袋式除塵器用濾料失效分析

柳靜獻，毛 寧，常德強，孫 熙，王金波

（東北大學濾料檢測中心，沈陽 110004）

袋式除塵器用濾料失效分析

柳靜獻，毛 寧，常德強，孫 熙，王金波

（東北大學濾料檢測中心，沈陽 110004）

隨著袋除塵在工業煙塵控制領域的廣泛應用，濾料失效越來越引起行業重視。應用故障樹分析方法系統研究了濾料失效的模式，并對濾料破損失效、濾料阻力增大失效、濾料透濾排放超標失效進行了致因分解，找出了引起濾料失效的最基本原因事件，對指導現場安全使用濾料有較好的幫助。

袋式除塵；濾料失效；故障樹分析

1 概述

理論研究與工程實踐證明，袋式除塵是控制工業煙塵尤其是PM2.5細微顆粒物排放的最有效手段，在我國工業煙塵控制中發揮著重要作用，也做出了很大貢獻[3]。濾袋是袋式除塵器的核心，對細微顆粒物的過濾起著關鍵作用。近年來東北大學濾料檢測中心對眾多客戶的濾袋測試與現場調查表明，袋除塵在使用中，由于現場煙氣參數、設備條件、運行工況，以及除塵器設計與安裝質量、濾袋自身等多種因素的影響，使濾袋出現失效的案例時有發生，不僅造成了一定的經濟損失，也對袋除塵的推廣使用產生了不利影響[4、5]。

本文引入故障分析方法[6、7]，系統研究袋除塵濾料失效的模式與原因，為袋除塵器的可靠使用提供幫助。

2 濾料失效模式分析

濾袋安裝于袋除塵器的花板上，懸吊于塵氣室中，含塵氣體從除塵器入口進入塵氣室，在系統風機的負壓抽風作用下，從濾袋外部穿透濾料進入其內部，粉塵被過濾捕集在濾袋的外表面。隨著濾袋外表面的粉塵厚度增加，濾袋阻力增大。當阻力達到設定值時，脈沖清灰系統控制壓縮空氣從濾袋頂部噴入，對濾袋進行瞬間清灰，實現濾袋再生。

濾袋由不同材質的纖維經過針刺或水刺加工而成，具有除塵效率高、清灰容易的優點，且過濾性能不受粉塵性質影響。但濾袋作為柔性織物，機械性能較脆弱，在使用中容易受到損害而發生破損。

故障樹分析（Fault Tree Analysis，簡稱FTA）是可靠性與安全工程領域基于邏輯推理研究導致故障發生原因的分析方法[8、9]。它把最不希望發生的故障狀態或失效事件作為目標（頂事件），通過下行法找出導致頂事件發生的下層事件（中間事件）。頂事件與中間事件之間用邏輯門連接，表達兩級事件的內部邏輯關系。如果所有的中間事件發生頂事件才會發生的話，用“與”門連接，用符號“”表示；如果任何一個中間事件發生頂事件就會發生的話，用“或”門連接，用符號“”表示。針對每個中間事件，再下行追溯找出導致其發生的下層事件，如此類推，直到下層事件不可分解或沒意義分解時為止，最下層的事件稱為基本事件。由一個頂事件、若干中間事件、眾多的基本事件通過邏輯與門、或門表達其間關系構成的倒置樹即為故障樹。

袋除塵器濾料失效頂事件T是由濾料破損失效A1、濾料阻力大失效A2和濾料透濾排放超標失效A3引起，三者中任一事件發生，頂事件即發生。所以頂事件與三個中間事件之間用邏輯或門連接，如圖1所示。

圖1 袋除塵器濾料失效頂事件故障樹分析

3 濾料破損失效分析

引起濾料破損A1事件發生的原因有空氣動力損傷A11、機械損傷A12、化學損傷A13、熱損傷A14四個原因要素，而這四個要素又是由很多基本因素引起。濾袋破損失效的故障樹分析如圖2所示。空氣動力損傷A11、機械損傷A12常表現為除塵器箱體中特定部位的個別或部分濾袋失效，化學損傷A13、熱損傷A14則表現為除塵器中所有濾袋全部失效。

如果清灰系統或塵氣室有缺陷，且濾袋本身抗沖刷能力弱，則濾袋在氣流沖刷作用下，容易產生空氣動力損傷。濾袋受到的沖刷作用可能來自于濾袋頂部的脈沖清灰高壓空氣，也可能來自于濾袋外部的含塵氣流沖刷。當濾袋頂部的噴吹管安裝不正，且袋口無金屬保護筒的情況下，濾袋會受到頂部噴吹氣流沖刷，進而產生損壞。濾袋外部氣流沖刷來自于除塵器箱體入口風流過分集中、或各倉室間分風不均、再或者灰斗灰位過高氣流揚起高濃度灰塵，導致含塵氣流局部風速過大，對濾袋外部快速磨蝕，產生破損。

