煤粉鍋爐脫硫系統(tǒng)中除塵器壓差過高原因及解決方案

王實樸，李 婷

(1.煤科院節(jié)能技術有限公司，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013；3.國家能源煤炭高效利用與節(jié)能減排技術裝備重點實驗室，北京 100013)

0 引 言

高倍率灰鈣循環(huán)煙氣脫硫技術(No Gap Desulfurization，以下簡稱NGD)是針對高效煤粉工業(yè)鍋爐配套開發(fā)的1種脫硫技術，此技術充分利用低溫煤粉濃相燃燒為脫硫創(chuàng)造的有利條件，將煤粉燃燒后產生的粉煤灰富集增濕后，利用其中的活性鈣作為脫硫劑，在鍋爐尾部煙道與煙氣中SO2，SO3,HCl等酸性氣體發(fā)生反應后將其脫除[1,2]。

經過近些年系統(tǒng)及成套設備的不斷迭代改進，迄今為止已在神東煤粉鍋爐各站點建造數十套，并先后運行了1～2個采暖季。在應用實踐過程中暴露了一些問題，其中NGD系統(tǒng)的布袋除塵器差壓值上升速度大幅提高的問題尤為突出，對鍋爐系統(tǒng)正常運行的影響較大。布袋除塵器作為過濾鍋爐煙氣的主要設備，其壓差過高說明布袋除塵器在系統(tǒng)中阻力過大，使得下游引風機設備的運行負荷提高并增加能耗[3]，且影響上游鍋爐的氣流場環(huán)境，對鍋爐燃燒造成不利影響。

1 布袋除塵器壓差增高的原因分析

在神東礦區(qū)對煤粉工業(yè)鍋爐站點進行環(huán)保改造，主要實施辦法包括根據煤粉工業(yè)鍋爐系統(tǒng)的特點并利用舊有布袋除塵器以建設NGD系統(tǒng)。

NGD系統(tǒng)工藝的煤質指標設計見表1，NGD系統(tǒng)的工藝流程如圖1所示。

表1NGD脫硫設計煤質工業(yè)分析指標

Table 1 Proximate analysis of coal for NGD desulfurization design

工業(yè)分析/%MarMadAdVdaf元素分析/%CdHdNdOdFCdSt,d/%Qgr,d/(MJ·kg-1)Qnet,ar/(MJ·kg-1)19.605.7217.7833.8166.663.610.7810.4957.720.6826.2820.0

圖1 NGD系統(tǒng)工藝流程圖

NGD系統(tǒng)工作原理如下:鍋爐尾部的煙氣進入脫硫反應器,在快速降溫和潮濕的條件下,煙氣中的 SO2及其他酸性氣體與從輸送混合系統(tǒng)送入反應器的高鈣飛灰在極短時間內發(fā)生反應,生成硫酸鹽、亞硫酸鹽等脫硫產物。攜帶飛灰的煙氣從脫硫反應器而出后依次進入旋風分離器、布袋除塵器,之后潔凈煙氣排入大氣。旋風分離器、布袋除塵器底部排出的飛灰靠自重匯入循環(huán)灰倉,未反應完全的脫硫劑被定量送入增濕混合系統(tǒng),之后增濕飛灰均勻進入脫硫反應器并重新開始下一個循環(huán)[4]。

在系統(tǒng)運行過程中，當濾料透氣性降低時，布袋后方(煙氣通過布袋后)煙氣的壓力無法全部透過布袋傳導至布袋前(煙氣通過布袋前)，布袋除塵器壓差值增高。所以，濾料透氣性降低是導致布袋除塵器壓差升高的直接原因[5]。

布袋除塵器的工作原理:煙氣通過濾料，粉塵顆粒由于截留、碰撞、吸附等作用附著在濾料表面形成粉塵層。當粉塵層積累到一定厚度時，濾料透氣性降低，阻力升高。當壓差值升高至設定閾值時，布袋除塵器啟動清灰程序，用短暫的、大量的壓縮空氣脈沖氣流噴入濾袋使其發(fā)生形變及震動，使附著在濾料表面的粉塵層脫落，從而恢復濾料的透氣性。

