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煤粉工業鍋爐係統除塵器濾袋失效原因分析

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0 引言

近年來,霧霾天氣的頻繁出現致使我國大氣質 量受到嚴重危害,以可吸入顆粒物(PM10)、細顆粒 物(PM2.5)為特征汙染物的區域性大氣環境問題 日益突出,不僅危害人類健康,也影響了社會的和諧 穩定,因此《大氣汙染防治行動計劃》的執行刻不容緩[1-3]。2014年7月1日由環保部和國家質監總局 聯合發布了新修訂的GB1327—2014《鍋爐大氣汙 染物排放標準》已正式開始實施,其中煙塵的排放 質量濃度限值由原來的50mg/m3降低到30 mg/m3,天津、北京等部分地區的地方標準已要求到 10mg/m3[4]。該標準實施之後,高效煤粉工業鍋爐 作為高效節能減排產品更加得到用戶的認可,其市場占有率日趨擴大,而作為煤粉工業鍋爐係統的重 要組成部分除塵器也在其中起著關鍵作用。布袋除 塵器因其除塵效率高,受鍋爐燃燒工況和粉塵特性 影響小,具有使用壽命長和運行穩定的特點,被廣泛 應用於工業煤粉鍋爐尾部煙氣除塵,而布袋除塵器 的優劣又取決於其核心部件———濾袋,它直接影響 了工業煤粉鍋爐係統的煙塵排放[5-8]。煤炭科學技 術研究院有限公司節能工程技術研究分院在某2個 鍋爐房項目中選用布袋除塵器作為除塵設備,在運 行一采暖季後,均發現濾袋出現破裂、失效問題。筆 者針對這一問題借助實驗設備對失效濾袋進行測試 分析,旨在推斷濾袋失效的原因,並提出解決措施, 從而延長布袋使用壽命。

1 實驗部分

1.1 實驗對象

實驗對象為某2個煤粉工業鍋爐係統布袋除塵 器使用一采暖季後失效的濾袋,並選用標準聚苯硫 醚(PPS)、滌綸纖維和玻璃纖維樣品作為對照組。 每個除塵器分別取一塊待測濾袋,共2塊(即1號樣 品和2號樣品)。1號樣品取約327mm×287mm濾 袋;2號樣品取袋頭段長約350mm,內周長約為 395mm。

1.2 實驗內容

實驗首先對2組樣品進行外觀的觀察分析;然 後利用紅外光譜分析樣品材質及失效特性;接著通 過電鏡掃描儀進行內部形貌的分析判斷;最後將樣 品進行常規性能測試並在熱重分析儀上進行了差熱 分析,由此找出可能存在的失效原因。

1號樣品外觀

圖1 1號樣品外觀

2號樣品外觀

圖2 2號樣品外觀

2 實驗結果與分析

2.1 外觀分析

1號樣品外觀如圖1所示。通過圖1觀察到 1號樣品迎塵麵較粗糙,呈絨毛狀,存在很多粉 塵,剝離性較差;同時粉塵呈酸性,pH=6;觀察清 灰後的濾料,可見濾料纖維層含有直和卷2種纖 維。由此初步分析濾料材質可能是造成失效的 主要原因。

2號樣品外觀如圖2所示。從圖2可以看出 2號樣品受粉塵汙染,呈黑色,粉塵呈酸性,pH= 6;距袋頭95mm處有1處約為150mm×65mm 的破口,從迎塵麵看可見基布。從上述結果推測 可能是粉塵衝刷、濾袋與袋籠之間摩擦導致濾袋失效。

2.2 光譜結果分析

圖3為1號樣品的濾料基布及迎塵麵和淨氣麵 中直和卷2種纖維的紅外光譜圖。

1 號樣品紅外光譜

圖3 1號樣品紅外光譜

由圖3可以看出:濾料基布和直狀纖維的吸收 峰與玻璃纖維吻合,卷狀纖維的吸收峰與滌綸PE 吻合;這一現象說明該濾料基布為玻璃纖維,纖維層 含有玻璃纖維和滌綸PE兩種纖維,與采購所要求 的PPS材質不符,由此導致濾料失效,與外觀實驗推斷吻合。

2號樣品和PPS的對照紅外光譜圖如圖4所 示。由圖4可知,濾袋迎塵麵、基布、淨氣麵的主要 特征吸收峰與PPS濾料基本吻合,且表麵出現 1205~1207、1151cm-1歸屬於C-F的吸收峰,由此 說明該樣品材質為PPS,同時表麵經過四氟乙 烯(PTFE)乳液處理,並未受到明顯的氧化腐蝕,因 此濾料失效原因不是化學氧化腐蝕。

2號樣品紅外光譜

圖4 2號樣品紅外光譜

2.3 電鏡掃描結果分析

1號樣品迎塵麵和淨氣麵的電鏡如圖5所示。 由圖5可知,迎塵麵和淨氣麵均含有直徑不同的2 種圓形纖維,而且形貌上與PPS有明顯差異,較細 的屬於玻璃纖維,較粗的是滌綸PE纖維,由此可斷 定濾料主要由玻纖和滌綸PE兩種纖維組成,最終 證實了上述推測,即1號樣品失效主要原因為濾料 材質非PPS。

