除塵濾袋失效在線檢測分析系統(tǒng)的研發(fā)

郭乃鹽 趙 霞

鹽城市纖維檢驗所(中國)

自改革開放以來，中國工業(yè)得到快速發(fā)展，同時也帶來了嚴重的大氣污染問題。其中，燃煤電廠、鋼鐵廠、水泥廠和垃圾焚燒廠等排放的煙塵，是大氣污染和霧霾形成的重要因素[1]。目前，顆粒排放和氮氧化物等引起的污染國家和民眾日益重視，對各行業(yè)的煙氣排放標準也不斷提高。自2015年起，中國在全國范圍內實施了燃煤電廠的“超低排放”，要求新建燃煤發(fā)電機組煙氣污染物中煙塵的排放質量濃度不超過10 mg/m3。目前，袋式除塵器除塵是一種控制工業(yè)煙塵排放的有效方法，對工業(yè)煙氣中的PM10和PM2.5等粉塵顆粒物的過濾具有較好的效果，在中國的工業(yè)煙氣過濾領域應用廣泛。

袋式除塵器的核心部件是除塵濾袋，其性能直接關系到對煙塵的過濾效果。除塵濾袋的性能與濾料所用纖維的性能、濾料結構、煙氣參數(shù)、工況條件、安裝質量等因素有關。在使用過程中，任一工況參數(shù)超標或使用不當均可能造成濾料的損壞，進而導致濾袋失效、達不到過濾要求，使企業(yè)蒙受經濟損失，同時對環(huán)境造成嚴重的污染。因此，對除塵濾袋的運行情況和性能進行檢測是非常必要的。由于濾袋安裝于除塵器中，并且處于封閉的高溫煙塵環(huán)境下，當其出現(xiàn)破損等質量問題時，很難及時發(fā)現(xiàn)和處理，因此，對濾袋性能進行在線實時檢測十分必要。

1 濾袋的失效方式分析

除塵濾袋的主要功能是過濾煙氣中的粉塵，使煙氣排放量符合國家排放標準。當含塵煙氣流過濾料時，煙氣中粉塵在慣性碰撞、吸附等多種作用下，將被阻隔在濾料的外層，形成粉塵餅，而干凈的煙氣則會從出口排出。當過濾后的煙氣達不到排放標準時，也就意味著濾袋失效。濾袋的失效原因主要分為兩大類[2-5]：過濾性能不達標失效和阻力過大失效。其中，出現(xiàn)過濾性能不達標的原因有：濾袋因各種原因出現(xiàn)破損，煙氣不再能通過濾袋，而是直接排放，導致濾袋失效；濾袋透濾造成排放超標，無法滿足排放要求而導致濾袋失效。阻力過大失效指當濾袋的運行阻力增大至一定程度，通過反吹操作也無法恢復時，導致的濾袋失效。由此可知，濾袋的失效方式大致可分為3類[6-8]：濾料的破損失效、濾料透濾排放超標失效和濾料的阻力過大失效。任一失效方式都會造成濾料的報廢。且每種失效方式的形成也并非是由單一因素造成的，可能是多種因素共同作用的結果。這使得濾袋的損傷失效分析變得十分復雜，后文將對各種失效方式出現(xiàn)的可能原因進行歸納總結。

1.1 濾袋破損失效原因分析

濾袋破損失效的主要原因如下所述。

——濾料的力學性能差。濾料的經緯向拉伸強度低，或采用力學性能、熱學性能或耐化學腐蝕性能不滿足工況條件的纖維原料制備濾料，可能會導致濾袋在高溫環(huán)境下的力學性能差，易出現(xiàn)破損情況。

——熱損傷破損。當煙氣溫度超過濾料的使用溫度極限時，會造成纖維的強度降低，進而導致濾袋破損。

——空氣沖刷損傷。當反吹氣體或煙氣壓力過大時，易造成濾袋破損。

——機械損傷。安裝不規(guī)范可能造成濾袋的磨損破損等機械損傷。

——化學損傷。煙氣中含有酸性或堿性氣體，會對纖維與紗線產生腐蝕作用，造成纖維的強度下降，進而導致濾袋出現(xiàn)破損。另外，氧化水解作用也會造成纖維的強度下降。