進行清灰程序之后壓差值仍未有效降低或未在短時間內迅速回升至清灰前水平，說明脈沖氣流的沖擊無法清除濾料表面的粉塵層[6]，即清灰失效。其原因簡述如下:① 濾袋表面的粉塵層附著力相對較強，無法被濾袋的振動形變所清除，出現(xiàn)了糊袋現(xiàn)象；② 脈沖氣流強度弱，引發(fā)濾袋的振動形變不足以清除其表面附著的粉塵層。

以下便從上述2個原因出發(fā)，并結合實地調研情況進行分析說明。

2 清灰失效的原因分析

除塵器數據在神東礦區(qū)運行的NGD系統(tǒng)中，除塵器為氣箱脈沖式布袋除塵器，除塵器原始設計參數見表2。

表2 氣箱脈沖式布袋除塵器的主要參數

Table 2 The main design parameters of air box pulse bag type dust collector

除塵器型號PPC96-6工況風量/(m·h-1)33000處理煙氣溫度/℃150處理煙氣濃度/(g·Nm-3)≤200過濾面積/m2750過濾風速/(m·min-1)0.73除塵器運行阻力/Pa≤1500除塵器排放濃度/(mg·Nm-3)≤30濾袋規(guī)格/(mm×mm)?130×3200濾袋材質550g/m2PPS針刺氈

由表2可知，濾料為PPS(聚苯硫醚)材質，其具有良好的耐化學腐蝕性、機械強度高、抗水解能力強，適用工況溫度為120 ℃～150 ℃，最高極限耐溫190 ℃[7]。

在現(xiàn)場拆除濾袋后檢查發(fā)現(xiàn)，濾袋表面附著的粉煤灰成團聚集，甚至有個別部位呈水滴狀，厚度5 mm～10 mm，不能輕易剝落，屬于明顯的糊袋現(xiàn)象?，F(xiàn)場的濾袋表面如圖2所示。

圖2 現(xiàn)場的濾袋表面

糊袋現(xiàn)象的產生源于多方面，但根本原因是由于煙氣中含有非氣態(tài)的水或油、NH4HSO4等其他黏性較高的物質，使得黏性物質與粉塵混合后整體黏性增強[8，9]。在實際調研中，結合NGD改造前后對比后發(fā)現(xiàn)，布袋除塵器的運行工況發(fā)生了一定的改變，其中煙氣中含水量增加為其主要原因。

煤粉鍋爐在燃燒過程中，煤粉燃料中的內水和外水在燃燒過程中被蒸發(fā)，同時輔助燃燒的一次風、二次風所使用的來自于大氣的氣體中也含有一定的水分，以及脫硫、脫硝系統(tǒng)由于工藝需要也會添加或生成一定的水分進入煙氣[10]，所以最終通過布袋除塵器的煙氣為干氣體與過熱水蒸氣所組成的濕氣體。濕氣體中水蒸氣的含量稱為濕度，在相同溫度下，未飽和濕氣體的絕對濕度(x)與飽和濕氣體的絕對濕度(xb)的比值，稱之為相對濕度(φ)，即:

(1)

由于濕氣體的絕對濕度(x)為每1 m3的使其體重所含水蒸氣的質量(kg)，所以絕對濕度在數值上等于濕氣體在壓力、溫度一定的條件下水蒸氣的密度ρs，所以有：

(2)

式中，ρs為水蒸氣密度，kg/m3；ρb為飽和濕氣體密度，kg/m3。

相對濕度反映濕氣體中水蒸氣含量接近飽和的程度，也叫做飽和度，其值越小，濕氣體越干燥。

將濕氣體中的水蒸氣看做理想氣體，則:

psvs=RsT

(3)

由:

(4)

有:

ps=RsρsT

(5)

pb=RsρbT

(6)

兩式相除，有:

(7)

所以:

(8)

式中，vs為濕氣體的比容，m3/kg；Rs為濕氣體的氣體常數，KJ/(kg·K);ps為水蒸氣分壓力，Pa；pb為水蒸氣的飽和分壓力，Pa；ρs為水蒸氣密度，kg/m3；ρb為飽和濕氣體密度，kg/m3；其中水蒸氣的飽和分壓力pb為當前溫度下濕氣體中水蒸氣達到飽和時的水蒸氣分壓力。

