谷艷玲，陳長征，谷曉嬌(沈陽工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧沈陽110870)

實(shí)驗(yàn)研究

袋式除塵器高溫?zé)煔饪刂萍夹g(shù)研究

谷艷玲，陳長征，谷曉嬌
(沈陽工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧沈陽110870)

大氣環(huán)境問題日益嚴(yán)重，在煙塵治理中袋式除塵越來越占居主導(dǎo)地位。為有效保證高溫?zé)煔獬龎m效果，降低成本，從溫度控制、清灰機(jī)制、壓力調(diào)控等方面進(jìn)行研究。鑒于除塵參數(shù)復(fù)雜多變、工況波動(dòng)大，將現(xiàn)代控制理論應(yīng)用于袋式除塵器中。結(jié)合除塵經(jīng)驗(yàn)，改進(jìn)隸屬度函數(shù)，設(shè)計(jì)除塵器溫度模糊控制器。通過對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集和分析，對比控制結(jié)果。應(yīng)用表明:模糊溫度控制方法和聯(lián)合清灰機(jī)制在袋式除塵器控制中具有良好的效果。

袋式除塵器;溫度控制;清灰機(jī)制;壓力調(diào)控;模糊控制

0　前言

袋式除塵器是治理空氣污染的高效除塵設(shè)備，在我國化工、冶金、礦山、機(jī)械、水泥、建材等行業(yè)早已得到廣泛應(yīng)用，主要用來捕集細(xì)小、干燥的非纖維性粉塵。

在實(shí)際工程應(yīng)用中，袋式除塵效率可達(dá)到99.99%以上，粉塵排放濃度能達(dá)到10 mg/m3以下，甚至達(dá)到1 mg/m3，基本上達(dá)到零排放。同時(shí)，袋式除塵器的分級(jí)效率也很高，對PM10、PM5、PM2.5等細(xì)微顆粒物都有很高的捕集效率，這是袋式除塵器的過濾除塵機(jī)理決定的，而其他除塵器做不到的，袋式除塵器除塵效率極高。袋式除塵器還是較好的物料收集器，在鋼鐵、水泥、有色冶金、化工等行業(yè)中應(yīng)用，回收了在廢氣中的有用資源，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。袋式除塵器既可有效地保護(hù)大氣環(huán)境，又可回收許多寶貴的資源。在國家高度重視節(jié)約能源和環(huán)保能源的條件下粉塵治理有深遠(yuǎn)的研究價(jià)值［1］，袋式除塵器在煙塵冶理中占有很大的份額，因此，為保證有效的除塵效果，研究袋式除塵器的高溫?zé)煔饪刂聘幸饬x。

1　溫度控制

袋式除塵器在應(yīng)用中經(jīng)常遇到高溫?zé)煔?，如火電廠燃煤鍋爐、工業(yè)爐窯、垃圾焚燒除塵等。袋式除塵器主要部分是濾袋，我國常用高溫?zé)煔鈨艋臑V料有聚苯硫醚纖維(PPS)、聚四氟乙烯纖維(PTFE，Teflon“特氟隆”)、聚酰亞胺纖維(P84)、芳綸(Nomex)及各種涂層復(fù)合材料等［2］。不同的濾料耐溫特性不同，見表1。當(dāng)溫度高于纖維的連續(xù)使用溫度時(shí)，會(huì)加快化學(xué)反應(yīng)速率，容易變形和老化［3］。袋式除塵器使用中，煙氣溫度過高會(huì)降低布袋壽命甚至可能燒毀布袋，而溫度過低則會(huì)發(fā)生結(jié)露，腐蝕布袋。因此，布袋除塵器在處理高溫?zé)煔鈺r(shí)對煙氣溫度要求很高，對煙氣溫度的控制至關(guān)重要。

表1　濾料耐溫特性Tab.1 Temperature resistant of filtermaterial

1.1模糊控制

工業(yè)爐窯爐溫度高、波動(dòng)大，而且冷卻狀況及外界溫度的變化，都將引起煙氣溫度的波動(dòng)。一旦煙氣溫度超標(biāo)，就會(huì)影響除塵器的運(yùn)行效果和經(jīng)濟(jì)性。袋式除塵器通過控制混風(fēng)閥開度可使混合后的煙氣溫度降至設(shè)定溫度，混合后的煙氣溫度取決于冷卻氣體量?；祜L(fēng)閥的實(shí)際工作流量與閥門開度并不成正比，即混合后的煙氣溫度與冷卻氣體量成典型非線形關(guān)系。

