MEEP 清灰鋼刷失效分析與試驗裝置設(shè)計

趙勝清，趙海寶，酈建國，何林菊，何毓忠，王賢明

(浙江菲達(dá)環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?，浙江 諸暨 311800)

0 引言

移動電極電除塵器是用于燃煤電廠煙氣除塵的新技術(shù)，具有有效避免二次揚(yáng)塵、出口粉塵濃度低、可有效收集PM2.5、結(jié)構(gòu)緊湊、電能損耗低等特點。在國務(wù)院提出“大氣污染治理十條措施”的背景下，移動電極電除塵器可顯著降低燃煤電廠粉塵排放、減少PM2.5微細(xì)顆粒物排放［1］、節(jié)能減排，是大氣污染治理的能手［2－3］。鋼刷作為移動電極電除塵器壽命的瓶頸之一，其國產(chǎn)化的質(zhì)量把控顯得尤為重要。鋼刷的壽命評估、失效形式分析和相應(yīng)的改進(jìn)是電除塵器廠家的關(guān)注點，鋼刷相應(yīng)工作參數(shù)的掌握可大幅提高移動電極電除塵器的維護(hù)性能，從而大幅提高除塵效率并降低運(yùn)行成本。

1 鋼刷工作狀態(tài)和失效形式分析

移動電極電除塵器的除塵方式為旋轉(zhuǎn)鋼刷在非集塵區(qū)域清刷陽極板使得吸附在陽極板上的粉塵被順勢刷下。旋轉(zhuǎn)鋼刷安裝時，左右兩個鋼刷軸間距可調(diào)整，使得兩軸間距比鋼刷外徑小5～10 mm，因此鋼刷在工作時顯彈性狀態(tài)并且被彎曲成為弧形面。每旋轉(zhuǎn)一圈，鋼刷被強(qiáng)制過盈刮刷移動陽極板，使得在陽極板上的粉塵被清除。鋼刷與極板接觸一次，同時經(jīng)過一次彈性變形，完成一個循環(huán)，因此，鋼針承受的主要是周期性載荷。

“米巴赫”焊機(jī)電極鋼刷的鋼針結(jié)構(gòu)與本文的清灰鋼刷相似，魏崇光［4］等認(rèn)為鋼刷破壞的主要原因為大于3 mm 的鋼渣異物嵌人刷面鋼針間隙內(nèi)而引起鋼針倒伏。嵌人的異物使鋼針在運(yùn)動過程中承受的彎曲應(yīng)力超過了屈服極限，鋼針產(chǎn)生塑性變形而倒伏。倒伏的鋼針脫離了工作狀態(tài)，減少了鋼刷的有效承壓面積，從而加大了倒伏區(qū)周圍鋼針的負(fù)荷，隨著運(yùn)行次數(shù)的增加而使得倒伏現(xiàn)象不斷向周圍擴(kuò)展［4］。因此，在移動電極電除塵器鋼刷的失效形式試驗時，不僅需要考慮鋼針的強(qiáng)度、磨損、疲勞，還考慮由于鋼針的塑性變形而產(chǎn)生的倒伏。

2 日立對MEEP 鋼刷的研究現(xiàn)狀

2.1 日立1979年模擬試驗研究情況［5－6］

1979年日立工業(yè)建設(shè)公司(簡稱日立)研制出首臺移動電極電除塵器，對移動電極、清灰刷、鏈條等關(guān)鍵部件進(jìn)行改良。日立在1982年開始進(jìn)行用于移動電極電除塵器的鋼刷試驗，裝置結(jié)構(gòu)和試驗結(jié)果如圖1所示。

圖1 日立鋼刷試驗裝置結(jié)構(gòu)和試驗結(jié)果

日立的磨耗試驗裝置在有粉塵狀態(tài)下進(jìn)行了約1年的試驗，其磨耗量約為5mm。因為控制集塵極與刷子接觸程度的軸距離是可調(diào)的，每年進(jìn)行一次調(diào)整，保證鋼刷對移動極板的清灰效果。MEEP 運(yùn)行的結(jié)果表明，刷子每年的磨耗約為2.5 mm，實際運(yùn)行的MEEP 可延長調(diào)整的時間間隔。日立通過對試驗MEEP 半年的運(yùn)行情況確認(rèn)了設(shè)備整體的可靠性，并通過對第一臺投運(yùn)設(shè)備約2年的追蹤調(diào)查得到了技術(shù)方面的確認(rèn)。