由上式可知，在溫度一定的條件下，當水蒸氣的分壓力(ps)小于此溫度時水蒸氣的飽和分壓力(pb)時，相對濕度φ<1，即處于不飽和狀態(tài)。

在未飽和濕氣體中保持相對濕度(φ)不變的條件下，其水蒸氣分壓力(ps)也不變，使其溫度逐漸下降，則水蒸氣的飽和分壓力(pb)也隨溫度下降而下降。當pb=ps時，濕氣體達到飽和狀態(tài)，此溫度即為露點溫度。若溫度繼續(xù)下降至露點溫度以下，濕氣體中的水蒸氣則開始凝結成為水滴，此種現(xiàn)象稱為結露[11]。

當溫度維持在露點溫度以上，隨著煙氣中額外水分的增加，即水蒸氣分壓力(ps)上升，由式(8)可知，相對濕度(φ)向1趨近，未飽和濕氣體仍會吸收水分直至飽和。之后如有更多水分進入飽和濕氣體則無法被吸收，多余的水分依然會以凝結水滴的形式附著或懸浮于煙氣中。

綜合以上分析可發(fā)現(xiàn)，由水分引起的布袋除塵器糊袋問題中，主要原因與煙氣中水蒸氣的飽和程度有關，即與相對濕度(φ)有關。而煙氣中水分含量對濕氣體絕對濕度(x)產生影響，進而影響水蒸氣分壓力(ps)，同時煙氣溫度對(pb)產生影響。由式(8)可知，影響相對濕度(φ)的因素為煙氣中水分含量與煙氣的溫度。

2.1 水分的增加

在NGD系統(tǒng)設計過程中，對于系統(tǒng)整體煙氣含水的情況有所考慮，包括脫硫工藝水、SNCR脫硝反應生成的水及煤粉燃料中含有的水分等，而產生糊袋的現(xiàn)象也客觀存在，故以下通過現(xiàn)場實際調研，結合部分設備使用情況綜合分析系統(tǒng)中由于非設計原因所導致的煙氣中含水量失控情況。

2.1.1NGD系統(tǒng)中增濕混合器所加入的增濕水

從NGD的工藝理論角度分析，增濕混合器中添加的水分在增濕混合器中與循環(huán)灰充分攪拌，水分與灰顆粒充分接觸并均勻混合并使灰的含水量提高至3%左右，之后進入100 ℃以上的反應器，在反應器及旋風除塵器中停留1 s～2 s后進入布袋除塵器。在此過程中，若水分與灰顆粒的混合足夠均勻且煙氣中水蒸氣未飽和，則水分將在此過程變?yōu)樗魵獠㈦S煙氣通過除塵器布袋排出。

在工業(yè)上，2種固體粒子的混合過程為隨機事件，故工業(yè)混合也成為“概率混合”，其所能達到的最佳程度為“隨機完全混合”[12]。將2種物料顆粒分別以黑、白兩色小正方體表示，以微觀的形式示意混合的3種狀態(tài):① 原始態(tài):2種物料顆粒完全未混合狀態(tài)；② 理想完全態(tài):2種物料顆粒相間排列，相互之間接觸面積最大；③ 隨機完全態(tài):2種物料顆粒無序不規(guī)則排列，存在同種顆粒局部大量聚集的情況[12]。

理想完全態(tài)的混合效果如下:每個水分顆粒與粉煤灰顆粒完全充分接觸混合，從而在反應器中每個水分顆粒才能完全暴露于高溫煙氣，在1s的時間內促成脫硫反應并變成水蒸氣。