目前，袋式除塵的溫度控制主要有人工調(diào)整控制和傳統(tǒng)PID控制。人工控制時(shí)，只在超溫報(bào)警后進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)，實(shí)際的效果很不理想，煙氣溫度波動(dòng)較大，不能使煙氣溫度長期處于最佳工作溫度。PID控制器因不能及時(shí)地調(diào)整自身的控制參數(shù)，容易出現(xiàn)超調(diào)和振蕩，自適應(yīng)性較差［4-5］。模糊控制不需要對象模型，利用專家的模糊知識(shí)表達(dá)完成控制任務(wù)［6］。采用模糊控制器對煙氣溫度進(jìn)行控制，在一定的范圍內(nèi)取得了較好的控制效果［7］。

1.2模糊變量

溫度控制的最終目的是將煙氣溫度維持在最佳工作范圍內(nèi)，因此煙氣溫度偏差是非常重要的模糊輸入?yún)?shù)。而煙氣溫度偏差變化率能夠較好地反映煙氣溫度的變化情況，更好地反映了調(diào)節(jié)效果，作為另一個(gè)模糊輸入?yún)?shù)。影響煙氣溫度的關(guān)鍵因素是冷卻氣體量，具體到實(shí)際的過程中就是混風(fēng)閥開度。

采用溫度偏差量E、溫度偏差變化率EC作為輸入;混風(fēng)閥閥門開度U作為輸出。溫度偏差E(t)=T(t)－T0，T0為溫度給定值;混風(fēng)閥開度(U)的基本論域?yàn)椋?%，100%］，即［0°，90°］。量化等級(jí)范圍為［－6，+6］，E、U預(yù)設(shè)的模糊子集為:{負(fù)大(NB)，負(fù)中(NM)，負(fù)小(NS)，零(O)，正小(PS)，正中(PM)，正大(PB)}。EC預(yù)設(shè)的模糊子集為:{負(fù)大(NB)，負(fù)小(NS)，零(O)，正小(PS)，正大(PB)}。模糊參數(shù)隸屬函數(shù)m(E)、m(EC)、m(U)，采用三角函數(shù)。結(jié)合經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，改進(jìn)隸屬度函數(shù)，如圖1所示。改進(jìn)后，每個(gè)參數(shù)對應(yīng)的模糊子集主值的位置并不是均勻的。這主要是由各參數(shù)互為影響的大小決定的，只在對溫度有重要影響的地方才進(jìn)行顯著變化，否則變化不大。在溫度控制問題上，按照人們的經(jīng)驗(yàn)，在溫度偏差E較大時(shí)可以粗略地進(jìn)行調(diào)整，而越靠近理想溫度時(shí)要注意準(zhǔn)確度。溫度偏差大，混風(fēng)閥開度大，混風(fēng)時(shí)間長，而過大的混風(fēng)量可能導(dǎo)致反向調(diào)節(jié)，產(chǎn)生振蕩。因此，對于偏差E，靠近最小處的隸屬函數(shù)的區(qū)域小，中間區(qū)域比較大，而在最大的邊緣處隸屬度反而小。對于偏差變化率EC，靠近中間(絕對值最小)處的隸屬函數(shù)的區(qū)域最小，越靠近兩側(cè)邊緣越大。對于U，靠近全開(90°)的地方，隸屬函數(shù)的區(qū)域比較小，靠近全關(guān)(0°)區(qū)域比較大。

圖1　語言變量的隸屬函數(shù)Fig.1 Membership function of linguistic variables

1.3模糊規(guī)則

根據(jù)E和EC對U的影響關(guān)系及經(jīng)驗(yàn)，人為確定規(guī)則，所有規(guī)則都采用“IF A and B THEN C”的形式，得到混風(fēng)閥開度(U)控制規(guī)則，見表2。

