊控制器控制效果良好，过渡时间短，收敛性和抗干扰能力有所提高。使系统温度控制在布袋正常工作温度，不仅防止高温烧袋和低温结露，更延长了布袋使用寿命。这样使整个除尘系统处于一个稳定、健康的运行状态。

2　阻力调控

袋式除尘器的阻力，又称“压差”，是指烟气通过除尘器时的压力损失，即除尘器进、出口的压力差。

袋式除尘器的工作阻力ΔP1，主要由ΔPj和ΔPf两部分组成，即

式中，ΔPj为除尘器结构阻力，Pa;ΔPf为覆尘滤料阻力，Pa。

ΔPj是指气体通过除尘器入口、出口产生的阻力，流经除尘器的烟气流量和流速恒定下，基本不变。ΔPf是指在滤料表面形成粉尘层后，由滤料本身及粉尘覆层产生的阻力，如图2所示。滤袋清灰后，其压力损失能降到清灰前的20%～80%，为保证压力稳定选择合适的清灰时间。

图2　残留在滤袋深层的粉尘Fig.2 Residual dust in deep bag

2.1袋式除尘器的管道阻力计算

除尘系统设计过程中，管道系统配置应从总体布局考虑，统一规划，合理布局，力求简单、紧凑、适用、美观，而且安装、操作、维修方便，并尽可能缩短管线长度，减少占地与空间，节省投资。管道布置应力求顺直、减小阻力［8］。

除尘系统管路压力损失主要由沿程压力损失Δpl(管路直线部分阻力)和局部压力损失Δpz(管路弯头部分阻力)两部分组成。

式中，λ为摩擦阻力系数;v为风管内气体的平均流速，m/s;ρ为气体的密度，kg/m3;l为风管长度，m;D为圆形风管的直径，m;n为弯头数量;z为弯头局部压力损失，Pa;ξ为局部阻力系数;v为气体流速，m/s。

建立流体模型，对管道内的阻力进行分析。模拟管道内气流环境，分析管路弯头局部压力损失，对其进行数值计算，分析其性能。如图3所示。

图3　管道中截面压力等值线谱Fig.3 Cross-section pressure contour line in pipeline

通过云图可以看到，直管道中，管道内的阻力变化均匀，随着距离的增大;直角管道中，管道内的阻力变化较大，特别是在转弯处;钝角管道中，管道内的阻力在转弯处变化较大，但相比直角管道压力损失明显减小。通过上述分析可知，管道设计时，应尽量缩短直管道长度，减少弯头个数，并且转弯处尽量采用钝角管道。

2.2清灰机制

对于袋式除尘器，脉冲清灰系统，控制参数主要是脉冲宽度和除尘周期。一般情况下是通过在实验室试验和现场调试而设定的，没有一定的公式或函数。

传统上除尘器清灰多采用定时或定压差控制。定时清灰属于开环控制，按照预先设定的清灰周期控制清灰，并不考虑除尘器实际阻力。定压差清灰属于简单闭环控制，根据除尘器实际阻力的大小来控制清灰。清灰系统设定一个阻力上限值，当阻力大于上限时，开始清灰。

定时控制可能会产生因烟气量变化而清灰频率不变所导致一次粉尘层破坏的现象。定压差控制就要严格保证压力传感器灵敏度状况。而各种工业炉窑窑内本身就有一定的压力要求，但无论定时或定压差控制都不能兼顾窑内压力要求。综上分析，除尘系统采用定时、定压差、窑压三方联合控制。根据时间、压差及炉窑压力的变化共同完成清灰动作，保证除尘器清灰系统的可靠运行。

3　应用

辽宁某玻璃厂制瓶车间，根据环境监测站实际测量，治理前烟气排放浓度的平均值为211.07 mg/m3。严重超过了《工业炉窑大气污染物排放标准》(GB9078-1996)二级标准规定要求的粉尘浓度排放极限60 mg/m3。

