提高燃煤电厂袋式除尘器可靠性的技术措施
摘要：通过对燃煤电厂袋式除尘器关键技术的介绍，结合工程应用经验，对燃煤电厂袋式除尘器故障型式和原因进行分析，从工艺和设备设计角度提出提高燃煤电厂袋式除尘器可靠性的措施。
关键词：燃煤电厂, 袋式除尘器, 关键技术, 可靠性, 技术措施
0.概述
随着排放标准和环保法规的日益严格，作为粉尘污染大户的燃煤电厂在控制颗粒物排放上受到了巨大的压力。袋式除尘器是依靠滤料自身固有的以及附着在滤料表面的粉尘层的过滤特性，截留烟气中一定颗粒度的粉尘。这种机理决定了它具有对烟气和粉尘特性不敏感、除尘效率高等突出特点，因此能够解决电除尘器无法实现的50mg/Nm3(甚至30mg/Nm3)以下的排放浓度和PM2.5微细粒子的捕集等问题，因此袋式除尘器在燃煤电厂锅炉烟气除尘领域的大规模应用获得了空前的机遇。
虽然袋式除尘是一项历史比较悠久的技术，但在我国燃煤电厂的成功应用却只有十年左右的时间。由于对燃煤电厂锅炉烟气除尘技术特殊性认识不足、相关技术的发展没有适应燃煤电厂的特殊情况等原因，使得该项除尘在燃煤电厂锅炉烟气除尘应用中出现了许多问题，集中体现在滤袋失效过早、排放不达标、除尘器性能不稳定等几个方面，因此可以这样说：目前这项技术距离“高效、低阻、长寿命、稳定”运行的标准和保障发电主业顺利进行的目标还有很长的路要走。
本文通过对袋式除尘器的关键技术、运行过程故障类型及原因的分析，从工艺和设备设计的角度，对提高袋式除尘器在燃煤电厂锅炉烟气除尘的可靠性的技术（设计）措施做以归纳和总结。
1.袋式除尘器的关键技术
所谓“关键技术”是指对设备运行或性能影响大，相对比较复杂的技术，如果要使设备能够稳定、可靠、高效的运行，必须对各关键技术进行深入、细致的研究，掌握其核心和要点，还要充分利用模型试验和计算机模拟等手段获得相关数据和结论，为工程设计提供依据。
袋式除尘器有四大关键技术：
1.1滤料及滤袋
滤料（袋）是袋式除尘器的核心部件，“核心”主要体现在几个方面：一是费用比例高：对高温烟气袋式除尘器而言，滤料的费用约占全部投资的三分之一左右；二是作用重要：排放浓度的达标和除尘器阻力、寿命等重要指标的优劣都要靠滤料（袋）的性能来实现；三是故障率高，而且大多数除尘器的故障最终都表现在滤料上。因此滤料的选择和应用技术就尤为重要。
关于滤料的技术包括：滤料配方（各成分配比）、纤维制造、滤料结构、加工工艺、后处理工艺、滤袋缝制工艺、滤料选择和使用等几个方面。作为从事除尘工艺或设备设计的技术人员，虽然不需要掌握滤料全部知识，但对其做比较详细的了解是非常必要的，特别是各种滤料的使用条件和适用范围等重要性能指标及其随着使用时间的变化、滤料失效形式及原因等的熟悉程度，从某种程度上决定着除尘项目的成败。
1.2气流组织
气流组织对袋式除尘器而言是比较复杂和综合性的技术，涉及到流体力学、工程流体力学、空气动力学、气溶胶力学等相关知识，而气流组织的好坏是关系到除尘器能否达到预期性能的关键。
对气流组织进行研究的目的是：控制袋束的迎风速度，避免含尘气流冲刷滤袋导致滤袋破损；防止滤袋的摆动和碰撞，保障滤袋的长寿命；引导除尘器内烟气自上而下的流向，控制上升烟气的比例和速度，利于粉尘沉降；促使不同区域的过滤负荷均匀，组织烟气向后部过滤区域分配和输送，灰斗灰量趋于平衡；气流流动顺畅、平缓，减少流动阻力[1]。
气流组织和气流组织措施与上游烟道形式、流动状态、进风方式、出风方式、滤袋布置、滤袋形式和清灰方式等诸多因素有关[1]。因此，这么多因素的综合交错，互相作用，要想达到完全合理是非常难的。这就需要采取多种手段，进行研究和验证，最大限度的达到目的。对此类问题的研究有三种手段：物理模型试验、计算机数值模拟和理论解析，从研究的数据和结论中，得到气流组织措施设计依据。