2.2 日立2006年改進(jìn)后的試驗結(jié)果［7］

T.M 等［7］認(rèn)為對于移動電極電除塵器，一個重要的因素是提高移動部分的可靠性。旋轉(zhuǎn)刷由一個旋轉(zhuǎn)軸和刷子組成，刷子由鋼線組成，固定在旋轉(zhuǎn)軸上。傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)刷結(jié)構(gòu)雖然結(jié)構(gòu)簡單，但整個待刷極板平面不是在一個平面上，導(dǎo)致鋼刷的應(yīng)力變化大，從而壽命降低，傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)極板結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示，因此，日本日立為改善鋼刷壽命這個移動極板的可靠性瓶頸，對旋轉(zhuǎn)極板的結(jié)構(gòu)做了改進(jìn)，如圖2(b)所示。旋轉(zhuǎn)極板結(jié)構(gòu)的改進(jìn)不僅剛度大大增加，從而使陽極板長度也可增長，增大集成面積;同時，從試驗結(jié)果得出，由于待刷面的平面度增加，使得鋼刷的壽命也增加了近一半。根據(jù)6年的實際試驗結(jié)果，鋼刷磨損總量約為10 mm，用于陽極板結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的鋼刷的更換時間預(yù)計將會超過15年。日本日立對移動極板改進(jìn)前后的鋼刷試驗結(jié)果如圖3所示。

圖2 改進(jìn)前、后移動極板結(jié)構(gòu)

圖3 移動極板改進(jìn)前后的鋼刷試驗結(jié)果

2.3 日立2011年鋼刷結(jié)構(gòu)改進(jìn)試驗［8］

日立在2011年為改進(jìn)旋轉(zhuǎn)鋼刷結(jié)構(gòu)，將旋轉(zhuǎn)形式改為固定形式。由于反電暈出現(xiàn)的最小粉塵層厚度為20 μm，因此，只要保證移動極板上粉塵層厚度低于20 μm，即可避免反電暈發(fā)生，以此為試驗?zāi)繕?biāo)，將旋轉(zhuǎn)刷改進(jìn)后得出了一個簡單的具有足夠移除粉塵性能的固定清灰刷，并且通過試驗研究刷子留下的粉塵厚度是否適應(yīng)這個條件，結(jié)果表明，單級刷如果被安裝成與水平線小于45°的夾角的時候，刷子就可以有效地移除粉塵。因為在大于45°時與電極板接觸的鋼刷數(shù)量會減少。

日立的MEEP連續(xù)運(yùn)行試驗結(jié)果表明，新的固定刷可保證系統(tǒng)長期運(yùn)行的穩(wěn)定性和使用4年以上的壽命，并且新的固定刷可以被分解成小的幾個部分，從而可以非常容易地通過狹窄的位置替換失效的鋼刷。

3 試驗裝置和試驗方法設(shè)計

3.1 鋼刷材料對比

在日本投運(yùn)的移動電極電除塵器的清灰鋼刷，其鋼針產(chǎn)用的不銹鋼材料為SUS304，SUS304 對應(yīng)國內(nèi)GB 牌號為0Cr18Ni9 (新標(biāo)準(zhǔn)0Cr19Ni9)。由于國內(nèi)材料與國外材料在制造時標(biāo)準(zhǔn)和方式不同，存在一定的差異性，針對國內(nèi)鋼刷的試驗非常具有必要性。

3.2 試驗裝置方案及試驗總體方法

本試驗分一次試驗和二次試驗，如圖4、5 所示，一次試驗在無灰的情況下進(jìn)行，極板結(jié)構(gòu)與實際移動極板結(jié)構(gòu)完全相同。二次試驗裝置在一次試驗裝置基礎(chǔ)上改造，充分利用一試驗的裝置，從而減低試驗成本。二次試驗的轉(zhuǎn)鼓極板之間留著縫隙，模擬移動極板之間的縫隙，轉(zhuǎn)鼓極板的轉(zhuǎn)動模擬移動極板上下的移動。