因為PPS纖維在較高溫度下具有優良的強度、 剛性及耐疲勞性[9-10];可在240℃下連續使用,基本 上不會出現質量損失;在204℃的高溫環境下2000 h後仍有90%的強度保持率,同時PPS具有與PTFE 相媲美的優異化學性能,可以抵抗酸、堿、烴、酮、 醇、酯、氯烴等化學品的腐蝕,體現了優良的紡織加 工性能,是高溫煙道或特殊熱介質中濾料的最佳選 擇[11-12];成型收縮率和線性膨脹係數較小,吸水率 低,其製品在高溫高濕的環境中不易變形[13]。PPS 具有耐高溫、耐腐蝕性、耐磨機械強度高、壓力損失 小等特性,而玻璃纖維和滌綸纖維與PPS則差距較 大。在煤粉工業鍋爐係統排煙溫度低於150℃的正 常運行工況下,玻璃纖維可以滿足該工況溫度要求, 但滌綸纖維的耐熱溫度隻在120℃以下,低於工況 溫度,因此在150℃的工況下由玻璃纖維和滌綸纖 維混紡的1號樣品濾料會由於滌綸纖維的強度下降 而導致整體強度下降。其次是在煤粉鍋爐運行工況 下,煙氣中含有一定的SO2和NOx,也會造成玻璃纖維和滌綸纖維混紡濾料的腐蝕[14]。最後由於玻璃 纖維隻能應用於反吹清灰技術(微壓清灰)和低流 速(v≤0.6m/s),而不能應用於煤粉工業鍋爐係統 中的脈衝清灰方式(清灰壓力在70~700kPa)和高 流速(v=0.8~1.0m/s)運行狀態。但是PPS對2 種清灰方式和高風速均適用。

1 號樣品電鏡

圖5 1 號樣品電鏡

2號樣品迎塵麵和淨氣麵的電鏡如圖6所示。 由圖6可知,迎塵麵纖維多數屬於大範圍斷裂;淨氣 麵部分纖維受損,表現為纖維變尖、變細、發生斷裂, 可以初步推斷濾料纖維斷裂由磨損所致,但仍需進 一步驗證。

2號樣品電鏡

圖6 2號樣品電鏡

2.4 差熱結果分析

2號樣品DTA曲線如圖7所示。由圖7可知, 濾袋的熔點和最高分解溫度分別為283.6、 628.7℃,略高於新袋PPS(熔點279.7℃、最高分解溫度599.3℃),證實待測濾袋並沒有受到較高 溫度的腐蝕,保持著良好的熱穩定性能。

2 號樣品DTA 曲線

圖7 2 號樣品DTA 曲線

2.5 常規性能分析

2號樣品常規性能測試結果見表1。

表1 2 號樣品常規性能測試結果
項目 條件 測試值1 測試值2
質量/ (g·m-2 ) 載灰時 1126 1097
清灰後 588 675
透氣量∗ /(L·dm-2 ·min-1 ) 載灰時 1.657 3.887
清灰後 70.84 61.16
斷裂強力/ (N·cm-1 ) 橫向 389.5.5 182.7.5
縱向 129.2 178.1
斷裂伸長率/ % 橫向 28.20 15.30
縱向 11.05 16.90

注:200Pa壓力下。

由表1可以看出:強力清灰後,質量和透氣 量恢複性較差;濾袋橫縱向強力分布不均勻,局 部明顯降低,並非全部下降,由該現象可確定濾 袋失效不屬於化學腐蝕。最終驗證了2號樣品 失效主要原因為機械磨損,而非化學高溫、氧化 腐蝕。通過上述分析可知,噴吹管歪斜造成噴吹 位置不當是造成布袋磨損嚴重的直接原因,由於 噴吹管上的噴嘴與花板孔之間同心度達不到要 求或噴嘴與花板之間垂直度不夠而導致噴吹過 程中壓縮空氣直接吹到濾袋袋身上,造成了濾袋 局部受衝擊過大而破損。建議在安裝過程中注 意噴吹口與濾袋袋口中心的相對位置,防止由安 裝不當導致壓縮空氣直接吹到濾袋袋身上而造 成濾袋失效。

3 結論

1)從煤粉工業鍋爐係統運行穩定性、運行成 本、係統安全及環保角度等方麵綜合比較,PPS材質是煤粉鍋爐係統運行工況下的最佳選擇,但是PPS 濾料在耐氧化性上稍差,因此鍋爐係統應盡量減少 低負荷運行,以免發生高溫氧化造成化學腐蝕而導 致濾料失效。

2)1號鍋爐係統除塵器濾袋濾料由滌綸纖維和 玻璃纖維組成而非PPS濾料,濾料材質選用不當為 濾袋失效的主要原因,為高效煤粉工業鍋爐工程實 踐選取同種材質濾料提供理論基礎。

3)2號鍋爐係統除塵器濾袋失效原因為機械損 傷,主要由於噴吹位置安裝不當,噴吹管上的噴嘴與 花板孔之間同心度未達到要求。因此,除塵器安裝 時一定要確保袋籠、濾袋垂直安裝,且無搭橋、碰撞 現象;噴吹管和噴嘴需設計合理,安裝準確,確保噴 吹口正對濾袋袋口中心,以此來避免由噴吹位置安 裝不當而造成濾袋失效。

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