1.3清灰技术
清灰系统可以比作人的“消化器官”，其重要性不言而喻。从技术的成熟度和应用的广泛性上看，脉冲清灰是清灰技术的主流和趋势，这类除尘器又分为两大基本类型：固定行喷吹和回转喷吹，国外燃煤电厂80%以上应用的是固定行喷吹技术。
清灰技术的研究主要是解决清灰系统的操作参数和结构参数的设计问题。对固定行喷吹袋式除尘器而言，主要是确定以下参数：
1.结构参数：脉冲阀类型和规格、气包规格、喷吹管、喷吹管上喷孔规格、喷孔到袋口的距离等。
2.操作参数：电脉冲宽度、清灰压力（气包内压力）、脉冲间隔等。
其中结构参数是在设计阶段就确定下来的；操作参数是在调试阶段进行整定的，而且随着除尘器运行时间的变化，会对操作参数进行调整，以适应不断变化的工况条件。
1.4自动控制技术
相对电除尘器而言，袋式除尘器需要控制的设备不多，对于固定行喷吹袋式除尘器，主要是控制脉冲阀、旁路阀、电动门动作，并利用仪表检（监）测运行参数，根据运行参数情况，采取相关动作（如切换至旁路、启动紧急喷水降温系统等）。
在四大关键技术基础上的工艺和设备优化设计是进行所有研究和分析的目的和归宿，因此各类技术的研究和设计、使用都不是孤立的，必须以系统的观点进行综合考虑。
2.造成袋式除尘器故障的因素分析
2.1故障形式及后果
按照可靠性科学定义，可靠和故障是相对的概念，所谓故障是指产品丧失规定的功能（对不可修复的产品称失效，对可修复的产品称故障）。根据这个定义，燃煤电厂袋式除尘器常见故障有：除尘器阻力大或波动大、排放浓度超标、钢结构故障（包括坍塌、漏风、振动等）等等。
袋式除尘器故障分为几个等级：轻度故障（除尘效率降低、不影响使用）、一般故障（明显影响除尘器的正常使用）、严重故障（除尘器不能正常工作，需停机修理）、致命故障（除尘器功能完全丧失）。低等级的故障如果不及时处理或处理不正确，可能发展为高等级的故障，最终引起致命故障。
2.2故障原因分析
从构成上看，除尘器包括除尘器本体钢结构、过滤系统、清灰系统、清灰气源供应系统、电气控制系统、保护系统以及其他辅助系统等，每个部分都发挥着各自的功能，任何一部分出现故障都会引起整台设备运行不良、甚至整体失效。
总结起来，袋式除尘系统产生故障的原因有：部件和零件结构设计不合理、加工制作和材质不良，安装调试和维护管理不当，以及应用条件不完全适合等几方面。
燃煤电厂锅炉烟气袋式除尘项目的实施阶段包括设计、加工制造、安装调试、运行维护等几个环节，哪个环节出现了问题，都会引起设备的故障，从而造成项目的失败。从设计的角度出发，对各部件和参数进行缜密的设计，是可以实现“本质上”的可靠的。
3.提高袋式除尘器可靠性的技术措施
按照可靠性和故障的定义，提高除尘器的可靠性，实质上就是减少除尘器运行的故障，特别是要抓住几个关键的环节和关键技术，从“本质上”减少故障发生的概率。
3.1设计阶段工作流程
一个燃煤电厂锅炉烟气袋式除尘项目，完整的设计工作流程应该如图1。需要特别指出的是，该流程图中的“试验或模拟”是不可缺少的一个环节，特别是关系到除尘器性能的气流组织和清灰系统时，做试验或计算机模拟是必要的步骤。试验的方法是利用相似理论，按一定比例（保证几何相似、运动相似和动力相似）建立物理模型，进行气流组织和气流分布装置的试验；而计算机数值模拟是以计算流体力学为基础，以商用流体软件为平台，根据实际工程建立模型，进行数值计算，并以图形化界面的直观方式表达。