表2　溫度模糊控制Tab.2 The fuzzy control of temperature

改進(jìn)后的模糊控制器控制效果良好，過渡時(shí)間短，收斂性和抗干擾能力有所提高。使系統(tǒng)溫度控制在布袋正常工作溫度，不僅防止高溫?zé)偷蜏亟Y(jié)露，更延長了布袋使用壽命。這樣使整個(gè)除塵系統(tǒng)處于一個(gè)穩(wěn)定、健康的運(yùn)行狀態(tài)。

2　阻力調(diào)控

袋式除塵器的阻力，又稱“壓差”，是指煙氣通過除塵器時(shí)的壓力損失，即除塵器進(jìn)、出口的壓力差。

袋式除塵器的工作阻力ΔP1，主要由ΔPj和ΔPf兩部分組成，即

式中，ΔPj為除塵器結(jié)構(gòu)阻力，Pa;ΔPf為覆塵濾料阻力，Pa。

ΔPj是指氣體通過除塵器入口、出口產(chǎn)生的阻力，流經(jīng)除塵器的煙氣流量和流速恒定下，基本不變。ΔPf是指在濾料表面形成粉塵層后，由濾料本身及粉塵覆層產(chǎn)生的阻力，如圖2所示。濾袋清灰后，其壓力損失能降到清灰前的20%～80%，為保證壓力穩(wěn)定選擇合適的清灰時(shí)間。

圖2　殘留在濾袋深層的粉塵Fig.2 Residual dust in deep bag

2.1袋式除塵器的管道阻力計(jì)算

除塵系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，管道系統(tǒng)配置應(yīng)從總體布局考慮，統(tǒng)一規(guī)劃，合理布局，力求簡單、緊湊、適用、美觀，而且安裝、操作、維修方便，并盡可能縮短管線長度，減少占地與空間，節(jié)省投資。管道布置應(yīng)力求順直、減小阻力［8］。

除塵系統(tǒng)管路壓力損失主要由沿程壓力損失Δpl(管路直線部分阻力)和局部壓力損失Δpz(管路彎頭部分阻力)兩部分組成。

式中，λ為摩擦阻力系數(shù);v為風(fēng)管內(nèi)氣體的平均流速，m/s;ρ為氣體的密度，kg/m3;l為風(fēng)管長度，m;D為圓形風(fēng)管的直徑，m;n為彎頭數(shù)量;z為彎頭局部壓力損失，Pa;ξ為局部阻力系數(shù);v為氣體流速，m/s。

建立流體模型，對管道內(nèi)的阻力進(jìn)行分析。模擬管道內(nèi)氣流環(huán)境，分析管路彎頭局部壓力損失，對其進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，分析其性能。如圖3所示。

圖3　管道中截面壓力等值線譜Fig.3 Cross-section pressure contour line in pipeline

通過云圖可以看到，直管道中，管道內(nèi)的阻力變化均勻，隨著距離的增大;直角管道中，管道內(nèi)的阻力變化較大，特別是在轉(zhuǎn)彎處;鈍角管道中，管道內(nèi)的阻力在轉(zhuǎn)彎處變化較大，但相比直角管道壓力損失明顯減小。通過上述分析可知，管道設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量縮短直管道長度，減少彎頭個(gè)數(shù)，并且轉(zhuǎn)彎處盡量采用鈍角管道。

2.2清灰機(jī)制

對于袋式除塵器，脈沖清灰系統(tǒng)，控制參數(shù)主要是脈沖寬度和除塵周期。一般情況下是通過在實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和現(xiàn)場調(diào)試而設(shè)定的，沒有一定的公式或函數(shù)。

傳統(tǒng)上除塵器清灰多采用定時(shí)或定壓差控制。定時(shí)清灰屬于開環(huán)控制，按照預(yù)先設(shè)定的清灰周期控制清灰，并不考慮除塵器實(shí)際阻力。定壓差清灰屬于簡單閉環(huán)控制，根據(jù)除塵器實(shí)際阻力的大小來控制清灰。清灰系統(tǒng)設(shè)定一個(gè)阻力上限值，當(dāng)阻力大于上限時(shí)，開始清灰。