如果濾料機械性能弱，且系統存在機械損傷因素，則濾袋易產生機械損傷失效。系統存在的機械損傷因素包括花板不平、袋籠不正或安裝問題導致濾袋底部彼此間摩擦、濾袋與骨架摩擦、濾袋與箱體摩擦產生破損；或濾袋與濾袋之間、濾袋與箱壁之間、濾袋與骨架之間產生刮碰導致破損；或濾袋在安裝過程由于施工不細心導致濾袋刮漏；再或者濾袋在裝車、儲存、運輸過程中有野蠻操作，濾袋尤其是覆膜濾袋遭到沖擊、磨壓、褶皺導致破損。

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圖2 濾料破損失效事件故障樹分析

如果濾袋在帶有化學氣氛的煙氣中使用時，在酸堿氣氛或氧化、水解氣氛中容易產生化學損傷。如果濾袋在酸堿煙氣中使用，且由于濾料選擇不當，或濾料存在質量問題，纖維含有非耐腐材質纖維時，容易出現酸堿腐蝕破損。現場經驗表明，當煙氣溫度過低或除塵器箱體保溫性差時，煙氣可能低于其酸露點，煙氣中的水分會以液態形式存在，水分與煙氣中的酸、堿組分結合生成液態酸或液態堿，隨灰分被過濾附著在濾袋表面，濾袋與液態酸或液態堿長期的接觸腐蝕，會導致濾袋破損。與此相似，當窯爐系統空氣過剩系數大、或對煙氣超量摻風噴水、或煙道漏風時，會導致煙氣中氧氣或水分超量，如果濾袋本身的抗氧化能力差（如在燃煤電廠煙氣中使用的PPS濾袋即如此）或抗水解能力差（如滌綸濾袋），濾袋會產生破損。

濾袋在高溫煙氣中使用時，如果煙氣溫度超限或濾料由于選擇不當，或濾袋存在質量問題，纖維含有常溫材質纖維時，容易出現濾袋燒壞。煙氣超溫主要是由于鍋爐故障或煙氣降溫措施失效導致煙氣溫度超限。

4 濾料阻力大失效分析

阻力是濾袋主要參數之一，阻力越大、系統能耗越高，當濾袋阻力達到1500～1800Pa時，濾袋由于阻力過大而失效，應采取措施進行處理。濾袋阻力過大失效的故障樹分析見圖3。

圖3 濾料阻力增大失效事件故障樹分析

濾袋阻力過大失效包括非正常堵塞高阻力A21和到達壽命時粉塵浸入濾料內部造成堵塞的高阻力X23兩種情況。濾袋隨著使用時間的延長，其阻力逐漸增高，當濾袋使用時間到達其壽命時，濾袋內部積滿灰分屬于“正常”事件，需要馬上更換濾袋。如果濾袋是由于非正常阻塞導致的高阻力，原因或許是濾料表面黏塵導致的阻塞或濾料內部塞滿粉塵導致的阻塞。濾料表面黏塵是由于濾料發生結露糊袋現象，或由于黏性粉塵糊袋所致。結露糊袋是由于煙氣含濕量大且煙氣溫度低于露點所致。導致煙氣溫度低于露點的因素包括煙氣預熱器吸熱過量、除塵器箱體保溫性差或煙氣含硫量大。

通過對現場系統噴油點火起爐操作失敗而導致的黏性粉塵糊袋真實案例的分析，可得出該類事故是由于起爐時濾袋未預涂灰且濾料本身拒水防油性差或濾料表面后處理不好（例如表面燒毛、軋光有問題），再加上煙氣中的粉塵黏性大而導致的。煙氣中的黏性粉塵包括粉塵本身的黏性大或粉塵中含有油性污染物或粉塵為水解性粉塵遇水發黏。

濾料內部塞滿粉塵是由于濾袋剝離粉塵性能弱（例如濾料表面處理不好，清灰能力差）或除塵系統清灰強度低所致。系統清灰強度低是由于清灰方法不當或清灰制度不當或清灰動力不足引起的。清灰制度不當則包括清灰周期過長或清灰用脈沖噴吹壓力的波形不理想。