3.1烟尘检测

粉尘是玻璃窑高温烟气中的主要污染物，利用扫描电镜对烟尘颗粒的物理形态在1 000到10 000倍放大状态下进行观测，结果如图4所示。

图4　粉尘颗粒形状Fig.4 Dust particles shape

由图片可清楚看到烟尘颗粒(放大1 000倍)呈大小不等的团球状，颗粒边缘(放大10 000倍)也成团球状，并未见针状烟尘。由此可见，该烟尘对除尘布袋损耗不会很大，并且容易清灰，适于采用袋式除尘方式。

3.2温度控制

该炉窑烟气温度变化范围较大，冬春季节用于厂区供暖，两台余热回收锅炉满载运行，经检测锅炉出口温度在165～220℃之间变化。夏秋季由于停止供暖，一台余热锅炉停机，经检测锅炉出口温度在226～292℃之间变化。实际运行中，滤料为拒水防油美莱斯复合针刺过滤毡，最低工作温度为120℃，最佳工作温度范围为180～220℃，瞬时最高温度为260℃。

冬春季时，烟气温度满足该布袋的最佳工作范围，因此烟气直接通过管道进入除尘器内。夏秋季温度较高，冷却器启动进行一级降温，烟气经过冷却器降温后，启动混风阀，进行二级降温，最后进入除尘器经行除尘。

设定烟气温度给定值T0=200℃，温度偏差E的基本论域定义为［－60℃，+60℃］，温度变化率EC基本论域定义为［－20℃/min，20℃/ min］，混风阀开度U的基本论域为［0°，90°］。

取夏季某天发生人工参与调整时间段的人工控制结果与第二天同一时间段模糊控制结果进行比较，如图4所示。人工控制采用极限超温报警的形式，即只要烟气温度在温度范围内人工不予干预，超温报警后人工调整，调整结果与工人的反应时间及经验有关，具有不确定性。采用模糊控制，烟气温度虽仍然具有一定波动性，但基本稳定在最佳使用温度为200℃上下，未发生超温现象。

图5　温度控制结果对比图Fig.5 Temperature comparison chart of fuzzy control and manual control

3.3清灰机制

玻璃炉窑的窑压是窑内的一个重要参数，要求能保持微正压，而且保持压力稳定。如果窑压过大不仅会降低成型玻璃液的质量，还会影响燃烧，损坏窑体。

除尘器在试用期间，开始采用定压差除尘，压力传感器在一个月内出现故障。维修时，采用定时除尘。定时除尘期间，发生窑压超高现象，工人只好将备用管路开通，致使部分烟气未经除尘直接排入大气。最后，采用定时定压差、定窑压联合控制。除尘运行期间，窑压基本稳定，同时除尘器阻力正常，运行良好。

4　结论

袋式除尘器在处理高温烟气时，在温度控制中采用模糊控制具有良好的除尘效果。结合经验知识，考虑参数间的相互影响关系，模糊参数的隶属函数采用非均匀分布的三角函数。清灰机制打破传统，提出定时、定压差和定窑压联合控制机制。现场应用效果良好，温度始终处于正常工作范围，避免高温烧袋、低温结露，从而有效保证了设备正常运行，有效降低了成本。清灰系统工作正常，窑炉压力未因为除尘器阻力而产生不稳定情况。除尘效果良好，达到国家标准，布袋寿命延长。

［1］我国袋式除尘行业2012年发展综述［J］．中国环保产业，2013(5)．

［2］张鹏，朱锐钿，倪冰选．高温烟气净化用合成纤维发展现状［J］．中国纤检，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］黑伟亮，谢剑英，王林．新型布袋除尘控制系统的设计与实现［J］．自动化仪表，2006，27(3): 56－58．

［5］王卓，高鹏，夏国庆．基于模糊控制的电解整流电源系统设计［J］．重型机械，2009(3):47－50．

［6］诸静．模糊控制理论与系统原理［M］．北京:机械工业出版社，2005．

［7］齐晓芳，陈长征．变工况玻璃窑炉布袋除尘器温度控制方法［J］．机械工程师，2010(1):103－105．

［8］周兴求．环保设备设计手册大气污染控制设备［M］．北京:化学工业出版社，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

国家自然科学基金资助项目(51205259、51305276)

谷艳玲(1976－)，女，沈阳工业大学讲师，博士研究生。主要研究方向:智能控制、机械振动噪声控制。