定時(shí)控制可能會(huì)產(chǎn)生因煙氣量變化而清灰頻率不變所導(dǎo)致一次粉塵層破壞的現(xiàn)象。定壓差控制就要嚴(yán)格保證壓力傳感器靈敏度狀況。而各種工業(yè)爐窯窯內(nèi)本身就有一定的壓力要求，但無論定時(shí)或定壓差控制都不能兼顧窯內(nèi)壓力要求。綜上分析，除塵系統(tǒng)采用定時(shí)、定壓差、窯壓三方聯(lián)合控制。根據(jù)時(shí)間、壓差及爐窯壓力的變化共同完成清灰動(dòng)作，保證除塵器清灰系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。

3　應(yīng)用

遼寧某玻璃廠制瓶車間，根據(jù)環(huán)境監(jiān)測站實(shí)際測量，治理前煙氣排放濃度的平均值為211.07 mg/m3。嚴(yán)重超過了《工業(yè)爐窯大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB9078-1996)二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要求的粉塵濃度排放極限60 mg/m3。

3.1煙塵檢測

粉塵是玻璃窯高溫?zé)煔庵械闹饕廴疚?，利用掃描電鏡對煙塵顆粒的物理形態(tài)在1 000到10 000倍放大狀態(tài)下進(jìn)行觀測，結(jié)果如圖4所示。

圖4　粉塵顆粒形狀Fig.4 Dust particles shape

由圖片可清楚看到煙塵顆粒(放大1 000倍)呈大小不等的團(tuán)球狀，顆粒邊緣(放大10 000倍)也成團(tuán)球狀，并未見針狀煙塵。由此可見，該煙塵對除塵布袋損耗不會(huì)很大，并且容易清灰，適于采用袋式除塵方式。

3.2溫度控制

該爐窯煙氣溫度變化范圍較大，冬春季節(jié)用于廠區(qū)供暖，兩臺(tái)余熱回收鍋爐滿載運(yùn)行，經(jīng)檢測鍋爐出口溫度在165～220℃之間變化。夏秋季由于停止供暖，一臺(tái)余熱鍋爐停機(jī)，經(jīng)檢測鍋爐出口溫度在226～292℃之間變化。實(shí)際運(yùn)行中，濾料為拒水防油美萊斯復(fù)合針刺過濾氈，最低工作溫度為120℃，最佳工作溫度范圍為180～220℃，瞬時(shí)最高溫度為260℃。

冬春季時(shí)，煙氣溫度滿足該布袋的最佳工作范圍，因此煙氣直接通過管道進(jìn)入除塵器內(nèi)。夏秋季溫度較高，冷卻器啟動(dòng)進(jìn)行一級(jí)降溫，煙氣經(jīng)過冷卻器降溫后，啟動(dòng)混風(fēng)閥，進(jìn)行二級(jí)降溫，最后進(jìn)入除塵器經(jīng)行除塵。

設(shè)定煙氣溫度給定值T0=200℃，溫度偏差E的基本論域定義為［－60℃，+60℃］，溫度變化率EC基本論域定義為［－20℃/min，20℃/ min］，混風(fēng)閥開度U的基本論域?yàn)椋?°，90°］。

取夏季某天發(fā)生人工參與調(diào)整時(shí)間段的人工控制結(jié)果與第二天同一時(shí)間段模糊控制結(jié)果進(jìn)行比較，如圖4所示。人工控制采用極限超溫報(bào)警的形式，即只要煙氣溫度在溫度范圍內(nèi)人工不予干預(yù)，超溫報(bào)警后人工調(diào)整，調(diào)整結(jié)果與工人的反應(yīng)時(shí)間及經(jīng)驗(yàn)有關(guān)，具有不確定性。采用模糊控制，煙氣溫度雖仍然具有一定波動(dòng)性，但基本穩(wěn)定在最佳使用溫度為200℃上下，未發(fā)生超溫現(xiàn)象。

圖5　溫度控制結(jié)果對比圖Fig.5 Temperature comparison chart of fuzzy control and manual control

