長袋低壓脈沖袋式除塵器總體優(yōu)化的研究

郭松青，周 婧

（浙江國能潔達環(huán)保工程有限公司，杭州 310016）

1 引言

PM2.5的概念、30mg/Nm3的新粉塵排放標準，已深入人心，靜電除塵器因其除塵效率受粉塵性質的影響很大，無法適應新標準。袋式除塵器無需做特殊處理，一般粉塵的排放濃度均低于30mg/Nm3，已成為控制微細煙塵的利器，并具有一定的脫硫效果，凈化性能不受煙塵比電阻影響，維護管理也較簡單，尤其隨著國產(chǎn)濾料及配件的全面突破，已廣泛應用于煙氣凈化系統(tǒng)。

在國內(nèi)的除塵行業(yè)及廣大用戶中，普遍存在一種誤解，即除塵設備僅僅是一種輔助設備，安裝除塵器的主要目的也只是為了達到環(huán)保排放要求，以減少企業(yè)的排污費用負擔，因此從設計、制造、安裝及維護管理上，都未將袋式除塵器作為一個系統(tǒng)來考慮，因而不可避免地會出現(xiàn)各種失效問題。袋式除塵器的結構形式多種多樣，本文在保持長袋低壓脈沖袋式除塵器原有優(yōu)勢的基礎上，結合多年工程經(jīng)驗，對除塵器進行了總體優(yōu)化設計，以期實現(xiàn)更低的顆粒物排放濃度，系統(tǒng)長期可靠、穩(wěn)定的運行。

2 袋式除塵器的失效問題

除塵器能否長期安全、連續(xù)運行是判斷除塵器好壞的最重要的因素。對袋式除塵設備而言，最怕出現(xiàn)的問題是阻力的非正常不斷攀升和濾袋的破損。一旦出現(xiàn)這些問題，都會使系統(tǒng)設備陷入惡性循環(huán)。

（1）除塵器阻力增加，設備的負壓加大，在線清灰的效果就減弱，附著在濾袋表面的粉塵層就會不斷加厚。為減小阻力勢必要提高清灰頻率與清灰壓力，頻繁地清灰與較高的壓力會加速濾袋的破損。與此同時，為克服除塵器阻力的增加，勢必導致引風機壓頭的升高，即意味著引風機流量減小，直接影響了整個系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

（2）濾袋的破損直接會導致排放超標，其結果是災難性的。濾袋破損后，花板就會積灰，清灰時，高速的壓縮空氣攜帶粉塵噴向濾袋的內(nèi)表面，如同噴砂一樣，加速了其它濾袋的破損，并且迅速波及周圍的濾袋。

袋式除塵器的應用是一個系統(tǒng)工程，涉及方方面面的問題，所涉及的每一個問題都要認真對待，本文著力從袋式除塵器的設計、制造、安裝及維護管理幾個方面，進行一攬子的總體優(yōu)化，濾料與脈沖閥的選型受專業(yè)限制，不在本次優(yōu)化范圍。

3 總體優(yōu)化的關鍵點

3.1 合理的過濾風速

過濾風速的選取，對保證除塵效果，確定除塵器規(guī)格及占地面積，乃至系統(tǒng)的總投資，具有關鍵性的作用。

國內(nèi)袋式除塵器的使用工況條件十分復雜，煙氣參數(shù)多變，不同地區(qū)、不同工況、不同機組沒有統(tǒng)一的標準。如何選擇合理的過濾風速，實際上是一項較復雜的工作，與粉塵性質、含塵氣體的初始濃度、濾料種類、清灰方式等都有著密切的關系。因此，設計時必須正確把握具體項目的具體設計條件，有針對性地確定過濾風速、制定設計方案和對特殊工況的應對措施。設計條件主要由業(yè)主或設計院提供，可以參考同類業(yè)績的相關資料，但是更應重視現(xiàn)場的調研與實際勘測。

以電站燃煤鍋爐的袋式除塵器為例，講究高效、低阻、長壽命，以確保機組安全、可靠、穩(wěn)定運行，濕法脫硫系統(tǒng)前的袋式除塵器過濾風速一般選用0.9m/min左右為宜；半干法脫硫系統(tǒng)后的高濃度袋式除塵器過濾風速一般選用0.75～0.8m/min。