脫硫增濕水通過霧化噴頭噴入增濕混合器并與粉煤灰混合，假設霧化效果達到理想狀態(tài)且煙氣中水蒸氣未飽和，通過工業(yè)級別的增濕混合器在實際情況下也無法保證霧化增濕水與所有粉煤灰顆粒全部充分接觸。從微觀層面分析，可認為均勻霧化增濕水與部分粉煤灰結合后形成含水的潮濕粉煤灰顆粒，所形成的潮濕粉煤灰顆粒與完全干燥的粉煤灰顆?？煞謩e被認為是2種固體顆粒，且含水的潮濕粉煤灰顆粒由于水的存在，其顆粒間相互的附著力較完全干燥的顆粒更大。因此根據上述理論，有極大概率最終會形成隨機完全態(tài)，即此2種不同濕度的固體顆粒經攪拌罷后會有較大概率產生含有過量水的灰團，而該種灰團擁有黏性，易繼續(xù)黏附其他循環(huán)灰直至灰團表面濕度不足以附著其他灰顆粒為止。含有過量水的灰團進入反應器后，在1s左右的時間內，由于灰團表面固體灰顆粒的阻礙，其內部的水分無法完全蒸發(fā)變?yōu)樗魵鈴亩徊伙柡驼羝?，過量水灰顆粒繼續(xù)攜帶水分進入布袋除塵器，撞擊濾袋后黏附在濾袋上。

2.1.2除塵器

神東的NGD系統(tǒng)中除塵器均為舊有除塵器，普遍已使用(6～8)a，部分結構及設備已老化銹蝕。

現(xiàn)場檢查除塵器的凈氣室，發(fā)現(xiàn)其內壁有生銹掉皮現(xiàn)象，在靠近噴吹管口以及袋籠口處水跡相對較明顯。布袋除塵器凈氣室如圖3所示。

圖3 布袋除塵器凈氣室

抽檢的布袋表面靠近上部袋口的位置糊袋相對嚴重，濾袋表面附灰情況如圖4所示。

圖4 濾袋表面附灰情況

除塵器的凈氣室中為煙氣通過濾袋過濾之后的潔凈空氣，所以煙氣中的凝結水只附著于濾袋外表面而不通過濾袋。為了查明花板表面水跡的來源，通過對除塵器氣路系統(tǒng)及結構方面的檢查，發(fā)現(xiàn)以下2個主要問題:

(1)氣源三聯(lián)體失效。氣源三聯(lián)體作為處理壓縮空氣的設備，其為布袋除塵器噴吹系統(tǒng)中的重要部件，一般由分水濾氣器、減壓閥、油霧器3個部分組成，其中分水濾氣器可通過濾芯將空氣中的水分過濾，使壓縮空氣保持干燥?，F(xiàn)場氣源三聯(lián)體的分水濾氣器內未能及時排水，導致存水過高從而使得清灰壓縮空氣的含水量增加。清灰時，水分隨壓縮空氣從濾袋的袋口噴入，并迅速附著于濾袋。

(2)除塵器頂部蓋板密封條失效。除塵器頂部蓋板密封橡膠條硬化，導致蓋板的防雨密封性能下降。密封性能下降同時也導致除塵器在工作期間由于其內部為負壓故將外界環(huán)境中冷空氣吸入，從而在凈氣室內迅速結露并形成凝結水。當水量集聚到一定程度時，則沿著花板從濾袋的袋口外部滲入濾袋。

2.1.3鍋爐系統(tǒng)故障

鍋爐系統(tǒng)局部故障也是造成煙氣中水含量上升的原因之一。在上一個采暖季，若鍋爐曾發(fā)生爐管、省煤器管道開裂的故障，則易導致鍋爐水進入爐膛或煙道，從而使得煙氣含水量上升。當故障發(fā)生時需緊急停爐，此時鍋爐停止燃燒，打開鍋爐入孔門并保持引風機繼續(xù)運行以降低爐膛溫度，有待于進一步檢修。在此種環(huán)境下，煙氣的含水量上升，除塵器進風口溫度降至露點溫度以下，使除塵器內的煙氣迅速達到飽和從而產生凝結水。

2.1.4煙氣溫度控制

由文中式(8)可知，影響煙氣相對濕度(φ)的主要因素為煙氣中水分含量與煙氣的溫度。由于系統(tǒng)內部流動的煙氣沒有其他熱源與其換熱，所以其溫度持續(xù)下降，通過對除塵器出口煙氣溫度的監(jiān)控可得知反應器及除塵器內部煙氣溫度的范圍。在工程應用中，考慮到環(huán)境氣溫及其他未知因素的變化，除塵器內部的煙氣溫度一般被設計為高出計算露點20 ℃左右[13]。