當濾袋出現(xiàn)破損時，煙氣將經由破損處直接排放，造成污染物排放量超標。因此，必須對破損濾袋進行換袋處理。其中，空氣損傷和機械損傷通常會造成部分濾袋的失效，而熱損傷和化學損傷則易造成整體濾袋的損傷，使企業(yè)蒙受巨大的經濟損失，同時影響企業(yè)的正常生產秩序。

1.2 濾袋透濾失效原因分析

濾袋透濾失效的主要原因如下所述。

——濾料本身的過濾效率達不到要求，如濾料的面密度過小，厚度不夠；濾料的孔隙率過大；覆膜破損等，這些均可能導致過濾效率不達標。

——濾袋縫制質量問題，如濾袋縫制的針孔過大，且未做密封處理，造成針孔透濾。

——濾速過高，當除塵器設計的過濾風速過高或系統(tǒng)的煙氣量過大時，易造成濾料透濾，排放超標。

1.3 濾袋阻力過大失效原因分析

濾袋阻力過大失效的主要原因如下所述。

——非正常堵塞造成的高阻力，如結露糊袋造成的濾料表面黏塵，導致濾料阻塞；或濾料剝離粉塵的性能差及清灰不足造成濾料內部粉塵阻塞。

——濾料到達使用壽命而產生的高阻力。隨著使用時間的延長，粉塵逐漸滲透濾料纖維內部，堵塞纖維間的孔隙，造成濾袋高阻力。

上述分析表明，濾袋失效的方式和造成濾袋失效的原因很多。濾袋出現(xiàn)問題后，將使企業(yè)蒙受巨大的經濟損失，影響企業(yè)正常生產秩序。因此，對濾袋進行在線監(jiān)控十分必要。

2 除塵濾袋失效在線檢測系統(tǒng)設計

目前，對每個濾袋進行性能實時監(jiān)控在技術上和成本上均無法實現(xiàn)。在選擇濾袋時，企業(yè)會首先根據(jù)使用的工況環(huán)境特征，對除塵濾袋進行合理選擇，并對濾料的各項性能指標進行檢測，在符合性能要求后再安裝使用。對濾料性能進行在線監(jiān)控時，可以將監(jiān)控的重點放在濾袋的運行阻力、過濾效果和煙氣環(huán)境方面。為實現(xiàn)對濾袋性能和失效的在線監(jiān)控，本文設計出一套除塵濾袋失效在線檢測系統(tǒng)。

2.1 在線檢測系統(tǒng)的組成

除塵濾袋失效在線檢測系統(tǒng)設計框架如圖1所示，主要包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分。其中，硬件部分主要由各種傳感器組成，用于收集環(huán)境和濾袋性能的指標參數(shù)，并將所得數(shù)據(jù)傳輸給軟件系統(tǒng)進行分析判定。傳感器主要包括氣體濃度分析儀、粉塵濃度儀、風阻儀、溫度計和濕度儀等。各種傳感器應安裝在除塵器的合適位置，如，氣體濃度分析儀宜安裝在除塵器的入口和出口處，以測試煙氣中N2、O2、NOx和SOx的濃度；粉塵濃度儀宜安裝在煙氣入口和出口處，以測試粉塵的濃度值；溫度儀和濕度儀宜安裝在氣體的入口處；風阻儀宜安裝在各個氣室的出口處。

圖1 除塵濾袋失效在線檢測系統(tǒng)的設計框架圖

2.2 系統(tǒng)的研發(fā)

本文的在線檢測系統(tǒng)由信號采集、數(shù)據(jù)過濾加工、工業(yè)大數(shù)據(jù)處理及用戶終端平臺4個部分組成。其中，研發(fā)的工業(yè)大數(shù)據(jù)平臺，采用Hadoop分布式文件系統(tǒng)(HDFS)作為文件存儲管理系統(tǒng)，HBase(Hadoop Database)作為實時、分布式、高維數(shù)據(jù)庫，采用MapReduce進行分布式批處理，Phoenix是構建在Hbase上的標準JDBC SQL層，Spark為實時內存處理，ZooKeeper用于分布式協(xié)作服務，Hadoop YARN為一種資源協(xié)調者，作為平臺整理的安裝、部署、配置、監(jiān)控、告警和訪問控制接口。系統(tǒng)能實現(xiàn)自動化運維，對工業(yè)大數(shù)據(jù)集群進行預警監(jiān)控，以自動化習的方式來處理監(jiān)測數(shù)據(jù)；同時對數(shù)據(jù)進行挖掘與分析，提出各種預警信息和相關建議。系統(tǒng)的工業(yè)大數(shù)據(jù)平臺架構如圖2所示。