3.2 科學優(yōu)化內(nèi)部流場

長袋低壓脈沖袋式除塵器通常設計成兩種結構形式，即Ⅰ直通式與Ⅱ具有在線、離線兩種狀態(tài)清灰功能和在線檢修功能的結構型式。兩種結構形式具有不同的特點及適用工況，其中以Ⅱ型結構形式居多。圖1為直通式的長袋低壓脈沖袋式除塵器，其氣流分布板可較好地防止氣流沖刷，均布氣流，在一些不允許設置旁路的情況下，可實現(xiàn)停機檢修，具有很高的性價比。圖2為1臺Ⅱ型結構的長袋低壓脈沖袋式除塵器，設計成多倉式結構，可實現(xiàn)在線檢修。

長袋低壓脈沖袋式除塵器的進、出口接口形式最常用的是平進平出（見圖3）。進、出口分布總管布置在兩排袋式除塵器的中間，按同程式等靜壓原理設計，確保進分室的阻力平衡、流量均勻，在各進分室的支管上設置調節(jié)閥，可實現(xiàn)人工微調，一般從灰斗上部或中箱體底部接入。圖4為灰斗進風的結構形式，圖5為中箱體底部進風的結構形式。不管何種結構形式，都必須設置氣流分布板。含塵氣體進入濾袋區(qū)域前，通過與導流板之間的慣性撞擊，大顆粒粉塵落入灰斗，起到預沉降作用。但兩者之間還有所區(qū)別。中箱體底部進氣，除了設置導流板之外，導流板與箱體封板之間形成一個緩沖預沉降區(qū)，一般控制流速不大于3m/s，這樣可大大減少濾袋的過濾負荷。同時導流裝置能有效解決含塵煙氣對濾袋的直接沖刷。

圖1 未安裝凈氣室的Ⅰ型袋式除塵器

圖2 常用的Ⅱ型袋式除塵器

圖3 最常用的平進平出接口形式

圖4 灰斗進風及導流板

圖5 中箱體底部進風及導流板

如圖3、圖4、圖5所示，含塵煙氣從母管、錐斗、調節(jié)閥、進風管進入過濾袋區(qū)，各個部件的截面面積都有差異，含塵煙氣進入不同的部件時，速度與方向都發(fā)生了顯著的變化，而每一次速度與方向的變化，都將大量消耗含塵氣流的能量。從圖6、圖7可以發(fā)現(xiàn)，錐斗與進風管之間的直管段阻力很大，在滿足安裝與檢修空間的前提下，要盡量縮短此部分的長度。除塵器的阻力由固有阻力與運行阻力兩部分組成的。固有阻力是由設備的各個煙氣流通途徑造成的，換句話說，阻力是不可避免的，但是，白白增加的阻力將直接壓縮除塵器長期、穩(wěn)定、安全運行的空間。如圖8所示，進袋區(qū)前的變徑管與直管部分，流速非常高，結構阻力與流速的三次方成正比，因此，合理優(yōu)化煙氣流通途徑是顯著降低除塵器固有阻力的唯一途徑。

圖6 進風管的壓力分布圖

圖7 進風管的速度矢量分布圖

圖8 進風管的速度矢量云圖

圖8表明，采用下進氣方式而不加均流裝置，會在灰斗內(nèi)形成渦流區(qū)，這將對清灰效果與濾袋壽命產(chǎn)生負面的影響，嚴重時可導致袋式除塵器失效。因此，科學優(yōu)化內(nèi)部流場，使氣流均布于每個濾袋，合理設置氣流分布板，使其不但具有均流作用，同時具有沉降作用，將壓力損失和布袋的磨損減至最小。

3.3 合理優(yōu)化噴吹系統(tǒng)

噴吹系統(tǒng)是袋式除塵器的心臟，其直接影響清灰的效果和濾袋的使用壽命。合理的噴吹系統(tǒng)必須能保證足夠的壓縮空氣量。清灰壓力會產(chǎn)生一種氣錘效應，使濾袋與籠架之間產(chǎn)生振蕩，抖動力使塵餅剝落。壓縮氣流量，包括二次引流氣量，使濾袋瞬時膨脹，濾袋的表面積膨脹令塵餅向外分離，濾袋在短時間內(nèi)膨脹后迅速回收，使塵餅剝落（如圖9所示）。