神東礦區(qū)NGD系統(tǒng)除塵器煙氣出口溫度設計值為80 ℃，通過查閱布袋糊袋嚴重的鍋爐系統(tǒng)歷史運行記錄發(fā)現(xiàn)，此出口處溫度均曾出現(xiàn)長時間低于80 ℃的現(xiàn)象，甚至保持在70 ℃以下運行超過12 h。在現(xiàn)場通過對比同一項目、配置相同、糊袋程度較輕的鍋爐系統(tǒng)相應歷史數據，發(fā)現(xiàn)除塵器煙氣出口溫度此參數與布袋糊袋程度具有較大程度的相關性。

通過進一步查閱運行記錄可知，除塵器煙氣出口溫度過低現(xiàn)象的發(fā)生與鍋爐系統(tǒng)負荷調整、設備故障、啟停爐等問題有關。在處理問題時未對除塵器采取一定的保護措施，事后也未對除塵器進行及時清理，所以使得其糊袋程度持續(xù)累積增加，最終導致除塵器無法正常運行。

2.2 灰濃度上升

除塵器在改造之前，其處理煙氣的濃度設計值為200 g/m3。經過環(huán)保改造后，假設旋風除塵器除塵效率達到理想狀態(tài)的60%，除塵器入口煙氣濃度已提高至500 g/m～600 g/m3，高出原布袋除塵器入口濃度設計值1～2倍，單位時間內布袋上的附灰量增加了1倍左右，結合以上分析，煙氣溫度低于露點且含濕量增加，使得布袋除塵器清灰工作困難且效率降低，加速了電磁閥和濾袋的損耗。

此外，旋風除塵器落灰口與循環(huán)灰倉之間沒有回轉閥或其他氣壓隔離裝置，由于結構特性，旋風除塵器出風口與落灰口可被認為同時聯(lián)通到布袋除塵器的灰斗,煙氣正常流動狀態(tài)如圖5所示。

圖5 煙氣正常流動狀態(tài)

上述現(xiàn)象導致旋風除塵器出風口與落灰口的壓力近似相等。通過現(xiàn)場在旋風除塵器落灰口附近開孔觀察，當布袋除塵器袋室的負壓絕對值提高到某個閾值并波動時，旋風除塵器落灰口內部風量迅速增加，上位機顯示布袋除塵器差壓增加速度提高，由此判斷旋風除塵器已發(fā)生短路現(xiàn)象。

煙氣短路流動狀態(tài)如圖6所示。

圖6 煙氣短路流動狀態(tài)

旋風除塵器短路使其除塵效率大幅下降，基本等同于失效，此時有大量的煙氣通過旋風除塵器落灰口進入循環(huán)灰倉，裹挾循環(huán)灰倉內的灰經由循環(huán)灰倉從底部進入布袋除塵器，與除塵器內部正常清灰自然下落的粉煤灰形成對沖效果，使得清灰效率進一步降低，布袋上的附灰量大幅增加。

2.3 除塵器系統(tǒng)的設備部件損壞

神東環(huán)保改造所利用的舊布袋除塵器均為氣箱式脈沖布袋除塵器，其清灰工作流程如下:在單一箱室進行清灰工作時，需關閉提升閥使得箱體與煙氣主路隔離，此時凈氣室處于完全封閉的狀態(tài)，其中的氣體處于靜態(tài)。當壓縮空氣以脈沖的方式噴入，引發(fā)凈氣室內整體氣壓瞬間升高并使布袋振動，清除其表面附著的灰從而完成清灰工作。之后，提升閥再次開啟進行煙氣的過濾[14]。

若提升閥出現(xiàn)故障無法關閉，凈氣室并未完全封閉，其中氣體壓力仍為負壓，且隨主煙氣流動。壓縮空氣脈沖噴入后，清灰氣體的氣壓部分會被其中負壓抵消并隨主煙氣流動，無法使濾袋產生振動從而使清灰失效、濾袋表面附灰持續(xù)增加[15]。