3.3清灰機(jī)制

玻璃爐窯的窯壓是窯內(nèi)的一個(gè)重要參數(shù)，要求能保持微正壓，而且保持壓力穩(wěn)定。如果窯壓過大不僅會(huì)降低成型玻璃液的質(zhì)量，還會(huì)影響燃燒，損壞窯體。

除塵器在試用期間，開始采用定壓差除塵，壓力傳感器在一個(gè)月內(nèi)出現(xiàn)故障。維修時(shí)，采用定時(shí)除塵。定時(shí)除塵期間，發(fā)生窯壓超高現(xiàn)象，工人只好將備用管路開通，致使部分煙氣未經(jīng)除塵直接排入大氣。最后，采用定時(shí)定壓差、定窯壓聯(lián)合控制。除塵運(yùn)行期間，窯壓基本穩(wěn)定，同時(shí)除塵器阻力正常，運(yùn)行良好。

4　結(jié)論

袋式除塵器在處理高溫?zé)煔鈺r(shí)，在溫度控制中采用模糊控制具有良好的除塵效果。結(jié)合經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，考慮參數(shù)間的相互影響關(guān)系，模糊參數(shù)的隸屬函數(shù)采用非均勻分布的三角函數(shù)。清灰機(jī)制打破傳統(tǒng)，提出定時(shí)、定壓差和定窯壓聯(lián)合控制機(jī)制?，F(xiàn)場應(yīng)用效果良好，溫度始終處于正常工作范圍，避免高溫?zé)?、低溫結(jié)露，從而有效保證了設(shè)備正常運(yùn)行，有效降低了成本。清灰系統(tǒng)工作正常，窯爐壓力未因?yàn)槌龎m器阻力而產(chǎn)生不穩(wěn)定情況。除塵效果良好，達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)，布袋壽命延長。

［1］我國袋式除塵行業(yè)2012年發(fā)展綜述［J］．中國環(huán)保產(chǎn)業(yè)，2013(5)．

［2］張鵬，朱銳鈿，倪冰選．高溫?zé)煔鈨艋煤铣衫w維發(fā)展現(xiàn)狀［J］．中國纖檢，2011(11):80－81．

［3］SANG Yuong Yeo，oh Seung Kin，Effects of Processing Condition on the Filtration Performances of Nnonwovens for Bag Filter Media［J］．Journal of Materials Science，2005(4):5393－5398．

［4］黑偉亮，謝劍英，王林．新型布袋除塵控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］．自動(dòng)化儀表，2006，27(3): 56－58．

［5］王卓，高鵬，夏國慶．基于模糊控制的電解整流電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］．重型機(jī)械，2009(3):47－50．

［6］諸靜．模糊控制理論與系統(tǒng)原理［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005．

［7］齊曉芳，陳長征．變工況玻璃窯爐布袋除塵器溫度控制方法［J］．機(jī)械工程師，2010(1):103－105．

［8］周興求．環(huán)保設(shè)備設(shè)計(jì)手冊大氣污染控制設(shè)備［M］．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2004．

Research on high tem perature fume control technology of bag house dusting

GU Yan-ling，CHEN Chang-zheng，GU Xiao-jiao
(School of Mechanical Engineering，Shenyang University of Technology，Shenyang 110870，China)

With the atmospheric environment problem increasingly serious，bag house dusting plays a central role in smoke and dust treatment．In order to ensure dusting results by high temperature fume and cut costs，the paper studies the key techniques of bag house of temperature control，cleaningmechanism，pressure regulation and so on．In view of the fact that the parameters ofbag house are complex and theworking condition fluctuates severely，modern control theory is applied in bag dusting technology．Based on the dusting experience，the membership function is improved，and the temperature fuzzy controller for dust collector is designed，and through collecting and analyzing of field data，the control results are compared．The results show that the temperature fuzzy control method and themultidimensional cleaningmechanism have good control effect in bag house dusting．

bag house dusting;temperature control;cleaningmechanism;pressure regulation;fuzzy control

TP273;TH6

A

1001－196X(2015)02－0017－05

2014－11－18;

2014－12－25

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51205259、51305276)

谷艷玲(1976－)，女，沈陽工業(yè)大學(xué)講師，博士研究生。主要研究方向:智能控制、機(jī)械振動(dòng)噪聲控制。