5 濾料透濾排放超標失效分析

效率是袋除塵的核心指標。隨著我國煙氣排放標準的趨嚴，濾袋透濾所致的排放超標失效逐漸增多。通過對現場收集的案例進行系統分析，繪制相應的故障樹如圖4所示，失效主要有四方面原因：1）濾料出現破損A1；2）濾料本身透濾A32；3）濾袋縫制質量不好A33；4）濾速過高A34。濾料破損失效A1前述已經討論；濾料本身透濾相對復雜，是由于濾料質量不好且粉塵粒徑過細所導致。目前，常用的濾料包括未覆膜濾料和覆膜濾料，由于未覆膜濾料質量不好導致排放超標的原因主要有濾料標重過低未達到要求或濾料透氣度過大或濾料后處理不好所致。覆膜濾料質量不好導致排放超標的原因包括濾料表面的覆膜脫落或膜破損或膜本身的孔過大。濾袋縫制質量不好的原因有濾袋縫制針孔過大且未對針孔做涂膠或密封處理，引發針孔透濾。袋除塵器過濾風速過高可能的原因包括設計過濾風速過高（尤其是排放要求≤5mg/Nm3的項目）或系統煙氣量增大導致濾速增加或工程在安裝時偷工減料導致濾袋面積減少濾速增大。

（2）濾料破損失效主要有空氣動力損傷所致濾袋破損失效、機械外因損傷所致濾袋碰磨刮漏失效、化學因素損傷所致失效，以及煙氣超溫所致熱傷失效四種。

（3）濾料阻力增高失效是由于濾袋表面黏灰或濾料內部粉塵阻塞所致。

（4）濾袋透濾排放超標失效主要是由于濾料破損、濾料本身質量、濾袋縫制質量，以及濾速過高因素所致。

（5）在袋除塵器的現場應用中，可根據FTA分析的結果，采取針對性措施，防止濾料失效故障的發生。

圖4 濾料透濾排放超標失效事件故障樹分析

6 結語

通過理論和實踐證明，故障樹分析可用于對濾袋失效的分析。通過邏輯推理，找出濾袋可能的失效原因。通過對袋除塵濾料失效的系統分析，可以得出如下結論：

（1）袋除塵濾料失效包括濾料破損失效、阻力增大失效和濾料透濾排放超標失效三種常見的失效模式。

[1]陳隆樞.袋式除塵技術對PM2.5控制的探討[J].中國環保產業，2013（7）：21-23.

[2]江得厚，王賀岑，董雪峰，等.燃煤電廠PM2.5及汞控制技術探討[J].中國環保產業，2013（10）：38-45.

[3]姚群，趙永平，錢磊，等.鋼鐵窯爐煙塵PM2.5控制技術與裝備[J].工業安全與環保，2016（1）：21-24.

[4]柳靜獻，常德強，毛寧，等.典型濾料對PM1.0/PM2.5/PM10細顆粒物捕集性能的研究[J].中國環保產業，2013（6）：22-25.

[5]柳靜獻，張海燕，常德強，等.NO2對煙氣除塵用聚苯硫醚濾料機械性能的影響[J].東北大學學報：自然科學版，2010（7）：1030-1034.

[6]Fausto Pedro García Márquez, Jesús María Pinar Pérez, Alberto Pliego Marugán, etc, Identification of critical components of wind turbines using FTA over the time[J]. Renewable Energy. 2016.3（87）: 869-883.

[7]Anjuman Shahriar, Rehan Sadiq, Solomon Tesfamariam. Risk analysis for oil & gas pipelines:A sustainability assessment approach using fuzzy based bow-tie analysis[J].Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2012.25（3）：505-523.

[8]梁芬，姜宏偉，郭亞男，等.基于FTA的焊接機器人故障診斷技術研究[J].機電工程， 2014，31（8）：1067-1070.

[9]胡玉娟，錢偉.基于FTA法的電動車火災事故的分析[J].防災科技學院學報, 2011，13（1）：23-26.

Failure Analysis of Filter Media for Bag House Precipitator

LIU Jing-xian, MAO Ning, CHANG De-qiang, SUN Xi, WANG Jin-bo
(Filter Test Center of Northeastern University, Shenyang 110004, China)

Fault Tree Analysis(FTA) is applied to study failure mode of bag house filter in the paper. Failure of filter breakage, failure of excessive resistance, and failure of excessive dust emission due to high penetration of filter are decomposed to find out the low level cause events and base cause events. The results are valuable for guiding the safely use of filter media.

Baghouse; filter media; failure; fault tree analysis

X701

A

1006-5377（2017）06-0036-04

國家“十三五”重大專項（2016YFC0801704，2016YFC0203701，2016YFC0801605）；國家“十二五”科技支撐項目（2015BAK40B00）。