除尘滤袋失效在线检测分析系统的研发

郭乃盐 赵 霞

盐城市纤维检验所(中国)

自改革开放以来，中国工业得到快速发展，同时也带来了严重的大气污染问题。其中，燃煤电厂、钢铁厂、水泥厂和垃圾焚烧厂等排放的烟尘，是大气污染和雾霾形成的重要因素[1]。目前，颗粒排放和氮氧化物等引起的污染国家和民众日益重视，对各行业的烟气排放标准也不断提高。自2015年起，中国在全国范围内实施了燃煤电厂的“超低排放”，要求新建燃煤发电机组烟气污染物中烟尘的排放质量浓度不超过10 mg/m3。目前，袋式除尘器除尘是一种控制工业烟尘排放的有效方法，对工业烟气中的PM10和PM2.5等粉尘颗粒物的过滤具有较好的效果，在中国的工业烟气过滤领域应用广泛。

袋式除尘器的核心部件是除尘滤袋，其性能直接关系到对烟尘的过滤效果。除尘滤袋的性能与滤料所用纤维的性能、滤料结构、烟气参数、工况条件、安装质量等因素有关。在使用过程中，任一工况参数超标或使用不当均可能造成滤料的损坏，进而导致滤袋失效、达不到过滤要求，使企业蒙受经济损失，同时对环境造成严重的污染。因此，对除尘滤袋的运行情况和性能进行检测是非常必要的。由于滤袋安装于除尘器中，并且处于封闭的高温烟尘环境下，当其出现破损等质量问题时，很难及时发现和处理，因此，对滤袋性能进行在线实时检测十分必要。

1 滤袋的失效方式分析

除尘滤袋的主要功能是过滤烟气中的粉尘，使烟气排放量符合国家排放标准。当含尘烟气流过滤料时，烟气中粉尘在惯性碰撞、吸附等多种作用下，将被阻隔在滤料的外层，形成粉尘饼，而干净的烟气则会从出口排出。当过滤后的烟气达不到排放标准时，也就意味着滤袋失效。滤袋的失效原因主要分为两大类[2-5]：过滤性能不达标失效和阻力过大失效。其中，出现过滤性能不达标的原因有：滤袋因各种原因出现破损，烟气不再能通过滤袋，而是直接排放，导致滤袋失效；滤袋透滤造成排放超标，无法满足排放要求而导致滤袋失效。阻力过大失效指当滤袋的运行阻力增大至一定程度，通过反吹操作也无法恢复时，导致的滤袋失效。由此可知，滤袋的失效方式大致可分为3类[6-8]：滤料的破损失效、滤料透滤排放超标失效和滤料的阻力过大失效。任一失效方式都会造成滤料的报废。且每种失效方式的形成也并非是由单一因素造成的，可能是多种因素共同作用的结果。这使得滤袋的损伤失效分析变得十分复杂，后文将对各种失效方式出现的可能原因进行归纳总结。

1.1 滤袋破损失效原因分析

滤袋破损失效的主要原因如下所述。

——滤料的力学性能差。滤料的经纬向拉伸强度低，或采用力学性能、热学性能或耐化学腐蚀性能不满足工况条件的纤维原料制备滤料，可能会导致滤袋在高温环境下的力学性能差，易出现破损情况。

——热损伤破损。当烟气温度超过滤料的使用温度极限时，会造成纤维的强度降低，进而导致滤袋破损。

——空气冲刷损伤。当反吹气体或烟气压力过大时，易造成滤袋破损。

——机械损伤。安装不规范可能造成滤袋的磨损破损等机械损伤。

——化学损伤。烟气中含有酸性或碱性气体，会对纤维与纱线产生腐蚀作用，造成纤维的强度下降，进而导致滤袋出现破损。另外，氧化水解作用也会造成纤维的强度下降。

当滤袋出现破损时，烟气将经由破损处直接排放，造成污染物排放量超标。因此，必须对破损滤袋进行换袋处理。其中，空气损伤和机械损伤通常会造成部分滤袋的失效，而热损伤和化学损伤则易造成整体滤袋的损伤，使企业蒙受巨大的经济损失，同时影响企业的正常生产秩序。

1.2 滤袋透滤失效原因分析

滤袋透滤失效的主要原因如下所述。

——滤料本身的过滤效率达不到要求，如滤料的面密度过小，厚度不够；滤料的孔隙率过大；覆膜破损等，这些均可能导致过滤效率不达标。

——滤袋缝制质量问题，如滤袋缝制的针孔过大，且未做密封处理，造成针孔透滤。

——滤速过高，当除尘器设计的过滤风速过高或系统的烟气量过大时，易造成滤料透滤，排放超标。

1.3 滤袋阻力过大失效原因分析

滤袋阻力过大失效的主要原因如下所述。

——非正常堵塞造成的高阻力，如结露糊袋造成的滤料表面黏尘，导致滤料阻塞；或滤料剥离粉尘的性能差及清灰不足造成滤料内部粉尘阻塞。

——滤料到达使用寿命而产生的高阻力。随着使用时间的延长，粉尘逐渐渗透滤料纤维内部，堵塞纤维间的孔隙，造成滤袋高阻力。

上述分析表明，滤袋失效的方式和造成滤袋失效的原因很多。滤袋出现问题后，将使企业蒙受巨大的经济损失，影响企业正常生产秩序。因此，对滤袋进行在线监控十分必要。

2 除尘滤袋失效在线检测系统设计

目前，对每个滤袋进行性能实时监控在技术上和成本上均无法实现。在选择滤袋时，企业会首先根据使用的工况环境特征，对除尘滤袋进行合理选择，并对滤料的各项性能指标进行检测，在符合性能要求后再安装使用。对滤料性能进行在线监控时，可以将监控的重点放在滤袋的运行阻力、过滤效果和烟气环境方面。为实现对滤袋性能和失效的在线监控，本文设计出一套除尘滤袋失效在线检测系统。