圖2 工業(yè)大數(shù)據(jù)平臺架構圖

系統(tǒng)的工業(yè)大數(shù)據(jù)處理模型如圖3所示。建立基于Hadoop和Hbase非結構化數(shù)據(jù)庫的工業(yè)大數(shù)據(jù)平臺；數(shù)據(jù)存儲基于Hadoop分布式文件系統(tǒng)，存儲在Hbase非結構化數(shù)據(jù)庫中。通過Spark大數(shù)據(jù)分析工具通過讀取Hbase非結構化數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，利用機器學習、人工智能等統(tǒng)計分析算法與專家模型，對HDFS進行大數(shù)據(jù)計算分析，得到分析結果。最終，分析結果通過echarts插件繪制折線圖、柱狀圖在展示層進行實時匯總展示或報警。實時信息展示的時間間隔可根據(jù)需要選擇，有1、5、10或30 min可供選擇；匯總信息展示時間跨度范圍為1 d～2 a。

圖3 工業(yè)大數(shù)據(jù)處理模型圖

2.3 實時檢測及預警

根據(jù)實際工況條件參數(shù)與濾袋自身的性能指標，分析系統(tǒng)將預警可能出現(xiàn)的失效，并對3種濾袋失效方式進行判定。例如，當濾料出現(xiàn)破損時，對應的煙塵濃度指標將激增，當煙塵濃度超過設定的濃度閾值時，將觸發(fā)報警；同理，當排放煙塵的濃度隨著使用時間的延長而緩慢升高，并達到煙塵排放濃度的上限時，可以判斷濾袋將出現(xiàn)透濾失效，系統(tǒng)給出報警信息。當煙氣溫度降低導致結露糊袋，系統(tǒng)的運行阻力出現(xiàn)突變時，可以判斷出現(xiàn)了阻力過大失效；當系統(tǒng)的運行阻力緩慢增加，逐漸到達阻力上限時，可以判斷出現(xiàn)了到達使用壽命的阻力過大失效。

根據(jù)特定濾袋的耐溫特性、耐酸堿性能特點，對煙氣的工況環(huán)境指標進行實時的檢測，并根據(jù)濾料的使用溫度區(qū)間設置溫度報警閾值，當煙氣溫度超過最高使用溫度時，系統(tǒng)將自動報警。當煙氣中氧化物氣體濃度過大時，系統(tǒng)也會自動報警。通過對這些環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控，可為濾袋提前報廢和出現(xiàn)問題后的仲裁提供原因分析和數(shù)據(jù)支撐，以降低企業(yè)的經濟損失，快速判定責任歸屬。

3 結論

本文對除塵濾袋運行過程中出現(xiàn)的失效方式進行分析，并將濾袋的失效方式歸結為濾料破損、濾料透濾排放超標和濾料阻力過大失效3種方式。針對3種失效方式，開發(fā)出一種新型濾袋運行及失效在線監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過多種傳感器采集各種工況環(huán)境和運行指標，利用先進的工業(yè)大數(shù)據(jù)平臺，對濾袋的運行過程實施遠程連續(xù)監(jiān)控。通過系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析，對濾袋的運行狀態(tài)及出現(xiàn)的濾袋失效情況進行及時有效的監(jiān)控，并對濾袋失效原因進行分析，及時給出各種預警信息，確保濾袋的高效穩(wěn)定運行。目前，該系統(tǒng)已在相關的合作單位進行測試，其運行穩(wěn)定，各項指標測試及分析與實際運行情況的一致性好。下一步將針對運行中出現(xiàn)的問題進行改進，并加以推廣應用。