3 糊袋現(xiàn)象的解決方案

糊袋現(xiàn)象產生的最直接原因為濾袋表面附灰含濕量高，所以降低煙氣的含濕量是解決糊袋問題的主要手段。根據上述煙氣結露的分析結果，煙氣含濕量與煙氣水分含量以及煙氣溫度相關。此外，還需增加輔助設備以減少或消除舊有除塵器原設計參數與處理高濃度煙氣要求之間的差距，因此需對鍋爐系統(tǒng)及NGD系統(tǒng)中設備部件運行狀況進行不斷調整優(yōu)化，并對除塵器系統(tǒng)中損壞失效的設備部件進行修復和保養(yǎng)。

(1)對于因上游鍋爐系統(tǒng)故障或其他因素導致鍋爐排放的煙氣中含水量增加，需制定相應的監(jiān)控手段，例如在布袋除塵器入口處增設濕度監(jiān)測設備，結合現(xiàn)有的除塵器出口溫度檢測，當含水量超過設定值時，或除塵器出口煙氣溫度降至結露溫度以下時，及時調整鍋爐排煙溫度或停爐檢查鍋爐是否有故障，從而降低高含濕量的煙氣長時間通過濾袋的幾率。

(2)全面檢修布袋除塵器噴吹、提升等子系統(tǒng)以及箱體密封狀況，提高箱體保溫的覆蓋面以減緩除塵器內煙氣溫度的下降速度。

(3)嚴格控制布袋除塵器用壓縮空氣含水量，更換氣路系統(tǒng)中失效的氣源三聯(lián)體，并將三聯(lián)體的維護保養(yǎng)列入日常檢修規(guī)定范圍。

(4)在旋風除塵器落灰口增設1個卸料閥，防止旋風除塵器短路后煙氣通過循環(huán)灰倉從底部進入除塵器而降低除塵器的清灰效率。

4 結 語

在NGD系統(tǒng)中，雖除塵器的處理風量無變化，但由于循環(huán)灰以及工藝水的加入，布袋除塵器處理煙氣的濃度與濕度大幅度提高，所以為了使布袋除塵器正常運行，未來NGD系統(tǒng)設計時需著重考慮以下因素:

(1)由于NGD系統(tǒng)中，布袋除塵器所收集的粉煤灰作為脫硫循環(huán)灰被重新加入至煙氣中，使得布袋除塵器所處理煙氣的濃度較常規(guī)鍋爐除塵器所處理煙氣的濃度有大幅提升，所以NGD系統(tǒng)中布袋除塵器應結合循環(huán)灰量與鍋爐原始排放濃度并將其作為處理煙氣濃度的設計依據，據此結合實際情況對系統(tǒng)的整體經濟性進行預算，選擇使用高濃度煙氣的布袋除塵器或在其上游增加預除塵設備，避免增加不必要的成本。

(2)在實地調研中發(fā)現(xiàn)，增濕混合器內部存在灰的流動死角以及工藝水霧化效果與噴射位置未達到理想狀態(tài)，且由于無法達到理想狀態(tài)的均勻混合，使粉煤灰在倉體內及攪拌槳葉上板結嚴重，從而產生更多的過量水灰團進入煙氣。所以增濕混合器內部混合效果需進一步優(yōu)化，減少增濕混合器內部的死角區(qū)域，優(yōu)化增濕水噴頭的霧化效果及噴入位置。

(3)外圍系統(tǒng)中，布袋除塵器設置旁通煙道并于進風口設置濕度監(jiān)測裝置，隨時監(jiān)測布袋除塵器進風口濕度。在鍋爐未運行并需系統(tǒng)通風降溫時，使低溫通風氣體通過旁通煙道排出而不經過除塵器，防止由于內外溫差出現(xiàn)結露現(xiàn)象從而損壞濾袋。在鍋爐正常運行時，通過濕度監(jiān)測裝置隨時監(jiān)控煙氣中的含水量，可快速發(fā)現(xiàn)鍋爐系統(tǒng)故障并及時采取措施以保護濾袋。