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从理论上讲，物理模型和实型一一对应的，即要想最大限度的保证模型试验结果与实型接近，就必须每次设计都要新建模型，最起码要对原有模型进行改造，而这样做显然从时间和经济上都是不划算的，随着计算机技术的进步，使得利用计算机模拟来替代或部分替代成为可能。
3.2重要设计参数确定
1.过滤风速
过滤风速的取值对保证除尘效果、确定除尘器的型号和占地面积，乃至除尘系统的总投资，具有关键性的作用。正确地选定过滤风速是一项较复杂的工作，它与粉尘性质、烟气的初始含尘浓度、滤料的种类、清灰方式等都有密切的关系[2]。过滤风速过高，会增加除尘器阻力、引起清灰频率增大、过滤室内的风速过高、产生携带大颗粒粉尘的涡流等，这些都不利于除尘器稳定、可靠的运行。
过滤风速的选取无脱硫时不宜大于1.2m/min，脱硫时不宜大于0.85m/min。[4]。根据这个数值计算过滤面积，布置滤袋，并最终核算实际过滤风速。
2.滤料选择
燃煤电厂锅炉烟气除尘滤料的具体要求是[3]：（1）耐高温、耐折、耐酸碱及氧化腐蚀；（2）具有较好的力学性能，耐折、耐磨性能好；（3）具有很好的尺寸稳定性；（4）具有很好的透气性、粉尘剥离性能和优良的过滤性能。
根据上述要求，结合燃煤电厂烟气特性，可以按下表粗略选择滤料材质：
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当然，随着滤料材料技术和加工技术的不断进步，已经使复合滤料的应用成为一种趋势，可以根据各材料的特性进行配比，取长补短。
在滤料后处理上也不能满足于轧光、烧毛及热定型等必备工艺，可以采用纤维或滤料乳液浸渍等手段提高或改善滤料的性能，具体滤料选择方案可以与滤料专业人士商定。
2.滤袋规格及滤袋布置
滤袋的规格有口径和长度两个参数，常用的口径一般为120~160mm之间，它们没有太大区别，要根据实际情况选用。这里要提出一个滤袋长径比（滤袋长度和口径的比值）的概念，按照有关试验和研究，对于固定行喷吹脉冲袋式除尘器， 长径比一般为10~60[5]，这是一个综合考虑滤料性能、气流组织和清灰性能而给出的一个数值。因此口径130mm的滤袋以不长于8米为宜，而对于160mm的滤袋则可到10米左右。
对于滤袋布置，要考虑的问题是在满足工艺条件和过滤风速的前提下，尽量能够使烟气流动更顺畅合理，可以用几个风速（注意：风速值是通过计算得到的，为了更加可靠，应该通过物模试验测试或者计算机模拟的定量功能获得）来衡量其效果。一般情况下，袋束迎风断面气流平均速度应控制在0.85m/s以下，最大速度应控制在1.0m/s以下；袋束下方烟气平均上升速度应小于1.0m/s[1];袋口平均风速应控制在3m/s以下。
美国埃罗帕尔斯（Aeropulse Incorporated）公司用袋间开放空间来表明气流通过性能，如图2所示：
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袋间开放空间应不小于65%。
3.气流组织
合理的气流组织可以通过滤袋布置、过滤室空间设置、气流分布装置、进出口烟道型式的选择、烟气流动速度等来获得。
滤袋布置上已述及。
过滤室净空间的设置是指对于端进风除尘器而言，在袋底到花板间要设置一定的净空间，来降低烟气流速，从而减少内部产生涡流的几率。至于这个空间的大小，要根据试验或模拟结果来确定。但有一点是肯定的，在经济条件允许的情况下，把这个空间设置的大要比小好些。