2.1 在线检测系统的组成

除尘滤袋失效在线检测系统设计框架如图1所示，主要包括硬件系统和软件系统两大部分。其中，硬件部分主要由各种传感器组成，用于收集环境和滤袋性能的指标参数，并将所得数据传输给软件系统进行分析判定。传感器主要包括气体浓度分析仪、粉尘浓度仪、风阻仪、温度计和湿度仪等。各种传感器应安装在除尘器的合适位置，如，气体浓度分析仪宜安装在除尘器的入口和出口处，以测试烟气中N2、O2、NOx和SOx的浓度；粉尘浓度仪宜安装在烟气入口和出口处，以测试粉尘的浓度值；温度仪和湿度仪宜安装在气体的入口处；风阻仪宜安装在各个气室的出口处。

图1 除尘滤袋失效在线检测系统的设计框架图

2.2 系统的研发

本文的在线检测系统由信号采集、数据过滤加工、工业大数据处理及用户终端平台4个部分组成。其中，研发的工业大数据平台，采用Hadoop分布式文件系统(HDFS)作为文件存储管理系统，HBase(Hadoop Database)作为实时、分布式、高维数据库，采用MapReduce进行分布式批处理，Phoenix是构建在Hbase上的标准JDBC SQL层，Spark为实时内存处理，ZooKeeper用于分布式协作服务，Hadoop YARN为一种资源协调者，作为平台整理的安装、部署、配置、监控、告警和访问控制接口。系统能实现自动化运维，对工业大数据集群进行预警监控，以自动化习的方式来处理监测数据；同时对数据进行挖掘与分析，提出各种预警信息和相关建议。系统的工业大数据平台架构如图2所示。

图2 工业大数据平台架构图

系统的工业大数据处理模型如图3所示。建立基于Hadoop和Hbase非结构化数据库的工业大数据平台；数据存储基于Hadoop分布式文件系统，存储在Hbase非结构化数据库中。通过Spark大数据分析工具通过读取Hbase非结构化数据库中的数据，利用机器学习、人工智能等统计分析算法与专家模型，对HDFS进行大数据计算分析，得到分析结果。最终，分析结果通过echarts插件绘制折线图、柱状图在展示层进行实时汇总展示或报警。实时信息展示的时间间隔可根据需要选择，有1、5、10或30 min可供选择；汇总信息展示时间跨度范围为1 d～2 a。

图3 工业大数据处理模型图

2.3 实时检测及预警

根据实际工况条件参数与滤袋自身的性能指标，分析系统将预警可能出现的失效，并对3种滤袋失效方式进行判定。例如，当滤料出现破损时，对应的烟尘浓度指标将激增，当烟尘浓度超过设定的浓度阈值时，将触发报警；同理，当排放烟尘的浓度随着使用时间的延长而缓慢升高，并达到烟尘排放浓度的上限时，可以判断滤袋将出现透滤失效，系统给出报警信息。当烟气温度降低导致结露糊袋，系统的运行阻力出现突变时，可以判断出现了阻力过大失效；当系统的运行阻力缓慢增加，逐渐到达阻力上限时，可以判断出现了到达使用寿命的阻力过大失效。

根据特定滤袋的耐温特性、耐酸碱性能特点，对烟气的工况环境指标进行实时的检测，并根据滤料的使用温度区间设置温度报警阈值，当烟气温度超过最高使用温度时，系统将自动报警。当烟气中氧化物气体浓度过大时，系统也会自动报警。通过对这些环境参数数据的实时监控，可为滤袋提前报废和出现问题后的仲裁提供原因分析和数据支撑，以降低企业的经济损失，快速判定责任归属。

3 结论

本文对除尘滤袋运行过程中出现的失效方式进行分析，并将滤袋的失效方式归结为滤料破损、滤料透滤排放超标和滤料阻力过大失效3种方式。针对3种失效方式，开发出一种新型滤袋运行及失效在线监测系统。该系统通过多种传感器采集各种工况环境和运行指标，利用先进的工业大数据平台，对滤袋的运行过程实施远程连续监控。通过系统的数据分析，对滤袋的运行状态及出现的滤袋失效情况进行及时有效的监控，并对滤袋失效原因进行分析，及时给出各种预警信息，确保滤袋的高效稳定运行。目前，该系统已在相关的合作单位进行测试，其运行稳定，各项指标测试及分析与实际运行情况的一致性好。下一步将针对运行中出现的问题进行改进，并加以推广应用。