圖9 噴吹系統(tǒng)示意圖

3.3.1 正確選擇噴吹耗氣量

對于脈沖袋式除塵器而言，根據(jù)工程經(jīng)驗，噴吹耗氣量按下列公式計算：

Q = （K·q·n）/ T

其中：

Q —— 噴吹耗氣量；

K —— 附加系數(shù)，主要考慮漏氣，并考慮空壓機的運轉應有一定時間的間歇等因素，建議取K = 1.4；

q —— 單個脈沖閥的噴吹氣量，m3/個；

n —— 除塵器擁有的脈沖閥的總數(shù)，個；

T —— 除塵器的清灰周期。

噴吹耗氣量的大小反映了除塵器的日常能耗，本著經(jīng)濟、安全、穩(wěn)定、長期運行的原則，噴吹耗氣量的選擇絕不能照搬公式，因為就脈沖噴吹清灰而言，首要的是產(chǎn)生氣錘效應，實現(xiàn)對濾袋的強烈沖擊。如果產(chǎn)生不了這個氣錘效應，脈沖閥即便一直開啟著，也無法實現(xiàn)有效清灰。因此，并非提供的壓縮空氣量越多，就能保證實現(xiàn)有效的清灰效果。設計噴吹系統(tǒng)時，必須按照實際項目的需要，靈活掌握清灰系統(tǒng)的配置，可選擇增加清灰振蕩力度或者增加清灰壓縮氣流量，以配合濾料的物理特性，最優(yōu)化地延長濾料的使用壽命。

3.3.2 合理優(yōu)化噴吹管

噴吹系統(tǒng)的設計一般都是在脈沖閥廠家的技術支持下進行的，只要選擇主流品牌的脈沖閥，國內(nèi)外的產(chǎn)品與技術都同樣是過硬的。傳統(tǒng)設計噴吹管與彎管的連接采用O型密封圈（見圖10）。噴吹時，常溫的壓縮空氣氣流先經(jīng)狹窄的環(huán)形通道流向膜片，再折轉180°從輸出口流出，依次通過輸出管、彎管、噴吹管，經(jīng)噴吹孔噴射出。

由于高溫的噴吹管內(nèi)壁接觸常溫的壓縮空氣易在表面結露，夾雜著噴吹裝置與壓氣管路內(nèi)的雜物，噴吹管內(nèi)壁極易腐蝕（見圖11）。噴吹時，高射氣流攜帶腐蝕雜物射向濾袋，不僅會削弱清灰效果，而且濾袋也會因含塵氣流的沖刷而磨損。因此，將原先的密封連接優(yōu)化成間隙配合（見圖12），噴吹時，通過間隙誘導進部分過濾后的高溫潔凈煙氣，提高噴吹氣流溫度，可有效抑制內(nèi)壁結露，使噴吹管內(nèi)壁腐蝕得到有效控制（見圖13）。

圖10 優(yōu)化前帶O型密封圈的連接圖

圖11 優(yōu)化前的噴吹管內(nèi)壁

圖12 優(yōu)化后有1mm間隙的連接

圖13 優(yōu)化后的噴吹管內(nèi)壁

3.4 控制漏風，優(yōu)化凈氣室結構

對于長袋低壓脈沖袋式除塵器而言，濾袋與袋籠的安裝與更換都在除塵器頂部進行，一般都設計成低凈氣室，即氣室頂部全是可掀式頂蓋，但由于數(shù)量很多，漏風率難以保證。除塵器的漏風不但會增加運行能耗，更危險的是會產(chǎn)生結露，除了會造成凈氣室內(nèi)部箱板、頂蓋內(nèi)壁、噴吹管以及花板等部件的急劇腐蝕（見圖14），還會加速噴吹時煙氣和壓縮氣體中的水分的凝結，使濾袋上的粉塵受潮黏接，造成濾袋嚴重掛灰甚至無法工作，所以必須嚴格控制袋式除塵器的漏風率。

圖14 漏風造成凈氣室內(nèi)部的腐蝕

為了嚴格控制漏風率，有以下三種優(yōu)化方案：

（1）采用大規(guī)格的頂蓋，即一個除塵分室設置一個頂蓋，頂蓋規(guī)格增大后，同樣的頂蓋面積可大大減少密封條的長度，僅這一點就可使漏風率降低很多。工程實踐表明，傳統(tǒng)頂蓋的四個角設計成直角，極易漏風，改成圓弧過渡，可使漏風率顯著下降（見圖15）。由于采用了大規(guī)格的頂蓋，除塵器頂部的門框剛度很容易得到加強，更有利于保證密封效果。

（2）采用高凈氣室結構，即在花板的上部設計有較高空間的凈氣室，安裝和更換濾袋均在凈氣室內(nèi)進行（見圖16）。這種結構的凈氣室只要每個設計一個供濾袋袋籠進出的檢修門即可（如果是在線清灰結構，則每臺除塵器只要有1～2個這樣的檢修門即可），因而檢修門的密封條長度更短，漏風率更低。