圖4 一次鋼刷試驗裝置示意

圖5 二次鋼刷試驗裝置示意

3.3 一次試驗計劃與試驗結(jié)果處理方法

(1)通過收集斷裂而掉落的鋼針，統(tǒng)計鋼針斷裂數(shù)量隨時間變化情況。由于在無灰的環(huán)境下試驗，掉落的鋼針容易收集。

(2)在法蘭連接處跟換鋼刷，試驗不同種類鋼刷的性能，選出最佳的刷毛材料、刷毛直徑、刷毛長度、螺旋組數(shù)等。并判斷刷緊力和磨損的關(guān)系。

(3)在試驗開始前對鋼刷進(jìn)行平行光投影，測出各斷面的外直徑，試驗結(jié)束后，再通過平行光投影測出各斷面直徑，數(shù)據(jù)處理后的出倒伏隨時間變化情況，以等效每年的時間調(diào)整一次軸間距并記錄倒伏量，以25 mm 倒伏量為報廢標(biāo)準(zhǔn)。

3.4 二次試驗計劃與試驗結(jié)果處理方法

測試鋼刷在有灰環(huán)境下的磨損情況，比較與一次試驗測試方法的的結(jié)果，得出因加灰和轉(zhuǎn)鼓型極板的修正方法。試驗結(jié)果預(yù)計在1年后整理完成，與包頭第一熱電廠的移動電極電除塵器實際情況對比，得出鋼刷的主要失效形式和壽命，評估工程可行性并提出優(yōu)化改進(jìn)方案。

4 結(jié)語

在研究了用于移動電極電除塵器的鋼刷失效形式和日立針對鋼刷試驗的三次試驗結(jié)果的基礎(chǔ)上，設(shè)計了鋼刷試驗裝置，為提高鋼刷壽命和降低移動電極電除塵器出口粉塵排放濃度提供了試驗數(shù)據(jù)，推動了移動電極電除塵器關(guān)鍵部件的研究進(jìn)程，為移動電極電除塵器鋼刷的改進(jìn)和現(xiàn)有設(shè)備間距時間調(diào)整提供了參考。

［1］趙永水.燃煤電廠PM2.5微細(xì)顆粒物控制新技術(shù):旋轉(zhuǎn)電極式電除塵性能特點及安裝技術(shù)［J］.能源環(huán)境保護(hù)，2012，(4):1－4.

［2］朱建波，酈建國，吳泉明，等.旋轉(zhuǎn)電極式電除塵技術(shù)研究進(jìn)展、工程應(yīng)用及注意問題［C］.第十五屆中國科協(xié)年會第9 分會場:火電廠煙氣凈化與節(jié)能技術(shù)研討會論文集.貴陽:2012.

［3］酈建國，王自寬，舒英鋼，等.旋轉(zhuǎn)電極式電除塵器的應(yīng)用與技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析［C］.第14 屆中國電除塵學(xué)術(shù)會議論文集.重慶:2011.

［4］魏崇光，任振東，范金城.“米巴赫”焊機(jī)電極鋼刷測試分析及研制［J］.常州技術(shù)師范學(xué)院學(xué)報，1999，(5):1－5.

［5］Gaylord W.Penney.Adhesive Behavior of Dustin Electrostatic Precipitation［J］.Journal of the Air Po11ution Control Association，1975，(2):113－117.

［6］藪田宏昭.移動電極形電気式集塵裝置［J］.集塵技術(shù)，1990:21－26.

［7］Misaka T，Oura T，Yamazaki M.Improvement of Reliability for Moving Electrode Type Electrostatic Precipitator［C］.ICESP X.2006.

［8］Ando H，Shiromaru N，Mochizuki Y.Recent Technology of Moving Electrode Electrostatic Precipitator［J］.International Journal of Plasma Environmental Science ＆ Technology，2011，(5):130－134.