气流分布装置一般分为导流板和多孔板两种形式。多孔板设在进口喇叭口内，一般不超过两层，两层间距离不小于1.2米，孔的形状为圆形，孔径可取Φ40~50mm之间，开孔率以30~50%为宜。对于气流分布板的设计可参考电除尘器有关设计手册。需要说明的是，电除尘器和袋式除尘器气流分布的目的是不同的，电除尘器是要尽量保持烟气流通断面上的风速均匀，但电除尘器气流分布装置的设计方法、多孔板的开孔形状和距离、多孔板的层数以及层间距离都是可以参考和借鉴的。
导流板一般设置在除尘器进口直烟道或进口喇叭口内，用以改变烟气的流动方向和流动状态，导流板的设计应该以模型试验或者计算机模拟为依据，结合工程经验作出。
图3 某电厂袋式除尘器导流板和气流分布板示意图(1.进口弯烟道内导流板 2.进口喇叭口内气流分布板)
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这是该电厂袋式除尘器的一个通道，烟气进入袋式除尘器之前有个弯头，见图3，据此我们设计了一个试验台进行了有关测试，可以总结为：
（1）在进口弯烟道内未设置任何导流措施的情况下，袋式除尘器A区明显比C区的风速要大，即出现了明显的偏流现象；
（2）在弯烟道内设置了导流装置，测试结果显示，偏流得到了明显的纠正；
（3）此后有在喇叭口进行了气流分布装置设计的试验，通过同一断面开孔率不同、设置多层孔板、增加导流措施等手段，使得模型的气流组织趋于合理；
（4）根据相似理论的原理，提出工程实型设计。
事实证明，只通过理论计算或经验是无法完成这么复杂的设计的，只有通过一定的试验手段和科学的理论才能得出正确的设计结果，确保工程的可靠性。
此外，还可以通过在净气室内设置阻流板或者楔形出风管的方式来提高气流组织的合理性。
4.清灰系统
清灰系统的设计重点把握两类参数的选取。
1）结构参数：
a.气包:从确保清灰效果的角度，气包应该足够大，但事实上是很多情况下是不现实的。建议每次喷吹后压降不超过原来存储压力的30%，如果单个气包的容量不能满足要求，可以采用3~4”管道把多个气包连接起来构成一个贮气回路[6]。进气管路尽量选大，满足补气速度。脉冲阀要安装在气包的上部，以免因重力作用而使膜片变形或脱落。但这里也有一个问题需要解决，即这样安装势必要增加一个喷吹弯管，从而使阻力增加，关于喷吹弯管的设计见本节b。
每个气包底部应设置排污口，最好用两位两通电磁阀实现自动排污。
b.喷吹管和喷吹弯管
此处的喷吹管和喷吹弯管是专指用于固定行喷吹袋式除尘器的喷吹装置。
喷吹弯管的设计要遵循这个原则：曲率半径至少>2D,最好能到4D，D为喷吹弯管直径。喷吹管的设计有几个参数：
（a)喷吹管上开孔，对准每条滤袋，开孔要开一个系列，即孔不全是相同尺寸的，按照理论分析和试验的结果，一般远离气包的喷吹孔比靠近气包的喷吹孔小0.5~1.0mm。但考虑到可操作性，可以将喷孔分3~4组，相邻两组的尺寸差为1mm。
孔径的尺寸可以用下式确定：
式中： 为所有喷孔的面积和； F为喷吹管断面积；C为数值，可参考各脉冲阀厂家给出的参考值，GOYEN提供的c值为0.5~0.75，TURBO认为C=0.5~0.6，而ASCO公司建议C<1。
喷吹孔是钻孔成型,这种孔易加工，但喷吹阻力大，可采用一种带翻边的弧形孔（即拉伸孔）。这种喷吹口不仅能减少系统喷吹阻力，而且能使压缩气流尽量汇中于一点喷出，以防气流发散无序冲刷滤袋，从而从结构上减少气流冲刷滤袋的可能性。
（b）喷吹管到花板的距离：根据气包压力、脉冲阀阻力、喷吹管尺寸、喷吹孔数量等因素，结合滤袋口径，根据试验结果和实际经验确定。这里给出一个GOYEN 3”淹没式脉冲阀的经验公式：
H=（滤袋口径－48）/0.353(mm)
H指喷嘴短管下端到花板的距离。