（3）采用雙層頂蓋結構（見圖17），通過外頂蓋吸漏進的冷空氣被內(nèi)頂蓋阻隔在凈氣室外，可有效抑制凈氣室內(nèi)由于結露而產(chǎn)生的腐蝕。有條件的可在兩層頂蓋的空間內(nèi)再敷設一層50mm厚的保溫材料，抑制熱輻射，可更好地保護凈氣室內(nèi)部的部件。

上述三種方案中，高凈氣室結構漏風率最低，但結構較大；而大頂蓋結構的漏風率雖不如凈氣室結構，但可以顯著降低漏風率，且結構相對較小；雙層頂蓋的漏風率也很低，比傳統(tǒng)的普通可掀式頂蓋漏風率低很多，而且可制作成小頂蓋，檢修時無需起吊設施，在垃圾焚燒爐等中小型袋式除塵器上可普遍推廣。上述方案各有特點，可依據(jù)現(xiàn)場實際，綜合各種因素，靈活應用。

另外，整體凈氣室結構很有必要提一下（見圖15）。傳統(tǒng)設計考慮到運輸條件和成本，大部分袋式除塵器的花板、噴吹管等都在現(xiàn)場安裝，這樣很難保證花板的平面度、噴吹孔與花板孔的對中質量，而這一切又與濾袋的使用壽命息息相關。對于這點很好理解，如果噴吹孔與花板孔對中效果不好，或者噴吹孔不垂直于花板，那么在噴吹時的高速噴射氣流會很容易將濾袋吹破，也就談不上清灰效果了，工程中類似事故數(shù)不勝數(shù)。因此，目前通常以分室為單元，花板、噴吹管等關鍵部件在廠內(nèi)制作完成后，利用工裝組裝，以整體凈氣室單元發(fā)貨。同時，將大頂蓋與整體凈氣室結構相結合，集二者之大成，充分保證了清灰效果和濾袋壽命，且整體凈氣室結構安裝方便快捷，便于現(xiàn)場維護。

圖15 整體凈氣室結構+大頂蓋結構

圖16 高凈氣室結構

圖17 雙層頂蓋結構

4 旁路系統(tǒng)的優(yōu)化

長袋低壓脈沖袋式除塵器的應用范圍非常廣泛。對于燃煤鍋爐與垃圾焚燒鍋爐而言，在鍋爐啟爐投油助燃、預熱器卡濕超溫、四管爆裂滲漏等非正常特殊工況下，為保護濾袋而設置旁路系統(tǒng)是非常必要的，畢竟，濾袋是袋式除塵器的重中之重。

目前旁路系統(tǒng)一般都設計成內(nèi)置式旁路，將旁路閥設置在進出風總風道的隔板上（見圖18），減少保溫界面，防止煙氣結露。典型的內(nèi)置式旁通閥采用雙閥板結構、氣動提升形式，硬密封（見圖19）代替了軟密封（軟密封材料在長期高溫及含塵氣流沖刷下，使用壽命很短），一般都配有密封風機。初始投運時密封較好，但是實際工程運行下來發(fā)現(xiàn)，多次啟動后，一般都不能再保證完全密封。原因是高溫變形、死角積灰、閥板與閥座中心不對中等等。由于內(nèi)置式的結構給安裝檢修帶來極大的不便，針對上述缺點，將旁路系統(tǒng)優(yōu)化成旁路閥外置、旁路煙道內(nèi)置的緊湊型結構形式（見圖20），即將旁路煙道從進口煙道取旁路經(jīng)上箱體頂部，穿過底板，連通隔板下的凈氣煙道總管，旁通閥采用雙百葉窗式擋板門，設置在除塵器進口煙道上方。雙百葉窗式擋板門有兩排葉片組成，當擋板門關閉時葉片間形成一個密封空間，大于煙道氣壓的密封凈煙氣進入這個空間，實現(xiàn)零泄漏。通過多個工程的實施，實測粉塵排放濃度都小于30mg/Nm3。

圖18 內(nèi)置式旁路閥

圖19 雙閥板硬密封氣動提升式旁路閥

圖20 旁路閥外置、煙道內(nèi)置式旁路系統(tǒng)

5 結語

長袋低壓脈沖袋式除塵器憑借其高清灰效率、低設備阻力、占地面積小、運行可靠、維護成本低、適應性強等特點，成為國內(nèi)技術最成熟、應用最廣泛的大型袋式除塵器，但與國外先進水平相比尚存在一定的差距，仍需國內(nèi)技術人員長期不懈努力，在吸收消化國外先進技術中不斷積累經(jīng)驗，不斷優(yōu)化設計，改進創(chuàng)新，保證工程項目獲得理想的經(jīng)濟和社會效益?！?/p>