c.脉冲阀：用于固定行喷吹的脉冲阀有直角式和淹没式两种，后者应用较多。选择脉冲需要考虑的因素有能够负担的滤袋面积、耗气量、寿命等，虽然脉冲阀的种类比较多，但从应用的角度来看，并非所有的都能真正做到在长期恶劣环境下性能稳定。各参数可咨询脉冲阀生产厂或供应商。
d.压缩空气供应管路：管路应以无缝钢管为主，阀门间尽量用法兰连接，减少螺纹连接。更重要的是管路上一定要设空气过滤器和减压阀，以除掉油、水和粉尘，并使压缩空气压力减至需要的数值。
2）操作参数
a.电脉冲宽度：控制系统向脉冲阀发出电信号的持续时间，即先导电磁阀通电的持续时间。一般情况下，机械开阀时间是电脉冲宽度的1.5倍。这个数值的大小与脉冲阀型号规格有关，一般设置为80~150ms之间，太大对清灰效果改善没有意义，更会造成压缩空气消耗大，对后续的喷吹有害无益。
b.喷吹间隔：是指控制系统向脉冲阀发出的相邻两次启动信号的间隔时间。表面上这个数值的大小对清灰效果没有影响，但如果这个数值过小，两次清灰之间无法及时补气，造成后续清灰效果不佳。
c.喷吹压力：实际上就是喷吹当时的气包压力。这个数值与脉冲阀品牌、型号、所负担的滤袋面积、滤袋寿命阶段、烟气粉尘性质等有关系，一般情况下，滤袋寿命初期，可选稍低，随着使用时间加长，可适当调高。
几乎所有的操作参数都需要在调试阶段进行整定，并在控制系统上做成能够调节的交互界面，以便根据实际情况调整。
5.保护系统和电气控制系统
通常袋式除尘器的保护系统包括旁路烟道、紧急喷淋降温，保护系统的启动和停止都是通过运行参数的监测、判断，然后由控制系统来启动的，因此保护系统和电控系统是密不可分的，对此要注意以下几点：
（1）旁路烟道是故障情况下的烟气紧急通道，可按50%烟气量考虑设计断面，经阻力计算后应与除尘器运行阻力相当，避免互相切换时对锅炉引起冲击；
（2）紧急喷淋降温系统应设置在主烟道上，启动温度的参数选取应以空预器出口温度为准；喷雾降温系统应选用防磨、防堵形式的装置；
（3）电气的检测仪表要有防磨装置，特别是安装在除尘器前的；
（4）应利用可靠性科学里“冗余”的概念，为控制系统配备备用设备。
6.其他
袋式除尘器的花板、箱体、平台爬梯等部件的设计参照相关标准执行。
3.3技术经济比较
技术上可行、经济上合理，是任何一个工程项目的两个基本条件，在方案设计、施工图设计阶段均应按照一定的规则进行技术经济比较，从而做到设计的最优化。
4.结论
1.燃煤电厂锅炉烟气袋式除尘技术面临着机遇和挑战，通过严格的工作程序和缜密的设计能够做到最大限度的提高其可靠性；
2.袋式除尘器是个系统，工艺和设备设计都必须以系统的观点进行，要在对各关键技术充分研究的基础上，进行优化设计；
3.设计过程利用模型或计算机进行试验或模拟对提高设计的科学性和可靠性是非常必要的。
参考文献：
[1]姚群 陈隆枢 陈志炜.袋式除尘器气流分布技术[J].中国袋滤技术通讯，总第四十六期
[2]肖宝恒. 浅谈脉冲袋式除尘器的两大功能：过滤与清灰[J]. 全国火力发电厂烟气、粉尘综合治理与利用技术研讨会论文集
[3]肖宝恒 燃煤电厂袋式除尘器滤料的研究[J]：电力环境保护，2004年12月，第20卷 第4期，28~29,42页
[4] DL/T 1121-2009，燃煤电厂锅炉烟气袋式除尘工程技术规范[S]
[5]范立军. 高温高湿袋除尘器滤袋使用寿命浅析[J].水泥，2007年第2期：46~58
[6]黄孟炀 脉冲清灰袋式除尘器的实用设计方案，内部交流资料
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